环境科学概论6. 建筑光环境

容 易 困难 老工人:中等水平作业 要求
视觉适应及照明对视觉的影响 眼睛的适应过程 视觉适应：人眼能辨别的 物体最小亮度与背景亮度 及其识别时间相关。 视知觉特性：不同的照明 环境，人的视知觉是不同 的。 绝对感受性：引起视知觉的最小刺激的反应能力。为视觉的 绝对阈限的倒数。绝对阈限是指能引起光感觉的最定限度的 光通量。 视觉器官功能：可以反映光的波长（辨色），同时还可以反 应光的亮度（光强程度）。
§2
视觉与光环境
视觉功能的完成
一、眼睛与视觉特征
镜像
瞳孔：光圈作用 原像 水晶体：透镜作用(有 自动聚焦功能) 锥体细胞
杆体细胞
视网膜：胶卷作用 感光细胞：亮度高于3 nt(cd/m2)时（明视觉）主要由锥体细 胞发挥作用辨色作用；在亮度低于0.01 nt时（暗视觉）主 要由杆体细胞发挥作用，但不能分辨颜色感光作用
A Ω r
2、发光强度 定义：光源在某一方向上单位立体角元内发射 的光通量。表征光源发出的光通量在空间的分 布状况。用I表示 ,单位为坎德拉（cd）。
光通量与光强度 光通量相同，发光强度却不同，其值 与灯具性质有关。
I
r
E

En 光强度与光照度
3、照度 定义:对于被照面而言，照度是受照平面上接受的光通 量的面密度。 E=d￠/dS d￠：光通量 dS：面积 照度的物理意义及表示方法：照度表征被照面上的光通 量密度。 照度可直接相加，几个光源同时照射被照面时，其上的 照度为单个光源分别存在时的照度的代数和。
第六章 建筑光环境 本章的学习要点 1、了解光的基本度量单位及相互关系 2、掌握天然光环境的基本设计要点
光环境控制的意义 减少视觉疲劳，保证视觉健康和身心健康 提高劳动生产率
降低能耗 —人工照明耗
—空调能耗
% 宾馆 商场 办公楼 医院 空调 46.1 40.5 49.7 30.3 照明 13.5 33.7 33.3 13.9 热水 31 10.7 2.7 41.8 动力与其他 9.4 15.2 17 14
已知点光源发光强度I以及与被 照面的距离r，则垂直于二者连 线的被照面的照度为：
I r E En
E=Encos = (I / r2) cos
晴天中午 阴天中午 40W白炽灯 40W白炽灯(有 40W白炽灯的 月光下 的室外 的室外 以下1m 搪瓷罩)以下1m 台灯下 80000～ 8000～ ＜10 30 73 200～300 120000 20000
光污染 玻璃幕墙的反射眩光不仅会影 响司机视力，而且还会干扰附 近建筑的室内光环境。
§1
光的性质与度量
一、基本光度单位及相互关系 1、光通量 辐射通量(辐射功率):单位时间内辐射体辐射的 能量称辐射通量。 光通量：相应的辐射通量中被人眼感觉的可见光 能量称光通量。单位为流明（lm） 描述光源发光能力的基本量 100w普通白炽灯发出的光通量为1250lm 40w日光色荧光灯发出的光通量为2000lm
最高敏锐度
中心视野：1-1.5 (偏离视野中心＜30)物体在中心凹成像 (锥杆细胞集中处)，清晰度最高，可辨色辨细部 单眼视野：水平： 180；上60 ，下70 双眼视野：
水平：120；
垂直：与单眼相 同
3、亮度对比度 亮度对比度：视野中目标和背景的亮度差与背景或目标亮 度值比。任何物体都有其背景，物体和背景之间存在着亮 度和颜色上的差异，亮度对比度越大，看得越清楚。 4、视觉敏锐度 * 视角:需要分辨的细节尺寸对眼睛形成的张角，称为视角。 * 视觉敏锐度：人凭借视觉器官感知物体的细节和形状的 敏锐程度。
B，光气候特点 地面照度来源于直射光和扩散光 * 晴天：云量低于30％，天气。此时云量占整个天空面积的 30%，地面照度主要来自直射日光,漫射光除了日出、日落 外变化不大，亮度分布不稳定。 ； * 全阴天：云量为80～100％，的天气。此时室外天然光全 部为天空扩散光，物体背后没有阴影，天空亮度分布比较 均匀且相对稳定； * 多云天：云量为40～70％，的天气。多云天介于晴天和全 阴天之间，太阳时隐时现，照度很不稳定。
20×104 0.2 ～2.0 0.017 ～0.035
受照面上的照度与亮度：
光源面积A
反光材料，亮度高 吸光材料，亮度低
L

光源的亮度与被照面的照度关系
r
Ω A cosα/r 2


E
E
I r2
cos θ
Iα L A cos α
E
Lα A cos α r
2
cos θ Lα Ω cos θ
二、光的反射与透射 1、定向反射和透射 * 定向反射：光线照射到表面很光滑的不透明材料上， 会出现定向反射现象。 定向反射特点： 1)光线入射角等于反射角； 2)入射光线、反射光线及反射表面的法线处于同一 平面。具有这种特征的材料称为定向反射材料。
定向反射
定向扩散反射
粗糙金属面
镜面玻璃 抛光金属面 平板玻璃 光滑纸 磨砂玻璃 油漆表面
色盲→锥体细胞功能性损坏
1、亮度阈限 里科定律：
——视觉阈
亮度×面积＝常数 目标越小要求越高 邦森一罗斯科定律： 亮度×时间＝常数 呈现时间越短要求越高 视觉阈亮度：
视觉可以忍受的亮度上限，一般:106cd/m2
2、视野
视野和视场的概念 视野：观察者正视前方时，头和眼睛都保持不动时，这样所 察觉到的空间范围称视野。 * 单眼视野：单眼的综合视野在垂直方向1300，向上600，向 下700，水平方向约有1800。 * 双眼视野：双眼同时能看的视野，垂直方向与单眼相同， 水平方向约有1200的范围。 * 中心视野：在视轴10范围内具有最高的视觉敏锐度，能分 辨最细小的细部，称中心视野。 * 近背景视野：从视野中心往外300范围，视觉清晰度较好， 称近背景视野。 视场：观察者头部不动但眼睛可以转动，这样所看到的空间 范围称视场。
5、视觉速度 从发现物体到辨别物体细节需要一定的时间，称识别时间， 识别时间的倒数，称视觉速度。 6、眩光 在视野内出现亮度较高的物体或过大的亮度对比时，可引 起视觉上的不舒适、烦恼或视觉疲劳，这种高亮度或亮度 对比称为眩光。 例如：当黑板某处出现过亮区域时，人眼会感觉刺眼，看 不清楚。 7、视觉适应 眼睛由一种光刺激到另一种光刺激的适应过程。
组成及影响因素：太阳直射光、天空漫射光——f (云量)
太阳位臵 晴天
全云天
天空亮度分布
C，采光设计 在采光设计中的天然光往往是天空扩散光，它是建 筑采光的主要光源。为防止眩光或避免房间过热， 工作房间常需要遮蔽直射光，所以在采光计算中一 般不考虑直射光的作用，而是把全阴天空看作是天 然光源。
2、天然光和人工光的光谱能量分布特征 * 天然光是太阳辐射的一部分，它具有光谱连续且 只有一个峰值的特点，太阳的全光谱辐射是人们在 生理上和心理上感到舒适满意的关键因素。 * 人工光由于其发光肌理各不相同，光谱分布也不 同，如果人工光光谱分布有两个峰值且不连续，则 易引起视觉疲劳。光谱能量分布较窄的某种纯颜色 的光源照明质量较差，光谱能量分布较宽的光源照 明质量较好。
光 源 的 色 温 与 冷 暖 色 调
天 空 光
冷色调 >5300K
日光色荧光灯, 高压汞灯
冷 色 调
5300K
中间 色调
日 光 3300K
白炽灯
暖色调： <3300K
高压纳灯
4。色彩效应——对主观的影响——营造光环境氛围
情绪感觉：积极色：暖色调＋高亮度； 消极色：冷色调＋低照度。 温度感觉：主观温差效果可达3~4℃ 大小轻重感觉：高明度者大而轻，低明度小而重

dAcos
dI
dA
4、亮度 定义：发光体在某一方向上单位面积的发光强度。
物理亮度：发光体在视线方向上单位面积的发光强度
主观亮度：视感所感受到的亮度(受背景亮度影响)
视网膜只可承受 16 sb以下的亮度！ cd/m2 白炽灯灯丝 荧光灯管 太阳表面 无云蓝天 300～500 0.8～0.9 电视屏幕
二、颜色对视觉的影响 * 表观色：直接看到的光源的颜色。 * 物体色：光投射到物体上，物体对光源的光谱辐射 有选择地反射或透射对人眼所产生的颜色感觉称物体 色。 * 物体色由物体表面的光谱反射率或透射率和光源的 光谱组成共同决定。
黄、红等暖色、明快的色调加上高亮度的照明，对人 有离心作用，可增加人的激活作用、敏捷性和外向性， 适合于从事手工操作和进行娱乐活动的场所；灰、蓝、 绿等冷色调加上低亮度的照明，对人有向心的作用， 使人的精神不易涣散，适合于需要久坐的、对眼睛和 脑力工作要求较高的场所，如办公室、研究室和精细 的装配车间等。
3、定向扩散反射、透射材料 同时具有定向和扩散两种性质，这种材料在定向反 射(或透射)方向，具有最大的亮度，而在其他方向也有 一定亮度，具有这种性质的材料称为定向扩散反射或透 射材料。 光滑的纸、粗糙的金属表面、油漆表面都是定向扩 散反射材料；磨砂玻璃为典型的定向扩散透射。
三、污染对材料化学特性的影响 * 窗玻璃积累污染物则透光系数降低 * 室内装饰物表面腿色泽反光系数降低
采光系数标准值 下面的采光系数乘以各光气候分区的光气候系数K，即可得各分 区的采光系数。
采光系数标准值
d0.15 0.15<d 0.3 0.3<d 1.0 1.0<d 5.0 d>5.0
250 150 100 50 25
5 3 2 1 0.5
350 250 150 100 50
7 5 3 2 1
混合反射
粉刷涂料 乳胶漆
均匀漫反射
乳白玻璃
c类材料的理 想情况
* 定向透射：光线射到透明材料上，会产生定向透射。 能清晰看清背
侧光源和物象
透明材料
规则透射
模糊看清光源 磨砂玻璃
a)
b)
定向扩散透射
漫透射 模糊看清背侧光源，
且亮度均匀
均匀漫透射
c)
d)
完全看不清背
侧光源和物象， 量度均匀 如乳白玻璃
透明玻璃涂白漆
2、均匀扩散反射、透射材料 定义：均匀扩散材料的特点是反射光或透射光的分布 与入射光方向无关，反射光或透射光均匀地分布在所有方 向上。从各个角度看，被照表面或透射表面亮度完全相同， 看不见光源的形象，这种材料被称为均匀扩散材料。 均匀扩散材料包括： * 均匀扩散反射材料：如：涂料、乳胶漆、无光塑料墙 纸、瓷砖等。 * 均匀扩散透射材料：如：乳白玻璃、半透明塑料等。
三、视觉功效与舒适光环境要素 l、视觉功效 定义：人借助于视觉器官完成视觉作业的效能,称视 觉功效。
它主要取决于作业的大小、形状、位臵和所处的光环 境，主要与视角、照度、亮度对比系数和识别时间有 关。
识别几率：正确识别的次数与识别总次数的比率
考虑25%的偶然性 同样光环境中的不 同视标的对比次数
视觉功效曲线
条件：识别几率95％
同样视角：C↓→E↑
α——视角
视觉功效特性 ①同样的视觉功效： E ↑ → C ↓
相 对 视 觉 功 效
困难
②α↓ → E ↑
亮度对比度
年轻工人:中等水平作业要 求 E/lx
③同样的视觉功效，天然 光所需照度低于人工光 相 对 ④对视觉功效影响的还有： 视 年龄、视力、操作熟练程 觉 功 度等生理因素 效
2、舒适光环境要素与评价标准
* * * * 适当的照度水平 舒适的亮度比 适宜人的色温与显色性 避免眩光干扰
§3
天然采光
一、天然光源的特点 1、天然光源 A，概念 * 天然光源：太阳昼光。 * 太阳直射光：部分日光通过大气层入射到地面，具有一定 的方向性，会在被照射物体背后形成明显的阴影。 * 天空扩散光：另一部分日光在通过大气层时遇到大气中的 尘埃和水蒸气，产生多次反射，形成天空扩散光，使白天 的天空呈现出一定的亮度。扩散光没有一定的方向，不能 形成阴影。 * 人眼在天然光下比在人工光下有更高的灵敏度，人眼对天 然光比较习惯和适应，天然光的光质好，形成的照明质量 高 。
心理感受 左趋势 积极色 中性色 消极色 右趋势
明暗感 冷热感 胀缩干 距离感
明亮 温暖 膨胀 近
白 黄
橙
绿、红
灰 灰
青
紫
黑
黑暗 凉爽 收缩 远
橙
红 黄
红
橙 橙
黄
灰 绿
灰 绿 绿
青
青 青
紫
紫 紫
白
重量感
兴奋感
பைடு நூலகம்轻盈
兴奋
白 黄
橙
灰 绿
青
紫
黑
沉重
沉静
白 红 橙红 黄红绿紫 灰 绿 青绿 青紫 黑
色适应是人们工作、学习、生活中对照明光色度感觉的偏爱