建筑光学应用——天然采光2013313.ppt

《建筑光学应用——天然采光2013313.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《建筑光学应用——天然采光2013313.ppt（100页珍藏版）》请在三一文库上搜索。

1、第2章 天然采光,本章要点 : 1.光气候、天空亮度分布和采光系数 2.采光口（侧窗和天窗） 3.采光设计 4.采光计算,从第1章中的视觉功效试验曲线来看，人眼在天然光下比在人工光下具有更高的视觉功效，并感到舒适和有益于身心健康。 太阳能是一种巨大的安全的清洁光源，室内充分地利用天然光，就可以起到节约资源和保护环境的作用。,视觉功效曲线图,2.1.1 光气候和采光系数 要点： 1.天空相对亮度分布。 2.我国光气候概况、影响因素、分区和光气候 系数。 3.采光系数。,一、光气候 所谓光气候，就是由太阳直射光、天空漫射光和地面反射光形成的天然光平均状况。,图 2-1天然光组成,（一） 天然光的组

2、成和影响因素 太阳直射光它形成的照度大，并具有一定方向，在被照射物体背后出现明显的阴影； 天空漫射光使天空具有一定亮度，它在地面上形成的照度较小，没有一定方向，不能形成阴影； 地面反射光太阳直射光和天空漫射光射到地球表面上后产生反射光。,天空中云多少用云量表示： 云量划分为010级，它表示天空总面积分为10份，其中被云遮住的份数，即覆盖云彩的天空部分所占的立体角总和与整个天空立体角2之比。 晴天云量为03级天。 中间天空介于晴天与阴天之间的天空类型。 阴天云量为810级天。 CIE标准一般天空分为晴天空、阴天空和中间天空三大类，其中每个大类天空各包含5小类不同的天空类型，它们涵盖了大多数实际天

3、空。,1. 晴天 天空漫射光照度在太阳高度角较小时（日出、日落前后）变化快，到太阳高度角较大时变化小。 太阳直射光照度在总照度中所占比例是随太阳高 度角的增加而较快变大（图2-2），阴影也随之而更明显。,图2-2 晴天室外照度变化情况,实测表明，晴天空亮度分布是随大气透明度、太阳和计算点在天空中的相对位置而变化的，其规律： 1）晴天空亮度分布以太阳子午圈（过太阳和天顶的经线）对称； 2）最亮处在太阳附近； 3）离太阳愈远，亮度愈低，在太阳子午圈上、与太阳成90角达到最低。,图2-3 天空亮度分布 （a）无云天,2. 阴天 全阴天时天空全部为云所遮盖，看不见太阳，因此室 外天然光全部为漫射光，物

4、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。 以上四个因素都影响室外照度，而他们本身在一天中 也是变化的，必然会使室外照度随之变化，只是其幅度没有 晴天那样剧烈。,CIE标准全阴天的天空亮度，则是相对稳定的，它不受太阳位置的影响，近似地按下式变化 （2-2） 式中 L仰角为 方向的天空亮度，cd/cm2； LZ天顶亮度，cd/m2； 计算天空亮度处的高度角（仰角）。,全云天的天空亮度分布规律： 1）天空最亮在天顶处； 2）天空亮度最小在地平线附近； 3）天空亮度分布与太阳位置无关。,图2-4 天空亮度分布 （b）全云天；*太

5、阳位置,由于阴天的亮度低，亮度分布相对稳定，因而使室内照度较低，但朝向影响小，室内照度分布稳定。 地面照度E地（lx）在数量上等于高度角为42处的天空亮度L42（cd/m2），即 （2-3） 由式（2-2）和立体角投影定律可以导出天顶亮度LZ（cd/m2）与地面照度E地（lx）的数量关系为：,数值,（二）我国光气候概况 影响室外地面上总照度的主要因素： 1）高度角：同一时刻，北方比南方小； 2）日照率(太阳出现时数和可能出现时数之比):由北、 西北往东南方向逐渐减少，以四川盆地一带最低； 3）云量：自北到南逐渐增多，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； 4）云

6、状：南方以低云为主，向北方逐渐以高、中云为主； 因此天然光构成：南方天空漫射光照度较大，北方和西北以 太阳直射光为主。,低云,高云,四川盆地：年平均照度最低,二、光气候分区 我国西北广阔高原地区室外年平均总照度值高达31.46 klx；而四川盆地及东北北部地区则只有21.18 klx，相差达 50，故标准根据室外天然光年平均总照度值大小将全国 划分为类光气候区。,根据光气候特点，按年平均总照度值确定分区系数，即光气候系数K见表1-2。,类光气候区,2-6 光气候分区图,三、采光系数 室外照度是经常变化的，这必然使室内照度随之而变，不可能是一固定值，因此对采光数量的要求，我国和其他许多国家都用相

7、对值。这一相对值称为采光系数（C），它是在全阴天空漫射光照射下，室内给定平面上的某一点由天空漫射光所产生的照度（En）与室内某一点照度同一时间、同一地点，在室外无遮挡水平面上由天空漫射光所产生的照度（Ew）的比值，即: （2-4）,图2-7 在实验室里用天穹模型确定采光系数示意图,2.1.2 采光口 要点： 1.采光口分类； 2.侧面采光和顶部采光的优缺点。,2-8 采光口示意图,为了获得天然光，人们在房屋 的外围护结构（墙、屋顶）上开了各种形式的洞口，装上各种透光材料，这些装有透光材料的孔洞统称为采光口。,图2-9 侧窗的几种形式,图2-10 不同形状侧窗的光线分布,一、侧窗 它是在房间的一

8、侧或两侧墙上开的采光口，是最常见的一种采光形式，如图2-9所示。 侧窗的窗台高约1米，而窗台高2米以上则称为高侧窗。,形式：单侧窗，双侧窗。 优点：构造简单、布置方便、造价低廉、光线具有明显的方向 性，有利于形成阴影观看立体物体，通过侧窗可看到外 界景物，有利通风，层数不限。 缺点：室内照度离窗愈远愈小，采光均匀度不好。 采光特点： 1.采光量与采光口面积和形式有关。在采光口面积相等且 窗底标高相同时，正方形窗口采光量最高，竖长 方形次之，横长方形最少。,2.采光均匀性 1）进深方向采光均匀性纵向照度变化剧烈，房间 深处照度不足。窗位置高低影响进深方向均匀性。为克服 进深照度不足的缺点，可提高

9、窗位置（即开高侧窗）等。,图2-11窗的不同位置对 室内采光的影响,2）横向采光均匀性主要受 窗间墙的影响，窗间墙愈宽，横 向均匀性愈差。,图2-12窗的不同位置对 室内采光的影响,下面我们分析侧窗的尺寸、位置对室内采光的影响： 1) 窗上沿高度不变，用提高窗台来减少窗面积 随着窗台的提高，室内深处的照度变化不大，但近窗处 的照度明显下降，而且出现拐点（圆圈，它表示这里出现照 度变化趋势的改变）往内移, 如图2-13(a)所示。,图2-13（a）窗上沿不变，窗台的高低变化对室内采光的影响,2)窗台高度不变，窗上沿高度变化给室内采光分布的影 响：这时近窗处照度变小，而且未出现拐点，但离窗远处照

10、度的下降逐渐明显,如图2-14(b)所示。,图2-14（b）窗台不变，窗上沿的高低变化对室内采光的影响,3)窗高不变，改变窗的宽度使窗面积减小 随着窗宽的减小，墙角处的暗角面积增大。从窗中轴剖面来看，窗无限长和窗宽为窗高4倍时差别不大，特别是近窗处。但当窗宽小于4倍窗高时，照度变化加剧，特别是近窗处，如图2-15所示。,图2-15 窗宽度的变化对室内采光的影响,阴天时的情况，这时窗口朝向对室内采光状况无影响。 但在晴天，不仅窗洞尺寸、位置对室内采光状况有影响， 而且不同朝向的室内采光状况大不相同（图2-16曲线a 和c）。,图2-16 天空状况对室内采光的影响 a晴天窗朝阳；b阴天；c晴天窗背

11、阳,双侧窗在阴天时，照度变化按中间对称分布（图2-17曲 线b）。但在晴天时，由于两侧窗口对着亮度不同的天空，因 此室内照度不是对称变化（图2-17曲线a），朝阳侧的照度高 得多。,图2-17 不同天空时双侧窗的室内照度分布 a晴天；b阴天,随着内墙面与窗口距离的增加，内墙墙面的照度降低， 并且照度分布也有改变。离窗口愈远，照度愈低，照度最高 点（圆圈）也往下移，而且照度变化趋于平缓（图2-18）。 我们还可以调整窗洞高低位置，使照度最高值处于画面中心（图2-19）。,图2-18 距侧窗不同距离内墙墙面照度变化 图2-19 侧窗位置对内墙墙面照度分布的影响,侧窗采光只能保证有限进深的采光要求，

12、一般不超过窗 高的二倍；更深的地方宜采用电光源照明补充。 图2-20表明侧窗上分别装普通玻璃（曲线1）、扩散玻璃（曲线2）和定向折光玻璃（曲线3），在室内获得的不同采光效果，以及达到某一采光系数的进深范围。,图2-20 不同玻璃的采光效果,为了提高房间深处的照度，在国外还采用倾斜顶棚，以接受更多的天然光，提高顶棚亮度，使之成为照射房间深处的第二光源。 除将顶棚做成倾斜外，如果建筑所处地区晴天多，为了尽可能多地利用太阳光，除了沿外墙上设置室内水平反光板外，还在朝南外墙上设置室外水平反光板。,图2-21 某办公室采光方案,小区布置对室内采光也有影响。平行布置房屋，需要留 足够的间距，否则挡光严重(

13、图2-22a)。如仅从挡光影响的 角度看，将一些建筑转180布置，这样可减轻挡光影响(图 2-23b)。,图2-22、23 房屋布置对室内采光影响,侧窗采光时，由于窗口位置低，一些外部因素对它的采光影响很大。故在一些多层建筑中，将上面几层往里收，增加一些屋面，这些屋面可成为反射面，当屋面刷白时，对上一层室内采光量增大的效果很明显。,图2-24 特殊房屋外形的采光处理方法,天窗的形式,二、天窗 (一) 矩形天窗 矩形天窗实质上是安装在屋顶上的高侧窗。 矩形天窗包含纵向矩形天窗、梯形天窗、横向矩形天窗 和井式天窗。 1.纵向矩形天窗 纵向矩形天窗是由装在屋架上的天窗架和天窗架上的窗扇组成，窗方向垂

14、直于屋架。通常又把纵向矩形天窗简称为矩形天窗。它的窗扇一般可以开启，也可起通风作用。 优点：照度均匀，不易形成眩光，便于通风，但采光效率较低（相对于平天窗来说） 。,纵向矩形天窗,适用范围：采光系数平均值最高为5%，用于中等精密工作 的车间，及有通风要求的车间。,矩形天窗的光分布见图2-25。由图可见，采光系数最高 值一般在跨中，最低值在柱子处。,图2-25 矩形天窗采光系数曲线,天窗宽度（bmo）对于室内照度平均值和均匀度都有影 响。加大天窗宽度，平均照度值增加，均匀性改善。,图2-26 天窗宽度变化对采光的影响,2.梯形天窗 有时为了增加室内采光量，将矩形天窗的玻璃做成倾斜 的，则称为梯形

15、天窗。图2-28表示矩形天窗（b）和梯形天窗 （a）（玻璃倾角为60）的比较，采用梯形天窗时，室内采光 量明显提高（提高约60%），但是均匀度却明显变差。 由于玻璃处于倾斜面，容易积尘，污染严重，加上构造复 杂，阳光易射入室内，故选用时应慎重。,图2-28 矩形天窗和梯形天窗采光比较,图2-27 矩形、梯形天窗窗地比 和采光系数平均值的关系,3.横向天窗将部分屋面板放在屋架下弦，利用露出的 屋架安装窗扇采光。 特点：省去了天窗架，建筑高度降低，结构简化，节省材 料，造价降低。采光效果和矩形天窗差不多。 注意：不适用于跨度较小的车间； 上弦坡度较大的三角形屋架不适宜作横向天窗。,4.井式天窗利用

16、屋架上、下弦之间的空间，将一些屋面 板放在下弦杆件上形成井口，开口处常不装玻璃扇。 适用：主要用于热车间起通风作用，采光系数一般在1%以下。,(二)锯齿形天窗 锯齿形天窗属单面顶部采光。 特点：采光效率较高,平均采光系数可达到7%，能满足精密工作车间的采光要求，光线具有方向性，采光均匀性比较好。,图2-29 锯齿形天窗朝向对采光的影响,(三) 平天窗 在屋面直接开洞，铺上透光材料。 特点：结构简单，施工方便，布置灵活，采光效率高，但污染较垂直窗严重。 形式：采光板，采光罩，采光带，采光顶棚。 注意：1.注意直射阳光进入室内引起眩光； 2.南方地区注意室内过热； 3.北方寒冷地区注意玻璃内表面在

17、冬季由于温度过 低而产生冷凝水。,图2-30 平天窗的不同做法,图2-31 矩形天窗和平天窗采光效率比较,图2-32 平天窗在屋面不同位置对室内采光的影响,由于防水和安装采光罩的需要，在平天窗开口周围都需设置一定高度的肋，称为井壁。井壁高度和井口面积的比例影响采光口的采光效率。,从图中可看出： 分散布置的平天 窗所需的窗面积最 小。其次为梯形天窗 和锯齿形天窗，最大 为矩形天窗。但从均 匀度来看，集中在一 处的平天窗最差；但 如将平天窗分散布置 图2-35（b），则 均匀度得到改善。,图2-35 几种天窗的采光效率比较,思考题 1.侧面采光和顶部采光各有哪些类型？ 2.侧面采光有哪些优、缺点？

18、 3.在相同条件下，为什么平天窗的采光效率比侧窗高？,2.1.3 采光设计 要点： 1.采光系数和采光质量标准值； 2.采光设计5个步骤。,采光设计的任务在于根据视觉工作特点所提出的各项要 求,正确地选择窗洞口形式，确定必需的窗洞口面积，以及 他们的位置，使室内获得良好的光环境，保证视觉工作顺利 进行。 为了在建筑采光设计中，充分利用天然光，创造良好的 光环境和节约能源，就必须使采光设计符合建筑采光设计标 准要求。 采光设计宜采用计算机软件进行，参见之后的章节。,一、采光标准 建筑采光设计标准（GB/T50033-2001)的主要内容： （一）采光系数 照度相对值称为采光系数，常用符号C表示。

19、它是采光的数量评价指标，也是采光设计的依据。 室内某一点的采光系数可按下式确定： 采光系数 C=En/Ew*100% 式中 En在全天天空扩散光照射下，室内给定平面上某一点由天空扩散光所产生的照度 Ew在全天天空扩散光照射下，与室内某一点照度E同一时间、同一地点，在室外无遮挡平面上由天空扩散光所产生的室外照度,（二）采光系数标准值 采光系数标准值： a. 按作业精确度（识别物件的最小尺寸）确定采光等级; b.按采光方式，侧窗采光（最低值），顶部采光（平均值）确定天然光照度; c.室外临界照度值将影响采光口的大小、人工照明使用时间等，规范规定其值为5000lx。,（三）采光质量 1.采光均匀度

20、要求房间内照度分布应有一定的均匀度（工业建筑取距地面1m，民用建筑取距地面0.8m的假定水平面上，即在假定工作面上的采光系数的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），故标准提出顶部采光时，级采光等级的采光均匀度不宜小于0.7。,2. 窗眩光 侧窗位置较低，对于工作视线处于水平的场所极易 形成不舒适眩光，故应采取措施减小窗眩光： 1）作业区应减少或避免直射阳光照射； 2）不宜以明亮的窗口作为视看背景，可采用室内外 遮挡设施降低窗亮度或减小对天空的视看立体角； 3）宜将窗结构的内表面或窗周围的内墙面做成浅色 饰面。,3. 光反射比 为了使室内各表面的亮度比较均匀，必须使

21、室内 各表面具有适当的光反射比。室内各表面的光反射比宜 符合表2-4的规定。,室内各表面的光反射比 表2-4,二、采光设计步骤 （一）搜集资料 1.了解设计对象对采光的要求： (1)房间的工作特点及精密度； (2)工作面的位置； (3)工作对象的表面状况； (4)工作中是否容许直射阳光进入房间； (5)工作区域。,2.了解设计对象的其他要求： (1)采暖； (2)通风； (3)泄爆。 3.房间平剖面尺寸及其周围环境概况。 (二）选择采光口形式 (三）确定采光口位置及可能开设窗口的面积,(四）估算采光口尺寸 根据视觉工作分级和拟采用的采光口形式及位置，即可从表2-8查出所需的窗地面积比。,(五）

22、布置采光口 1.先定窗高，再定窗宽； 2.定窗位置，画出平面与剖面图； 3.验算实际开窗面积与估算出采光面积差别，并修改 采光设计方案。,http:/ 柱距6m，采光要求为II级。试进行采光设计。 （1）查表知侧窗要求的窗地比为1/3，地面积为 630=180m2，则要求的侧窗面积为60m2。 （2）可开侧窗面积=窗高窗宽两侧面 = 4.84.82 =46m2 （3）已解决的地面积=463=138 m2； 未解决的地面积=180-138=42m2 。 （4）选矩形天窗，查表知窗地比为1/3.5，则所需天窗面积 =42/3.5=12m2 。 （5）选用1.2m高的钢窗，可补充14.4m2的天窗面

23、积， 即1.262 =14.4m2。,经过以上五个步骤，确定了采光口形式、面积和位置，基本上达到初步设计的要求。由于它的面积是估算的，位置也不一定确定不变，故在进行技术设计之后，还应进行采光验算，以便最后确定它是否满足采光标准的各项要求。,画廊顶部采光方案,古根海姆博物馆玻璃穹顶,天窗采光剖面图,天窗采光平面图,天窗采光实例,穹顶采光,思考题 1.当侧窗采光不能满足要求时，为什么在计算天窗面积 时还需要算出采光的地板面积？ 2.在进行采光设计时已进行了采光口面积验算，那么还 需要采光计算验证吗？,6.1.4采光计算 要点： 1.采光计算方法； 2.侧面采光计算和顶部采光计算步骤。,目的：验证所

24、做的设计是否符合采光标准中规定的各项 指标。 方法：a.用公式算； b.计算机程序； c.图表法利用图表，按房间的有关数据直接 查出采光系数值。,一、确定采光计算中所需数据 （1）尺寸和遮挡等； （2）采光口材料及厚度； （3）承重结构形式及材料； （4）表面污染程度； （5）室内表面反光程度。,二、计算步骤及方法 这种计算方法是按侧窗和天窗，分别利用两个不同 的图表，根据有关数据查出相应的采光系数值。 在进行采光计算时，首先要确定无限长带形采光口 的采光系数；然后按实际情况考虑各种影响因素，加以 修正而得到采光系数最低值（侧面采光）或平均值（顶 部采光）。,（一）侧面采光计算,侧窗采光计算图

25、表,侧窗采光图例 （a）单侧采光；（b）对称双侧采光；（c）非对称双侧采光；（d）非对称双侧采光,（二）顶部采光计算,天窗计算图例 （a）矩形天窗；（b）平天窗；（c）锯齿形天窗,顶部采光计算图表,【例2-1】 北京某一般的机电产品加工车间，长为102m， 三个跨度均为18m，屋架下弦高8.2m，尺寸见图2-41。 室内浅色粉刷，一般污染，钢屋架，窗的朝向为东（西） 向，窗外无遮挡物，试设计需要的天窗和侧窗。,图2-41,【解】 查建筑采光设计标准中的工业建筑的采光系数标准值得 出，一般的机电加工车间属级采光等级；采光系数最低值 C min为2%（侧面采光），Cav为3%（顶部采光）。北京地处

26、 类光气候区，查表2-2得，光气候系数为1.0，故上述标准值 不变。 1采光设计 （1）侧面采光 由级采光等级查表6-5得双侧窗的窗地比为1/4。边 跨每开间能开侧窗的最大面积为（6-0.452）m7.2m =36.72 m2。而边跨每开间的侧窗面积约需6m18m/4 =27m2，窗高为27 m2/5.1 m5.3 m。现设窗高分别为 2.4 m和3.6 m，侧窗布置如图。按工艺要求，计算点选 在距跨端3.5 m处P1点。,（2）顶部采光。 中间一跨采用矩形天窗采光，由级采光等级查表2-5 得矩形天窗的窗地比为1/4.5。中间一跨需天窗面积为6m 18m/4.5=24 m2，天窗的窗高为24m

27、2/6m/2=2m，现取天窗的 窗高为2.1 m，天窗布置见图6-48。 2采光计算 （1）侧面采光：B=18-3.5=14.5 m，l=102 m ，b=18 m， l4b,I窗： 1）分别求窗上、下沿对应的Cd 上沿：hs=7.2 m,B/hs=14.5/7.22.01， 查图6-44得Cd = 3.40% 下沿：hs=4.8 m,B/hs=14.5/4.83.02， 查图6-44得Cd = 1.45% 2）求Kc：由式（6-8）得Kc=5.1/6.0=0.85,3）分别求Kr （a）设各表面的光反射比：顶棚rp=0.7，墙面rq=0.5，地面rd=0.2，窗口（单层玻璃）rc=0.15。

28、 （b）室内平均光反射比： （c）由B/hc为2.01和3.02分别查表6-6双侧采光对应值， 再由内插法算得： Kr11.48，Kr21.82 4）求K:单层普通玻璃，查表1-3，取=0.80；采用单层 钢窗，查表2-7得c=0.80；垂直窗，一般污染，查表2-8得 w=0.75。则由式（2-10）算得： =0.800.800.75=0.48,5）定Kw：因室外无遮挡，故取Kw =1。 6）查Kf：北京地处类光气候区，北纬约40，垂直窗 朝向为东（西）向，查表6-10得晴天方向系数Kf =1.20 7）求高侧窗I在P1点产生的Cmin：根据式（2-7）算得 Cmin = 1.17（%） 窗：

29、hc=3.6 m，B/hc =14.5/3.64.03，查图2-44 得Cd = 0.82% 同I窗的相同方法得：Kc=0.85， =2.05， =0.48， Kw=1，Kf =1.20。 窗在P1点产生的Cmin： Cmin = 0.82（%）,侧面采光在P1点上产生的采光系数： Cmin = CminCmin =1.170.82=1.99（%）2.0（%） 由采光计算结果表明：当计算点P1和跨端距离OP1小于 3.5 m时，采光系数小于2%，仅为1.5左右，所以该区域是 侧窗采光不满足级采光等级的区域，宜作为一般工作区域 使用；当计算点和跨端距离大于3.5 m时，侧面采光符合 级采光等级要

30、求。,（2）顶部采光 1）求Cd：Ac/Ad=（62.12）/（618)0.233； l =102 m，hx=10.8 m，l 8 hx。 查图2-46得Cd=4.90。 2）求Kg：本例天窗为单跨，b=18 m，hx /b=0.6 ，查 表2-11得Kg=0.69。 3）求Kr：侧面采光计算中已算得 =0.43，查表6-12后 算得：,4）求K：由侧面采光计算得=0.80，c=0.80，w=0.75，采用钢屋架承重结构，查表2-13得j =0.90。 由式（2-12）算得： =0.432 5）求Kd：该矩形天窗没有设置挡风板，故Kd=l。 6）定Kf：同侧面采光，即Kf=1.2。 7）定Kj：采用矩形天窗采光，故Kj=1 8）矩形天窗采光系数由式（2-11）得： 天窗采光系数的计算值基本满足要求。,本节习题 1.按例题3-4（图3-21）所给房间剖面，在CIE标准阴天时，求水平窗洞在桌面上形成的采光系数；若窗洞上装有=0.8的透明玻璃时的采光系数；若窗上装有=0.5的乳白玻璃时的采光系数。 2.重庆地区某会议室平面尺寸为5m7m，净空高3.6m，估算需要的侧窗面积并绘出其平、剖面图。,