建筑物理第四讲天然光环境(二)-天然光环境设计

第一章回归分析的性质建筑物理第四讲天然光环境(二)---天然光环境设计建筑物理第四讲天然光环境(二)---天然光环境设计课程回顾（1）1、光气候：是由太阳直射光、天空扩散光和地面反射光形成的天然光平均状况。2、太阳直射光（晴天地面照度主要来自直射日光，）b、天空扩散光（全阴天则几乎完全是天空扩散光照明）3、①均匀天空亮度分布；②CIE标准全阴天空（全云天）；③晴天天空亮度分布1、光气候？2、天然光的组成？3、设计人员在采光设计中使用的三种天空亮度分布数学模型？2课程回顾（2）天然光照明质量评价的主要内容：------采光标准1、采光系数？2、Ⅲ类光气候区采光标准规定临界照度值为3、照度均匀度？3课程回顾（3）按照窗所处的位置，可将窗分为侧窗和天窗两大类，采光分为侧面采光和顶部采光：1、侧窗采光的优势与不足？2、克服侧窗采光照度变化剧烈，提高房间深处的照度的措施有哪些？3、天窗采光的有哪几类？44.1、采光设计的一般步骤4.2、采光设计应注意的一些问题---结合实例4.2.1中、小学教室采光设计4.2.2美术展览馆采光设计4.2.3天然光的控制与调节4.3、采光计算4.3.1采光计算----窗面积估算法4.3.2采光计算----综合计算图表本讲主要内容：天然采光设计54.1、采光设计的一般步骤1、搜集资料了解设计对象对采光的要求房间的工作特点及精密度要求工作面的位置、工作对象的表面状况是否允许直射阳光进入房间不同工作区域对采光的要求了解设计对象的其它功能要求如采暖、防热、通风、泄爆、防紫外线等房间及周围环境状况房间朝向、房间平剖面尺寸、影响开窗的构件等周围建筑物及影响采光的物体的高度及与房间的距离2、选择采光口的形式建筑物内可采取几种不同的采光口形式，以满足不同的需要。如进深大的车间，边跨用侧窗，中间几跨用天窗解决中间采光不足。车间长轴为南北向时，可采用横向天窗或锯齿形天窗，避免阳光射入车间。63、确定采光口位置及可能开设窗口的面积侧窗。建造、维护方便，应尽可能多开侧窗，采光不足部分再用天窗补充。天窗。根据车间的剖面形式，临近车间的关系，确定天窗的位置及大致尺寸4、估算采光口尺寸根据车间视觉工作分级和所拟采用的采光口形式及位置，查表8-6，得窗地面积比，由窗地比和室内地面面积相乘获得的开窗面积，仅是估算值------设计参考值。同一车间有天窗，又有侧窗时，先按侧窗查出窗地比，由地面积求侧窗面积，再根据墙面实际开窗的可能布置侧窗，不足之数再有天窗补充。在选择窗的尺寸时，应尽可能采用标准构件尺寸。实例见本教材183页。7《建筑采光设计标准》GB/T50033—2001规定的窗地面积比《建筑采光设计标准》GB/T50033—2001规定的学校建筑采光系数值85、布置采光口光环境设计与建筑方案的关系，光环境设计的主要内容、步骤可用图解的形式说明：估算出采光口面积，确定了窗的高、宽尺寸后，可确定窗的位置。不仅考虑采光的需要，还要考虑通风、日照、美观等要求，拟出几个方案进行比较选出最佳方案。94.2、采光设计应注意的一些问题4.2.1教室采光设计1、教室光环境要求：学生在教室能看得清楚、快、舒适，长时间阅读不易产生疲劳.2、教室采光设计要求（1）设计条件保证必要的采光系数。课桌面的采光系数最低值不低于2%。照度分布要均匀。工作区域内照度差别限制在1:3之内，整个房间内不超过1:10。对光线方向和阴影的要求。光线最好从左上方射来，双侧采光时，主要采光窗放在左侧。避免眩光。如：较暗的窗间墙和明亮的窗口（天空);晴天，太阳直射处极高的亮度。10（2）教室采光设计中的几个重要问题①室内装修。侧窗采光，室内深处的光主要来自顶棚和内墙的反射光，顶棚和内墙的光反射比值要高；窗间墙表面装修要用光反射比高的材料；表面装饰宜用扩散型无光泽材料，可在室内反射出无眩光的柔和光线。②黑板。用毛玻璃背面涂黑色或暗绿色油漆的做法，可提高光反射比，避免眩光。如将黑板顶部向前倾斜放置，与墙面成10~20度夹角，可将反射眩光减少到最小程度，且书写方便，制作简单,也可增加黑板照度，减轻窗口在黑板上的反射影像的明显程度。③梁和柱的影响。当梁方向和外墙平行时，在梁的背窗侧形成很重的阴影，在顶棚上形成明显的亮度对比，减弱房间的反射比，最好做吊顶，使顶棚平整。④窗间墙。在靠墙区域形成暗区，窗间墙的宽度宜尽量缩小到1m或更小。11（3）教室剖面形式①侧窗采光及其改善措施：侧窗采光造价低、建造、使用方便，但采光不均匀是其严重的缺点。②天窗采光。使用侧窗，采光系数达不到2%时，可采用天窗采光.在屋面做透光窗，为防止眩光和夏季阳光直射，应在透光屋面下面做扩散光顶棚，或做成北向的单侧天窗。其改善措施有五种.12③不同剖面形式的采光效果比较。有了遮阳处理的天窗，室内工作区域内各点的采光系数都在2%以上，且均匀性有很大提高。④CIE推荐的学校教室采光方案，a、侧窗窗高增大，深处采光充足，以北向为宜，以防阳光直射。b、走廊增开补充窗,c、e、h为天窗，用遮光隔片来防止阳光直射入教室。134.2.2美术展览馆采光设计1、采光要求:为了获得满意的展出效果，在采光方面要解决以下几个问题：①适宜的照度②合理的照度分布③避免在观看展品时明亮的窗口处于视野范围内④避免一、二次反射眩光⑤环境亮度和色彩不能喧宾夺主⑥避免阳光直射展品⑦采光口不占或少占可供展出用的墙面14②合理的照度分布。展示面上（全幅画上）照度的最大值和最小值比应保持在3：1内。整个展出墙面上的照度最大值和最小值之比应保持在10：1之内。整栋美术馆的布局，应按展览路线来控制各房间的照度水平，先经过一些照度逐渐降低的过厅，使眼睛从室外明亮环境逐渐适应室内照度较低的环境，不至于产生昏暗的感觉。①适宜的照度。在展品表面上有适当的照度，保证观众能识别展品的颜色和辨别细部。但美术展品中不乏光敏物质，如水彩、彩色印刷品、纸张等，光长期照射下，特别是含有紫外线成分的光线作用下，很易褪色、变脆。为了长期保存展品，对照度须适当控制。我国美术馆、博物馆照明设计标准中规定：陈列室的采光系数不大于2%。15③避免在观看展品时明亮的窗口处于视野范围内。④避免一、二次反射眩光。展品（画面）本身或它的保护装置具有镜面反射特性，在较暗的展品上出现明亮的窗口或灯的反射形象------一次反射。将窗口位置提高或将画面稍加倾斜，可避免。避免二次反射的方法：控制反射形象进入观众视线，或减弱二次反射形象的亮度，要求展品的亮度高于室内一般照度。二次反射-------当观众本身或室内其它物件的亮度高于展品表面亮度，观众在画面上看到本人或物件的反射形象，干扰看清展品。16⑤环境亮度和色彩。陈列室展品的背景，其色彩宜选用中性色调，亮度应略低于展品本身，光反射比取0.3左右为宜。2、采光形式侧窗采光高侧窗采光顶窗采光顶部采光的改善措施侧窗采光。是最常用、最简单的采光形式，能获得充足的光线，光线具有方向性。但有严重的缺点：A、室内照度分布很不均匀，特别是沿房间进深方向照度下降很多；B、侧窗窗口占据墙面，限制布置展品；C、一、二次反射很难避免。侧窗在内墙处照度很底，明亮的窗口易形成直接眩光或一次性反射。观众位置处的照度较墙面照度高，易形成二次反射。17高侧窗采光。这种采光增加了展出面积，照度分布的均匀性和一次反射现象较低窗有所改善，但层高要求高，跨度小于层高，在空间利用上不经济。顶窗采光。根据经验，美术馆采用顶部采光，窗地比为1：4可满足要求。见右图顶部采光展室合适尺寸，可保证墙面的照度均匀。18顶部采光比高侧窗采光降低房高30%，节省造价。顶部采光的照度分布，水平面比墙面照度高，水平面的照度在房间中间观众区比两旁高，可能出现二次反射现象。顶部采光的改进措施:为降低房间中间的照度，在天窗下面用不透明或半透明的材料设顶棚，形成垂直或倾斜的采光口。天窗与挡板间的空间没被利用，可将中间部分屋面降低，高度比高测窗降低了54%，其采光系数分布更合理。19202-3岁开始培养孩子对因果关系的认识，让孩子看看吹风能使小风车旋转，还能使小盆里的水出现波纹，将肥皂水吹出五颜六色的肥皂泡。这可激发孩子的好奇心，激发其学习探究的热情，促进认知发育。还可以进行归类练习，比如教孩子按某种性质练习分类。可按照物种分类，将动物和植物归类，还可按照颜色、形状、大小、用途分类等等，以提高孩子归纳、概括的能力。在孩子2岁半到3岁之前，大人要增加一些有趣的思维游戏，比如序列的学习、最简单的加与减。序列学习，大人准备红蓝两种颜色的珠子，在桌子上先摆放一个蓝色的，在蓝色的旁边放一个红色的，红色的旁边放一个蓝色的，接着一个红色的，让宝宝仔细看好，并且大人一边操作，一边说出珠子的颜色。重复两次以后，让孩子按照这样的排序选择下一个珠子，并放好。随着训练的次数增多，要适当加大难度，增加颜色，增加数量。课程回顾（1）1、光气候：是由太阳直射光、天空扩散光和地面反射光形成的天然光平均状况。2、太阳直射光（晴天地面照度主要来自直射日光，

）b、天空扩散光（全阴天则几乎完全是天空扩散光照明）3、①均匀天空亮度分布；②CIE标准全阴天空（全云天）；③晴天天空亮度分布1、光气候？2、天然光的组成？3、设计人员在采光设计中使用的三种天空亮度分布数学模型？2课程回顾（2）天然光照明质量评价的主要内容：------采光标准1、采光系数？2、Ⅲ类光气候区采光标准规定临界照度值为3、照度均匀度？3课程回顾（3）按照窗所处的位置，可将窗分为侧窗和天窗两大类，采光分为侧面采光和顶部采光：1、侧窗采光的优势与不足？2、克服侧窗采光照度变化剧烈，提高房间深处的照度的措施有哪些？3、天窗采光的有哪几类？44.1、采光设计的一般步骤4.2、采光设计应注意的一些问题---结合实例

4.2.1中、小学教室采光设计4.2.2美术展览馆采光设计4.2.3天然光的控制与调节4.3、采光计算

4.3.1采光计算----窗面积估算法4.3.2采光计算----综合计算图表本讲主要内容：天然采光设计54.1、采光设计的一般步骤1、搜集资料了解设计对象对采光的要求房间的工作特点及精密度要求工作面的位置、工作对象的表面状况是否允许直射阳光进入房间不同工作区域对采光的要求了解设计对象的其它功能要求如采暖、防热、通风、泄爆、防紫外线等房间及周围环境状况房间朝向、房间平剖面尺寸、影响开窗的构件等周围建筑物及影响采光的物体的高度及与房间的距离2、选择采光口的形式建筑物内可采取几种不同的采光口形式，以满足不同的需要。如进深大的车间，边跨用侧窗，中间几跨用天窗解决中间采光不足。车间长轴为南北向时，可采用横向天窗或锯齿形天窗，避免阳光射入车间。63、确定采光口位置及可能开设窗口的面积侧窗。建造、维护方便，应尽可能多开侧窗，采光不足部分再用天窗补充。天窗。根据车间的剖面形式，临近车间的关系，确定天窗的位置及大致尺寸4、估算采光口尺寸根据车间视觉工作分级和所拟采用的采光口形式及位置，查表8-6，得窗地面积比，由窗地比和室内地面面积相乘获得的开窗面积，仅是估算值------设计参考值。同一车间有天窗，又有侧窗时，先按侧窗查出窗地比，由地面积求侧窗面积，再根据墙面实际开窗的可能布置侧窗，不足之数再有天窗补充。在选择窗的尺寸时，应尽可能采用标准构件尺寸。实例见本教材183页。7《建筑采光设计标准》GB/T50033—2001规定的窗地面积比《建筑采光设计标准》GB/T50033—2001规定的学校建筑采光系数值85、布置采光口光环境设计与建筑方案的关系，光环境设计的主要内容、步骤可用图解的形式说明：估算出采光口面积，确定了窗的高、宽尺寸后，可确定窗的位置。不仅考虑采光的需要，还要考虑通风、日照、美观等要求，拟出几个方案进行比较选出最佳方案。94.2、采光设计应注意的一些问题4.2.1教室采光设计1、教室光环境要求：学生在教室能看得清楚、快、舒适，长时间阅读不易产生疲劳.2、教室采光设计要求（1）设计条件保证必要的采光系数。课桌面的采光系数最低值不低于2%。照度分布要均匀。工作区域内照度差别限制在1:3之内，整个房间内不超过1:10。对光线方向和阴影的要求。光线最好从左上方射来，双侧采光时，主要采光窗放在左侧。避免眩光。如：较暗的窗间墙和明亮的窗口（天空);晴天，太阳直射处极高的亮度。10（2）教室采光设计中的几个重要问题①室内装修。侧窗采光，室内深处的光主要来自顶棚和内墙的反射光，顶棚和内墙的光反射比值要高；窗间墙表面装修要用光反射比高的材料；表面装饰宜用扩散型无光泽材料，可在室内反射出无眩光的柔和光线。②黑板。用毛玻璃背面涂黑色或暗绿色油漆的做法，可提高光反射比，避免眩光。如将黑板顶部向前倾斜放置，与墙面成10~20度夹角，可将反射眩光减少到最小程度，且书写方便，制作简单,也可增加黑板照度，减轻窗口在黑板上的反射影像的明显程度。③梁和柱的影响。当梁方向和外墙平行时，在梁的背窗侧形成很重的阴影，在顶棚上形成明显的亮度对比，减弱房间的反射比，最好做吊顶，使顶棚平整。④窗间墙。在靠墙区域形成暗区，窗间墙的宽度宜尽量缩小到1m或更小。11（3）教室剖面形式①侧窗采光及其改善措施：侧窗采光造价低、建造、使用方便，但采光不均匀是其严重的缺点。②天窗采光。使用侧窗，采光系数达不到2%时，可采用天窗采光.在屋面做透光窗，为防止眩光和夏季阳光直射，应在透光屋面下面做扩散光顶棚，或做成北向的单侧天窗。其改善措施有五种.12③不同剖面形式的采光效果比较。有了遮阳处理的天窗，室内工作区域内各点的采光系数都在2%以上，且均匀性有很大提高。④CIE推荐的学校教室采光方案，a、侧窗窗高增大，深处采光充足，以北向为宜，以防阳光直射。b、走廊增开补充窗,c、e、h为天窗，用遮光隔片来防止阳光直射入教室。134.2.2美术展览馆采光设计1、采光要求:为了获得满意的展出效果，在采光方面要解决以下几个问题：①适宜的照度②合理的照度分布③避免在观看展品时明亮的窗口处于视野范围内④避免一、二次反射眩光⑤环境亮度和色彩不能喧宾夺主⑥避免阳光直射展品⑦采光口不占或少占可供展出用的墙面14②合理的照度分布。展示面上（全幅画上）照度的最大值和最小值比应保持在3：1内。整个展出墙面上的照度最大值和最小值之比应保持在10：1之内。整栋美术馆的布局，应按展览路线来控制各房间的照度水平，先经过一些照度逐渐降低的过厅，使眼睛从室外明亮环境逐渐适应室内照度较低的环境，不至于产生昏暗的感觉。①适宜的照度。在展品表面上有适当的照度，保证观众能识别展品的颜色和辨别细部。但美术展品中不乏光敏物质，如水彩、彩色印刷品、纸张等，光长期照射下，特别是含有紫外线成分的光线作用下，很易褪色、变脆。为了长期保存展品，对照度须适当控制。我国美术馆、博物馆照明设计标准中规定：陈列室的采光系数不大于2%。15③避免在观看展品时明亮的窗口处于视野范围内。④避免一、二次反射眩光。展品（画面）本身或它的保护装置具有镜面反射特性，在较暗的展品上出现明亮的窗口或灯的反射形象------一次反射。将窗口位置提高或将画面稍加倾斜，可避免。避免二次反射的方法：控制反射形象进入观众视线，或减弱二次反射形象的亮度，要求展品的亮度高于室内一般照度。二次反射-------当观众本身或室内其它物件的亮度高于展品表面亮度，观众在画面上看到本人或物件的反射形象，干扰看清展品。16⑤环境亮度和色彩。陈列室展品的背景，其色彩宜选用中性色调，亮度应略低于展品本身，光反射比取0.3左右为宜。2、采光形式侧窗采光高侧窗采光顶窗采光顶部采光的改善措施侧窗采光。是最常用、最简单的采光形式，能获得充足的光线，光线具有方向性。但有严重的缺点：A、室内照度分布很不均匀，特别是沿房间进深方向照度下降很多；B、侧窗窗口占据墙面，限制布置展品；C、一、二次反射很难避免。侧窗在内墙处照度很底，明亮的窗口易形成直接眩光或一次性反射。观众位置处的照度较墙面照度高，易形成二次反射。17高侧窗采光。这种采光增加了展出面积，照度分布的均匀性和一次反射现象较低窗有所改善，但层高要求高，跨度小于层高，在空间利用上不经济。顶窗采光。根据经验，美术馆采用顶部采光，窗地比为1：4可满足要求。见右图顶部采光展室合适尺寸，可保证墙面的照度均匀。18顶部采光比高侧窗采光降低房高30%，节省造价。顶部采光的照度分布，水平面比墙面照度高，水平面的照度在房间中间观众区比两旁高，可能出现二次反射现象。顶部采光的改进措施:为降低房间中间的照度，在天窗下面用不透明或半透明的材料设顶棚，形成垂直或倾斜的采光口。天窗与挡板间的空间没被利用，可将中间部分屋面降低，高度比高测窗降低了54%，其采光系数分布更合理。19204.2.3天然光的控制与调节21天然光的控制与调节固定的遮阳板、折光百页、折光格栅：不但能遮阳，减少进入室内的太阳辐射热，还能起调节自然光分布的作用。利用透光材料本身的反射、扩散和折射性能控制光线2223天然光的控制与调节特殊的控光设施

近年来，将更多的昼光引进室内的特殊方法，出现在建筑方案设计当中，主要有三个目的：第一，增加室内可用的昼光数量；第二，提高离窗远的区域的昼光的比例；第三，使不可能接收到天然光的地方也能享受天然光照明。

提出的方法大体有三类（1）利用镜面反射，将日光反射到需要的空间。通常将这种平面的或曲面的反射装置,设在窗外侧的中上部位置，也可同遮阳设备合为一体。（2）通过设在屋顶上的定日镜跟踪太阳，将获取的日光汇集成光束，经过光学系统的多次反射、折射后，引入需要的空间，再经过漫射供室内环境照明。（3）通过光导纤维或输光管道，将日光传送到需要照明的空间，甚至可以借助光导纤维“看”到室外的景物，用于建筑照明的光导纤维，要能有效的长距离传送高度集中的光通量。24太阳收集器系统，过滤光以调节光强弱，其光效大概70%；传递系统，光效率大概60%，阳光发射体光效大约80%；最后利用率约为34%。阴天天空光大约为1万Ix252627282930由废弃电车车站改建的地下公园内可以种植花草树木，独特的分光系统能满足照明和植物光合作用所需。10年前，美国纽约市曼哈顿一条弃置的高架铁路被改建成了空中公园，在当时被传为美谈。如今建筑师们又有了新的想法，计划在曼哈顿下东区建造全球首个地下公园，这是一个全新的公共场所，利用太阳能技术进行日光照射，尖端的设计将使该公园成为一个特殊的经济区。31德国国会大厦32德国国会大厦的透光圆顶

重新开放的柏林德国国会大厦，是德国首都柏林的标志性建筑。该建筑结合了传统和末来的风格，建筑师在旧建筑结构的骨架上增加了一个800吨重的玻璃圆顶。圆顶的内部是由360面依附在胡萝卜状支柱上的镜子所构成的一个复杂的镜子阵列，可以将光线反射到下面的会议大厅。圆顶周边内还有用来调节温度的可移动遮光罩。该建筑屋顶是由英国建筑师诺曼·福斯特设计的，意在反映德国新的开放。33

扩建的建筑沿袭了原国会大厦简洁的理念，同时，作为区别原有建筑的新建筑它又体现出自己高技和生态的一面。这些集中反映在了新建的玻璃穹顶上。实例:

德国国会大厦扩建工程建筑师：诺曼福思特（NormanForster）图1新老建筑的关系

图2新建的玻璃穹隆

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穹顶成为了一个名副其实的“天窗”，（图2）它的核心部分是一个覆盖着各种角度的镜子的锥体，可以反射水平射入建筑内的光线，还有一个可以移动的遮阳装置按照太阳运行的轨道运转，以防止过热和耀眼的阳光。（图4）（图3）穹隆“天窗”（图4）中央锥体35光纤在建筑夜景照明中的应用3637384.3、采光计算

在建筑方案初步设计阶段，采光计算的任务是按照《采光设计标准》的要求与初步拟定的建筑条件，估算开窗面积；

进入技术设计以后，窗子的位置、尺寸和构造已大体确定，这时就需要通过较详细的计算来检验所做的采光设计是否达到了国家规定的标准。世界各国使用的采光计算方法多达数十种，各有优劣，归纳起来，除了估算法，按计算目标可分为两类：一类是“综合计算法”，结合直观的计算图表；二类是：“逐点计算法”，使用计算机求出室内任何一点的采光系数。394.3.1采光计算--------窗面积估算法设窗洞面积为Ac,室内地板面积为Ad,在一般条件下，窗地面积比可用下式估算：404.3.2采光计算---------综合计算图表这里介绍的方法是《建筑采光设计标准》GB/T50033----2001推荐和使用的采光计算图表，它的用途是核算采光系数，或根据采光系数计算开窗面积。(这种方法是清华大学建筑物理实验室对大量的采光模型,试验数据分析处理后得出的成果。)因为侧面采光和顶部（天窗）采光的房间昼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这里采光计算所涉及到的图表数值，是指未装上窗扇的无限长带形空窗洞口，实际情况中，要考虑各种影响因素，对图表中的数值要加以修正，得到采光系数最低值（侧面采光）或平均值（顶部采光）41这里采光计算所涉及到的图表数值，是指未装上窗扇的无限长带形空窗洞口，实际情况中，要考虑各种影响因素，对图表中的数值要加以修正，得到采光系数最低值（侧面采光）或平均值（顶部采光）影响因素：要受窗子透光比的高低、窗间墙的大小、室外遮挡、室内反射光增量、晴天等因素的影响，42计算前的准备房间的尺寸；采光口材料及厚度；承重结构形式和材料；表面污染程度；室内表面的光反射比4.3.2.1、侧面采光计算43侧面采光计算

（1）计算点的确定侧面采光的房间内，靠窗处照度很高，但随着与窗子的距离加大，照度衰减很快，故在计算之前，要合理确定计算点的位置以求得计算进深B。复核采光系数最低值的计算点，应当是工作区内采光条件最差的地点。44侧面采光计算（2）计算图表45侧面采光计算（3）计算公式室内一点实际的采光系数，要受窗子透光比的高低、窗间墙的大小、室外遮挡、室内反射光增量等因素的影响，这些因素在采光计算中也要逐项予以考虑。