建筑设备第13章

第十三章建筑电气照明建筑照明是创造光环境的技术，利用阳光（包括直接光和反射光）实现的建筑照明称自然照明；将其他形式能量转换为光能光源的人为照明，称人工照明。

其中，利用电能转换为光能的电光源称电气照明。

第一节照明基本知识视觉是光射入眼睛后产生的视知觉，是光觉（看见明暗）、色觉（看见颜色）、形态觉（看见物体的形状）、动态觉（看见物体的运动）和立体觉（看见的物体的远、近、深、浅）等知觉的综合。

被观察物或工作面射人人眼中的光与光源及建筑空间的特性有关。

电光源将电能转换成光能以辐射方式向建筑空间内直线传播。

传播途中极少数光线被空气中的尘埃阻挡形成折射、反射或部分光能被吸收。

绝大部分光能被分配到工作面（如办公桌面、工作面等）、地面、墙面和顶棚表面。

光能在这些物体的表面，除少部分被吸收外，大部分又反射出去，经过建筑物空间照到其他物体的表面上。

反射过程不断重复进行使工作面上得到照明。

只有可见光才可在眼睛中产生视知觉，波长不同的可见光在人眼睛中产生不同的色觉，各种波长的可见光混合射人人眼产生白色（日光）的视觉。

实验证明，波长小于290nm的电磁波被高空大气层的臭氧所吸收，波长大于1400nm 的电磁波被低空大气层中的水蒸气和二氧化碳所吸收。

能达到地球表面的电磁波恰好和能在眼中产生视觉的可见光的波长范围相符合。

可见光作为具有一定能量的物质运动形式，其大小强弱是可以被度量的。

照明的度量实际上就是对光的度量，也就是对光辐射产生的视觉效果的定量衡量。

光的度量方法有两种：一种是主观（视觉）光度学，直接以人眼度量，另一种是客观（物理）光度学，使用物理仪器度量。

下面对主观光度学的基本知识和常用度量单位作简要介绍。

一、相对视度Kλ由于人眼对不同波长的可见光有不同的灵敏度，故辐射能量相同的不同波长的可见光看起来明暗程度不同。

某一波长的单色光在人眼中能形成视觉的程度称相对视度Κλ。

不同波长的单色光Κλ值不同。

在白天（或者在光线充足之处）人眼对于波长555nm的黄绿光最为敏感，黄绿光的Kλ值为1，其他波长单色光的Κλ值均小于1，偏离黄绿光越远，Κλ值越小，形成如图13－1中实线所示的明视觉相对视度曲线。

相对视度曲线（又称光谱光效率）可以衡量不同波长光的视觉效果。

由图可见，蓝光（460nm）、黄绿光（555nm）和红光（650nm）的Κλ值分别为0．flh、1和0．107，若都能产生同样的视觉，则蓝光比黄绿光辐射的功率多］ q．6倍，红光为黄绿光的8.35倍。

在夜晚（或者在光线不足之处），人眼对蓝绿光最敏感，形成的暗视觉光谱光效应曲线如图13－1虚线所示。

二、光的度量单位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大小。

常用F 表示，单位名称为流明（lm ）。

光通量是光流量的时间速率概念，流明用来描述发光体发出的光通量多少的单位。

当波长为555nm 的黄绿光辐射功率为1W 时，主观感觉光通量为680lm 。

其他波长的辐射功率也为1W 时，主观感觉光通量都小于68Olm ，可按下式计算：F λ＝680K λP λ （13－l ）式中 F λ——波长为λ的光的光通量，lm ；Κλ——波长为λ的光的相对视度；P λ——波长为λ的光的辐射功率，W 。

多色光的光通量为所含单色光的光通量之和，即：i ni i n P K F F F F λλλλλ∑==++=121680 （13－2）2．发光强度（简称光强）是指光源在某一特定方向上，单位立体角（单位示面度sr ）内的光通量，常用符号I 表示，单位为坎德拉（cd ），如图13－2所示。

光强是在一个给定方向上，单位立体角内光通量密度，即单位立体角内所辐射的光通量，用于描述发光体空间发光强度的分布。

故：1cd ＝1流明（lm ）／球面度（sr ）。

光强与光通量的关系如下：（1）对于向各方向均匀发射光通量的发光体：Ⅰ＝F ／ω （cd ） （13－3）式中 ω是发光表面形成的立体角，sr 。

（2）对于各种不同形状的均匀发光体：发光圆球 I ＝F ／4π （13－4）单面发光圆盘 I ＝F ／π发光圆柱体 I ＝F ／π 2发光半圆球 I ＝F ／2π 2（3）各方向不均匀发射光通量的发光体，在各方向上的光强不同。

光强符号的下标表示方向，如：I 0表示光轴下方向的光强，I 90表示水平方向的光强。

以光源为原点，用极坐标的方式来表示各个方向上的光强，连接各极坐标的端点形成的曲线称该光源的配光曲线见图13－3。

3．照度照度是指物体表面所得到的光通量与该物体表面积的比值，用E 表示，单位为勒克斯（lx ）。

照度用来表示被照面上光的强弱，以入射光通量的面密度表示：1lx ＝1lm ／m 2。

照度与光通量的关系为：当被照面积S 上光通量均匀分布时，则E ＝F ／S （13－5）当被照面积S 上的光通量分布不均匀时，则：E ＝dF ／dS （13－5a ）照度与光强的关系如图13－4所示，有点光源G （当光源的直径小于光源到被照面之距的1/10时，可看成为点光源）与被照面S 2的平均距离为r ，光线的平均人射角为α，面积S 2对光源形成的立体角为ω，立体角中心线方向上的光强为I α。

求在被照面上产生的照度E 值。

假定在立体角ω内光通量F 均匀分布，则F ＝I α·ω。

由图13－4可知ω＝S 1/r 2。

S 2＝S 1/cos α点光源在按照面S 2上产生的照度：2211112cos cos cos cos /r I r S S I S I S I S F E ααωααωαααα=⋅=⋅=== (13-6) 可知：当平面被点光源斜照时，在平面上产生的照度与点光源在此方向上的光强和人射角的余弦成正比，与点光源和被照面之间距的平方成反比。

此规律称照明的余弦定律，或称照明的平方反比定律。

4．亮度亮度是指表面某一视线方向的单位投肜西上所发出或反射的发光强度，如图13－5所示，常用符号L 表示，单位为cd ／m 2。

亮度具有方向性。

只有一定亮度的表面才可在人眼中形成视觉。

5．面发光度一光的出射度（光度）光的出射度是指发光表面单位面积发出的光通量，常用符号M 表示，单位为辐射勒克斯（rlx ）：1rlx ＝llm ／m 2。

l光的出射度和照度具有相同的量纲，区别在于出射度表示发光体发出的光通量，而照度表示被照面所接受的光通量。

三、材料的光学性质材料的光学性质是指材料对所照光线的反射、透射和吸收能力及其光线的分布。

1．光的反射、透射和吸收光通量F 照射到物体上，其中一部分被反射（F ρ）、一部分被吸收（F α），其余被透射，如图13－6所示。

根据能量守恒定律三者之间关系式为：F ＝F ρ＋F α＋F τ （13－7）用于衡量材料对光的反射、吸收和透射能力的三个系数为： 反射系数（率） ρ＝F ρ／F吸收系数（率） α＝F α／F透射系数（率） τ＝F τ／F因为：F ρ＋F α＋F τ＝F ，所以：ρ＋α＋τ＝1。

：建筑物内表面和摆设的物品、家具都直接影响着照明的效果。

所以在进行照明计算中，应根据实际材料选用相应的系数，以使计箅结果接近实际。

2．光线的分布光线经物体的反射和透射后的分布情况不同，比如：平面镜可定向反射；窗玻璃可定向透射；石膏可扩散反射；乳白玻璃可扩散透射；瓷釉可混合反射；磨砂玻璃可混合透射。

图13～7为反射、透射光线分布情况：（a ）为均匀扩散亮度分布；（b ）为定向扩散亮度分配。

第二节 光源和灯具一、电光源电光源是将电能转换为光能的设备，以其所产生的光通量向周围空间辐射，经四壁、顶棚、地板及室内物体表面的多次反射、折射后，在工作面上形成足够的照度，以满足人们的视觉要求及其他各种需要。

（一）电光源的分类按工作原理有热辐射光源、气体放电光源之分。

热辐射光源主要是根据电流的热效应，将高熔点、低挥发性的灯丝加热到白炽程度而发出可见光，如白炽灯、卤钨灯等。

气体放电光源主要是利用电流通过气体（或蒸气）时，激发气体（或蒸气）电离、放电而产生可见光，如氙灯、氖灯（气体放电光源）、汞灯、钠灯（金属蒸气灯）、霓虹灯（辉光放电灯）、荧光灯（弧光放电灯）等。

一般情况下，气体放电光源的发光效率、亮度、显色性等指标，随灯泡（管）内蒸气压的增高而提高。

（二）电光源的主要特性（1）额定电压（V）、额定电流（A）和额定功率（W）；（2）辐射光通量（lm）；（3）发光效率：是指光源每消耗单位功率所发出的光通量（lm／W）；（4）使用寿命：全寿命是指从开始到不能使用的全部使用小时数（h）；有效寿命即从开始使用到光通量降至一定数值（如白炽灯规定为起始值的70％）时的全部使用小时数（h）；（5）光谱能量分布；（6）光色：指光源的色表和显色性；（7）频闪效应：光源的辐射光通量随交流电波的强弱变化造成的灯光闪烁现象等。

电光源向着电压、功率多样化，光能量、发光效率和寿命不断提高，光色不断改善的方向发展。

光效提高的情况如表13－1所示。

光源的各特性之间的关系如表13－2所示。

（三）常用电光源（1）白炽灯：是最重要的热辐射光源，经百余年发展，光效已由3lm／W 提高到30lm／W。

这种电光源具有随处可用、价格低廉、显色性好、便于调光和功率多样化等优点，基本构造如图13－8所示。

白炽灯具有以下特点：灯丝具有电阻特性，冷电阻小，启动电流可达额定电流的12～16倍。

启动冲击电流持续时间可达0．05～0．23s（灯泡功率愈大，持续时间愈长）。

因此一个开关控制的白炽灯数不宜过多；白炽灯泡中灯丝随蒸发而变细，电阻增大，所以功率不断减小，光通量也逐渐减少；白帜灯泡能瞬间起燃，迅速加热；灯丝有热惰性，随交流电频率、光通量波动不大；电压陡降也不会猝然熄灭，因而可应用于重要场所。

白炽灯应按额定电压选用，因为电压超5％寿命减半。

电压降低，输出光通量大大减少，故要求电压偏移≤2．5％额定电压。

白炽灯泡发光效率随灯丝温度的升高而提高，如在钨丝熔点温度3663K时理论发光效率为541m／W。

应在降低灯泡成本和电费的条件下，提高灯泡的发光效率；白炽灯泡点燃时，玻璃壳表面温度很高，应防溅上水而炸裂；白炽灯泡的平均寿命一般为10O0h。

尽管灯丝未断，但蒸发的钨粒会使玻璃壳变黑，光通量降到一定程度就不能使用了。

（2）卤钨灯：由灯头（由陶瓷制成）、灯丝（螺旋状钨丝）和灯管（由耐高温玻璃、高硅酸玻璃内充氮、氩和氪、氙和少量卤素）组成。

根据卤素的种类卤钨灯有碘钨灯、溴钨灯和氟钨灯之分。

基本构造如图13－9所示。

卤钨灯也是热辐射光源，但由于灯管内有少量卤素，在一定温度下，灯管内建立起卤钨再生循环：从钨丝蒸发出来的钨粒在向玻璃壳迁移过程中与卤素化合物合成卤化钨，卤化钨扩散到灯丝附近的高温区时被分解成钨和卤素，再生钨不断被卤素运回到灯丝上，卤素又返回灯管内，如此反复形成再生循环，能防止钨粒沉积在玻壳上，保证灯泡在整个寿命期中不黑化，保持良好的透明度，不造成输出光通量的减少，光效不变。