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天然采光设计是以太阳为光源的建筑环境采光设计。天然光不仅照亮环境,使我们看清并认知周围的环境,获得 80 %人类赖以生存的环境信息,而且日光的昼夜更迭,明暗变化,支配着人体的生物钟,控制着生活起居周期和生命节律。阳光还制造维生素和诸多营养物,使人们保持身心健康.而且,人眼在天然光条件下比在人工光下具有更高的视觉功效因此,搞好天然光环境设计,具有十分重要的意义。它有利于节约能源,保护环境,并可为建筑环境增“光”添“彩”。
一、天然采光基本知识
天然光特性(又称光气候特征)
1.天然光的组成和影响因素
天然光源可分为直射日光和天空光两类:
(1)直射日光:太阳光穿过大气层,射到地面,称为直射日光。由于地球与太阳相距很远,可认为直射日光是平行射到地面的。直射日光照度大,具有方向性,会在被照物体后形成阴影;
(2)天空光:又称天空扩散光,是部分阳光经过大气层上空气分子、灰尘、水蒸气微粒等多次反射,在天空形成的具有一定亮度的天然光源。天空光照度较低,无一定方向,不能形成阴影;
(3)地面反射光:直射日光和天空光经地面反射及地面和天空之间多次反射,使地面照度和天空亮度有所增加,这部分光源称地面反射光。一般在采光设计时,可不考虑地面反射光的影响;
(4)光气候:指由直射日光、天空光和地面反射光形成的天然光平均状况;
(5)晴天:云量占天空30%以下的无云或少云天气。晴天地面照度由直射日光和天空光叠加形成。直射日光占90%,天空光占10%。天空最亮处在太阳附近,太阳亮度达20万熙提(sb) (1熙提=104cd/m2),天空亮度一般为0.2~2.0熙提。离太阳越远,亮度越低,最低值在与太阳呈90o角处。因此,建筑物朝向对采光影响很大。朝阳房间面对太阳所处的半边天空亮度较高,室内照度也较大;
(6)全云天(阴天):天空全部为云所遮盖的天气。这时,无直射日光,只有天空扩散光。
全云天天空的亮度分布,可按式(2-25)计算:
式中 Lz——天顶亮度,cd/m2,它是接近地平线处天空亮度的3倍;
Lo——仰角为θ的天空亮度,cd/m2;
θ——计算天空亮度处的高度角(仰角)。
国际采光协会命名这样的天空为CIE全阴天空。采光设计与计算都假定天空为全阴天空。
在全阴天空下,地平面的照度Ew用下式计算:
式中 Ew——地面照度,lx;
Lz——天空亮度,cd/m2。
2.影响天然光的因素
影响天然光的因素有:太阳高度角、云量、云状、日照率、地理纬度以及海拔高度等。