建筑技术概论-建筑光学基本知识

第四章建筑光环境设计根据考古学者的说法，距今1万五千年，人类把火光单独作为照明加以利用，这一点可以从法国的拉斯科洞窟和西班牙的阿尔塔米拉洞窟中的壁画内容推测得出。这些壁画是在自然光完全照射不到的黑暗洞窟里，如果没有人工照明，壁画完全无法完成。第一节建筑光学基本知识路易·康说：“设计空间就是设计光亮”，“亮度空间”才是建筑设计作为一种空间视觉艺术的真正目的，而实体形式的构筑只是一种准备和前提。一.眼睛与视觉1.眼睛的构造和视看过程a.瞳孔：虹膜中央的圆形孔，它可根据环境的明暗程度，自动调节其孔径，以控制进入眼球的光能数量。b.水晶体：一扁球形的弹性透明体，它受睫状肌收缩或放松而改变形状和屈光度，使远近不同的外界景物都能在视网膜上形成清晰的影像。c.视网膜：光线经过瞳孔、水晶体在视网膜上聚焦成清晰的影像。d.感光细胞：分为锥状细胞和杆状细胞两种，它们处在视网膜最外层上，接受光刺激。锥状细胞在明亮环境下对色觉和视觉敏锐度起决定作用，它能分辨出物体的细部和颜色，并对环境的明暗变化作出迅速的反应；杆状细胞在黑暗环境中对明暗感觉起决定作用，它虽能看到物体，但不能分辨其细部和颜色，对明暗变化的反应缓慢。2.人眼的视觉特点a.视看范围(视场)受到感光细胞在视网膜上的分布状态以及眼眉、脸颊的影响，人的头部不动时人眼的视看范围为：水平面1800，垂直面1300，上方为600，下方为700。b.明视觉、暗视觉因锥状、杆状细胞起作用的不同，形成了明暗视觉。明视觉：在明亮环境中，能够辨认很小的细节、颜色，并能适应亮度变化的；暗视觉：在黑暗环境中，只有明暗感觉而无颜色感觉，也无法分辨物件的细节，对外部变化的适应能力低。c.颜色感觉颜色感觉中心波长/nm范围/nm颜色感觉中心波长/nm范围/nm红700640-750绿510480-550橙620600-640蓝470450-480黄580550-600紫420400-450d.光谱光视效率人眼观看同样功率的辐射，在不同波长时感觉到的明亮程度不一样。人眼的这种特性常用光谱光视效率曲线()来表示。如图，它表示获得相同视觉感觉时，波长和波长的单色光辐射通量的比。二.基本光度单位和应用光环境的设计和评价离不开定量的分析和说明，需要借助一些物理光度量来描述光源与光环境的特征。常用的光度量有：光通量、照度、发光强度和亮度1.光通量：光通量就是人眼对光能量中的有感觉的量。光通量符号：，单位：流明(lm)——光通量，;——波长为的光谱辐射通量，;——光谱光视频率：——最大光谱光是效能，明视觉时为683lm/W。100W普通白炽灯：1250lm40W荧光灯：2200lm2.发光强度：光源向四周辐射光能量，单位立体角内的光通量叫发光强度。立体角：单位：球面度（sr）发光强度计算公式：I=Ø/Ω单位：坎德拉（cd）40W白炽灯正下方：30cd正上方：03.照度：对于被照面而言，常用落在其单位面积上的光通量多少来衡量它被照射的程度。用E表示，表示的是被照面上的光通量密度。计算公式：E=Ø/A单位:勒克斯（lx）白炽灯下1m处的照度：30lx阴天中午室外照度：8000-20000lx晴天中午阳光下的室外照度：80000-120000lx4.发光强度和照度的关系（1）E=Ø/AØ=IΩ（）E=I/r2（光线垂直入射到被照表面，即入射角等于0）平方反比定律：点光源在一表面上形成的照度与它在这方向上的发光强度成正比，和入射光线与被照面法线形成的夹角余弦成正比，和它到被照面的距离平方成反比。（2）E=Icosa/r25.亮度：发光体在视线方向上单位投影面积发出的发光强度。单位：坎德拉每平方米，或熙提（sb），1sb=10000cd/m2。6.照度和亮度的关系:光源亮度和它所形成的照度间的关系。计算公式：La=Ia/Acosa白炽灯灯丝：300-500sb日光灯表面：0.8-0.9sb太阳：20万sbE=LaΩcosi立体角投影定律：它表示某一亮度为La的发光表面在被照面上形成的照度值的大小，等于这一发光表面的亮度La与该发光表面在被照点上形成的立体角Ω的投影cosi的乘积。该定律适用于光源尺寸相对于它的被照点距离较大时。一.人工光源相关概念1.色温：是用与光源具有相同色度的完全辐射体(黑体)的绝对温度来表示光源的颜色.它是19世纪末由英国物理学家洛德·凯尔文所创立的，他制定出了一整套色温计算法，而其具体界定的标准是基于以一黑体所发出来的波长。就是用黑体的温度来表示光源的颜色。色温为3300k时，人们感觉温暖，色温大于5300k，人们感觉冷。第二节人工光源一天中不同时段天空色温比较。2.显色性指数：CRI（colorrenderingindex)用来衡量光源表达颜色的好坏程度。用Ra来表示。最高标准显色指数为100。国际规定，像美术馆那样重视颜色可视度的空间，CRI达到90以上，对住宅和商店建议在85~95之间。3.光源光效:光源的效率用消耗的电能所产生的光的能量来表示,即总光通量/所耗电能。4.光源寿命光源的寿命是指从光源使用到光源不再发光,或者是其光通量变为低于既定值的使用时间。左边白炽灯：Ra100右边一般白色荧光灯：Ra61二.人工光源的分类：热辐射光源气体放电光源（一）热辐射光源：利用金属加热到1000k以上就可以发光的特性，人们发明了热辐射光源。1.白炽灯：发光原理：利用电流通过钨丝所产生的高温而发光。特点：可以直接在标准电源上使用，通电即亮，光效低12~20lm/w,只有2%~3%的电能转变为光能。散热量大，寿命短1000小时，灯丝亮度高，容易形成眩光，光色偏红，色温约为2800k，显色性好，Ra100无频闪，体积小，构造简单，耐频繁开关。适用场合：无频闪，耐频繁开关的场合2.卤钨灯：使用卤素气体的白炽灯，通常使用碘化物或溴化物加入到灯泡内。特点：光效和寿命均高于白炽灯，有的可以达到35lm/w。一般照明用的卤钨灯色温在2800~3200k，显色性非常好，一般显色性指数Ra=100寿命1500~2000小时,适用于施工工地，广场，码头等大面积照明。（二）气体放电光源3.荧光灯：（低压汞灯）发光原理：通过阴极发射电子，电子激发灯管内的汞蒸汽发出紫外线，紫外线照射灯光内壁的荧光粉涂层，发出可见光。特点：光效高，40~80lm/w，相对较低廉的初始费用和相对较长的灯寿命（6000~12000小时）光色取决于灯管内的荧光粉。灯管的表面温度低。光线柔和，关色好，可避免强烈眩光出现，荧光灯显色性一般。灯管的表面温度低。荧光灯需要整流器，产生频闪，和噪声。4.冷阴极管：（霓虹灯）发光原理：与荧光灯的发光原理相似，但是在更高的电压（9000~15000伏）下运行。特点：光效低，但能任意塑形，在尺寸上和形状上具有灵活性，能产生各种强烈鲜明的色彩。5.低压钠灯：发光原理：利用在低压钠蒸汽中放电，钠原子被激发而产生589nm的黄光。特点：低压钠灯是人工照明光源中效率最高的。大约是200lm/w，但是由于只发出单色黄光，因此显色性极差，主要主要应用于对光色没有要求的道路照明，隧道照明等。6.高强放电灯（high-intensitydischargelamp)HID：高压汞灯，高压钠灯，金属卤化物灯，氙灯的总称。发光原理：仍属于气体放电灯(原子受电子激发直接发光)特点：象白炽灯那样具有高亮度，象荧光灯那样具有较高的光效和使用寿命，适用于大尺度的商业项目的重点照明和泛光照明。高压汞灯：发光原理与荧光灯相同，管内的汞蒸汽为1~5个大气压，光效高，50lm/w，寿命长，10000~20000小时，主要用于广场和道路的照明，光色为绿色或蓝色，显色性比较低。高压钠灯：光效高，寿命长，以暖黄色为其光色特征。在道路照明中，使用率很高。主要因为黄光对雾的穿透能力强。金卤灯：在高压汞灯的基础上发展而来的一种高效光源，其构造与高压汞灯相似。区别是在灯泡内加入了某些金属卤化物，汞蒸汽，惰性气体等，灯管内壁不涂荧光物质，由电子激发金属原子，直接发出与天然光相近似的可见光，光效高，80lm/w，光色好。可以应用到需要高光效，高品质白光的场合。例如高大厂房和体育馆照明。（三）新光源LED灯发光二极管特点：光效高，125lm/w，寿命长2~5万小时。显色性好。由无毒材料制成，利于环保。目前功率还不够大，不能进行大空间的照明光源种类白炽灯卤钨灯荧光灯高压汞灯高压钠灯金卤灯功率范围10~20060~10004~10050~100035~100035~3500光效Lm/w7.3～2514～3060～10032～5564～14052～130平均寿命1000～20001500～25008000～1500010000～2000012000～240003000～10000显色指数95～9995～9970～9530～6023～8560～95相关色温2400～29002800～33002500～650055001900～28003000～6500闪烁不明显不明显明显明显明显明显启动时间瞬时瞬时1～4s4～8s4～8s4～10s