天然采光在线视频

现在介绍第三节

天然采光

天然采光有几个特点

首先是光效高

其光效大概可以达到104 lm /W

这明显高于人工照明

其次是视觉效果好

不易导致视觉疲劳

如右图所示

第三是天然光非常健康

它有连续的单峰值光谱

满足人的心理和生理需要

但是使用天然光的难度远大于人工光源

因为天然光的强弱随时变化不定

受光气候条件和建筑设计制约

另外就是建筑采光与遮阳的设计

有时候是矛盾的

首先我们看看一个房间有无采光窗

对居住者的心理带来的巨大影响

例如这两张图

明显是看到有窗户的房间会使人心情愉悦

所以我们都看到

酒店 办公室 或者是餐厅

都是有外窗的房间价高

甚至有一些空间没有外窗

也会设计一个假的外窗提升品质

下面两张图片也是展示了

有天然光的房间光环境会更好一些

使用体验更好

下面介绍一下天然采光能量分布

天然光包括直射光和扩散光两部分

全云天的时候只有扩散光

直射光随太阳高度角增加而增加

下图给出了晴天时

天空直射光与扩散光的照度变化

可以看出

扩散光在太阳高度角比较小的时候变化很快

到太阳高度角比较大的时候变化就小了

晴天的时候

地面的照度主要来自于直射阳光

直射光在地面形成的照度占总照度的比例

随着太阳高度角的增加而加大

阴影也随之明显

全阴天时室外天然光全部为天空扩散光

这个时候物体的背后是没有阴影的

天空的亮度分布也比较均匀 而且相对稳定

多云天介于二者之间

因为太阳时隐时现

照度很不稳定

我们使用计算机模拟软件计算

建筑的天然采光的时候

就需要界定清楚外边界的条件

一般来说

这里指的最不利天气是全阴天的工况

也就是云量达到了8～10的情况

采用采光系数来评价天然采光环境

这最早是由Waldram在1923年提出

后经劳伦斯伯克利实验室

MIT等学术机构研究发展

最终被CIE采用

其定义是室内某一点的天然照度 En

与同一时间的室外照度Ew 的比值

传统定义

是在给定的全阴天天空条件下的亮度分布

来计算点和窗子的相对位置

窗子的几何尺寸确定之后

无论室外照度如何变化

计算点的采光系数是保持不变的

我国现行的采光设计标准

也就是2013年发布的

《建筑采光设计标准》（GB /T50033-2013）中

明确室外最不利的照度对应的采光系数

为室内的天然光的临界照度

并定义了最低的采光系数值

也就是说是针对全阴天工况的采光系数值

下表列出了我国不同作业场所工作面上的

采光系数标准值和室内天然光照度标准值

下表中的采光系数

乘以各光气候分区的光气候系数K

就可以得到各分区的采光系数

在已知工作场所采光系数标准值的情况下

可根据室外天然光设计照度值

求得室内天然光照度标准值

表中的天然光照度标准值指的就是

对应于规定的室外天然光设计照度值

和相应的采光系数标准值的

参考平面上的照度值

在2013年颁布的《建筑采光设计标准》中

修改了原标准中侧面采光

以采光系数最低值为标准值

顶部采光采用平均值作为标准值的做法

之所以采用采光系数平均值

约束建筑采光设计

原因是这样做不仅能反映出采光的平均水平

也更方便理解和使用

此外研究表明

窗地比和采光系数的平均值呈近似线性关系

但是采光系数的最低值和窗地比是没有线性关系的

我们来看一下

中国的光气候分区和光气候系数

二区室外总照度年平均值为4万多lx

对应的光气候系数K=0.9

五区室外的总照度年平均值大概是2万多lx

而对应的光气候系数K=1.2

北京地区就处于三区

所以它的K=1.0

江浙地区是四区

光气候系数K=1.1

我们的标准里面

给出的都是对应的第III区的采光系数

其他光气候区的采光系数

标准值就等于第III区的采光系数标准

乘以该地区的光气候系数K

例如 拉萨地区属于第I光气候分区

第II采光等级

建筑侧面采光时的采光系数

最低值是2.55

由于室外天然光设计照度值是18000 lx

所以室内的天然光照度就是459 lx

天然采光有几种常见的形式

如图所示的侧窗采光

可以用于有外墙的房间

包括办公 住宅 酒店等

这里给出了不同形状的侧窗

形成的光线的分布示意

在侧窗面积相等

窗台标高相等的情况下

正方形窗口获得的光通量最高

竖长方形次之 横长方形最小

但从照度均匀性角度看

竖长方形在进深方向的照度均匀性比较好

而横长方形在宽度方向上

它的照度的均匀性比较好

除了窗的面积以外

侧窗上沿或者下沿的标高

对室内照度分布的均匀性也有着显著影响

图里给出了侧窗高度变化

对室内照度分布的影响示意图

可以看出

随着窗户上沿的下降

窗户面积的减小

室内各点的照度均会下降

但是提高窗台的高度

尽管窗的面积变小了

导致近窗处的照度降低

但是却对进深处的照度影响不大

这里给大家展示了

面积相同的侧窗

不同布置时 对室内照度分布的影响示意

影响房间进深方向上的照度均匀性

的主要因素是窗位置的高低

对比可知

窗面积相同的时候

高窗形成的室内照度分布比较均匀

即近窗处比较低

远窗处相对比较高

而图A的低窗和图C中

分割成多个窄条窗

形成的照度分布均匀性就要差很多

不同形状的窗会影响室内的采光效果

当进深比较大的时候

可以采用双侧采光设计

这是不同透光材料

对室内照度分布的影响示意

不同类型的透光材料对室内照度分布

也有重要的影响

我们可以采用扩散透光材料 如乳白玻璃 玻璃砖

或者采用将光线折射到顶棚的定向折光玻璃

都有助于使室内的照度分布均匀化

图中所示的是一些室内外反光构造

包括棱镜玻璃

将天然光折射到室内

这主要是利用了棱镜玻璃定向折光的特性

不仅可以改善室内采光

还可以避免太阳直射

天然采光还有很多手段

这些是英国的一些有关天然采光的案例

包括利用窗上的反光板进行采光

利用顶层的天窗采光

在内区过道做一些通透的设计引入天然光等等

这张照片展示的是

美国可再生能源国家实验室办公楼

室内的情况

通过合理的采光

所有的办公空间100%的都可以使用天然采光

天然光从建筑的南立面高侧外窗进入室内

经过反光板的反射

形成了一种很好的效果

天窗是采光重要的实现手段

主要适用于大型建筑的内区 中庭 顶层等区域

采用天窗可以明显减少建筑的照明能耗

怎么设计天然采光呢

在建筑设计阶段

需按照《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

如果窗子的位置 尺寸和构造已经基本确定

就需要通过详细的计算

来检验室内天然光照度水平

是否达到了规定的标准

这里给出大家的是采光系数总参数计算法

就是采用下面这么一个公式

可以反映包括各种因素影响的

室内采光系数的一个最低值

公式中的第一个参数C’d

指的是室内给定平面上某点采光系数的天空分量

其定义为

该点的天空光直射照度与天空半球

在室外无遮挡水平面上产生的照度之比

是采光系数的主体

C’d的值可以从右图中查出

Cmin=C'd×Kτ×K’ρ×Kc×Kω

一共是四个K相乘

我们具体的跟大家介绍一下

首先是Kτ 它代表的是窗子的总透光系数

与窗框的类型与材料

断面大小

透光材料的透射比

以及环境污染程度有关

第二是K’ρ 它指的是室内反射光增量系数

与房间尺度

单侧或双侧采光

墙内表面的反射比有关系

第三个参数是Kω

它指的是室外遮挡物挡光折减系数

与遮挡物距离窗口的距离 高度 窗高有关

最后一个参数是Kc

它指的是窗户的宽度的一个修正系数

等于总的窗户的宽度占墙的长度的一个比例