建筑光學福州大學建筑學院2.2天然采光2.2.1光氣候與采光系數2.2.2窗洞口2.2.3采光設計2.2.4采光計算2.2.1光氣候與采光系數2.2.2.1光氣候所謂光氣候，就是由太陽直射光、天空漫射光和地面反射光形成的天然光平均狀況。1）

天然光的組成和影響因素

a、太陽直射光：太陽光穿過大氣層時，直接透過射到地面的光。直射光照度大、有方向，在物體背后形成陰影。b、天空擴散光：太陽光穿過大氣層時，碰到大氣層中的空氣分子、灰塵、水蒸氣等微粒，產生多次反射，形成天空擴散光。天空擴散光使天空具有一定的亮度，無方向、不形成陰影。c、地表面上反射光：在進行采光計算時，除地表面被白雪或白沙覆蓋的情況外，可不考慮這部分光的影響。天空中云多少用云量表示：云量劃分為0～10級，它表示天空總面積分為10份，其中被云遮住的份數，即覆蓋云彩的天空部分所張的立體角總和與整個天空立體角2π之比。晴天——云量為0～3級天。中間天空——介于晴天與陰天之間的天空類型。陰天——云量為8～10級天。CIE（國際照明委員會）標準一般天空——分為晴天空、陰天空和中間天空三大類，其中每個大類天空各包含5小類不同的天空類型，它們涵蓋了大多數實際天空。（1）晴天指天空無云或很少云（云量占整個天空面積的30%以下）的天氣。（1）晴天指天空無云或很少云（云量占整個天空面積的30%以下）的天氣。天空最亮處在太陽附近，在與太陽呈90°角處是最低值。天空漫射光照度——在太陽高度角較小時（日出、日落前后）變化快，到太陽高度角較大時變化小。太陽直射光照度——在總照度中所占比例是隨太陽高度角的增加而較快變大，陰影也隨之而更明顯。圖

晴天室外照度變化情況晴天空亮度分布是隨大氣透明度、太陽和計算點在天空中的相對位置而變化的，其規律：圖

天空亮度分布（a）無云天1）晴天空亮度分布以太陽子午圈（過太陽和天頂的經線）對稱；2）最亮處在太陽附近；3）離太陽愈遠，亮度愈低，在太陽子午圈上、與太陽成90°角達到最低。全陰天時天空全部為云所遮蓋，看不見太陽，因此室外天然光全部為漫射光，物體后面沒有陰影。這時地面照度取決于：（1）太陽高度角。（2）云狀。（3）地面反射能力。（4）大氣透明度。以上四個因素都影響室外照度，而他們本身在一天中也是變化的，必然會使室外照度隨之變化，只是其幅度沒有晴天那樣劇烈。2.陰天CIE

標準全陰天的天空亮度，則是相對穩定的，它不受太陽位置的影響，近似地按下式變化 （6-2）式中Lθ——仰角為θ方向的天空亮度，cd/cm2；

LZ——天頂亮度，cd/m2；

θ——計算天空亮度處的高度角（仰角）。全云天的天空亮度分布規律：1）天空最亮在天頂處；2）天空亮度最小在地平線附近；3）天空亮度分布與太陽位置無關。圖

天空亮度分布（b）全云天由于陰天的亮度低，亮度分布相對穩定，因而使室內照度較低，但朝向影響小，室內照度分布穩定。地面照度E地（1x）在數量上等于高度角為42°處的天空亮度L42（asb），即 （2.2-3）由式（6-2）和立體角投影定律可以導出天頂亮度LZ（cd/m2）與地面照度E地（1x）的數量關系為：數值多云天時云的數量和在天空中的位置變化無常，照度值和天空亮度分布都極不穩定，采光設計中不考慮多云天。3.多云天2）我國光氣候概況影響室外地面上總照度的主要因素：1）高度角：同一時刻，北方比南方小；2）日照率(太陽出現時數和可能出現時數之比):由北、西北往東南方向逐漸減少，以四川盆地一帶最低；3）云量：自北到南逐漸增多，新疆南部最少，華北、東北少，長江中下游較多，華南最多，四川盆地特多；4）云狀：南方以低云為主，向北方逐漸以高、中云為主；因此天然光構成：南方天空漫射光照度較大，北方和西北以太陽直射光為主。低云高云重慶市由于多云，且多為低云，故總照度中漫射光照度所占比重很大（見圖2.2-5和表2.2-1）。它表明室外天然光產生的陰影很淡，不利于形成三維物體的立體感。

圖2.2-5重慶室外地面照度實測值（a）總照度；（b）天空漫射光照度月份時間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、70.960.860.770.740.680.630.620.6260.980.840.730.660.640.600.610.59

重慶室外擴散光照度與總照度之比

表2.2-12.2.1.2光氣候分區我國西北廣闊高原地區室外年平均總照度值高達31.46klx；而四川盆地及東北北部地區則只有21.18klx，相差達50％，故標準根據室外天然光年平均總照度值大小將全國劃分為Ⅰ～Ⅴ類光氣候區。根據光氣候特點，按年平均總照度值確定分區系數，即光氣候系數

K

見表2.2-2。光氣候區ⅠⅡⅢⅣⅤK值0.850.901.001.101.20室外天然光臨界照度值（lx）60005500500045004000光氣候系數K表2.2-22.2.1.3采光系數室外照度是經常變化的，這必然使室內照度隨之而變，不可能是一固定值，因此對采光數量的要求，我國和其他許多國家都用相對值。這一相對值稱為采光系數（C），它是在全陰天天空漫射光照射下，室內給定平面上的某一點由天空漫射光所產生的照度（En）與同一時間、同一地點，在室外無遮擋水平面上由天空漫射光所產生的照度（Ew）的比值，即:

（2.2-4）

圖

在實驗室里用天穹模型確定采光系數示意圖思考題：1.如何從圖6-6查出重慶7月份室外天空漫射光照度高于4000lx的延續時間？2.從CIE標準陰天空亮度分布公式中得出哪些規律性？

復習6.1.1光氣候和采光系數主要介紹了：1.CIE標準陰天空亮度分布規律；2.我國光氣候概況、影響因數，5個光氣候分區和相應的光氣候系數；3.采光系數定義。

2.2.2窗洞口窗洞口示意圖為了獲得天然光，人們在房屋的外圍護結構（墻、屋頂）上開了各種形式的洞口，裝上各種透光材料，這些裝有透光材料的孔洞統稱為窗洞口（以前稱為采光口）。圖2.2-7側窗的幾種形式圖2.2-8不同形狀側窗的光線分布2.2.2.1側窗它是在房間的一側或兩側墻上開的窗洞口，是最常見的一種采光形式。側窗的窗臺高約1米，而窗臺高2米以上則稱為高側窗。形式：單側窗，雙側窗。優點：構造簡單、布置方便、造價低廉、光線具有明顯的方向性，有利于形成陰影觀看立體物體，通過側窗可看到外界景物，有利通風，層數不限。缺點：室內照度離窗愈遠愈小，采光均勻度不好。采光特點：1.采光量——與采光口面積和形式有關。在采光口面積相等且窗底標高相同時，正方形窗口采光量最高，豎長方形次之，橫長方形最少。2.采光均勻性1）進深方向采光均勻性——縱向照度變化劇烈，房間深處照度不足。窗位置高低影響進深方向均勻性。為克服進深照度不足的缺點，可提高窗位置（即開高側窗）等。

圖2.2-9窗的不同位置對室內采光的影響2）橫向采光均勻性——主要受窗間墻的影響，窗間墻愈寬，橫向均勻性愈差。圖6-11窗的不同位置對室內采光的影響下面我們分析側窗的尺寸、位置對室內采光的影響：1)窗上沿高度不變，用提高窗臺來減少窗面積隨著窗臺的提高，室內深處的照度變化不大，但近窗處的照度明顯下降，而且出現拐點（圓圈，它表示這里出現照度變化趨勢的改變）往內移,如圖6-12(a)所示。

圖6-12（a）窗上沿不變，窗臺的高低變化對室內采光的影響2)窗臺高度不變，窗上沿高度變化給室內采光分布的影響：這時近窗處照度變小，而且未出現拐點，但離窗遠處照度的下降逐漸明顯,如圖6-12(b)所示。圖6-12（b）窗臺不變，窗上沿的高低變化對室內采光的影響3)窗高不變，改變窗的寬度使窗面積減小隨著窗寬的減小，墻角處的暗角面積增大。從窗中軸剖面來看，窗無限長和窗寬為窗高4倍時差別不大，特別是近窗處。但當窗寬小于4倍窗高時，照度變化加劇，特別是近窗處，如圖6-13所示。圖6-13窗寬度的變化對室內采光的影響陰天時的情況，這時窗口朝向對室內采光狀況無影響。但在晴天，不僅窗洞尺寸、位置對室內采光狀況有影響，而且不同朝向的室內采光狀況大不相同（圖6-14曲線a和c）。圖6-14天空狀況對室內采光的影響a—晴天窗朝陽；b—陰天；c—晴天窗背陽雙側窗在陰天時，照度變化按中間對稱分布（圖6-15曲線b）。但在晴天時，由于兩側窗口對著亮度不同的天空，因此室內照度不是對稱變化（圖6-15曲線a），朝陽側的照度高得多。

圖6-15不同天空時雙側窗的室內照度分布a—晴天；b—陰天隨著內墻面與窗口距離的增加，內墻墻面的照度降低，并且照度分布也有改變。離窗口愈遠，照度愈低，照度最高點（圓圈）也往下移，而且照度變化趨于平緩（圖6-16）。我們還可以調整窗洞高低位置，使照度最高值處于畫面中心（圖6-17）。圖6-16距側窗不同距離內墻墻面照度變化圖6-17側窗位置對內墻墻面照度分布的影響

側窗采光只能保證有限進深的采光要求，一般不超過窗高的二倍；更深的地方宜采用電光源照明補充。圖6-19表明側窗上分別裝普通玻璃（曲線1）、擴散玻璃（曲線2）和定向折光玻璃（曲線3），在室內獲得的不同采光效果，以及達到某一采光系數的進深范圍。

圖6-19不同玻璃的采光效果為了提高房間深處的照度，在國外還采用傾斜頂棚，以接受更多的天然光，提高頂棚亮度，使之成為照射房間深處的第二光源。除將頂棚做成傾斜外，如果建筑所處地區晴天多，為了盡可能多地利用太陽光，除了沿外墻上設置室內水平反光板外，還在朝南外墻上設置室外水平反光板。

圖6-20某辦公室采光方案小區布置對室內采光也有影響。平行布置房屋，需要留足夠的間距，否則擋光嚴重(圖6-23a)。如僅從擋光影響的角度看，將一些建筑轉180°布置，這樣可減輕擋光影響(圖6-23b)。圖6-23房屋布置對室內采光影響側窗采光時，由于窗口位置低，一些外部因素對它的采光影響很大。故在一些多層建筑中，將上面幾層往里收，增加一些屋面，這些屋面可成為反射面，當屋面刷白時，對上一層室內采光量增大的效果很明顯。圖6-24特殊房屋外形的采光處理方法二、天窗(一)矩形天窗矩形天窗——實質上是安裝在屋頂上的高側窗。矩形天窗包含縱向矩形天窗、梯形天窗、橫向矩形天窗和井式天窗。1.縱向矩形天窗縱向矩形天窗是由裝在屋架上的天窗架和天窗架上的窗扇組成,窗方向垂直于屋架。通常又把縱向矩形天窗簡稱為矩形天窗。它的窗扇一般可以開啟，也可起通風作用。

優點：照度均勻，不易形成眩光，便于通風，但采光效率較低（相對于平天窗來說）。縱向矩形天窗適用范圍：采光系數平均值最高為5%，用于中等精密工作的車間，及有通風要求的車間。矩形天窗的光分布見圖6-26。由圖可見，采光系數最高值一般在跨中，最低值在柱子處。

圖6-26矩形天窗采光系數曲線天窗寬度（bmo）對于室內照度平均值和均勻度都有影響。加大天窗寬度，平均照度值增加，均勻性改善。

圖6-28天窗寬度變化對采光的影響2.梯形天窗有時為了增加室內采光量，將矩形天窗的玻璃做成傾斜的，則稱為梯形天窗。圖6-30表示矩形天窗（b）和梯形天窗（a）（玻璃傾角為60°）的比較，采用梯形天窗時，室內采光量明顯提高（提高約60%），但是均勻度卻明顯變差。由于玻璃處于傾斜面，容易積塵，污染嚴重，加上構造復雜，陽光易射入室內，故選用時應慎重。

圖6-30矩形天窗和梯形天窗采光比較

圖6-29矩形、梯形天窗窗地比和采光系數平均值的關系

3.橫向天窗——將部分屋面板放在屋架下弦，利用露出的屋架安裝窗扇采光。特點：省去了天窗架，建筑高度降低，結構簡化，節省材料，造價降低。采光效果和矩形天窗差不多。注意：不適用于跨度較小的車間；上弦坡度較大的三角形屋架不適宜作橫向天窗。

4.井式天窗——利用屋架上、下弦之間的空間，將一些屋面板放在下弦桿件上形成井口，開口處常不裝玻璃扇。適用：主要用于熱車間起通風作用，采光系數一般在1%以下。(二)鋸齒形天窗鋸齒形天窗屬單面頂部采光。特點：采光效率較高,平均采光系數可達到7%，能滿足精密工作車間的采光要求，光線具有方向性，采光均勻性比較好。圖6-34鋸齒形天窗朝向對采光的影響(三)平天窗在屋面直接開洞，鋪上透光材料。特點：結構簡單，施工方便，布置靈活，采光效率高,但污染較垂直窗嚴重。形式：采光板，采光罩，采光帶，采光頂棚。注意：1.注意直射陽光進入室內引起眩光；2.南方地區注意室內過熱；3.北方寒冷地區注意玻璃內表面在冬季由于溫度過低而產生冷凝水。圖6-38平天窗的不同做法圖6-36矩形天窗和平天窗采光效率比較圖6-37平天窗在屋面不同位置對室內采光的影響

由于防水和安裝采光罩的需要，在平天窗開口周圍都需設置一定高度的肋，稱為井壁。井壁高度和井口面積的比例影響窗洞口的采光效率。圖6-39表示平天窗窗洞口長l、寬bc（或圓形窗洞口直徑D）、高h和井壁表面光反射比對窗洞口井壁擋光折減的影響。

圖6-39平天窗開口尺度與透光系數的關系圖6-40井壁傾斜對采光的影響從圖中可看出：分散布置的平天窗所需的窗面積最小。其次為梯形天窗和鋸齒形天窗，最大為矩形天窗。但從均勻度來看，集中在一處的平天窗最差；但如將平天窗分散布置[圖6-43（b）]，則均勻度得到改善。圖6-43幾種天窗的采光效率比較思考題1.側面采光和頂部采光各有哪些類型？2.側面采光有哪些優、缺點？3.在相同條件下，為什么平天窗的采光效率比側窗高？復習6.1.2窗洞口1.窗洞口分為側窗和天窗兩大類。2.側窗和天窗采光兩者相比各有不同的優、缺點。2.2.3采光設計6.1.3采光設計要點：1.采光系數和采光質量標準值；2.采光設計5個步驟。

采光設計的任務在于根據視覺工作特點所提出的各項要求,正確地選擇窗洞口形式，確定必需的窗洞口面積，以及他們的位置，使室內獲得良好的光環境，保證視覺工作順利進行。為了在建筑采光設計中，充分利用天然光，創造良好的光環境和節約能源，就必須使采光設計符合建筑采光設計標準要求。采光設計宜采用計算機軟件進行，參見第8章。

一、采光標準

《建筑采光設計標準》（GB/T50033-2001)的主要內容：（一）采光系數標準值采光系數標準值：a.按作業精確度（識別物件的最小尺寸）確定采光等級;b.按采光方式，側窗采光（最低值），頂部采光（平均值）確定天然光照度;c.其他光氣候區之室外臨界照度為5000lx除以光氣候系數K值。（二）采光質量1.采光均勻度要求房間內照度分布應有一定的均勻度（工業建筑取距地面1m，民用建筑取距地面0.8m的假定水平面上，即在假定工作面上的采光系數的最低值與平均值之比；也可認為是室內照度最低值與室內照度平均值之比），故標準提出頂部采光時，Ⅰ～Ⅳ級采光等級的采光均勻度不宜小于0.7。

2.窗眩光側窗位置較低，對于工作視線處于水平的場所極易形成不舒適眩光，故應采取措施減小窗眩光：1）作業區應減少或避免直射陽光照射；2）不宜以明亮的窗口作為視看背景，可采用室內外遮擋設施降低窗亮度或減小對天空的視看立體角；3）宜將窗結構的內表面或窗周圍的內墻面做成淺色飾面。3.光反射比為了使室內各表面的亮度比較均勻，必須使室內各表面具有適當的光反射比。室內各表面的光反射比宜符合表6-4的規定。

表面名稱反射比頂棚0.6～0.9墻面0.3～0.8地面0.1～0.5作業面0.2～0.6室內各表面的光反射比表6-4二、采光設計步驟（一）搜集資料1.了解設計對象對采光的要求：(1)房間的工作特點及精密度；(2)工作面的位置；(3)工作對象的表面狀況；(4)工作中是否容許直射陽光進入房間；(5)工作區域。2.了解設計對象的其他要求：(1)采暖；(2)通風；(3)泄爆。3.房間平剖面尺寸及其周圍環境概況。(二）選擇窗洞口形式(三）確定窗洞口位置及可能開設窗口的面積窗地面積比Ac/Ad表6-8采光等級側面采光頂部采光側窗矩形天窗鋸齒形天窗平天窗民用建筑工業建筑民用建筑工業建筑民用建筑工業建筑民用建筑工業建筑Ⅰ1/2.51/2.51/31/31/41/41/61/6Ⅱ1/3.51/31/41/3.51/61/51/8.51/8Ⅲ1/51/41/61/4.51/81/71/111/10Ⅳ1/71/61/101/81/121/101/181/13Ⅴ1/121/101/141/111/191/151/271/23(四）估算窗洞口尺寸

根據視覺工作分級和擬采用的窗洞口形式及位置，即可從表6-8查出所需的窗地面積比。(五）布置窗洞口1.先定窗高，再定窗寬；2.定窗位置，畫出平面與剖面圖；3.驗算實際開窗面積與估算出窗洞面積差別，并修改采光設計方案。例：某車間跨度為30m（單跨），屋架下弦高度為6m，柱距6m，采光要求為II級。試進行采光設計。（1）查表知側窗要求的窗地比為1/3，地面積為6×30=180m2，則要求的側窗面積為60m2。（2）可開側窗面積=窗高×窗寬×兩側面=4.8×4.8×2=46m2（3）已解決的地面積=46×3=138m2；未解決的地面積=180-138=42m2。（4）選矩形天窗，查表知窗地比為1/3.5，則所需天窗面積=42/3.5=12m2

。（5）選用1.2m高的鋼窗，可補充14.4m2的天窗面積，即1.2×6×2=14.4m2。

經過以上五個步驟，確定了窗洞口形式、面積和位置，基本上達到初步設計的要求。由于它的面積是估算的，位置也不一定確定不變，故在進行技術設計之后，還應進行采光驗算，以便最后確定它是否滿足采光標準的各項要求。

畫廊頂部采光方案古根海姆博物館玻璃穹頂天窗采光剖面圖天窗采光平面圖天窗采光實例穹頂采光思考題1.當側窗采光不能滿足要求時，為什么在計算天窗面積時還需要算出采光的地板面積？2.在進行采光設計時已進行了窗洞口面積驗算，那么還需要采光計算驗證嗎？復習6.1.3采光設計1.在進行采光設計時，必須達到采光系數和采光均勻度、減弱窗眩光、各表面反射比等規定。2.采光設計5個步驟：搜集資料、定窗洞口形式、定開窗面積、估算采光口和布置采光口。2.2.4采光計算

6.1.4采光計算要點：1.采光計算方法；2.側面采光計算和頂部采光計算步驟。目的：驗證所做的設計是否符合采光標準中規定的各項指標。方法：a.用公式算；b.計算機程序（見第8章）；c.圖表法——利用圖表，按房間的有關數據直接查出采光系數值。一、確定采光計算中所需數據（1）尺寸和遮擋等；（2）窗洞口材料及厚度；（3）承重結構形式及材料；（4）表面污染程度；（5）室內表面反光程度。二、計算步驟及方法這種計算方法是按側窗和天窗，分別利用兩個不同的圖表，根據有關數據查出相應的采光系數值。在進行采光計算時，首先要確定無限長帶形窗洞口的采光系數；然后按實際情況考慮各種影響因素，加以修正而得到采光系數最低值（側面采光）或平均值（頂部采光）。（一）側面采光計算側窗采光計算圖表側窗采光圖例（a）單側采光；（b）對稱雙側采光；（c）非對稱雙側采光；（d）非對稱雙側采光（二）頂部采光計算天窗計算圖例（a）矩形天窗；（b）平天窗；（c）鋸齒形天窗頂部采光計算圖表

【例6-1】北京某一般的機電產品加工車間，長為102m，三個跨度均為18m，屋架下弦高8.2m，尺寸見圖6-48。室內淺色粉刷，一般污染，鋼屋架，窗的朝向為東（西）向，窗外無遮擋物，試設計需要的天窗和側窗。圖6-48【解】查建筑采光設計標準中的工業建筑的采光系數標準值得出，一般的機電加工車間屬Ⅲ級采光等級；采光系數最低值Cmin為2%（側面采光），Cav為3%（頂部采光）。北京地處Ⅲ類光氣候區，查表6-2得，光氣候系數為1.0，故上述標準值不變。1．采光設計（1）側面采光由Ⅲ級采光等級查表6-5得雙側窗的窗地比為1/4。邊跨每開間能開側窗的最大面積為（6-0.45×2）m×7.2m=36.72m2。而邊跨每開間的側窗面積約需6m×18m/4=27m2，窗高為27m2/5.1m≈5.3m。現設窗高分別為2.4m和3.6m，側窗布置如圖。按工藝要求，計算點選在距跨端3.5m處P1點。（2）頂部采光。中間一跨采用矩形天窗采光，由Ⅲ級采光等級查表6-5得矩形天窗的窗地比為1/4.5。中間一跨需天窗面積為6m×18m/4.5=24m2，天窗的窗高為24m2/6m/2=2m，現取天窗的窗高為2.1m，天窗布置見圖6-48。2．采光計算（1）側面采光：B=18-3.5=14.5m，l=102m，b=18m，

l＞4bI窗：1）分別求窗上、下沿對應的C’d上沿：hs=7.2m,B/hs=14.5/7.2≈2.01，查圖6-44得C’d=3.40%下沿：hs=4.8m,B/hs=14.5/4.8≈3.02，查圖6-44得C’d

=1.45%2）求Kc：由式（6-8）得Kc=5.1/6.0=0.85

3）分別求Kr（a）設各表面的光反射比：頂棚rp=0.7，墻面rq=0.5，地面rd=0.2，窗口（單層玻璃）rc=0.15。（b）室內平均光反射比：（c）由B/hc為2.01和3.02分別查表6-6雙側采光對應值，再由內插法算得：K’r1≈1.48，K’r2≈1.824）求Kτ:單層普通玻璃，查表3-3，取τ=0.80；采用單層鋼窗，查表6-7得τc=0.80；垂直窗，一般污染，查表6-8得τw=0.75。則由式（6-10）算得：

=0.80×0.80×0.75=0.485）定Kw：因室外無遮擋，故取Kw=1。6）查Kf：北京地處Ⅲ類光氣候區，北緯約40°，垂直窗朝向為東（西）向，查表6-10得晴天方向系數Kf