建筑光学第八章

第八章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2/1/2023孙凤明1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。2/1/2023孙凤明2（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。2/1/2023孙凤明3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

2/1/2023孙凤明41、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。2/1/2023孙凤明5图8－1晴天室外照度变化情况2/1/2023孙凤明6

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）。2/1/2023孙凤明7图8－2晴天天空亮度分布

（太阳高度角40°，方位角0°）2/1/2023孙凤明8图8－3晴天天空亮度分布剖面

（太阳高度角40°，方位角0°）2/1/2023孙凤明92、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2/1/2023孙凤明10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）。2/1/2023孙凤明11图8－3阴天天空亮度分布2/1/2023孙凤明12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)2/1/2023孙凤明13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。2/1/2023孙凤明14（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。2/1/2023孙凤明15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。2/1/2023孙凤明16图8－4全国年平均总照度分布图(klx)2/1/2023孙凤明17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2/1/2023孙凤明18重庆室外散射照度与总照度之比表8－12/1/2023孙凤明19二、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/T50033-2001）是采光设计的依据。下面介绍该标准的主要内容：2/1/2023孙凤明20

1．采光系数（DaylightFactor）

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：2/1/2023孙凤明21

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。2/1/2023孙凤明222．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。2/1/2023孙凤明23

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。2/1/2023孙凤明24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。2/1/2023孙凤明25

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：2/1/2023孙凤明26表8－2视觉作业场所工作面上的采光系数标准值2/1/2023孙凤明27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P166。2/1/2023孙凤明283、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）。2/1/2023孙凤明29图8－6光气候分区2/1/2023孙凤明30

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2/1/2023孙凤明314、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）。2/1/2023孙凤明32

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。2/1/2023孙凤明335、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：2/1/2023孙凤明34

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。2/1/2023孙凤明35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。2/1/2023孙凤明36第二节采光口侧窗天窗本节主要介绍其采光特性2/1/2023孙凤明37一、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。2/1/2023孙凤明38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）2/1/2023孙凤明39

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。2/1/2023孙凤明40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；2/1/2023孙凤明41

（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。2/1/2023孙凤明42图8－9单侧窗采光区域示意图2/1/2023孙凤明43图8－10各种形式的侧窗2/1/2023孙凤明442．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。2/1/2023孙凤明45图8－14不同天空时双侧窗的室内照度分布

a－－晴天；b－－阴天ab2/1/2023孙凤明46

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。2/1/2023孙凤明47二、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。2/1/2023孙凤明48图8－11矩形天窗

a---矩形天窗；b---横向矩形天窗2/1/2023孙凤明49（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）。2/1/2023孙凤明50

(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到相互交叉照射，天窗位置高低对采光均匀度的影响不很显著。2/1/2023孙凤明51（3）窗子的倾斜度：窗子仰面倾斜设置能加大受光立体角，从而增大采光量。与水平面成60°角的梯形天窗，比相等面积的矩形天窗，可提高工作面照度40～60%，但是它的构造复杂，容易积尘积雪，射进日光，所以要根据具体情况权衡得失。2/1/2023孙凤明52

普通矩形天窗是在屋架上架起一列天窗架构成的，窗子的方向与屋架相垂直，称为纵向矩形天窗。天窗屋架增加了建筑高度，也加大了结构荷载（特别是风荷载），从而提高了建筑费用。2/1/2023孙凤明53另一种形式的矩形天窗是将屋面板隔跨分别架设在屋架上弦和下弦位置，窗扇立在屋架外侧，紧贴屋架，称为横向矩形天窗（图8－11b)，也称下沉式天窗。这种天窗省去了天窗架，但施工复杂一些。它的横向采光均匀度好，自然通风效果显著改善，对一些热车间很适用。横向下沉式天窗2/1/2023孙凤明544.锯齿形天窗锯齿形天窗的特点是屋顶倾斜。可以充分利用顶棚的反射光。采光效率比矩形天窗约高15%至20%。当窗口朝北布置时，完全接受北向天空漫射光，光线稳定，直射日光不会照进室内，因此减小了室内温湿度的波动及眩光。2/1/2023孙凤明55

根据这些特点，锯齿形天窗非常适于在纺织车间、美术馆等建筑使用。大面积的轧钢车间或轻型机加工车间、超级市场及体育馆也有利用锯齿形天窗采光的实例。2/1/2023孙凤明56图8－14锯齿形天窗

a----设备与天窗平行布置－－错误

b----设备与天窗垂直布置－－正确2/1/2023孙凤明57

单层的进深不大的房间、或多层楼房的顶层，常设单列的斜顶天窗（Clerestory)增加采光进深，或提高墙面的垂直照度，形成特殊的采光效果。斜顶天窗在采光上的特点同锯齿形天窗类似。图3-11给出两个例子及建议的尺寸。2/1/2023孙凤明58图8－11斜顶天窗2/1/2023孙凤明595．平天窗平天窗的形式很多，其共同点是采光口位于水平面或接近水平面，因此，它们比所有其他类型的窗子采光效率都高得多，约为矩形天窗的2～2．5倍。小型的采光罩更有布置灵活、构造简单、防水可靠等优点，近年在民用建筑中也用的越来越多了。2/1/2023孙凤明60

平天窗采用透明的窗玻璃材料时，日光很容易长时间照进室内，不仅产生眩光，而且夏季强烈的热辐射会造成室内过热，所以，热带地区使用平天窗一定要采取措施遮蔽直射日光，加强通风降温。2/1/2023孙凤明61（1）大面积采光顶棚一一主要目的是形成一个接近大自然的全天候室内空间，采光质量无关重要，安全、防水、维修等问题是设计首先考虑的因素。透光材料使用玻璃或塑料。常见于现代建筑的中庭、大型市场、体育馆、博览馆、温室等建筑。2/1/2023孙凤明62（2）带形或板式天窗——多数是在屋面板上开洞，覆以透光材料构成的。采光口面积较大时则设三角形或锥形钢框架，窗玻璃斜置在钢架上（图3－12a）。屋面采光板，是我国目前应用较多的一种采光形式（图3－12b），在工业建筑中多以大型屋面板为模数，分散地或成带形布置。2/1/2023孙凤明63平天窗类型图8-12平天窗类型a----三角形天窗；b----屋面采光板；c----采光罩2/1/2023孙凤明64（3）采光罩——这是一种用有机玻璃、聚丙烯塑料或玻璃钢整体压铸的采光构件，有圆穹形、扁平穹形、方锥形等各种形状。采光罩的尺寸较小，一般为1m2左右。在构造上分固定式和开启式（图8－12C）。2/1/2023孙凤明65

开启式可以自然通风，但是开关比较复杂。为了保温隔热，有的采光罩做成双层透光罩，中间为空气间层或填充保温材料。采光罩的特点是重量轻，构造简单，防水可靠，布置灵活。国内外都有许多工厂生产采光罩系列产品，这些产品在轻型厂房、民用建筑中很适用。2/1/2023孙凤明66第三节采光设计一、设计的内容、步骤和原则天然光环境的设计是与建筑方案设计结合进行的。两者的关系及天然光环境设计的主要内容、步骤，用图解的形式说明如下：2/1/2023孙凤明67使用功能视觉作业心理因素室外环境采光标准光气候热工因素分析窗子形式位置窗子大小（采光计算）控光装置设计经济分析建筑方案设计辅助照明建筑平、剖面ρ、τ，环境条件2/1/2023孙凤明68着手设计之前。首先要了解设计对象对光环境有哪些要求？建筑规划方案给昼光照明提供了什么条件？例如：

视觉作业：在工作环境中要看的细节精细到什么程度？作业对地辨认的难度及重要性如何？

灵活性：作业区是固定的吗？其他区域需要多少光线？照明要求相近的工作可以安排在一起吗？照明要求高的作业能否设在顶层，用天窗照明？2/1/2023孙凤明69

综合性：照明同其他方面的条件能不能结合起来？比如，能否利用墙的反射改善室内光线的分布和质量？能否不设隔断，采用开敞式平面以充分发挥窗子的采光效能等等。使用人：有无特殊要求？如对老年人要不要考虑较高的照明水平？2/1/2023孙凤明70室外环境与建筑朝向：室外景物对可见天空的遮挡有多少？室外环境中有无可利用的反射（地面、水面等）？朝向对昼光强度和昼光利用时间的影响如何？上述这些问题和资料是形成设计方案过程中进行正确的分析、比较和判断的基础。2/1/2023孙凤明71采光设计的核心是窗的设计。在昼光照明的房间里，需要借助窗子形成有充分的照度。但是没有眩光的舒适光环境，同时又要能通过窗子看到外部世界，这就要求窗子开得大一些。2/1/2023孙凤明72然而，从热交换的观点来看，单层玻璃的窗子以小为宜。如果采用复杂的窗结构和特种的热反射玻璃固然能两全其美，但造价是否允许又成了问题。所以，尽管采光是窗子的首要功能，选中的设计却往往是一个折衷方案，而不是单从采光考虑的理想方案。2/1/2023孙凤明73为了确定窗的大小，按照采光标准进行采光计算，是采光设计的重要环节。窗的形式、位置、大小。材料和构造决定以后，常常会发现采光质量不尽满意。例如，由于日光射入室内而产生眩光，工作面的照度或室内表面亮度不够均匀等等。2/1/2023孙凤明74有时，经过采光计算的验证，单靠有限的开窗面积不可能达到规定的照度水平，这就需要在窗口内外装设控制和调节光线的设备，在房间深处昼光不足的地方设置辅助照明。2/1/2023孙凤明75最后一个设计程序是经济分析，包括计算采光设备的初投资与使用过程中的经济和节能效益。对初选的几种方案进行比较以后，也许还要对原设计进行若干修改，最后确定一个在光环境的质量与经济、节能效益方面均属满意，建筑造型美观，又与周围环境协调的实施方案。2/1/2023孙凤明76二、采光设计举例（一）中、小学教室采光设计1、教室光环境要求足够的照度亮度分布均匀节约投资2/1/2023孙凤明772、教室采光设计（1）设计条件满足采光标准要求：根据《建筑采光设计标准（GB/T50033-2001）》，学校建筑的采光系数标准值必须符合表8－2的规定2/1/2023孙凤明78表8－2学校建筑的采光系数标准值2/1/2023孙凤明79

对于平面6.6×9.0m，层高3.6m，砖混结构的教室而言，应尽量压缩窗间墙的大小，提高窗上沿的高度，尽量用断面小的窗框料等手法。2/1/2023孙凤明80均匀的照度分布提高窗台高度；进一步将窗上沿提至顶棚处。条件许可时，尽量采用双侧窗采光。对光线方向和阴影的要求光线方向布置在左前方。