第七章天然采光课件

(二)、天空亮度分布为了在采光设计中应用标准的光气候数据，国际照明委员会(CIE)根据世界各地对天空亮度观测的结果，提出了全阴天空亮度分布的数学模型，供设计时选择．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：从上式推算，天顶亮度约为地平线附近天空亮度的3倍CIE标准全阴天空适用于最低限度条件的采光设计．它符合世界各地对实际全阴天空观测的结果，数学表达式简单，应用广泛．我国也采用这类天空作为采光设计的依据．这时地面照度（以勒克斯为单位）在数量上等于高度角为42度处的天空亮度（以阿熙提为单位）即：E地（lx)＝L42(asb)或者E地（lx)/π

＝L42(cd/m2)因此可导出天顶亮度与地面照度的关系为：E地（lx)＝7π/9

Lz

(cd/m2)（三）、我国光气候概况影响天然光变化或变动的一些气象因素称为光气候，例如太阳高度角、云量、云状、大气透明度等，都属于光气候的范围。这里所述的变化含有静态的、概念的意义．变动则含有动态的、时间的意义。天气指阴晴的瞬间状态。气候指某个地区较长时间的阴晴等的状态。气象指大气中的现象、主要是阴晴、风雨、雪雹等。日照率指太阳实际出现时间和可能出现时间之比．也是光气候中的主要内容。我国地域辽阔，从日照率来看，由北、西北往东南方向逐渐减少，东北、华北、新疆高，华中居中，东南沿海次之，四川、贵州低。从云量来看，从北向南逐渐增多，新疆南部、华北、东北少，华中较多，华南最多，四川、贵州极多。从云状来看、南方以低云为主，向北逐渐以高、中云为主。根据这些气象因素来考虑，在天然光照度中，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。将全国光气候划分为5个分区．编制出全国光气候分区图及全国年平均总照度分布图。全国总照度的分布特点如下：

(1)全国各地夏季总照度最大，冬季总照度最小，春季总照度大于秋季总照度。

(2)春、秋、冬和全年的总照度的高值和低值中心位于北纬25。一30。的地带，高值中心位于青藏高原南部，低值中心位于四川盆地。夏季总照度值增大，高值中心出现在青藏高原东北部，低值中心在四川盆地和贵州东部。

(3)全国东部北纬40。以北地区，春、秋、冬和全年总照度值从东北往西南递增，夏季由于受云天和水汽的影响，总照度值从东往西呈径向增大的趋势。

(4)新疆地区各季和全年的总照度值从北往南随纬度减少而递增，夏、秋季总照度在北疆和南疆分别出现闭合低值中心；在南疆的低值中心明显，在北疆的低值中心则不明显。三、采光标准(一)室外临界照度：室内天然光照度等于采光标准规定的标准值时的室外照度称为“临界照度”，即开始需要采用人工照明时的室外照度值。采光设计的基本原则是：对应于无遮挡的情况下室外照度的最低值能在室内得到需要的最小照度。但是。确定室外照度最低值是很不容易的。这要根据地区、季节、时刻、国民经济情况及节能要求等因素来确定。在国外，认为室外照度最低值在4000－60001x之间为适当。我国采光设计标准规定室外临界照度为50001x，重庆及其附近地区可取4000lx。

(二)采光系数（C):

采光系数是指室内某一点的天然光照度（Ei)和同一时间的室外全云天水平面天然光照度（E0)的比值。是采光设计中采光量的评价指标。我国于1979年颁布了《工业企业采光设计标准》(TJ33—79),《标准》中将视觉标准分为5级，它们对要求的最低值分别为250、150、100、50、15lx及其对应的采光系数。需要指出的是，顶部采光时，室内照度分布不均匀，采光系数采用平均值；侧面采光时，室内光线变化大，采光系数则用最小值。(三)照度均匀度：室内照度最低值与室内照度平均值之比称为照度均匀度，《标准》规定，在Ⅰ～Ⅳ级视觉工作区，对顶部采光而言，其照度均匀度应在0.7以上。对其他情况，未作明确规定。

第二节采光口采光方式是确定采光口构造和进行采光计算的基础。按照窗子所处的位置，将窗分为侧窗和天窗两大类。

(一)侧面采光由室内侧面竖向采光口入射的光称为侧面光。采入侧面光的方式称为侧面采光、它的优点是有利于开启、防雨、通风、隔热、施工、维护、维修等，但采入光量较少，分布不均，且对邻近地段有干扰。侧面采光有单侧、双侧、多侧方式。南向单侧采光的入射光量大，且不稳定、有直射日光。东西向双侧采光的入射光量变动大、且不稳定，朝夕有直射日光。北向单侧采光的入射光量少、但稳定。1．单侧窗

当进深不大，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。当工作位置与有窗的外墙相垂直布置时，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窗外景物，窗子的构造简单，维修方便，价格也便宜。不过，有几个因素影响单侧窗的采光效果：第一，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；第二，全阴天空时，天顶要比地平线附近的天空亮得多；第三，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)；第四，室外景物对天空视域的遮挡。这些因素，都造成侧窗采光房间的天然光照度随离开窗子的距离而迅速降低，照度分布很不均匀。

高而窄的窗子与低而宽的窗于相比，在面积相等的条件下，前者有较大的照射进深。但是，如果有一排侧窗被实墙分开，而且窗间墙比较宽，那么，在窗间墙背后就会出现阴影区，平行于窗墙方向(纵向)的天然光分布不均匀，窗子之间的地板和墙面也会显得昏暗。

长向带形窗比面积相同的高而窄的窗子照射进深小，但视域开阔，其天然光等照度曲线是长轴与窗墙相平行的椭圆。提高窗上槛的高度能增加照射进深，这种称为带形高测窗。如果只在一面墙上设高侧窗，窗下墙区域一定相当暗，因此可能会同窗外的天空形成不舒适的亮度对比。

凸窗——在凸窗附近有充足的天然光，而且视野开阔。但是凸窗的顶板遮住了一部分天空，使照射进深比普通的侧窗减小。这种窗子适用于旅馆客房、住宅起居室等窗前区域活动多的场合．角窗——角窗让光线沿侧墙射进房间，把角窗邻近的侧墙照得很亮，使室内空间的边界轮廓更为清晰。侧墙对天然光的反射形成一个由明到暗的过渡带，缓和了窗子与墙面的亮度对比。

2．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，在缓和墙与墙的对比上效果更显著，但采光进深增加有限。

(二)顶部采光由室内顶部采光口采光的方式称为顶部采光。如果采光口的面积相同，顶部采光比侧面采光有利。它的优点是有利于采入光量及其分布。对邻近地段没有干扰。1、矩形天窗：在单层工业厂房中，矩形天窗应用很普遍。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。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。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，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。矩形天窗的采光效率决定于窗子与房间剖面尺寸的以下基本关系：

(1)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)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通常是由生产的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，则hx／dc＝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。

(3)窗子的倾斜度：由于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、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5％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。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．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。多跨的大面积锯齿形天窗都从单一方向进光，光的方向性强，面向天窗和背向天窗的垂直面照度有较大的差异，如果窗口朝南，有直射日光照进室内，这种差异就更为显著。为此，一方面要尽量提高顶棚反射率，增加反射光强度；另一方面，机器设备、货架等要与天窗方向成90°布置，避免与天窗平行，造成正反两面明暗反差太大。此外，天窗间距应不超过天窗下沿高度的2～2.2倍(dc＜2～2.2hx)以保证工作面的天然光照度均匀。

3.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。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。

(1)大面积采光顶棚——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案。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)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。屋面采光板，是我国目前应用较多的一种采光形式，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。从采光均匀度与减弱眩光考虑，分散布置较好。面积大的采光口间距与窗至工作面的高度之比，不宜超过2(即dc＜2hx)，小面积的采光板为1(即dc≤hx)，最外侧的采光板与墙之间的距离为窗位置高度的一半(dc

＜0.5hx)。

(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。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，这些产品在轻型厂居、民用建筑中很适用。

由于防水和安装采光罩的需要，在采光罩洞口周围都要设一圈高出屋面(＞150mm)的边梁，称为井壁。当屋面层很厚或有吊顶棚时，井壁可能很高，对天空光造成很大遮挡，使采光罩的效率降低。所以，为了充分发挥采光罩的效能，需要控制井壁高度，使光井指教一般不超过0.9。光井指数按下式计算：矩形采光罩圆形采光罩式户：W·I——光井指数；

W——采光口宽度(m)；

L——采光口长度(m)；

H——采光口井壁的高度(m)；

D——圆形采光口的直径(m)。

右图列有光井指数、井壁反射比与光井效率的关系曲线。可以看到，井壁反射比也是影响采光效能的一个重要因素。反射比高的无光泽饰面不但能增加反射光，而且起缓和采光罩(透过采光罩看到的天空)与顶棚边界的亮度对比的作用，如果将井壁作成斜面，则效果更佳。若倾斜角(井壁与竖直线的夹角)大于45°，井壁斜面部分的高度在计算光井指数时可以不计。采光罩布置的间距大小与井壁的高度也有关系。光井深的采光罩，间距应当小一些，见下表。通常，采光罩的间距不超过采光罩在工作面以上高度的1．25倍(dc＜1.25hx)。表推荐的采光罩距离比

(三)顶部侧面采光在屋顶天窗侧面采光的方式称为顶部侧面采光。它的优点是有利于光量分布、防水、施工，对邻近地段没荷干扰。这种方式多用于美术馆、工业厂房等。

(四)侧面底部采光采光口在室内距地面较近之处的侧面采光方式称为侧面底部采光。这种方式力求避免直射日光，可以利用室内表面反射光得到照度。窗与遮阳构造有着密切的联系。它的优点是有利于采入光量及其分布、防雨、通风、隔热、维护、维修等。第三节采光设计一、设计内容和步骤

(1)根据房间的使用功能和使用人的情况，明确视觉工作的类别、工作环境的要求及室外环境的影响。（收集相关资料）

(2)根据光气候、采光标准确定采光窗的位置、形式、大小、构造、材料，从而保证室内的空间、表面、色彩效果。（确定采光口）（3）进行采光计算，并进行必要的修正。

(4）采取避免眩光、遮光、控光、增加辅助照明、隔热等措施。（5）运用光的处理技法，创造天然光的环境艺术。（6）进行经济分析比较，取得节能效益。二、确定采光口：1、确定采光口的形式2、确定采光口的位置3、估算采光口的尺寸（根据窗地比）4、布置采光口三、采光计算：（一）计算目的：目的在于验算所作的设计是否符合采光标准中规定的各项指标。在建筑方案初步设计阶段，采光计算的任务是按照《采光设标准》的要求与初步拟定的建筑条件，估算开窗而积；进入技术设计以后，窗子的位置、尺寸和构造已经大体确定，这时就需要通过较详细的计算来检验室内天然光水平是否达到了规定标准。两个设计阶段的目标不同，要求的采光计算精确废也不一样。（二）计算方法：1．窗面积估算：设窗洞面积为Ac，宅内地板面积为Ad，在一般条件下，窗地面积比可用下式估算：侧窗采光：Ac／Ad＝Cmin×l5矩形天窗、锯齿形天窗采光：

Ac／Ad＝Cmin×10平天窗采光：Ac／Ad＝Cmin×6式中Cmin为要求达到的采光系数最小值，通常也就是采光规范中的标准值。2．综合计算图表这种方法是清华大学建筑系建筑物理实验室对大量系统的采光模型试验数据分析处理后得出的成果，曾在八幢不同采光形式的建筑中进行实测验证，计算误差均在8％以内，达到了光环境设计的一般精度要求。因为侧面采光与顶部(天窗)采光的房间天然光分布有很大的区别，本方法分别给出了两张计算图表和相应的两组计算参数。带形侧窗窗高与窗洞所产生的采光系数最小值(C’d)的关系图其中窗高以计算进深与窗高的相对比值(b／hs)表示。图表中四条曲线适用于不同的b/l。

b----房间进深

l----房间长度

hs----工作面至窗上沿高度在单侧采光时，计算点取在离窗对面的内墙lm或0.5m处，对于车间,不超过房间进深的1／4，在双侧采光计算点一般是选在房间中央、或高低跨的交界处。横坐标b／hs<5是常见进深，若b／hs>5则侧窗的采光效果可以忽略。(1)、侧面采光计算图表室内一点实际的采光系数，还受室内反射光、窗子透光比的高低、窗间墙的大小、室外遮挡以及晴天日照的影响，在采光计算中要逐项予以修正：Kc---窗宽修正系数，为该墙面上总窗宽与墙总长度的比值。---室内反射光的增量系数，它是室内各表面反射系数加权平均值的函数。同时跟房间进深与窗高的比值以及是否有内墙存在等因素有关，可查表7-6。

式中：Ai为顶棚、墙面．地面及窗子等表面的光反射比(窗子可按0.15算)；Ai为相应的面积。---总透光系数，是窗子各种透光因素的综合，其值为玻璃的透光系数（表6-5）、窗结构的透光系数（表7-7）以及玻璃污染系数（表7-8）的乘积：---室外遮挡系数，是室外各种房屋、树木对侧窗采光遮挡的综合，其值可查表7-9---晴天系数，其值可查表7-10课堂习题：某教室长9m，宽6m，高3.3m，用3个单层钢窗采光。窗高2m，窗宽1.8m,窗台与课桌面高度一样，室内浅色粉刷，室外无遮挡，求该教室的采光系数最低值。(2)、顶面采光计算图表顶部采光按天窗形式分为矩形天窗、锯齿形天窗与平天窗三类，因其采光效率不同，故分别给出计算曲线。从给出的曲线上可以直接查得窗地面积比(天窗窗洞面积与天窗照射的地面面积之比)Ac／Ad与采光系数天空分量最低值Cd的对应关系。查出Cd值后考虑相关修正系数即可得到天窗采光系数平均值为：

Cd——通过天窗窗洞得到的采光系数最低值，查图7-12Kρ——室内反射光增量系数，查表7-11Kg——高跨比修正系数，查表7-13Kτ——总透光系数,Kτ＝τg·τc·τw·

τj,τj值查表7-12Ko——晴天系数。某机加工车间，建筑剖面尺寸如图所示，l＝100m