建筑光學第八章

第八章天然采光第一節(jié)光氣候和采光標準第二節(jié)采光口第三節(jié)采光設計第四節(jié)采光計算2/1/2023孫鳳明1第一節(jié)光氣候和采光標準一、光氣候所謂光氣候就是由太陽直射光、天空光和地面反射光形成的天然光平均狀況。下面簡要介紹有關光氣候知識。2/1/2023孫鳳明2（一）天然光的組成和影響因素太陽是天然光（Daylight）的光源。日光（Sunlight）在通過地球大氣層時被空氣中的塵埃和氣體分子擴散，結果，白天的天空呈現(xiàn)出一定的亮度，這就是天空光（Skylight）。天然光是直射日光與天空光的總合。2/1/2023孫鳳明3地面照度來源于日光和天空光，其比例隨太陽高度與天氣而變化。通常，按照天空中云的覆蓋面積將天氣分為三類：（1）晴天——云覆蓋天空的面積占0～3／10（2）多云天——云占4/10～7/10；（3）全陰天——云占8/10～1

2/1/2023孫鳳明41、晴天晴天時，地面照度主要來自直射日光；隨著太陽高度角的增大，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散光照明。多云天介于二者之間，太陽時隱時現(xiàn)，照度很不穩(wěn)定。2/1/2023孫鳳明5圖8－1晴天室外照度變化情況2/1/2023孫鳳明6

晴天天空的亮度分布相當復雜，與太陽高度和方位兩個因素有關。晴天同陰天相反，除去太陽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；與太陽相距約一90°高度角的對稱位置上，天空亮度最低。圖8－2是典型的晴天天空亮度分布圖（符合CIE標準晴天天空亮度分布函數(shù)，設Lz＝1）。2/1/2023孫鳳明7圖8－2晴天天空亮度分布

（太陽高度角40°，方位角0°）2/1/2023孫鳳明8圖8－3晴天天空亮度分布剖面

（太陽高度角40°，方位角0°）2/1/2023孫鳳明92、全云天這時天空全部為云所遮蓋，看不見太陽，因此室外天然光全部為擴散光，物體后面沒有陰影。這時地面照度取決于：（1）太陽高度角（2）云狀（3）地面反射能力（4）大氣透明度2/1/2023孫鳳明10這種天空在同一高度的不同方位上亮度相等，但是從地平面到天頂?shù)牟煌叨壬嫌幸韵碌牧炼茸兓?guī)律。Lθ－－仰角為的天空的亮度（cd/m2）；Lz－－天頂亮度（cd/m2）；－－計算天空亮度處的高度角（仰角）。2/1/2023孫鳳明11圖8－3陰天天空亮度分布2/1/2023孫鳳明12從上式推算，天頂亮度約為地平線附近天空亮度的3倍。由于陰天的亮度低，亮度分布相對穩(wěn)定，而且，朝向對室內照度影響小，因而使室內照度較低，照度分布也較穩(wěn)定。這時，室外地面照度（以lx為單位）在數(shù)值上等于高度角為42o處的天空亮度（以asb為單位），即：E地(lx)＝L42(asb)2/1/2023孫鳳明13再由立體角投影定律可以導出天頂亮度與地面照度在數(shù)量上的關系為：

同樣方法還可導出陰天的室外垂直面照度為：

E垂＝E地×0.396

圖8－3示出平均亮度相等的兩種天空亮度分布的區(qū)別。2/1/2023孫鳳明14（二）我國光氣候概況我國地域遼闊，各地光氣候有很大差別，同一時刻南北方的太陽高度相差很大。從日照率來看，由北、西北往東南方向逐漸減少，而以四川盆地為最低。從云量來看，大致是自北向南逐漸增多，新疆南部最少，華北、東北少，長江中下游較多，華南最多，四川盆地特多。2/1/2023孫鳳明15從云狀來看，南方以低云為主，向北逐漸以高、中云為主。這些特點說明，天然光照度中，南方以天空擴散光照度較大，北方和西北以太陽直射光為主。圖8－4是我國135個點的照度數(shù)據(jù)繪制成的全國年平均照度分布圖。圖8－5為重慶室外地面照度實測值（klx）。

表2.2-1是相應圖8－5的數(shù)值表。2/1/2023孫鳳明16圖8－4全國年平均總照度分布圖(klx)2/1/2023孫鳳明17圖8－5重慶室外地面照度實測值（klx）（a）總照度；（b）擴散光照度2/1/2023孫鳳明18重慶室外散射照度與總照度之比表8－12/1/2023孫鳳明19二、采光標準我國于2001年11月1日起實施的《建筑采光設計標準》（GB/T50033-2001）是采光設計的依據(jù)。下面介紹該標準的主要內容：2/1/2023孫鳳明20

1．采光系數(shù)（DaylightFactor）

采光系數(shù)（C）是室內給定水平面上某一點的由全陰天天空漫射光所產生的照度（En）與同一時間同一地點，在室外無遮擋水平面上由全陰天天空漫射光所產生的照度（Ew）之比。兩個照度值均不包括直射日光的作用。采光系數(shù)的符號為C，以百分數(shù)表示。于是：2/1/2023孫鳳明21

用采光系數(shù)這一概念，就可根據(jù)室內要求的照度換算出需要的室外照度，或由室外照度值求出當時的室內照度，而不受照度變化的影響，以適應天然光多變的特點。2/1/2023孫鳳明222．采光系數(shù)標準值前面已經(jīng)介紹，不同的視看對象要求不同的照度，而照度在一定范圍內是愈高愈好，照度愈高，工作效率愈高。但高照度意味著投資大，故它的確定必須即考慮到視覺工作的需要，又照顧到經(jīng)濟上的可行性和技術上的合理性。2/1/2023孫鳳明23

采光標準綜合考慮了：視覺試驗結果；已建成建筑物的采光現(xiàn)狀；采光口的經(jīng)濟分析；我國光氣候特征；以及我國國民經(jīng)濟發(fā)展等因素，將視覺工作分為Ⅰ～Ⅴ級，提出了各等級視覺工作要求的天然光照度最低值為250、150、100、50、25lx。我們把室內完全利用天然光進行工作時的室外天然光照度最低值稱為“臨界照度”，也就是室內開始需要采用人工照明時的室外照度值。2/1/2023孫鳳明24經(jīng)過不同臨界照度值對各種費用的綜合比較，還考慮到開窗的可能性，我國的采光標準規(guī)定臨界照度值為5000lx。確定這一值后就可將室內天然光照度換算成采光系數(shù)。2/1/2023孫鳳明25

由于不同的采光口類型在室內形成不同的光分布，故采光標準按不同的采光口類型，分別提出不同的要求。頂部采光時，室內照度分布均勻，采光系數(shù)采用平均值。側面采光時，室內光線變化大，故采光系數(shù)采用最低值。見下表：2/1/2023孫鳳明26表8－2視覺作業(yè)場所工作面上的采光系數(shù)標準值2/1/2023孫鳳明27從表中可看出，采光系數(shù)標準值的高低是根據(jù)視看對象的大小和采光口類型而定的。在《建筑采光設計標準》中，采光系數(shù)標準值是按房間的工作性質來確定的，采光系數(shù)標準值見教材P166。2/1/2023孫鳳明283、光氣候分區(qū)由于我國各地光氣候差別太大，若采用同一采光標準值顯然是不合理的，故采光標準將全國劃分為Ⅰ～Ⅴ個光氣候區(qū)（圖8－6）。在《建筑采光設計標準》中所列采光系數(shù)標準值適用于Ⅲ類光氣候區(qū)。其它地區(qū)應按它所在不同的光氣候區(qū)，選擇相應的光氣候系數(shù)（光氣候系數(shù)見表8－3）。2/1/2023孫鳳明29圖8－6光氣候分區(qū)2/1/2023孫鳳明30

各區(qū)具體的采光系數(shù)標準值，為采光標準各表所列采光系數(shù)標準值乘上各區(qū)的光氣候系數(shù)。表8－3光氣候系數(shù)2/1/2023孫鳳明314、照度均勻度視野內照度分布不均勻，易使人眼睛疲乏，視功能下降，影響工作效率。因此，要求房間內的照度分布有一定的均勻度（即在假定工作面上的采光系數(shù)最低值與平均值之比；也可認為是室內照度最低值與室內照度平均值之比）。2/1/2023孫鳳明32

采光標準提出頂部采光時，Ⅰ～Ⅳ級采光等級的采光均勻度要求不得小于0.7。側面采光時，由于室內照度不可能做到均勻，以及頂部采光時，Ⅴ級視覺工作需要的開窗面積小，較難照顧采光均勻度，故此時對均勻度未作規(guī)定。2/1/2023孫鳳明335、眩光限制在側窗采光房間里，窗口位置較低，對于視線處于水平的工作場所極易形成不舒適眩光。標準提出可采取以下措施來減少窗口眩光：2/1/2023孫鳳明34

作業(yè)區(qū)應減少或避免直射陽光；工作人員的視覺背景不宜為窗口；可采取室內外遮擋設施來減少窗亮度或減少窗的視域；窗結構的內表面和窗周圍的內墻面宜采用淺色飾面；具體控制側窗眩光的處理方法見圖8－7。標準還提出要求采取措施來防止反射眩光。2/1/2023孫鳳明35圖8—7控制側窗眩光的細部處理a----窗臺做成斜面；b----高反射率的頂棚，并且利用室外反射提高頂棚亮度，減小對比；c----用半透明百葉減小高天空亮度區(qū)（2），同時仍然可以看出（1）；d----利用人工照明照亮窗周圍的墻面，以減小對比，減弱眩光。2/1/2023孫鳳明36第二節(jié)采光口側窗天窗本節(jié)主要介紹其采光特性2/1/2023孫鳳明37一、側窗1．單側窗在進深不大，僅有一面外墻的房間，普遍利用單側窗采光。它的主要優(yōu)點是光線自一側投射，光流有顯著的方向性，使人的容貌和立體物件形成良好的光影造型。2/1/2023孫鳳明38圖8－8側窗采光時的工作臺位置a－－光線來自側方b－－工作臺與窗子相垂直布置（平面圖）2/1/2023孫鳳明39

當工作位置與有窗的外墻相垂直布置時（圖8－8），有效地避免了光幕反射和不舒適眩光。此外，通過側窗還能直接看到室外景物，窗子的構造簡單，維修方便，價格也便宜。2/1/2023孫鳳明40影響單側窗采光效果的幾個因素：

（1）室內一點獲得的天空直射光數(shù)量是由該點透過窗子“看”到的天空面積大小決定的，離窗子愈遠，“看”到的天空面積愈?。唬?）全陰天空時，天頂要比地平線附近的天空亮得多；2/1/2023孫鳳明41

（3）由窗子投射來的光線與受光平面的夾角越大，照度越高，投射角越小，照度越低（余弦定律）；（4）室外景物對天空視域的遮擋。2/1/2023孫鳳明42圖8－9單側窗采光區(qū)域示意圖2/1/2023孫鳳明43圖8－10各種形式的側窗2/1/2023孫鳳明442．雙側窗在相對兩面?zhèn)葔ι祥_窗能將采光進深增加一倍，同時緩和實墻與窗洞間的亮度對比。相鄰兩面墻上都開側窗，在緩和墻與窗的對比上效果更顯著，但采光進深增加有限。2/1/2023孫鳳明45圖8－14不同天空時雙側窗的室內照度分布

a－－晴天；b－－陰天ab2/1/2023孫鳳明46

由上述可知，側窗的采光特點是照度沿房間進深下降很快，分布很不均勻，雖可用提高窗位置的辦法來解決一些，但這種辦法又受到層高的限制，故這種窗只能保證有限進深的采光要求，一般不超過窗高的二倍。更深的地方宜采用人工照明補充。2/1/2023孫鳳明47二、天窗1、矩形天窗在單層工業(yè)廠房中，矩形天窗應用很普遍。圖8－11a是矩形天窗的透視簡圖，它實質上相當于提高位置的成對高側窗。在各類天窗中，它的采光效率（進光量與窗洞面積的比）最低，但眩光小，便于組織自然通風。2/1/2023孫鳳明48圖8－11矩形天窗

a---矩形天窗；b---橫向矩形天窗2/1/2023孫鳳明49（l）天窗跨度bk：對照度水平和照度均勻度都有影響。在一定范圍內加大bk能提高平均照度并改善均勻度；但超過限度會造成鄰跨間天窗的互相遮擋，效果適得其反。合適的比例應為bk=0.4～0.6b（b為建筑跨度或一列天窗分屬的建筑寬度）。2/1/2023孫鳳明50

(2）天窗位置的高低與天窗間距：天窗下沿至工作面的高度hx愈高則照度愈低，但均勻度變好；天窗低，效果正相反。因為hx通常是由生產工藝或建筑體積決定的，所以控制天窗間距dc與hx的比例較為實際。一般以hx/dc＝0.45～0.70為宜。當每跨僅有一列天窗時，dc＝b，hx/b＝0.45～0.70。多跨廠房中的矩形天窗能受到相互交叉照射，天窗位置高低對采光均勻度的影響不很顯著。2/1/2023孫鳳明51（3）窗子的傾斜度：窗子仰面傾斜設置能加大受光立體角，從而增大采光量。與水平面成60°角的梯形天窗，比相等面積的矩形天窗，可提高工作面照度40～60%，但是它的構造復雜，容易積塵積雪，射進日光，所以要根據(jù)具體情況權衡得失。2/1/2023孫鳳明52

普通矩形天窗是在屋架上架起一列天窗架構成的，窗子的方向與屋架相垂直，稱為縱向矩形天窗。天窗屋架增加了建筑高度，也加大了結構荷載（特別是風荷載），從而提高了建筑費用。2/1/2023孫鳳明53另一種形式的矩形天窗是將屋面板隔跨分別架設在屋架上弦和下弦位置，窗扇立在屋架外側，緊貼屋架，稱為橫向矩形天窗（圖8－11b)，也稱下沉式天窗。這種天窗省去了天窗架，但施工復雜一些。它的橫向采光均勻度好，自然通風效果顯著改善，對一些熱車間很適用。橫向下沉式天窗2/1/2023孫鳳明544.鋸齒形天窗鋸齒形天窗的特點是屋頂傾斜?？梢猿浞掷庙斉锏姆瓷涔狻２晒庑时染匦翁齑凹s高15%至20%。當窗口朝北布置時，完全接受北向天空漫射光，光線穩(wěn)定，直射日光不會照進室內，因此減小了室內溫濕度的波動及眩光。2/1/2023孫鳳明55

根據(jù)這些特點，鋸齒形天窗非常適于在紡織車間、美術館等建筑使用。大面積的軋鋼車間或輕型機加工車間、超級市場及體育館也有利用鋸齒形天窗采光的實例。2/1/2023孫鳳明56圖8－14鋸齒形天窗

a----設備與天窗平行布置－－錯誤

b----設備與天窗垂直布置－－正確2/1/2023孫鳳明57

單層的進深不大的房間、或多層樓房的頂層，常設單列的斜頂天窗（Clerestory)增加采光進深，或提高墻面的垂直照度，形成特殊的采光效果。斜頂天窗在采光上的特點同鋸齒形天窗類似。圖3-11給出兩個例子及建議的尺寸。2/1/2023孫鳳明58圖8－11斜頂天窗2/1/2023孫鳳明595．平天窗平天窗的形式很多，其共同點是采光口位于水平面或接近水平面，因此，它們比所有其他類型的窗子采光效率都高得多，約為矩形天窗的2～2．5倍。小型的采光罩更有布置靈活、構造簡單、防水可靠等優(yōu)點，近年在民用建筑中也用的越來越多了。2/1/2023孫鳳明60

平天窗采用透明的窗玻璃材料時，日光很容易長時間照進室內，不僅產生眩光，而且夏季強烈的熱輻射會造成室內過熱，所以，熱帶地區(qū)使用平天窗一定要采取措施遮蔽直射日光，加強通風降溫。2/1/2023孫鳳明61（1）大面積采光頂棚一一主要目的是形成一個接近大自然的全天候室內空間，采光質量無關重要，安全、防水、維修等問題是設計首先考慮的因素。透光材料使用玻璃或塑料。常見于現(xiàn)代建筑的中庭、大型市場、體育館、博覽館、溫室等建筑。2/1/2023孫鳳明62（2）帶形或板式天窗——多數(shù)是在屋面板上開洞，覆以透光材料構成的。采光口面積較大時則設三角形或錐形鋼框架，窗玻璃斜置在鋼架上（圖3－12a）。屋面采光板，是我國目前應用較多的一種采光形式（圖3－12b），在工業(yè)建筑中多以大型屋面板為模數(shù)，分散地或成帶形布置。2/1/2023孫鳳明63平天窗類型圖8-12平天窗類型a----三角形天窗；b----屋面采光板；c----采光罩2/1/2023孫鳳明64（3）采光罩——這是一種用有機玻璃、聚丙烯塑料或玻璃鋼整體壓鑄的采光構件，有圓穹形、扁平穹形、方錐形等各種形狀。采光罩的尺寸較小，一般為1m2左右。在構造上分固定式和開啟式（圖8－12C）。2/1/2023孫鳳明65

開啟式可以自然通風，但是開關比較復雜。為了保溫隔熱，有的采光罩做成雙層透光罩，中間為空氣間層或填充保溫材料。采光罩的特點是重量輕，構造簡單，防水可靠，布置靈活。國內外都有許多工廠生產采光罩系列產品，這些產品在輕型廠房、民用建筑中很適用。2/1/2023孫鳳明66第三節(jié)采光設計一、設計的內容、步驟和原則天然光環(huán)境的設計是與建筑方案設計結合進行的。兩者的關系及天然光環(huán)境設計的主要內容、步驟，用圖解的形式說明如下：2/1/2023孫鳳明67使用功能視覺作業(yè)心理因素室外環(huán)境采光標準光氣候熱工因素分析窗子形式位置窗子大小（采光計算）控光裝置設計經(jīng)濟分析建筑方案設計輔助照明建筑平、剖面ρ、τ，環(huán)境條件2/1/2023孫鳳明68著手設計之前。首先要了解設計對象對光環(huán)境有哪些要求？建筑規(guī)劃方案給晝光照明提供了什么條件？例如：

視覺作業(yè)：在工作環(huán)境中要看的細節(jié)精細到什么程度？作業(yè)對地辨認的難度及重要性如何？

靈活性：作業(yè)區(qū)是固定的嗎？其他區(qū)域需要多少光線？照明要求相近的工作可以安排在一起嗎？照明要求高的作業(yè)能否設在頂層，用天窗照明？2/1/2023孫鳳明69

綜合性：照明同其他方面的條件能不能結合起來？比如，能否利用墻的反射改善室內光線的分布和質量？能否不設隔斷，采用開敞式平面以充分發(fā)揮窗子的采光效能等等。使用人：有無特殊要求？如對老年人要不要考慮較高的照明水平？2/1/2023孫鳳明70室外環(huán)境與建筑朝向：室外景物對可見天空的遮擋有多少？室外環(huán)境中有無可利用的反射（地面、水面等）？朝向對晝光強度和晝光利用時間的影響如何？上述這些問題和資料是形成設計方案過程中進行正確的分析、比較和判斷的基礎。2/1/2023孫鳳明71采光設計的核心是窗的設計。在晝光照明的房間里，需要借助窗子形成有充分的照度。但是沒有眩光的舒適光環(huán)境，同時又要能通過窗子看到外部世界，這就要求窗子開得大一些。2/1/2023孫鳳明72然而，從熱交換的觀點來看，單層玻璃的窗子以小為宜。如果采用復雜的窗結構和特種的熱反射玻璃固然能兩全其美，但造價是否允許又成了問題。所以，盡管采光是窗子的首要功能，選中的設計卻往往是一個折衷方案，而不是單從采光考慮的理想方案。2/1/2023孫鳳明73為了確定窗的大小，按照采光標準進行采光計算，是采光設計的重要環(huán)節(jié)。窗的形式、位置、大小。材料和構造決定以后，常常會發(fā)現(xiàn)采光質量不盡滿意。例如，由于日光射入室內而產生眩光，工作面的照度或室內表面亮度不夠均勻等等。2/1/2023孫鳳明74有時，經(jīng)過采光計算的驗證，單靠有限的開窗面積不可能達到規(guī)定的照度水平，這就需要在窗口內外裝設控制和調節(jié)光線的設備，在房間深處晝光不足的地方設置輔助照明。2/1/2023孫鳳明75最后一個設計程序是經(jīng)濟分析，包括計算采光設備的初投資與使用過程中的經(jīng)濟和節(jié)能效益。對初選的幾種方案進行比較以后，也許還要對原設計進行若干修改，最后確定一個在光環(huán)境的質量與經(jīng)濟、節(jié)能效益方面均屬滿意，建筑造型美觀，又與周圍環(huán)境協(xié)調的實施方案。2/1/2023孫鳳明76二、采光設計舉例（一）中、小學教室采光設計1、教室光環(huán)境要求足夠的照度亮度分布均勻節(jié)約投資2/1/2023孫鳳明772、教室采光設計（1）設計條件滿足采光標準要求：根據(jù)《建筑采光設計標準（GB/T50033-2001）》，學校建筑的采光系數(shù)標準值必須符合表8－2的規(guī)定2/1/2023孫鳳明78表8－2學校建筑的采光系數(shù)標準值2/1/2023孫鳳明79

對于平面6.6×9.0m，層高3.6m，磚混結構的教室而言，應盡量壓縮窗間墻的大小，提高窗上沿的高度，盡量用斷面小的窗框料等手法。2/1/2023孫鳳明80均勻的照度分布提高窗臺高度；進一步將窗上沿提至頂棚處。條件許可時，盡量采用雙側窗采光。對光線方向和陰影的要求光線方向布置在左前方。