建筑物理三講天然光環(huán)境(一)-晝光光源與采光

1、第三講：天然光環(huán)境（一）-晝光光源與采光1本講主要內(nèi)容：3.1天然光環(huán)境概述3.2光氣候與采光標(biāo)準(zhǔn)3.2.1、光氣候3.2.2、 采光標(biāo)準(zhǔn)（采光設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)）-天然光環(huán)境的質(zhì)量評(píng)價(jià)3.3 采光口（采光窗）3.3.1、側(cè)窗3.3.2、天窗 3.3.2.1、矩形天窗 3.3.2.2、橫向天窗 3.3.2.3、鋸齒形天窗 3.3.2.4、平天窗 2太陽(yáng)是生命之源，它以無(wú)盡的光和熱哺育大地。是 一 種 巨 大 的 安 全 的 清 潔 光 源 。 3.1天然光環(huán)境-概述 早在古人學(xué)會(huì)建造房屋時(shí)起，他們就掌握了在屋頂或墻壁上開洞收集天然光照明的方法。 古羅馬萬(wàn)神廟巨大穹頂上直徑近9m的圓洞和我國(guó)民居常用的面積

2、不到一尺見方的亮瓦，都顯示了前人采光的智慧 近代著名的建筑大師，如萊特、勒柯布西埃、路易斯康等人的許多作品，更是運(yùn)用晝光照明和渲染氣氛的杰作。3羅馬的萬(wàn)神廟 哈德良皇帝于公元120年公元124年在意大利羅馬興建了萬(wàn)神廟，作為奉祀諸神的神殿。這座顯示了古羅馬人卓越工程技術(shù)的建筑物，給人們留下了深刻的印象。萬(wàn)神廟穹頂直徑43米的記錄直到20世紀(jì)還未被打破。如此規(guī)模的穹頂通常需要一些支撐物，但古羅馬人精通如何建造拱形屋頂而不需要柱子支撐的技術(shù)。雖然古羅人不是拱門的首創(chuàng)者，但他們是最早認(rèn)識(shí)拱門用途的人。穹頂?shù)膱A眼（一直徑為8.2米的采光圓孔澤注）使陽(yáng)光瀉入萬(wàn)神廟。廟內(nèi)的地面和墻壁均用色彩鮮明的大理石建

3、成。天然光環(huán)境-概述4金貝爾美術(shù)館-路易斯康 美術(shù)館是一個(gè)將天然采光設(shè)計(jì)和空間造型相結(jié)合的經(jīng)典范例 ！5七十年代以來(lái)，節(jié)能的緊迫性和重視環(huán)境設(shè)計(jì)的新觀念，對(duì)采光科學(xué)技術(shù)有很大的推動(dòng)?，F(xiàn)在人們已經(jīng)能夠幾乎任意地控制天然光。 我們可以用巨大的玻璃頂棚將一個(gè)中庭或大廳覆蓋起來(lái)，模擬晴日當(dāng)空、四季如春的大自然；也可以借助隨太陽(yáng)運(yùn)行軌跡自動(dòng)控制的遮陽(yáng)裝置完全遮蔽陽(yáng)光，造成光線柔和宜人、照度穩(wěn)定的工作環(huán)境。 前幾年曾經(jīng)有人設(shè)想，用集日鏡將日光收集起來(lái)通過(guò)光導(dǎo)纖維輸送到地下或建筑物深處的采光裝置；目前，這種設(shè)想已經(jīng)成為現(xiàn)實(shí)，它預(yù)示著建筑采光技術(shù)在不久的將來(lái)會(huì)有更快的發(fā)展。天然光環(huán)境-概述6建筑物充分利用晝光

4、照明的意義: 近年來(lái)的許多研究表明，太陽(yáng)的全光譜輻射，是人們?cè)谏砩虾托睦砩祥L(zhǎng)期感到舒適滿意的關(guān)鍵因素，不僅可以獲得較高的視覺功效，節(jié)約能源和費(fèi)用，而且很可能還是一項(xiàng)長(zhǎng)遠(yuǎn)的保護(hù)人體健康的措施。 另外，多變的天然光又是表現(xiàn)建筑藝術(shù)造型、材料質(zhì)感，渲染室內(nèi)環(huán)境氣氛的重要手段。 所以，無(wú)論從環(huán)境的實(shí)用性、還是美觀的角度，都要求建筑師對(duì)晝光的利用做認(rèn)真的規(guī)劃，掌握設(shè)計(jì)天然光環(huán)境的知識(shí)和技巧。天然光環(huán)境-概述7晝光的組成日光 變化很快，在采光計(jì)算中不考慮。天空光相對(duì)穩(wěn)定，建筑采光的主要光源。 在采光設(shè)計(jì)中，我們提到晝光（天然光）往往指的是天空光它是建筑采光的主要光源。 直射日光強(qiáng)度極高， 變化很快，為防

5、止眩光或避免房間過(guò)熱，工作房間常需要遮蔽日光，所以在采光計(jì)算中一般不考慮直射日光的奉獻(xiàn)。不過(guò)，室內(nèi)照進(jìn)直射日光也有積極的作用，變化不定的光束會(huì)增添室內(nèi)環(huán)境的情趣，使人有接觸大自然的感受，給人以時(shí)間的信息83.2光氣候與采光標(biāo)準(zhǔn)在天然采光的房間里，室內(nèi)的光線隨著室外天氣的變化而改變，要設(shè)計(jì)好室內(nèi)采光，保證光需要，就需了解光氣候知識(shí)。3.2.1、光氣候：是由太陽(yáng)直射光、天空擴(kuò)散光和地面反射光形成的天然光平均狀況。 1、天然光的組成 a、太陽(yáng)直射光：太陽(yáng)光穿過(guò)大氣層時(shí)，直接透過(guò)射到地面的光。直射光照度大、有方向，在物體背后形成陰影。 b、天空擴(kuò)散光：太陽(yáng)光穿過(guò)大氣層時(shí)，碰到大氣層中的空氣分子、灰塵、

6、水蒸氣等微粒，產(chǎn)生多次反射，形成天空擴(kuò)散光。天空擴(kuò)散光使天空具有一定的亮度，在地面上形成的照度較小，無(wú)方向、不形成陰影。 全云天時(shí)只有天空擴(kuò)散光； 晴天時(shí)室外天然光有太陽(yáng)直射光和天空擴(kuò)散光兩部分組成。92、不同天氣室外光氣候的變化地面照度來(lái)源于日光和天空光，其比例隨太陽(yáng)高度與天氣（天空中的云和云是否將太陽(yáng)遮住）而變化，通常，按照天空中云的覆蓋面積將天氣分為三類： 晴天-云覆蓋天空的面積占03/10 多云天-云占4/107/10 全陰天-云占8/1010晴天地面照度主要來(lái)自直射日光，隨著太陽(yáng)高度角的增大，直射日光照度在總照度中占的比例也加大。全陰天則幾乎完全是天空擴(kuò)散光照明。多云天介于二者之間，

7、太陽(yáng)時(shí)隱時(shí)現(xiàn)，照度很不穩(wěn)定。103、天空亮度分布 國(guó)際照明委員會(huì)（CIE）根據(jù)世界各地對(duì)天空亮度觀測(cè)的結(jié)果，提出三種天空亮度分布的數(shù)學(xué)模型，供設(shè)計(jì)人員在采光設(shè)計(jì)中使用。均勻天空亮度分布 天空各方向亮度一致。 這是一種假想的、理論上的天空狀況，只在簡(jiǎn)化的采光設(shè)計(jì)中才考慮。CIE標(biāo)準(zhǔn)全陰天空（全云天） CIE標(biāo)準(zhǔn)全陰天空適合于最低限度條件的采光設(shè)計(jì)。它符合世界各地對(duì)實(shí)際全陰天空觀測(cè)的結(jié)果，數(shù)學(xué)表達(dá)式簡(jiǎn)單，應(yīng)用廣泛，我國(guó)也采用這類天空作為采光設(shè)計(jì)的依據(jù)。11從左式推算：天頂亮度約為地平線附近天空亮度的3倍。CIE標(biāo)準(zhǔn)全陰天空（全云天） 這種天空在同一高度的不同方位上亮度相等，但從地平面到天頂?shù)牟煌?/p>

8、度上有以下的亮度變化規(guī)律：12全云天氣地面照度較低。地面照度取決于： （1）太陽(yáng)高度角。陰天中午仍然比早晚的照度高。 （2）云狀。不同的云成分不同，對(duì)光線的影響也不同。低云（如下雨時(shí)的云）云層厚，主要有水蒸氣組成，遮擋和吸收大量的光線，使天空的亮度降低，地面照度小。高云有冰晶組成，反光能力強(qiáng)，使天空亮度達(dá)到最大，地面照度也高。 （3）地面反射能力。光在云層和地面間多次反射，使天空亮度增加，地面上的擴(kuò)散光照度也提高，積雪地面，擴(kuò)散光照度比無(wú)雪時(shí)提高1倍以上。 （4）大氣透明度。工業(yè)區(qū)煙塵使大氣雜質(zhì)增加，大氣透明度降低，室外照度大大降低。13晴天天空亮度分布： 是隨大氣透明度、太陽(yáng)和計(jì)算點(diǎn)在天空中

9、的相對(duì)位置而變，最亮處在太陽(yáng)附近，離太陽(yáng)愈遠(yuǎn)，亮度愈低。 另外，晴天同陰天相反，除去太陽(yáng)附近的天空最亮以外，通常在地平線附近的天空要比天頂亮；與太陽(yáng)相距約90度高度角的對(duì)稱位置上，天空亮度最低。CIE晴天天空144、我國(guó)光氣候概況：影響室外地面照度的因素：太陽(yáng)高度、云量、云狀、日照率等。日照率（太陽(yáng)出現(xiàn)的時(shí)數(shù)和可能出現(xiàn)的時(shí)數(shù)之比），由北、西北往東南方向逐漸減少，四川盆地一帶為最低。云量，由北向南逐漸增多，新疆南部最少，華北、東北少，長(zhǎng)江中下游較多。云狀，南方低云，向北逐漸以高、中云為主。天然光照度中，南方以天空擴(kuò)散光照度較大，北方和西北以太陽(yáng)直射光為主。全國(guó)年平均總照度分布圖：各地光氣候的分布

10、趨勢(shì)，全年平均總照度最低值在四川盆地，因?yàn)樵摰貐^(qū)全年日照率低、云量多、低云所致。15全國(guó)年平均總照度分布圖(Klx)163.2.2、 采光標(biāo)準(zhǔn)（采光設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)） -天然光環(huán)境的質(zhì)量評(píng)價(jià) 采光設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)是評(píng)價(jià)天然光環(huán)境的質(zhì)量準(zhǔn)則，也是進(jìn)行采光設(shè)計(jì)的主要依據(jù)。 2001-07-31由國(guó)家建設(shè)部和質(zhì)檢局聯(lián)合發(fā)布的建筑采光設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)（GB/T500332001)，是在國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB50033-91的基礎(chǔ)上，總結(jié)了居住和公共建筑采光的經(jīng)驗(yàn)，通過(guò)實(shí)測(cè)調(diào)查，并參考了國(guó)內(nèi)外的建筑采光標(biāo)準(zhǔn)而制訂的天然光照明質(zhì)量評(píng)價(jià)的主要內(nèi)容：-采光標(biāo)準(zhǔn) 1、采光系數(shù)：是室內(nèi)某一點(diǎn)直接或間接接受天空光所形成的照度與同一時(shí)間不受遮擋的該天

11、空半球在室外水平面上產(chǎn)生的照度之比。兩個(gè)照度值均不包括直射日光的作用。 在利用天然光照明的房間里，室內(nèi)照度隨著室外照度而時(shí)刻變化著，因此在確定室內(nèi)天然光照度水平時(shí)，必須把它同室外照度聯(lián)系起來(lái)考慮。17采光系數(shù)的符號(hào)為 C采光設(shè)計(jì)中引進(jìn)采光系數(shù)的概念很有好處。因?yàn)?，在給定的天空亮度分布下，計(jì)算點(diǎn)和窗子的相對(duì)位置、窗子的幾何尺寸確定以后，無(wú)論室外照度如何變化，計(jì)算點(diǎn)的采光系數(shù)總保持不變。如想知道某一采光系數(shù)在室內(nèi)達(dá)到多高照度，只要把采光系數(shù)乘以當(dāng)時(shí)的室外天空漫射光照度就行了。 2、采光系數(shù)標(biāo)準(zhǔn)值 不同情況的視看目標(biāo)要求不同的照度，而照度在一定范圍內(nèi)是愈高愈好，照度越高，工作效率越高。但高照度投資大

12、、費(fèi)用高，故照度的確定需考慮視覺工作的需要，又要顧經(jīng)濟(jì)上的可能性和技術(shù)上的合理性。18 采光標(biāo)準(zhǔn)：將視覺工作分為級(jí)，提出了各級(jí)視覺工作要求的天然光照度最低值為250、150、100、50、25Ix 。采光系數(shù)標(biāo)準(zhǔn)值（ GB/T500332001）見P6-7頁(yè) 表8-2本表適用于我國(guó)類光氣候區(qū)表中由于側(cè)面采光房間故采光系數(shù)標(biāo)準(zhǔn)用最低值 。頂部采光室內(nèi)的天然光照度能達(dá)到相當(dāng)好的均勻度，采光系數(shù)取平均值 作為標(biāo)準(zhǔn)。19臨界照度：臨界照度是人為設(shè)定的一個(gè)照度值。當(dāng)室外照度高于臨界照度時(shí)，才考慮室內(nèi)完全用天然光照明，當(dāng)?shù)扔诨蛐∮谂R界照度時(shí)，室內(nèi)要開始采用人工照明。室外的有效照度，或室內(nèi)天然光照度等于采光

13、標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)值時(shí)的室外照度叫臨界照度。采光標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定臨界照度值為5000Ix（適合類光氣候區(qū)）。確定這一值后就可將室內(nèi)天然光照度換算成采光系數(shù)（見表8-2）。3、光氣候分區(qū)我國(guó)地域遼闊，各地光氣候有很大區(qū)別，在采光設(shè)計(jì)中不可能采用同一標(biāo)準(zhǔn)， GB/T500332001 將全國(guó)劃分為類光氣候區(qū)，不同的光氣候分區(qū)有不同的光氣候系數(shù)K,見表8-3。20光氣候系數(shù) K表8-3各光氣候分區(qū)的采光系數(shù)標(biāo)準(zhǔn)值：=表8-2所列值K值光氣候分區(qū)圖214、照度均勻度 視野內(nèi)照度分布不均勻，易使人眼疲勞，視功能下降，影響工作效率。照度均勻度以工作面上的 對(duì)于站立的工作人員水平面距地0.90m，坐著的人是075m(或

14、0.8m) 最低照度與平均照度之比表示（或采光系數(shù)最低值與平均值之比），不得低于0.7。CIE建議的數(shù)值是0.8。 此外，CIE還建議工作房間內(nèi)交通區(qū)域的平均照度一般不應(yīng)小于工作區(qū)平均照度的1/3。相鄰房間的平均照度相差不超過(guò)5倍。5、眩光限制 當(dāng)直接或通過(guò)反射看到燈具、窗戶等亮度極高的光源，或者在視野中出現(xiàn)強(qiáng)烈的亮度對(duì)比時(shí)（先后對(duì)比或同時(shí)對(duì)比），就會(huì)感受到眩光。 眩光可以損害視覺，也能造成視覺上的不舒服感。當(dāng)側(cè)窗位置較低，對(duì)于工作視線處于水平的場(chǎng)所極易形成不舒服眩光。故標(biāo)準(zhǔn)提出了側(cè)窗不舒適眩光評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，見表8-4。頂部采光口位置高，常處于視野之外，不易引起眩光，標(biāo)準(zhǔn)未作限制。223.3 采光

15、口（采光窗）窗是建筑物的主要采光設(shè)備。窗的功能：第一是引進(jìn)天然光，第二是溝通室內(nèi)外的視線聯(lián)系，第三是用于控制自然通風(fēng)。窗的形式采光設(shè)計(jì)的核心是窗的設(shè)計(jì)按照窗所處的位置，可將窗分為側(cè)窗和天窗兩大類，采光分為側(cè)面采光和頂部采光。有的建筑同時(shí)兼有側(cè)窗和天窗，其采光稱為混合采光。3.2.1、側(cè)窗 是在房間的一側(cè)或兩側(cè)墻上開的采光口，由于側(cè)窗構(gòu)造簡(jiǎn)單、維修方便、光線具有明確的方向性，有利于形成陰影，使人的容貌和立體物件形成良好的光影造型，并可擴(kuò)大視野，故是最常見的采光形式。 側(cè)窗一般放置在1m左右高度，窗臺(tái)提高到2m以上時(shí)稱高側(cè)窗。23窗的形式采光設(shè)計(jì)的核心是窗的是設(shè)計(jì)采光量（室內(nèi)各點(diǎn)照度總和），在采光

16、口面積相等，窗低標(biāo)高一致時(shí)，正方形窗最大，豎長(zhǎng)方形次之，橫長(zhǎng)方形最少。照度均勻度，豎長(zhǎng)方形窗在房間進(jìn)深方向上好，橫長(zhǎng)方形窗在房間寬度方向上較均勻。24RADIANCE Images 252627窗位置的高低-影響房間進(jìn)深方向上的采光均勻度圖中，曲線表示工作面上不同點(diǎn)的采光系數(shù)，同一曲線的采光系數(shù)相同。低窗時(shí)，近窗處照度很高，往里迅速下降，在內(nèi)墻處照度很低。當(dāng)窗位置提高后，近窗處照度下降，遠(yuǎn)離窗口處照度提高，均勻性改善很大。窗的不同位置對(duì)室內(nèi)采光的影響28減少窗面積的方式不同，室內(nèi)采光量有不同的變化。窗上沿高度不變，提高窗臺(tái)減少面積，近窗處照度明顯下降，室內(nèi)深處變化不大。窗臺(tái)高度不變，上沿高度變

17、化減少面積，近窗處照度變小，離窗遠(yuǎn)處照度下降逐漸明顯。29陰天時(shí)，窗口朝向?qū)κ覂?nèi)采光狀況無(wú)影響；晴天時(shí)，不同朝向的房間，室內(nèi)采光狀況不同。a、晴天窗口朝陽(yáng)時(shí)的室內(nèi)照度分布；b、陰天時(shí)的室內(nèi)照度分布；c、晴天窗口背陰時(shí)的室內(nèi)照度分布。a、晴天時(shí)雙側(cè)窗口對(duì)著亮度不同的天空，室內(nèi)兩側(cè)照度不對(duì)稱；b、陰天雙側(cè)窗照度按中間對(duì)稱分布。30北方地區(qū)，外墻較厚，擋光較大，為了減少擋光，將靠窗的墻做成喇叭口，能較少遮擋，而且斜面上的亮度較外墻內(nèi)表面亮度增加-過(guò)渡平面，可改善室內(nèi)的亮度分布，提高采光質(zhì)量。側(cè)窗只能保證有限深度的采光要求，深度不超過(guò)窗高的二倍。更深的地方已采用人工照明補(bǔ)充，注意：31克服側(cè)窗采光照度

18、變化劇烈，提高房間深處的照度的措施：1、提高窗位置，可提高房間深處的照度，均勻性能得到很大改善。2、采用乳白玻璃、玻璃磚等擴(kuò)散透光材料，或采用將光線折射至頂棚的折射玻璃，提高房間深度的照度，利于加大房間進(jìn)深，降低造價(jià)。32天然光的控制與調(diào)節(jié)333、采用傾斜頂棚，接受更多的天然光，提高頂棚亮度，使頂棚成為照射房間深處的第二光源。4、在多層建筑中，側(cè)窗位置較低時(shí)，將上面幾層往里收，增加一些反射屋面，當(dāng)屋面刷白時(shí)，對(duì)上一層室內(nèi)采光效果明顯。5、在晴天多的地區(qū)，朝北房間采光不足，將對(duì)面建筑（南向）立面處理淺色，使墻面成為一個(gè)亮度高的反射光源，增加北向房間的采光量。34大進(jìn)深辦公樓采用傾斜頂棚的實(shí)例辦公

19、室采光方案35側(cè)窗位置較低，人眼很易見到明亮的天空，形成眩光，為了減少側(cè)窗的眩光，可采用水平擋板、窗簾、百頁(yè)、綠化等辦法減少眩光。醫(yī)院病房，成功的采光設(shè)計(jì)方案36373839403.3.2、天窗 ：采光系數(shù)最高值一般在跨中，最低值在柱子處。由于天窗布置在屋頂上，位置較高，處在視野范圍外，不易形成眩光；另外，便于組織自然通風(fēng)。3.3.2.1、矩形天窗在單層工業(yè)廠房中，矩形天窗應(yīng)用很普遍，它實(shí)質(zhì)上相當(dāng)于提高位置的成對(duì)高側(cè)窗。41 矩形天窗的采光效率（進(jìn)光量與窗洞面積的比）決定于窗子與房間剖面尺寸的關(guān)系：1）、天窗寬度（b mo）（天窗跨度）：對(duì)照度水平和照度均勻度都有影響，在一定范圍內(nèi)加大跨度能提

20、高平均照度并改善均勻度；但超過(guò)限度會(huì)造成鄰跨間天窗的互相遮擋。合適的比例應(yīng)為 b mo =0.40.6b2）、天窗位置的高度（h x）:天窗下沿至工作面的高度。 h x 愈高則照度愈低，但均勻度變好；天窗低，效果正相反。從采光角度來(lái)看，一般以之間。Bd-天窗間距423）、天窗間距（bd）:指天窗軸線間距離。從照度均勻性來(lái)看，它愈小愈好，但這樣天窗數(shù)量增加，構(gòu)造復(fù)雜，不能太密。一般小于天窗位置高度的4倍以內(nèi)。4）、相鄰天窗玻璃間距（b g）:若太近，則相互擋光，影響室內(nèi)照度，其值一般取相鄰天窗高度和的1.5倍。5）、窗子的傾斜度：窗子仰面傾斜設(shè)置能增大采光量。與水平面成60度的“梯” 形天窗，比

21、相等面積的矩形天窗，可提高工作面照度4060%，但易積塵積雪，射進(jìn)日光，要根據(jù)情況權(quán)衡得失。以上幾種尺度是相互影響的，在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)綜合考慮。對(duì)于矩形天窗，窗面積和地板面積的比值（稱窗地比）增加到35%時(shí)，室內(nèi)照度不再增加。這種天窗常用于中等精度工作，以及車間內(nèi)有一定通風(fēng)要求時(shí)采用。433.3.2.2、橫向天窗（橫向矩形天窗） 橫向矩形天窗是將屋面板隔跨分別設(shè)在屋架上弦和下弦位置，窗扇立在屋架外側(cè)，緊貼屋架，也成下沉式天窗。這種天窗省去了天窗架，但施工復(fù)雜。橫向采光均勻度好，自然通風(fēng)效果好，適合熱車間。據(jù)有關(guān)資料介紹，橫向天窗的造價(jià)僅為矩形天窗的62%，而采光效果則和矩形天窗差不多。橫向天窗不宜用于跨度較小的車間。為了減少直射陽(yáng)光射入車間，應(yīng)使車間的長(zhǎng)軸朝向南北，這樣，玻璃面也就朝向南北，有利于防止陽(yáng)光直射。443.3.2.3、鋸齒形天窗鋸齒形天窗的特點(diǎn)是屋頂傾斜，可以利用頂棚的反射光，采光效率比矩形天窗約高1520%。當(dāng)窗口朝北布置時(shí)，完全接受北向天空漫射光，光線穩(wěn)定，直射日光不會(huì)照進(jìn)室內(nèi)，因而減小了室內(nèi)溫濕度的波動(dòng)及眩光。鋸齒形天窗非常適于在紡織車間、美術(shù)館等建筑使用。多垮的大面積鋸齒形天窗都從單一方向進(jìn)光，光的方向性強(qiáng)，面向天窗和背向天窗的垂直面照度有較大的差異，為此，一方面