第二章 照明设计(新)

第2章照明设计电气照明在人们的生活和工作中是不可缺少的，良好的照明度对提高工作效率、保证安全生产和保护人们的视力等方面都有重要的作用。

照明设计，特别是现代高层建筑的电气照明设计，与装饰工程有着密切韵关系，它不仅应用光学和电学方面的知识，还涉及建筑学、生理学和美学等方面，是一门综合性的技术。

2．1光量及光与视觉

一、光量及单位

人眼所感觉到的光是电磁波谱中很窄的一部分，它的波长范围约在380—760nm之间，这段波长的电磁波称为可见光；波长在10—380nm之间的光称紫外光；波长在780—34000nm之间的光称为红外线，也称红外光。

（1）光通量是指光源在单位时间内向周围空间辐射出去的、能引起光感的电磁能量。单位为光瓦或流明1光瓦=683流明（lm）

（2）发光强度（简称光度）是指光源在某一特定方向上单位立体角（单位球面度）内的光通量。单位为坎德拉（cd）1cd=1lm/1sr（3）照度是指被照面积上所接受的光通量。即是光通量的表面密度。E=dΦ/dA单位为勒克斯（lx）1lx=1lm/1m2

照度第一定律：正入射时，在离开光源为r的某一上点的照度E=I/r2（图2-2）照度第二定律：当被照面与入射不垂直时，面上的照度遵守余弦定律（4）、亮度照亮和亮度的关系自学三、光与视觉

光对人眼的视觉有3个最重要的功能：识别物体形态(形态感觉)、颜色(色觉)和亮度(光觉)。人眼能辨别颜色，是由于人眼的视网膜上有两种感光细胞，称为圆柱细胞和圆锥细胞，它们都能接受光的刺激产生明亮的感觉。但是，这两种细胞的感光性能并不相同，圆锥细胞对光的感受性较低，只在明亮条件下起作用，圆柱细胞对光的感受性较高，但只在昏暗的条件下才起作用。这两种细胞对光感的光谱灵敏度也不同，圆锥细胞最大灵敏度在频率为f=5.4x1014Hz处，而圆柱细胞最大灵敏度在频率f＝5.9x1014Hz处。这就形成了明暗两种视觉的“工作制”。黄昏，暗视觉圆柱细胞工作时，冷色光显得明亮，而在白天亮度较高，即明视觉圆锥细胞工作时，暖色光显得明亮。圆柱细胞虽然对光感受性很高，但它却不能分辨颜色；而圆锥细胞感受光刺激时，才有颜色感觉，即只有在照度较高比较明亮的条件下，才有好的色感。在低照度的暗视觉中，色感则很差，此时，各种颜色的物体都给人以灰色之感。此外，由于人眼对光变化的感觉大致与亮度的对数成正比。故在较高照度下，增减10多个勒克斯并无明显的感觉，若非突变，则不会察觉。因此，一般并不要求精确地将照度控制在某一数值上，只要求控制到一个合理的范围

眩光

视野中有较高的亮度或强亮度对比时，人眼睛就会感到不快，使可见度降低，这种现象称为眩光。眩光有以下几种：(1)直接眩光和反射眩光当高亮度的光源、照明器、窗子等表面直接进入眼内所引起的眩光称为直接眩光，而发光体的光通过光泽表面反射入眼内而引起的眩光称为反射眩光。

(2)减能眩光和不快眩光凡能降低人眼视力的眩光称为减能眩光或失能眩光，凡使人产生不快感的眩光称为不快眩光，实际上后者也是一种减能眩光。在书写文字或阅读材料时，由于纸面的扩散反射中含有少量的镜面反射，从而降低了视觉作业的对比度，好象在作业上蒙上一层“光幕”，这种反射眩光称为光幕反射。对于教室中的照明，应尽量减少黑板光幕反射的作用，以提高视觉功能和可见度。

产生眩光的主要因素1）周围暗，此时眼睛能适应的亮度很低;2）光源的亮度高;3）光源靠近视线4）光源的表观面积和数量。产生眩光的种类分为直射眩光、反射眩光和光幕眩光。室内照明中眩光的评价和计算方法，有些采用眩光指数来表明眩光的程度（定性的）：难以观察的、可以接受的、不舒适的、难以忍受的等。实用的方法是：限制光源的亮度和表观面积，这里限制的范围与人眼、灯具间的相对位置有关。

第2节常用电光源

电光源有钨丝白炽灯、卤钨灯、荧光高压汞灯、高压钠灯和金属卤化物灯等，种类很多，但按发光原理可以分为热辐射电光源和气体放电光源两大类。

一、电光源的种类

第一代电光源从发光原理来说属于热辐射光源，即普通的白炽灯，它是通过钨丝白炽体高温辐射来发光的。其中可见光部分仅占很小的比率，紫外线很少，绝大部分是红外线，可见光部分约占2～3％左右，白炽灯的光视效能很低，仅为10～181m／W，寿命比较短，约为1000小时。第二代电光源是气体放电光源。气体放电光源是利用蒸气的弧光放电或非金属电离激发而发出可见光，如荧光灯、氙灯等。它们的共同特点是光效高、寿命长。荧光灯的光视效能为25～671m／W，平均寿命为2000—3000小时，高压汞灯的光视效能为30～501m／W，寿命为2500～5000小时，氙灯的光视效能为20～371m／W，寿命稍短，约为500～1000小时。第三代电光源仍属气体放电光源，但为高效的气体放电，它的光视效能达1001m／W，寿命较长，达2000～3000小时。金属卤化物和高压钠灯、低压钠灯均属第三代电光源。

（三）几种常用的照明电光源1、白炽灯（1）原理白炽灯是最早出现的光源。即所谓第一代光源，它是将灯丝加热到白炽的程度，利用热辐射发出可见光。（2）特点白炽灯具有显色性好，结构简单，使用灵活，能瞬时点燃，无频闪现象，可调光，可在任意位置点燃，价格便宜等特点。因其极大部分辐射为红外线，故光效最低。由于灯丝的蒸发很快，所以寿命也较短。白炽灯的色温约为2400~2900K。（3）种类白炽灯的种类很多，有普通型

磨砂型、

漫射型、反射型、装饰型、局部照明灯泡、水下灯泡等。2、卤钨灯（1）原理白炽灯的钨丝在热辐射过程中蒸发并附着在灯泡内壁，使灯泡射出伪光通愈来愈低。为了减缓这种进程，通常在灯泡内充以惰性气体以抑制钨丝的蒸发。

如果在玻壳内所充填的惰性气体另加入微量的卤素物质，利用卤钨的再生循环作用，被蒸发的钨与卤素结合成卤化钨，因灯管内壁具有很高的温度而不能附着其上，通过扩散或对流到高温的灯丝附近又被分解为卤素和钨，其中钨吸附在灯丝表面，卤素又和蒸发出来的钨反应，防止管壁发黑。灯管所充的卤素为碘或溴。溴比磺的化学性活泼，所以清洁管壁的效果更好。溴乃无色透明，故溴钨灯较碘钨灯的光效高，色温也有所提高。（2）特点它与白炽灯比较，光效提高30％，寿命增长50%。卤钨灯具有体积小、功率大、能够瞬时点燃、可调光、无频闪效应、显色性好和光通维持性好等特点。这种灯多用于较大空间、要求高照度的场所，其色温特别适用于电视转播摄象照明。3、荧光灯（1）原理荧光灯是所谓第二代光源，它是一种低压汞蒸气放电灯。电感式镇流器：（2）特点荧光灯具有表面亮度低，表面温度低，光效高，寿命长，显色性较好，光通分布均匀等特点。它被广泛用于进行精细工作、照度要求高或进行长时间紧张视力工作的场所。荧光灯的额定寿命，是指每开关一次燃点3小时而言。开关频繁时，使灯丝所涂发射物质很快耗尽，缩短了灯管的使用寿命，因此它不适宜用于开关频繁的场所。

4、高压汞灯（1）原理（2）特点高压汞灯具有光效高、耐震、耐热、寿命长等特点。但启动时间较长，不宜于作室内照明光源，也不能单独做为事故照明光源。多用于车间、礼堂、展览馆等室内照明，或道路、广场的室外照明。高压汞灯的寿命通常是按每启动一次点燃5小时计算的，如果开关频繁则寿命缩短。5、高压钠灯（1）原理（2）特点高压钠灯具有光效高、紫外线辐射小、透雾性能好、光通维持性好、可任意位置点燃、耐震等特点，但显色性差，平均显色指数为21。它广泛用于道路照明，当与其它光源混光后，可用于照度要求高的高大空间场所。

6、金属卤化物灯金属卤化物灯是近年发展起来的所谓第三代光源，它与高压汞灯类似，但在放电管中除了充有汞和氢气外，还加充发光的金属卤化物（以碘化物为主）。金属卤化物灯发光效率高、显色性能好、但平均寿命短。（1）镝灯（2）钠铊铟灯2．2．2电光源的主要参数

（1）额定电压和额定电流指电光源在规定的工作电压下，流过电光源的工作电流。在额定状态下工作时，电光源的光视效能最高。（2）额定功率这是指灯泡或灯管在额定状态下所消耗的有功功率。

（3）发射光通量和光视效能电光源的发射光通量(即光通量输出)是指其在额定状态下工作时发出的光通量；光视效能是电光源每消耗1W电功率所发出的光通量。发射光通量和光视效能都是随着使用时间的延长而逐渐降低的，它们是表征电光源经济效果的参量。

（4）寿命电光源的寿命有全寿命、有效寿命和平均寿命之分。全寿命是指光源不能再启燃发光的使用时间；有效寿命是指电光源的发光强度(或光通量)下降到初始值的70％时的使用时间；平均寿命是每批抽样试品有效寿命的平均值。一般所指的寿命是指平均寿命。

（5）光谱能量分布光谱能量分布函数表示电光源发射各种频率或波长的光的成份和相对强度的分布状况。按频率或波长所对应的相对强度绘制的曲线称为该电光源相对光谱能量分布曲线。

（6）光色人眼观察光源所发出光的颜色，称为光源的色表。光源照射到物体上所显现的颜色的性能，称为光源的显色性。色表和显色性构成了光源的光色，光源的色表和显色性之间没有必然的联系。因为具有不同的光谱能量分布的光源可能有相同的色温，但显色性可能差别很大。如：荧光高压汞灯的光谱成分和日光接近，光色发亮如同日光，但光谱能量分布和日光相差很大。（图2-10，表2-1，表2-2）

三多种光源的混合使用

在一种光源不能达到照明效果时，可在同一场所采用多种光源混合照明。例如，高压汞灯虽然是功率大并且光视效能高的一种光源，但它的光色较差，不宜在室内单独使用，可以与白炽灯(或碘钨灯)混合使用，称为混光。混光使用的主要目的是提高光的显色性。混光光通比FH按下式定义：

当FH<30%时，这种混光使用对所有色彩识别能达到良好的效果，也就是说，当白炽灯容量近似为高压汞灯容量的2倍时，可以得到良好的光色。当FH＝30～50%时，除橙色只能达到中等效果外，其他色彩均能达到良好的效果，因此这可以用于对色彩要求一般的场所。当FH=50～70%时，只能用于色彩要求较低的场所。一般地说，只要白炽灯容量不小于高压汞灯的容量，人们在视觉上就无明显的不舒适感。

第三节灯具的特性与分类

灯罩的作用（1）提高光源所发出的光通量的利用率，换句话说，灯罩可以使光源光通量重新分布。并把它分配在需要的方向范围内。（2）减轻由光源引起的眩光，保护视觉，对光源也起一定的保护作用。（3）装饰美化的效果。

一、配光及其表示法在研究灯具的作用时，其配光是最重要的一个特性。因为它是决定使用场所、布灯方案和进行计算的基本依据。配光——光源光通的重新分布

灯具的配光曲线表示灯具的发光强度的空间分布状况，所以又称为发光强度分布曲线。（图2-11）

大部分灯具的形状是以它的轴线为对称的旋转体，所以它们的发光强度的空间分布也是以轴线为对称的。因此，只须用通过灯具轴线的一个截面上的配光曲线，就能说明该灯具发光强度的空间分布的状况，这种配光称为对称配光。有些灯具形状是不对称的，如荧光灯，则需要有通过灯具轴线的几个截面上的配光曲线，才能说明该灯具发光强度的空间分布状况。这种配光称为非对称配光。

二、空间等照度曲线（图2-13）在不同高度上，按相同照度的连线轨迹可绘制空间等照度曲线；不同照度具有不同的空间等照度曲线，可组成空间等照度曲线族。

三、灯具的保护角和效率光源下端与灯具下缘连线同水平线之间的夹角称为保护角。保护角是用以衡量灯罩保护人眼不受光源照明部分耀眼的程度，以减小眩光的作用。

眩光的强弱与视角有一定的关系，灯具的保护角过小对于保护眼睛来说是不利的。为了减小眩光，应使光线不致与水平视线成等于或小于27º的角度射出。若使保护角达到27º有困难，应在灯泡外装上一层散光罩，或使灯具悬挂合适的高度

灯具的光通量与光源的光通量的比值，称为灯具的效率。式中：F为从灯具射出的光通量，F。为光源的光能量。

四、灯具的分类

（一）按光源情况分（1）按类型：白炽灯、卤钨灯、荧光灯（2）按数目：普通灯具、组合灯具（二）按控照器情况分（1）按结构形式：开启式、保护式、密闭式、防爆式（2）按配光曲线：直射型、半直射型、漫射型、反射型、半反射型

第四节照明质量与灯具的布置良好的视觉不是单纯地依靠充足的光通量，还须要有一定的照明质量的要求，照明质量主要指照度的均匀性、视野内的亮度分布和照度的稳定性等几个方面，它又与灯具的布置有关。因此，只有合理的布置灯具，才能获得良好的照明质量。

一、照明的质量

照明质量包括许多方面。质量不是一个简单的数值，也不是一个客观的照明条件，而是人们对照明的主观评价。

（1）照度的均匀性通常总是希望被照场所内的照度均匀或比较均匀。照度的均匀度是按在给定的工作面的最低照度与其平均照度的比值来衡量的，即：

式中Uni——照度均匀度；Emin——最低照度，1x；Eav——平均照度，1x。

一般照明的照度均匀度要求在0.7以上，但不得大于最大允许值。若大于最大允许值，将会造成布灯的困难。

均匀度的倒数称为最小照度系数，记为Z。在合理布灯的情况下，一般均匀照明的照度均匀度应在0.7以上，则其最小照度系数应在1.43以下。影响均匀度的最主要因素是灯具布置的距高比λ，即灯具之间的距离L和灯具的计算高度h(工作面至灯具的垂直距离)的比值，在实际布灯中，只要其距高比小于有关照明手册中查出该类灯具的最大允许距高比的值，但不低于0.7时，就能满足照度均匀度的要求，这个比值范围，是既考虑经济的年电能消耗和照明设备投资，又考虑有一定的照度均匀性条件而制定出来的。

（2）视野内的亮度分布照明环境不但应使人能清楚地观看事物，而且要给人们以舒适感，所以在整个视野内(如房间的各个表面)要有合适的亮度分布。当视野内存在不同亮度的表面时，眼睛要被迫适应它，如果这种亮度差别即亮度的对比度很大，就会使眼睛很快疲劳。故要求视野内亮度较均匀，不要有过大的差别。

人眼能察觉出不均匀的相邻表面亮度比为1：1.4，但要达到这样的高标准很困难，所以在一些资料中推荐的教室、办公室、车间内各表面的亮度比，均低于此值。在电照设计时，为了满足各表面亮度比的要求，必须使工作面上的照度比顶棚、墙面上的照度高许多倍，才有可能使顶棚、墙面和工作面亮度相协调。

在实际工作场所中，亮度比过大主要是由光源的高亮度造成的，这可以采用具有保护角的合适灯具和降低灯具表面亮度等办法来解决。工作面的亮度差别控制在1：3左右较为合适，这是指工作面反光系数大致相等的条件而言，对一般照明，可采取控制灯具的距高比来解决。

（3）照度的稳定性为了保证照度在使用过程中不低于标准值，应预先考虑光源老化，灯具污染、房间污染等不利因素，在设计时可适当增加光源的功率。

这就是照度的补偿问题。照度的补偿用照度补偿系数Kb来表征。国外资料大多采用减光系数KJ，减光系数与补偿系数互为倒数关系。如对于清洁环境，减光系数为0．75(白炽灯)，其倒数为1．3，这就是清洁环境的照度补偿系数。

一般的电压波动所引起的光通量减小，在照度计算时不予考虑补偿，因为从视觉功能上仍能满足视觉工作的要求。但每秒20次以下的低频波动，对眼睛就极为有害，应该避免。这种波动是由于用电高峰和网络内有启动频繁的大功率电机设备，造成电压不稳定所致。解决的办法是动力和照明电源分开，以及照明变压器增设调压器等。

（4）频闪效应的消除

对于交流供电的气体放电光源，其光通量也发生周期性的变化，最大光通量和最小光通量差别很大，使人眼产生明显的闪烁感觉，即频闪效应。当观察转动物体时，若物体转动频率是灯光闪烁频率的整数倍时，则转动的物体看上去好象没有转动一样，因而造成错觉，容易发生事故。

交流电供电的光源所发射光通量是波动的，其波动程度以波动深度来衡量，即：

式中δ——光通量波动深度；Fmax——光通量最大值；Fmin——光通量最小值；Fav——光通量平均值。

2．5．2灯具的布置灯具的布置就是确定灯具在房间内的空间位置，它与光的投射方向、工作面的照度、照度的均匀性、眩光的限制以及阴影等都有直接的影响。灯具的布置是否合理，关系到照明安装容量和投资费用，以及维护检修是否方便与安全，灯具的布置，应根据生产设备的布置情况、建筑结构形式和视觉工作特点等条件来进行。

布灯的方式主要考虑下面两种情况：(1)均匀布灯适用于要求整个工作面照度分布均匀并且灯具间距和行距都保持一定的布灯方式。(2)选择布灯

主要适应生产要求和设备布置，使局部工作面上的照度加强或防止有阴影的布灯方式。

第五节室内照明光照设计

室内照明设计的意义（1）对于办公建筑，不仅要考虑办公桌上水平照度的效率，还必须做成供整个室内环境舒适的照明；（2）对于学校教室照明，则是为教学提供必要的视觉条件，以取得好的教学效果。

一、照度标准照度标准是根据识别物体的大小、物体与背景的亮度对比、国民经济的发展情况等因素来规定必须的物体亮度。由于亮度的现场测量和计算都较复杂，故标准规定的是工作面上的照度值。在没有专门规定工作位置的情况下，通常以假想的水平工作面照度作为设计标准。对于站立的工作人员水平面距地0.9m，对坐着的人是0.75m(或0.8m)。照度标准有：工业建筑照度标准和民用建筑照度标准

二、各类建筑的照明

（1）住宅建筑

住宅建筑的照明主要应满足人们不同居住水平、不同居住条件的生活需要。在住宅或公寓照明中，常用的光源有白炽灯和荧光灯两种。住宅建筑照明的平均照度值，各房间的照度不能要求一致，如起居室、卧室30～751x，餐厅50～1001x，厨房50～1001x，走道、楼梯15～301x等。一般地说，高照度能创造活跃、愉快的气氛，低照度能创造轻快、宁静的气氛。

（2）办公建筑办公室是人们长时间进行公务活动的场所，不能只考虑工作面的照明，要造成整个房间的视觉环境舒适工作照明。确定办公建筑的照度应该从视力、心理、节能等方面综合考虑。通常在读书之类的视觉工作中至少需要5001x，为了进一步减少眼睛的疲劳就需要1000～20001x。办公室一般照明的照度值，可在75～l501x范围内选取，对于有计算机显示屏的工作场所，或设计室、绘图室、打字室等可以取200～5001x（3）学校建筑

学校的教室、实验室、绘图室等合适的照度值一般是100～3001x。教室黑板上的垂直照度平均值不宜低于2001x；电化教学中演播区内主光垂直照度宜在2000—30001x；书库架上(距地面0．25m处)的垂直照度为20～50lx。

2．6照明计算

2．6．1照明计算的目的和方法（一）照明计算的目的其目的是使空间获得符合视觉要求的亮度分配，使工作面上达到适宜的亮度标准。故照明计算的实质是进行亮度的计算。因亮度计算相当困难，故以直接计算与亮度成正比的照度值，从而间接反映亮度值使计算简化，因而所谓照明计算，实际是做照度计算。

（二）照明计算的方法照明计算的方法很多，但从计算工作的内容和程序上可分为两类：（1）已知照明系统和照度标准，求所需光源的功率和总功率，用以进行照明的设计。（2）己知照明系统和光源的功率与总功率，求在某点产生的照度，用以进行照明的验算。

无论哪一种方法，都很难做到完全符合照度标准。一般认为工作面上任何一点的照度不低于最低照度(照度标准值)，不超出20%就算正确，就认为布灯合理，满足要求。

目前国内在一般照明工程中常用的照明计算方法，大体分为两大类：①平均照度的计算平均照度的计算适合于进行一般均匀照明的水平照度计算，只可求出被照面上的平均照度，而求不出其上的照度分布，可用于进行照明工程的设计。②点照度的计算

点照度计算法可求出工作面任何一点的照度，也可求出其上的亮度分布，这种方法多用于进行照明的验算。

2．6．2单位功率法

（一）估算法（1）计算建筑总用电量

式中：P——建筑物(或功能相同的所有房间)的总用电量（kW）w——单位建筑面积安装功率（W／m2），可查表S——建筑物(或功能相同的所有房间)的总面积（m2）

（2）求出每盏灯泡的瓦数(灯数为n盏)n=P/PD

PD——每盏灯的容量，W;序号建筑物名称单位容量（W／m2）序号建筑物名称单位容量（W／m2）1实验室105学校52住宅5-86办公楼53锅炉房47宿舍44生活间88商店5单位建筑面积照明用电估算表

(二)单位功率法（又称单位容量法）根据