建筑光学应用-天然采光

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1、第6章建筑光学本节要点:1.光气候、天空亮度分布和采光系数。2.窗洞口（侧窗和天窗）。3.采光设计。4.采光计算。6.1天然采光从第3章中的视觉功效试验来看，人眼在天然光下比在人工光下具有更高的视觉功效，并感到舒适和有益于身心健康。太阳能是一种巨大的安全的清洁光源，室内充分地利用天然光，就可以起到节约资源和保护环境的作用。视觉功效曲线图6.1.1光气候和采光系数要点：1.天空相对亮度分布。2.我国光气候概况、影响因素、分区和光气候系数。3.采光系数。一、光气候所谓光气候，就是由太阳直射光、天空漫射光和地面反射光形成的天然光平均状况。图6-

2、1天然光组成（一） 天然光的组成和影响因素太阳直射光——它形成的照度大，并具有一定方向，在被照射物体背后出现明显的阴影；天空漫射光——使天空具有一定亮度，它在地面上形成的照度较小，没有一定方向，不能形成阴影；地面反射光——太阳直射光和天空漫射光射到地球表面上后产生反射光。天空中云多少用云量表示：云量划分为0～10级，它表示天空总面积分为10份，其中被云遮住的份数，即覆盖云彩的天空部分所张的立体角总和与整个天空立体角2π之比。晴天——云量为0～3级天。中间天空——介于晴天与阴天之间的天空类型。阴天——云量为8～10级天。CIE标准一般天空—

3、—分为晴天空、阴天空和中间天空三大类，其中每个大类天空各包含5小类不同的天空类型，它们涵盖了大多数实际天空。1.晴天天空漫射光照度——在太阳高度角较小时（日出、日落前后）变化快，到太阳高度角较大时变化小。太阳直射光照度——在总照度中所占比例是随太阳高度角的增加而较快变大（图6-2），阴影也随之而更明显。图6-2晴天室外照度变化情况实测表明，晴天空亮度分布是随大气透明度、太阳和计算点在天空中的相对位置而变化的，其规律：1）晴天空亮度分布以太阳子午圈（过太阳和天顶的经线）对称；2）最亮处在太阳附近；3）离太阳愈远，亮度愈低，在太阳子午圈上、与

4、太阳成90°角达到最低。图6-4天空亮度分布（a）无云天2.阴天全阴天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漫射光，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。以上四个因素都影响室外照度，而他们本身在一天中也是变化的，必然会使室外照度随之变化，只是其幅度没有晴天那样剧烈。CIE标准全阴天的天空亮度，则是相对稳定的，它不受太阳位置的影响，近似地按下式变化（6-2）式中Lθ——仰角为θ方向的天空亮度，cd/cm2；LZ——天顶亮度，cd/m2；θ——计算天空亮度处的

5、高度角（仰角）。全云天的天空亮度分布规律：1）天空最亮在天顶处；2）天空亮度最小在地平线附近；3）天空亮度分布与太阳位置无关。图6-4天空亮度分布（b）全云天；*—太阳位置由于阴天的亮度低，亮度分布相对稳定，因而使室内照度较低，但朝向影响小，室内照度分布稳定。地面照度E地（1x）在数量上等于高度角为42°处的天空亮度L42（asb），即（6-3）由式（6-2）和立体角投影定律可以导出天顶亮度LZ（cd/m2）与地面照度E地（1x）的数量关系为：数值（二）我国光气候概况影响室外地面上总照度的主要因素：1）高度角：同一时刻，北方比南方小；2）

6、日照率(太阳出现时数和可能出现时数之比):由北、西北往东南方向逐渐减少，以四川盆地一带最低；3）云量：自北到南逐渐增多，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；4）云状：南方以低云为主，向北方逐渐以高、中云为主；因此天然光构成：南方天空漫射光照度较大，北方和西北以太阳直射光为主。低云高云重庆市由于多云，且多为低云，故总照度中漫射光照度所占比重很大（见图6-6和表6-1）。它表明室外天然光产生的阴影很淡，不利于形成三维物体的立体感。在设计三维物体和建筑造型时，应考虑这一特点，才能获得好的外观效果。图6-6重庆室外

7、地面照度实测值（a）总照度；（b）天空漫射光照度月份时间5︰3018︰306︰3017︰307︰3016︰308︰3015︰309︰3014︰3010︰3013︰3011︰3013︰3012︰30121.001.000.940.920.890.861、111.000.930.910.880.870.862、101.000.950.880.810.770.760.750.783、91.000.960.930.820.770.800.770.774、81.000.970.890.840.810.780.770.795、70.960.860.7

8、70.740.680.630.620.6260.980.840.730.660.640.600.610.59重庆室外扩散光照度与总照度之比表6-1二、光气候分区我国西北广阔高原地区室外年平均总