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1、第十五章第十五章 建筑光学建筑光学 李德富 教授 建筑光学建筑光学 第一节 光、颜色与视觉的基本知识 第二节 天然采光设计标准和采光计算 第三节 人工照明 第一节第一节 光、颜色与视觉的基本知识光、颜色与视觉的基本知识 一、光的特性和基本量 二、材料的光学性质 三、可见度及其影响因素 四、颜色的基本知识 一、光的特性和基本量 （一）光的特性 线 1010101010101010 -13 -12-9-4 -225 nmpmfmummmmkm 宇宙线X射线紫外线 红 外 UHFVHF 短 波 无线电雷达远 红 外 500600700400800 380780 红红外橙黄绿紫外紫蓝 可见光 nm m

2、 (A) 380460540620700780 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 蓝绿 黄 橙红 蓝紫 明视觉暗视觉 相对光谱光视效率V（ ） 波长(nm) （二）光的基本量 1 光通量 (luminous flux) 光源在整个空间发出的能量，符号是光源在整个空间发出的能量，符号是，单位是流明（，单位是流明（lmlm） 2 发光强度 (luminous intensity) 光源或灯具发出的光通量在空间的分布密度光源或灯具发出的光通量在空间的分布密度 ，符号为，符号为I I ， 单位是坎德拉（单位是坎德拉（cdcd） =1260 lm cd 100 12.57 1260 I sr

3、4 r r4 r S 2 2 2 球 球 立体角 3 照度 (Illuminanance) 被照面单位面积上接受多少光通量，被照面单位面积上接受多少光通量，符号是符号是E E，单位是勒，单位是勒 克斯（克斯（lxlx） i r I Ecos 2 4 亮度 (luminance) 发光面或反光面在单位面积上的发光强度是亮度发光面或反光面在单位面积上的发光强度是亮度 ，符号符号 L L，单位是坎德拉每平米（，单位是坎德拉每平米（cd / mcd / m2 2） iLEcos 2 cos r A lx sr 二、材料的光学性质 （一）反射比、透射比、吸收比 1 反射比 吸收比 透射比 石膏的反射比为

4、0.91 白乳胶漆表面的反射比为0.84 灰色水泥砂浆面的反射比为0.32 3 mm的普通玻璃的透射比为0.82 3 mm的磨砂玻璃的透射比为0.60 二、材料的光学性质 （二）规则反射和透射（定向反射和透射） n i r 偏离距离 （三）扩散反射和透射 1.漫反射（均匀扩散反射） 氧化镁、粉刷、砖墙、绘图纸 n L I EL E L IIcos 0 Cd Cd/m2 asb 例：当光投射到漫反射表面的照度相同时，下列哪个反射比 的亮度最高？ A. 70B. 60 C. 50D. 40 经漫反射（均匀扩散反射）表面的亮度为： L(cd/m2)E(lx)/ (1515) 如果光投射到漫反射表面的

5、照度相同，则其亮度和漫射表面 的反射比成正比。 （三）扩散反射和透射 2.漫透射（均匀扩散透射） 乳白玻璃、乳白有机玻璃 EL E L IIcos 0 Cd Cd/m2 asb n L I （四）混合反射和透射（定向扩散反射 和透射） n I L n I L 三、可见度及其影响因素（视觉的基本特性） （一）亮度 （二）物体的相对尺寸（视角） （三）亮度对比 （四）识别时间 （五）避免眩光 （一）亮度 亮度的增大，可见度增大。照度为 1500lx3000lx可见度最好。 061 57.31 0344 弧度 l d （二）物体的相对尺寸（视角） 110205010020050010002000 1

6、.0 0.7 0.5 0.3 0.2 0.1 0.07 0.05 0.03 0.02 0.01 a=0.67 a=1 a=2 a=10 照度（lx) 亮度对比系数C 天然光 人工光 25 a=4 视功能曲线 （三）亮度对比 物体亮度、视角大小、和亮度对比对 可见度的影响： 1观看对象在眼睛处形成的视角不变时，如对 比下降，则需要增加照度才能保持相同可见度； 2视角愈小，需要的照度愈高； 3天然光比人工光更有利于可见度的提高。 （四）识别时间 明适应：3-6 s 暗适应：10-35 min （五）避免眩光 直接眩光的控制方法是： （1）限制光源亮度； （2）增加眩光源的背景亮度，减少二者之间的亮

7、 度对比； （3）减小眩光源对观察者眼睛形成的立体角； （4）尽可能增大眩光源的仰角，眩光光源或灯 具的位置偏离视线的角度越大，眩光越小，仰 角超过60后就无眩光作用。 极强烈眩光区 极强烈眩光区 强烈眩光区 中等眩光区 微弱眩光区 无眩光影响区 0 14 27 45 60 （五）避免眩光 （五）避免眩光 反射眩光的控制方法是： （1）视觉作业的表面为无光泽表面； （2）视觉作业避开和远离照明光源同人眼形 成的规则反射区域； （3）使用发光表面面积大，亮度低的光源； （4）使引起规则反射的光源形成的照度在总 照度中所占的比例减少。 四、颜色的基本知识 （一）光源色和物体色 1.光源色 （1）光

8、源色温 （2）光源显色指数 2.物体色 （二）颜色的表色体系 1.孟塞尔表色体系 2.CIE色度体系 光源色 RGB 1.光源色 （1 1）光源色温）光源色温 当光源的颜色和一完全辐射体（黑体）在某一温度下发当光源的颜色和一完全辐射体（黑体）在某一温度下发 出的光色相同时，完全辐射体的温度就叫作光源的色出的光色相同时，完全辐射体的温度就叫作光源的色 温，符号温，符号T Tc c，单位为，单位为K K（绝对温度）。（绝对温度）。 暖色，冷色 黎明4000K 中午6500K 黄昏3000K （2 2）光源显色指数）光源显色指数 物体在待测光源下的颜色和它在参照光源下颜色相比的物体在待测光源下的颜色

9、和它在参照光源下颜色相比的 符合程度叫作光源显色指数，符号符合程度叫作光源显色指数，符号R Ra a 。 R Ra a的最大值为的最大值为100100 1001008080-显色优良显色优良 79795050 -显色一般显色一般 小于小于5050 -显色较差显色较差 光源显色指数光源显色指数Ra 500W500W白炽灯白炽灯 95959999 荧光灯荧光灯 50509393 400W400W荧光高压汞灯荧光高压汞灯 40405050 1000W1000W镝灯镝灯 85859595 高压钠灯高压钠灯 2020、4040、6060 物体色 CYM 2.物体色 （二）颜色的表色体系 1.孟塞尔体系:

10、 色调H(Hue)明度V(Value)/彩度C(Chroma) 例：下列哪项指标不属于孟塞尔颜色体系的三属性指标？ A. 色调B. 明度 C. 亮度D. 彩度 孟塞尔颜色体系的三属性为色调（色相），明度，彩度 （饱和度）。 （二）颜色的表色体系 2.CIE色度体系: x+y+z=1 500 540 560 580 600 700 nm 380 480 490 500 510 1.0 0.8 0.6 0.4 0.2 0 00.40.60.81.0 y x 3200 4000 5000 6500 10000 24000 8 E 2500 1900 1300 800 0.2 第二节第二节 天然采光设

11、计标准和采光计算天然采光设计标准和采光计算 一、天然采光基本知识 二、采光标准 三、窗洞口种类、特性及使用范围 四、采光设计 五、采光计算 一、天然采光基本知识 （一）天然光的组成和影响因素 （二）我国自然光（光气候）分布与分区 情况 3 21 Sin L Lz L z L 全阴天空亮度分布计算公式 二、采光标准 二、采光标准 （一）（一）采光系数计算公式 （二）采光系数标准值 Cmin，Cav 单侧窗距内墙1米处的点为计算点 表中数值只适用于类光气侯区 （一）（一）采光系数计算公式 % 5% 100 5000 250 ? 250E % 100 n C C lxIII E E C w n 类光

12、气候区， （二）采光系数标准值 Cmin，Cav 单侧窗距内墙1米处的点为计算点 表中数值只适用于类光气侯区 采光测量方法GB/T 5699-2008 6.36.3 a a）测量室内照度时，应取距地面）测量室内照度时，应取距地面0.8m0.8m高的水平面为高的水平面为 假定工作面；通道可取地面或距地假定工作面；通道可取地面或距地0.15m0.15m的水平面，也的水平面，也 可根据实际情况选定其他工作面。可根据实际情况选定其他工作面。 （三）采光质量 1.IIV级顶部采光的采光均匀度(采光系数最低值/采 光系数平均值)不宜小于0.7。 2.采光设计时，应采取措施减少窗眩光：作业区应减 少或避免直

13、射阳光照射，不宜以明亮的窗口作为视看 背景，可采用室内外遮挡设施如遮阳、窗帘等降低窗 亮度或减少对天空的视看立体角，宜将窗结构的内表 面或窗周围的内墙面做成浅色饰面。 3.注意光线的方向性；需要补充人工照明的场所，宜 选用接近天然光色温的高色温光源；需识别颜色的场 所，宜采用不改变天然光光色的采光材料。 三、窗洞口种类、特性及使用范围 （一）侧窗：离内墙1米处照度最低 （二）天窗 1.矩形天窗：通风散热车间 2.横向天窗：天窗玻璃朝向南北 3.锯齿形天窗：纺织厂、超级市场 4.平天窗：采光效率高 5.井式天窗：热处理车间 进光量 大 中 小 纵向均匀性 中 好 差 横向均匀性 中 差 好 侧窗

14、采光特性 （一）侧窗 矩形天窗和梯形天窗矩形天窗和梯形天窗 例：关于矩形天窗采光特性的描述，下列那项是错误的？ A. 天窗位置高度增高，其照度平均值降低 B. 天窗宽度增大，其照度均匀度变好 C. 相邻天窗轴线间距减小，其照度均匀度变差 D. 窗地比增大，其采光系数增大 相邻天窗轴线间距减小，其照度均匀度变好。 答案：C 横向天窗 a. 晴天窗口朝向太阳 b.阴天 c. 窗口背向太 阳 锯齿形天窗锯齿形天窗 平天窗 P S2 S1 S1 coscos S1 cos I n n iLEcos 2 cos r A lx sr 井式天窗 在平、剖面相同时，天窗的采光效率平天窗最大，其次 为梯形天窗，

15、锯齿形天窗，矩形天窗最差。 例： 下列天窗在采光系数相同条件下，天窗的开窗面 积从低到高的排序，以下哪项正确? (A) 矩形天窗、平天窗、梯形天窗、锯齿形天窗 (B) 梯形天窗、锯齿形天窗、平天窗、矩形天窗 (C) 平天窗、锯齿形天窗、矩形天窗、梯形天窗 (D) 平天窗、梯形天窗、锯齿形天窗、矩形天窗 C=5%时，D的窗地面积比为: 11.5% 16% 20% 30% 答案：D 四、采光设计 （一）窗地面积比的估算 （二）博物馆和美术馆的采光设计 （一）窗地面积比的估算 卧室、起居室、厨房 1/7 （1%，50 lx） 普通教室， 办公建筑的办公室、会议室 1/5 （2%，100 lx） 设计

16、室、绘图室 1/3.5 （3%，150 lx） 例：在侧面采光情况下，下列哪种房间的采光系数为1%？ A. 办公室B. 会议室 C. 设计室D. 多功能厅 侧面采光时设计室为3%，办公室、会议室2%，多功能厅 为1%。 答案：D （二）博物馆和美术馆的采光设计 避免直接眩光 避免一次反射眩光 h 1.5m 1.52h1.52h h 5014 14 14 避免二次反射眩光 五、采光计算 （一）顶部采光计算（一）顶部采光计算 （二）侧窗采光计算（二）侧窗采光计算 （一）顶部采光计算（一）顶部采光计算 1. 1. 计算点计算点 jdfgdav KKKKKKCC （一）顶部采光计算（一）顶部采光计算

17、2. 2. 顶部采光计算公式顶部采光计算公式 比 积 面 地 0.40 (Ac/Ad) 0.30 0.20 l=4hs l=2hs l=2hs l=4hs l=4hs l8hs l8hs l=2hs l8hs 0.10 0.07 矩型天窗 锯齿型天窗 0.8 0.05 0.6 0.04 123 平天窗 4659871210Cd (%)161420 窗 北纬北纬4040晴天方向系数晴天方向系数 KfKf 南向： 1.55 东、西向：1.20 北向： 1.00 水平窗： 1.35 （二）侧窗采光计算（二）侧窗采光计算 1. 1. 计算点计算点 单侧采光和双侧采光的计算点位置单侧采光和双侧采光的计算

18、点位置 hc h Hd hc1 P工作面 b B1m bDd P hc2hx B1B2 hc2 hc1 P 工作面 hc1 hx hs hc2 b1b2 P 工作面 B1B2 b fcwd KKKKKCC min （二）侧窗采光计算（二）侧窗采光计算 2. 2. 侧窗采光计算公式侧窗采光计算公式 侧侧 面面 采采 光光 计计 算算 图图 表表 l4b l=b l=0.5b 12345 B/hc 0.1 0.2 0.3 0.5 1 2 3 4 5 6 8 10 15 Cd (%) l=2b l bbb K ccc c 321 窗宽系数窗宽系数 第三节第三节 人工照明人工照明 一、常用照明光源的种

19、类、特性与使用场所 二、灯具种类与基本特性 三、照明方式 四、照明设计标准 五、照明计算 六、人工照明节能的一般原则和方法 一、常用照明光源的种类、特性与使用场 所 （一）光源的种类 固体发光（热辐射） 气体发光（气体放电） （二）光源的特性参数和使用场所 光源名称 功 率 (W) 光 效 (lm/W) 寿 命 (h) 色 温 (K) 显色指教 (Ra) 使 用 场 所 白 炽 灯15200721100028009599 住宅、饭店、陈列室、 应急照明 卤 钨 灯510001220200028509599 陈列室、商店、工厂、车站、 大面积投光照明 荧 光 灯 (三基色荧光粉) 3125329

20、0300010000270065005093 工厂、办公室、医院、商店、 美术馆、饭店、公共场所 荧 光 高压汞灯 501000315235001200060004050 广场、街道、工厂、码头、 工地、车站等，限制使用 金 属 卤化物灯 70100070110600020000450070006095 广场、机场、港口、码头、 体育场、工厂 高压钠灯50100044120800024000200020，40，60 广场、街道、码头、工厂、 车站 低压钠灯181801001753000街道、高速公路、胡同 发光效率 要记住表中白炽灯、荧光灯、金属卤化物灯和钠灯的 光效、寿命、显色指数及主要使用

21、场所。 白炽灯还用于要求瞬时启动和连续调光；对防止电磁 干扰要求严格；开关频繁；照度要求不高，照明时间较短 的场所以及对装饰有特殊要求的场所。 例：下列哪种光源的光效最高？ A. 白炽灯B. 荧光灯 C. 卤钨灯D. 白光发光二极管 提示：提示：白炽灯光效721 lm/W， 卤钨灯光效1220 lm/W， 荧光灯光效3290 lm/W， 根据邴树奎LED在照明工程中的应用，照明技术与 管理2011年第1期P4，目前商业化的白光LED 光效已达到 100139 lm/W。 答案答案：D，白光发光二极管光效最高。 直管型荧光灯的升级换代节电70-90% 型号 T5 T8 T12 管径 16 26

22、38 mm 功率 28 36 40 W 光通 2700/3010 2550 2400 lm 光效 89/98 71 60 lm/W 色 温 6 4 0 0 / 2 8 0 0 - - - - K 显色指数 82 65 65 例：下列哪种类型的直管形36W荧光灯管必须采用电子 镇流器？ A. T12灯管 B. T10灯管 C. T8灯管 D. T5灯管 提示：提示：根据建筑照明设计标准GB 500342004第3.3.5条，2、 直管型荧光灯应配用电子镇流器或节能型电感镇流器； 建筑照明设计标准条文说明第3.3.5条，2、T8直管型荧光灯应 配用电子镇流器或节能型电感镇流器，不应配用功率大的传统

23、电感 镇流器，以提高能效；T5直管型荧光灯（14W）应采用电子镇流 器，因电感镇流器不能可靠起动T5灯管。 答案答案：D 二、灯具的种类与基本特性 （一）（一）灯具的种类 1. 直接型 2. 半直接型 3. 漫射型(均匀扩散型)直接间接型 4. 半间接型 5. 间接型 （二）灯具的光特性： 1.灯具的配光曲线 2.灯具的遮光角 3.灯具效率 1.灯具的配光曲线 引起的光幕 反射最小 D h d 灯具的遮光角 2.灯具的遮光角 9 3.灯具效率 建筑照明设计标准表3.3.2-1和表3.3.2-2规定，开敞式 灯具效率不应低于75，荧光灯灯具效率有保护罩透明 出光口不应低于65%，磨砂、棱镜出光口

24、不应低于55， 格栅不应低于60%；高强度气体放电灯(HID)格栅或透光 罩不应低于60%。 三、照明方式 (一）一般照明 ：候车 室，教室、超级市场， 仓库 （二）分区一般照明： 车间，开敞式办公室 （三）局部照明：照度 高、方向性强，除客房 局部照明不单独使用 （四）混合照明：工 业建筑（如车床）、 阅览室 四、照明设计标准 四、照明设计标准 （一）照度标准 工作面离地面0.75m 维持平均照度 照明功率密度值（LPD）是单位面积上照明安装功率 单位：W/ 项 目 分 类参考平面及其高度 照度标准值(lx) 最大摄影距离(m) 2575150 A组：田径、柔道、游泳、摔跤等项目1.0m高垂

25、直面5007501000 B组：篮球、排球、羽毛球、网球、手球、体操、 花样滑冰、速滑、垒球、足球等项目 1.0m高垂直面75010001500 C组：拳击、击剑、跳水、乒乓球、冰球等项目1.0m高垂直面10001500 有彩电转播的体育建筑的照明标准值有彩电转播的体育建筑的照明标准值表表15158 8 （二）照明质量 1.照度均匀度 (1) 公共建筑的工作房间和工业建筑作业区域内的一般照明 的照度均匀度(最低照度和平均照度之比)不应小于0.7，作 业面邻近周围的照度均匀度不应小于0.5。 (2) 房间或场所内的通道和其它非作业区域的一般照明的照 度值不宜低于作业区域一般照明照度值的1/3。

26、（二）照明质量 2. 眩光限制 （1）直接型灯具不应小于下表 光源平均亮度(kcd/m2)遮光角()光源平均亮度(kcd/m2)遮光角() 120105050020 20501550030 直接型灯具的遮光角直接型灯具的遮光角表表15159 9 （2）公共建筑和工业建筑常用房间或场所的不舒适眩 光采用统一眩光值(UGR)评价。 统一眩光值(UGR)的计算 式中： Lb 背景亮度（cd/m2）； L 观察者方向每个灯具发光部分的亮度（cd/m2）； 每个灯具发光部分对观察者眼睛形成的立体角（sr）； p 每个单独灯具的古斯位置指数。 详见照明标准附录A。 2 2 25. 0 lg8 P L L

27、UGR b 室外体育场地眩光值GR的计算 1. 由灯具发出的光直接射向眼睛所产生的光幕亮度； 2. 由环境引起直接入射到眼睛的光所产生的光幕亮度； 3 . 观察者眼睛上的照度。 详见照明标准附录B。 (3) 防止或减少光幕反射和反射眩光：避免将灯具安装在干 扰区内；采用低光泽度的表面装饰材料；限制灯具亮度；灯 具照亮顶棚和墙面，但避免出现光斑。 (4) 有视觉显示终端的工作场所照明应限制灯具中垂线 65(仰角可变的屏幕55) 角的亮度。 (5) 教室照明的布灯方法，灯管垂直于黑板面可减少眩光。 3.光源颜色 （1）色温 3.光源颜色 （2）显色性 五、照明计算 （一）（一）利用系数： U = u/(N ) 利用系数与以下参数有关： 灯具类型（直接型灯具下射光多）， 灯具效率（开敞式灯具效率高）， 房间尺寸（层高低，宽度小的房间好）， 房间表面光反射比有关（光反射比越大越好）。 （二）利用系数法计算公式 (lm) KUN AE av 光带和光梁 六、人工照明节能的一般原则和方法 高压钠灯比白炽灯光效高10倍以上 不宜采用灯具效率低于55 的灯具 选用节能的照明方式 提高灯的功率因数 合理设计照明控制系统 充分利用天然光