建筑物理：天然采光.ppt

2018/11/12孙凤明,1,天 然 采 光,第一节 光气候和采光标准 第二节 采光口 第三节 采光设计 第四节 采光计算,2018/11/12孙凤明,2,第一节 光气候和采光标准,一、光气候 所谓光气候就是由太阳直射光、天空光和地面反射光形成的天然光平均状况 下面简要介绍有关光气候知识2018/11/12孙凤明,3,（一）天然光的组成和影响因素,太阳是天然光（Daylight）的光源 日光（Sunlight）在通过地球大气层时被空气中的尘埃和气体分子扩散，结果，白天的天空呈现出一定的亮度，这就是天空光（Skylight） 天然光是直射日光与天空光的总合2018/11/12孙凤明,4,地面照度来源于日光和天空光，其比例随太阳高度与天气而变化通常，按照天空中云的覆盖面积将天气分为三类： （1）晴天——云覆盖天空的面积占0～3／10 （2）多云天——云占4/10～7/10； （3）全阴天——云占8/10～1,2018/11/12孙凤明,5,1、晴天,晴天时，地面照度主要来自直射日光；随着太阳高度角的增大，直射日光照度在总照度中占的比例也加大全阴天则几乎完全是天空扩散光照明多云天介于二者之间，太阳时隐时现，照度很不稳定。

2018/11/12孙凤明,6,图8－1 晴天室外照度变化情况,2018/11/12孙凤明,7,晴天天空的亮度分布相当复杂，与太阳高度和方位两个因素有关晴天同阴天相反，除去太阳附近的天空最亮以外，通常在地平线附近的天空要比天顶亮；与太阳相距约一90°高度角的对称位置上，天空亮度最低图8－2是典型的晴天天空亮度分布图（符合CIE标准晴天天空亮度分布函数，设Lz＝1）2018/11/12孙凤明,8,图8－2晴天天空亮度分布 （太阳高度角40°，方位角0°）,2018/11/12孙凤明,9,图8－3晴天天空亮度分布剖面 （太阳高度角40°，方位角0°）,2018/11/12孙凤明,10,2、全云天,这时天空全部为云所遮盖，看不见太阳，因此室外天然光全部为扩散光，物体后面没有阴影这时地面照度取决于： （1）太阳高度角 （2）云状 （3）地面反射能力 （4）大气透明度,2018/11/12孙凤明,11,这种天空在同一高度的不同方位上亮度相等，但是从地平面到天顶的不同高度上有以下的亮度变化规律Lθ－－仰角为的天空的亮度（cd/m2）； Lz－－天顶亮度（cd/m2）； －－计算天空亮度处的高度角（仰角）。

2018/11/12孙凤明,12,图8－3 阴天天空亮度分布,2018/11/12孙凤明,13,从上式推算，天顶亮度约为地平线附近天空亮度的3倍 由于阴天的亮度低，亮度分布相对稳定，而且，朝向对室内照度影响小，因而使室内照度较低，照度分布也较稳定这时，室外地面照度（以lx为单位）在数值上等于高度角为42o处的天空亮度（以asb为单位） ，即： E地(lx)＝L42(asb),2018/11/12孙凤明,14,再由立体角投影定律可以导出天顶亮度与地面照度在数量上的关系为：,同样方法还可导出阴天的室外垂直面照度为： E垂＝E地×0.396 图8－3示出平均亮度相等的两种天空亮度分布的区别2018/11/12孙凤明,15,（二）我国光气候概况,我国地域辽阔，各地光气候有很大差别，同一时刻南北方的太阳高度相差很大 从日照率来看，由北、西北往东南方向逐渐减少，而以四川盆地为最低 从云量来看，大致是自北向南逐渐增多，新疆南部最少，华北、东北少，长江中下游较多，华南最多，四川盆地特多2018/11/12孙凤明,16,从云状来看，南方以低云为主，向北逐渐以高、中云为主 这些特点说明，天然光照度中，南方以天空扩散光照度较大，北方和西北以太阳直射光为主。

图8－4是我国135个点的照度数据绘制成的全国年平均照度分布图 图8－5为重庆室外地面照度实测值（klx） 表2.2-1是相应图8－5的数值表2018/11/12孙凤明,17,图8－4 全国年平均总照度分布图(klx),2018/11/12孙凤明,18,图8－5 重庆室外地面照度实测值（klx） （a）总照度；（b）扩散光照度,2018/11/12孙凤明,19,重庆室外散射照度与总照度之比 表8－1,2018/11/12孙凤明,20,二、采光标准,我国于2001年11月1日起实施的《建筑采光设计标准》（GB/T 50033-2001）是采光设计的依据下面介绍该标准的主要内容：,2018/11/12孙凤明,21,1．采光系数（Daylight Factor）,采光系数（C）是室内给定水平面上某一点的由全阴天天空漫射光所产生的照度（En）与同一时间同一地点，在室外无遮挡水平面上由全阴天天空漫射光所产生的照度（Ew）之比两个照度值均不包括直射日光的作用采光系数的符号为C，以百分数表示于是：,2018/11/12孙凤明,22,用采光系数这一概念，就可根据室内要求的照度换算出需要的室外照度，或由室外照度值求出当时的室内照度，而不受照度变化的影响，以适应天然光多变的特点。

2018/11/12孙凤明,23,2．采光系数标准值,前面已经介绍，不同的视看对象要求不同的照度，而照度在一定范围内是愈高愈好，照度愈高，工作效率愈高但高照度意味着投资大，故它的确定必须即考虑到视觉工作的需要，又照顾到经济上的可行性和技术上的合理性2018/11/12孙凤明,24,采光标准综合考虑了：视觉试验结果；已建成建筑物的采光现状；采光口的经济分析；我国光气候特征；以及我国国民经济发展等因素，将视觉工作分为Ⅰ～Ⅴ级，提出了各等级视觉工作要求的天然光照度最低值为250、150、100、50、25lx我们把室内完全利用天然光进行工作时的室外天然光照度最低值称为“临界照度”，也就是室内开始需要采用人工照明时的室外照度值2018/11/12孙凤明,25,经过不同临界照度值对各种费用的综合比较，还考虑到开窗的可能性，我国的采光标准规定临界照度值为5000lx确定这一值后就可将室内天然光照度换算成采光系数2018/11/12孙凤明,26,由于不同的采光口类型在室内形成不同的光分布，故采光标准按不同的采光口类型，分别提出不同的要求顶部采光时，室内照度分布均匀，采光系数采用平均值侧面采光时，室内光线变化大，故采光系数采用最低值。

见下表：,2018/11/12孙凤明,27,表8－2 视觉作业场所工作面上的采光系数标准值,2018/11/12孙凤明,28,从表中可看出，采光系数标准值的高低是根据视看对象的大小和采光口类型而定的在《建筑采光设计标准》中，采光系数标准值是按房间的工作性质来确定的，采光系数标准值见教材P1662018/11/12孙凤明,29,3、光气候分区,由于我国各地光气候差别太大，若采用同一采光标准值显然是不合理的，故采光标准将全国划分为Ⅰ～Ⅴ个光气候区（图8－6）在《建筑采光设计标准》中所列采光系数标准值适用于Ⅲ类光气候区其它地区应按它所在不同的光气候区，选择相应的光气候系数（光气候系数见表8－3）2018/11/12孙凤明,30,2018/11/12孙凤明,31,各区具体的采光系数标准值，为采光标准各表所列采光系数标准值乘上各区的光气候系数 表8－3 光气候系数,2018/11/12孙凤明,32,,4、 照度均匀度,视野内照度分布不均匀，易使人眼睛疲乏，视功能下降，影响工作效率因此，要求房间内的照度分布有一定的均匀度（即在假定工作面上的采光系数最低值与平均值之比；也可认为是室内照度最低值与室内照度平均值之比）。

2018/11/12孙凤明,33,采光标准提出顶部采光时，Ⅰ～Ⅳ级采光等级的采光均匀度要求不得小于0.7侧面采光时，由于室内照度不可能做到均匀，以及顶部采光时，Ⅴ级视觉工作需要的开窗面积小，较难照顾采光均匀度，故此时对均匀度未作规定2018/11/12孙凤明,34,5、眩光限制,在侧窗采光房间里，窗口位置较低，对于视线处于水平的工作场所极易形成不舒适眩光标准提出可采取以下措施来减少窗口眩光：,2018/11/12孙凤明,35,作业区应减少或避免直射阳光； 工作人员的视觉背景不宜为窗口； 可采取室内外遮挡设施来减少窗亮度或减少窗的视域； 窗结构的内表面和窗周围的内墙面宜采用浅色饰面； 具体控制侧窗眩光的处理方法见图8－7 标准还提出要求采取措施来防止反射眩光2018/11/12孙凤明,36,图8—7 控制侧窗眩光的细部处理,a----窗台做成斜面；b----高反射率的顶棚，并且利用室外反射提高顶棚亮度，减小对比；c----用半透明百叶减小高天空亮度区（2），同时仍然可以看出（1）；d----利用人工照明照亮窗周围的墙面，以减小对比，减弱眩光2018/11/12孙凤明,37,第二节 采光口,侧窗 天窗 本节主要介绍其采光特性,2018/11/12孙凤明,38,一、侧窗,1．单侧窗 在进深不大，仅有一面外墙的房间，普遍利用单侧窗采光。

它的主要优点是光线自一侧投射，光流有显著的方向性，使人的容貌和立体物件形成良好的光影造型2018/11/12孙凤明,39,图8－8 侧窗采光时的工作台位置 a－－光线来自侧方 b－－工作台与窗子相垂直布置（平面图）,2018/11/12孙凤明,40,当工作位置与有窗的外墙相垂直布置时（图8－8），有效地避免了光幕反射和不舒适眩光 此外，通过侧窗还能直接看到室外景物，窗子的构造简单，维修方便，价格也便宜2018/11/12孙凤明,41,影响单侧窗采光效果的几个因素：,（1）室内一点获得的天空直射光数量是由该点透过窗子“看”到的天空面积大小决定的，离窗子愈远，“看”到的天空面积愈小； （2）全阴天空时，天顶要比地平线附近的天空亮得多；,2018/11/12孙凤明,42,（3）由窗子投射来的光线与受光平面的夹角越大，照度越高，投射角越小，照度越低（余弦定律）； （4）室外景物对天空视域的遮挡2018/11/12孙凤明,43,图8－9 单侧窗采光区域示意图,2018/11/12孙凤明,44,图8－10 各种形式的侧窗,2018/11/12孙凤明,45,2．双侧窗,在相对两面侧墙上开窗能将采光进深增加一倍，同时缓和实墙与窗洞间的亮度对比。

相邻两面墙上都开侧窗，在缓和墙与窗的对比上效果更显著，但采光进深增加有限2018/11/12孙凤明,46,图8－14 不同天空时双侧窗的室内照度分布 a－－晴天；b－－阴天,2018/11/12孙凤明,47,由上述可知，侧窗的采光特点是照度沿房间进深下降很快，分布很不均匀，虽可用提高窗位置的办法来解决一些，但这种办法又受到层高的限制，故这种窗只能保证有限进深的采光要求，一般不超过窗高的二倍更深的地方宜采用人工照明补充2018/11/12孙凤明,48,二、天窗,1、矩形天窗 在单层工业厂房中，矩形天窗应用很普遍图8－11a是矩形天窗的透视简图，它实质上相当于提高位置的成对高侧窗 在各类天窗中，它的采光效率（进光量与窗洞面积的比）最低，但眩光小，便于组织自然通风2018/11/12孙凤明,49,,图8－11 矩形天窗 a---矩形天窗；b---横向矩形天窗,2018/11/12孙凤明,50,（l）天窗跨度bk：对照度水平和照度均匀度都有影响在一定范围内加大bk能提高平均照度并改善均匀度；但超过限度会造成邻跨间天窗的互相遮挡，效果适得其反合适的比例应为bk=0.4～0.6b（b为建筑跨度或一列天窗分属的建筑宽度）。

2018/11/12孙凤明,51,(2）天窗位置的高低与天窗间距：天窗下沿至工作面的高度hx愈高则照度愈低，但均匀度变好；天窗低，效果正相反因为hx通常是由生产工艺或建筑体积决定的，所以控制天窗间距dc与hx的比例较为实际一般以hx/dc＝0.45～0.70为宜当每跨仅有一列天窗时， dc＝b，hx/b＝0.45～0.70多跨厂房中的矩形天窗能受。