整理建筑照明11.docx

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整理建筑照明11

第八章工厂照明

本章提要：

照明（illumination）是人类文明的象征。

良好的照明是保证安全生产、提高劳动效率、保护视看者视力健康、创造舒适环境的必要条件。

为了获得良好的照明必需有合理的照明设计，合理的照明设计应符合适用、安全、保护视力和经济的要求。

本章着重介绍照明光源（lightsource）和灯具（lampsandlanterns）的性能及选择，灯具布置，照度（illuminance）计算以及照明设计方法。

§8-1工厂照明概述

一、光（ray）

光（ray）是我们生活、工作和学习必不可少的，它是一种电磁辐射（eiectromagneticradiation）。

光波（lightwave）在整个电磁波谱中只占据很小的部分（见图8-1）．光波的波长区间从几个纳米（nm）（1nm=10-9m）到1毫米（mm）左右．这些光并不是都能看得见，人眼所能看见的只是其中一部分，我们将这一部分光称为可见光（visiblelight），它的波长在380nm~780nm之间，在可见光中，波长最短的（约380nm~435nm）是紫光，波长最长的（约630nm~780nm）是红光。

在不可见光中，波长比紫光短的部分称为紫外线（ultravioletray），比红光长的叫做红外线（infraredray）。

二、光的度量

对光的度量可分辐射度量和光度量，其区别在于是否考虑人的视觉效果。

前者是不考虑人的视觉效果的、纯客观的物理量，而后者是我们在照明工程中经常使用的物理量。

1．光通量（luminousflux）

某物体在单位时间内发射或接收的辐射能量称为辐射通量，或称辐射功率P，单位瓦（W）。

光源是向周围空间辐射能量的，而使人眼产生光感的辐射通量，称为光通量，用符号Φ表示，单位为流明（lm）。

光通量与光源的辐射功率的强弱有关，它是说明光源发光能力的基本物理量，某些特定光源的光通量列于表8-1中。

图8-2立体角和光强

表8-1常用光源的光通量

光源种类

光通量/lm

荧光灯（40W）

2400

荧光灯（100W）

5500

白炽灯（40W）

350

卤钨灯（500W）

10500

国际单位制流明的定义是：

当光源以555nm的波长的单色光辐射，且辐射功率为

W时，称为一个流明。

只含有单一波长的光称为单色光。

大多数光源都含有多种波长的单色光，称为多色光。

多色光光源的光通量为它所含的各单色光的光通量之和。

可见光波长范围内辐射强度相等的各单色光混合在一起，就是白光。

2．发光强度（光强）

当光源裸露时，光线向四周空间均匀辐射，各方向光通量相等。

而对其外加一不透明的灯罩时，致使光源发出的光通量在各不同方向上的数值发生变化。

一般光源总是要加灯罩的，因此，引入光强描述光源在某一方向上发光的强弱程度。

如图8-2所示，假定光源为点光源，以光源为球心O、做一半径为r的球面。

截得一面积为dA的锥面，该锥面包围的空间角度称为立体角dΩ，单位为球面度（Sr）。

立体角定义为：

（8-1）

若光源在空间某一特定方向上单位立体角内发出的光通量为

，称为光源在这一方向上的发光强度（简称光强），用符号I表示，单位为坎德拉（cd）。

（8-2）

式中：

Φ是光通量（lm）；Ω是立体角（Sr）。

由式可见，光强是光通量的立体角密度。

对于向各个方向发射光通量的均匀发光体，它在各个方向上发光强度是相等的，此时，式（8-2）可写作I=Φ/Ω，如发光圆球I=Φ/4π，发光圆盘I=Φ/π，发光圆柱体I=Φ/π2，发光半圆球I=Φ/2π等。

例8-1100W普通白炽灯辐射光通量为1250lm，假设光源向四周辐射的光通量是均匀的，求光源某方向上的光强。

解：

根据题意，光源向四周辐射的光通量是均匀的，因此在任一方向上的光强也是相等的，故可以光源为球心，作一半径为r的球面，球面积4πr2，其立体角为

Sr

故各方向光强为

cd=99.5cd

图8-3计算用某灯具配光曲线图

图

大部分光源裸露时在空间的光强分布是旋转对称的，然而加灯罩（lampshade）后将会改变光强分布。

如对白炽灯加不透明的灯罩后，其正下方的光强由原来的30cd增加到73cd，而其正上方的光强由于灯罩的遮挡由30cd降低为0cd。

此时可用曲线表示光源或灯具的光强在空间各方向的分布状态，该曲线称光强分布曲线（又称配光特性曲线）。

根据配光特性曲线，可以方便地求出光源或灯具在某一方向上的光强值。

为了便于对各种照明灯具的光分布特性进行比较，统一规定以光通量为1000lm的假想光源来提供光强分布数据。

因此，实际光强应当是测光资料提供的光强值乘以光源实际光通量与1000lm之比。

如果灯具的光通量5000lm，那么光强数值就要扩大5倍。

如图8-3所示，若查得配光曲线在光源正下方光强数值为420cd，则实际光强数值为420×5cd=2100cd。

3．照度（illuminance）

（1）照度概念

光通量和光强通常用来表征光源发射的光

图8-4照度

通量的强弱，而照度用来表示被照面单位上面积上接受的光通量的强弱，用符号E表示，单位勒克斯（lx）。

例如图8-4，设被照面上有一点P，取该面上P周围的一足够小的面元dA，若面元dA接受的光通量为dΦ，则P处的照度为

（8-3）

式中：

Φ为光通量（lm）；A为面积（m2）；E为照度（lx）。

照明设计中，必须满足国家标准规定的最低照度值.通过表8-2，可以加深我们对照度的认识。

表8-2一些实际情况下的光照度值

情况

照度值/lx

无月之夜的地面上的光照度

满月之夜的地面上的光照度

工作场地必须的光照度

晴朗的夏日在采光良好的室内的光照度

晴天室外太阳散射光（非直射）下的地面照度

中午太阳光照射下的地面照度

0．002

0.2

20~100

100~500

1000

100000

例9-2100W普通白炽灯辐射光通量为1250lm，假设光源向四周辐射的光通量是均匀的，求灯下2m处的照度值。

解：

仍以点光源为球心作半径为2m的球面，球面内侧接收的光通量也是均匀的，故球面内侧的照度为

lx=24.9lx

（2）光强与照度的关系

光源光强已知，它在任意方向某平面上形成的照度可由以下两定律决定。

1）距离平方反比定律

当光源的直径小于它至被照面距离的1／5时，则可把该光源视为点光源。

设有点光源位于半径为r的球心，该光源向各方向均匀发光，光强为I总光通量为Φ=4πI，则球的内表面各点的照度E为

（8-4）

即照度与点光源的光强成正比，与距离平方成反比。

这就是所谓距离平方反比定律。

在图8-5（a）指出这个定律还可推广到与点光源L距离为r的垂直面上的点P的照度计算中。

2）入射角余弦定律

如图8-5（b）所示，有一面积为A的平面A1，接受与平面成垂直方向射来的光通量为Φ，则该平面的照度

（8-5）

今假定将此平面倾斜一个角度θ得面A2，于是射入该平面的光通量将变成Φcosθ，因此该平面上的照度应为：

（8-6）

即任意平面的照度，与光线入射角（入射光的方向与平面法线之间的夹角）的余弦成正比。

这就是所谓入射角余弦定律。

（a）距离平方反比定律（b）入射角余弦定律

图8-5光强与照度的关系

利用上述两个定律，可以确定任意方向光强

在平面A上点P的照度。

如图8-6所示，点光源L，与

垂直的平面An距光源距离r，根据距离平方反比定律，An平面上点P的照度

图8-6任意方向光强产生的照度

（8-7）

A平面上点P的照度

（8-8）

式（8-8）表明，被照面的照度与光源在这个方向上的光强

和入射角θ的余弦成正比；与它到光源的距离r的平方成反比。

该式包括了前述两个定律，其中

是入射角为θ时射入平面A的光强。

例8-3照明灯具安装在水平方向距机床2m并高出机床3m处，已知光源在机床方向的光强，

=190cd，求机床水平表面的照度。

解：

光源到被照点的距离为

m=3.6m

光线入射角的余弦

机床水平表面的照度为

lx=12.2lx

4．亮度（brightness）

图8-7表面亮度

如在同一光源下，观察处于同一位置的黑色和白色两个物体，就会发现白色物体要亮得多。

然而照度只表示被照面接受的光强的强弱，并不表示被照面的明暗程度，因此还需引入光亮度描述。

发光体在视线方向单位投影面积上的发光强度，称为该发光体的表面亮度，用符号L表示，单位勒克斯（lx）。

亮度的定义对于光源和被照物体是同等适用的。

表8-3是一些实际光源的亮度值。

如图8-7所示，以发光面上的一点P作为研究对象，并在该面上取一包含P的面元dA。

观察者从与面元dA法线夹角为θ的方向观察该发光面，感受到的光强为

。

点P在指向观察者方向上的亮度

就是

表8-3一些实际光源的光亮度近似值

光源

光亮度近似值/（cd/m2）

无月之夜空

地球上所看到的满月的表面

煤油灯的火焰

钨丝白炽灯

超高压汞灯

在地面上看到太阳

10-4

2.5×103

1.5×104

5×106~15×106

12×108

15×108

（8-9）

式中：

为某方向上亮度（cd/m2）；A为被视物体沿某一视线方向或给定方向的投影发光或反光面积（m2）；

为在某一视线方向或给定方向的发光强度（cd）。

例8-4100W白炽灯均匀发射1250lm的光通量，若外加透光率60%、直径250mm的乳白玻璃灯罩，求球形乳白玻璃灯罩的亮度。

解：

乳白玻璃灯罩光通量

Φ=1250×60%lm=750lm

光强

cd=59.7cd

灯罩均匀发光，在各方向上光强相等；从任一角度观察球形灯罩，面积均为球体的表面积

m2=0.0491m2

亮度

cd/m2=1216cd/m2

5．光的反射和透射

光线在传播过程中遇到介质时，会发生反射、透射与吸收现象。

反射光的强弱与分布型式取决于材料表面的性质，也同光的入射方向有关。

玻璃、晶体、某些塑料、纺织品、水等都是透光材料，能透过大部分入射光。

材料的透光性能不仅取决于它的分子结构，还同它的厚度有关。

各种材料的反光和透光能力对照明设计是很重要的，从照明设计考虑，反射比和透射比高的材料才有实用价值。

表8-4列出照明工程常用材料的反射比ρ和透射比τ值。

材料名称

颜色

厚度（mm）

ρ

τ

普通玻璃

无

3

0．08

0．82

普通玻璃

无

5~6

0．08

0．78

磨砂玻璃

无

3~6

-

0．55~0．6

乳白玻璃

白

1

-

0．60

有机玻璃

无

2~6

-

0．85

聚苯乙烯板

无

3

-

0．78

表8-4照明工程常用材料的ρ和τ值

当入射光通量为

，反射光通量为

，透射光通量为

时，定义

反射比

（8-10）

透射比

（8-11）

第二节良好视看条件的建立

一般生活和工作环境，需要稳定柔和的灯光，在照明设计中，设计者应全面考虑和恰当处理下列各项照明质量的指标：

一、合理的照度

照度是决定视觉条件的间接指标，由于明亮程度要受反射光的影响，原则上应规定合适的亮度。

但因照度计算较容易，因此常将照度水平作为衡量照明质量的最基本的技术指标之一。

选择照度标准时应考虑下列几个因素：

（1）需要区别物品的尺寸愈小，即工作愈精密，工作表面的照度标准应愈高。

从表8-1可以看出，金属机械加工车间中精密加工要求混合照明不低于1000lx，而一般加工为500lx，冲压剪切车间为300lx。

（2）背景和工件亮度之差与背景亮度之比比值愈大，视看条件就愈好，因而可以在较小的照度下，进行视力区别工作。

白纸上写黑字比白纸上写黄字要易看得多。

通常工件和背景都暗或者工件和背景都亮，比值就小，所需照度高。

工件亮背景暗或工件暗背景亮则比值就大，所需照度就低。

（3）我国的照度标准偏低，在使用高光效、显色差的光源时，照度宜高些。

在年岁大的人数较多的场合照度也宜高些。

场所名称

单独一般照明

工作面上的最低照度

工作面离

地高度m

场所名称

单独一般照明

工作面上的最低照度

工作面离

地高度m

高低压配电室

变压器室

一般控制室

主控制室

实验室

设计室

30

20

75

150

100

100

0

0

0.8.

0.8

0.8.

0.8

工具室

阅览室

办公室，会议室

宿舍，食堂

主要道路

次要道路

30

75

50

30

0.5

0.5

0.8.

0.8

0.8.

0.8

0

0

表8-5部分生产车间和生活场所的最低照度参考值

车间名称及

工作内容

工作面上的最低照度

混合照明

混合照明中

的一般照明

单独使用

一般照明

机械加工车间

一般加工

精密加工

500

1000

30

75

—

—

机电装配车间

大件装配

精密小件装配

500

1000

50

75

—

—

焊接车间

弧焊，接触焊

一般划线

—

—

—

—

50

75

车间名称及

工作内容

工作面上的最低照度

混合照明

混合照明中

的一般照明

单独使用

一般照明

铸工车间

熔化，浇铸

造型

—

—

—

—

30

50

木工车间机床区

300

30

—

冲压剪切车间

300

30

—

机修车间

一般

精密

300

500

30

50

—

—

1、部分生产车间工作面上的最低照度值单位：

lx

2、部分生产和生活场所的最低照度值单位：

lx

在照明设计时，应考虑光源的光通衰减，灯具积尘和房间表面污染引起的照度降低的程度，将依据上表确定的照度值除以表8-6中的维护系数，以适当地增加光源的功率，来保证照明器在整个使用期间的照度标准。

表8-6民用建筑照度维护系数

污染特征

工作房间或场所

维护系数

清洁

住宅卧室、办公室、餐厅、实验室、绘图室等

0．75

一般

商店营业厅、候车候船室、影剧院、观众厅等

0．70

严重污染

厨房

0．60

二、照度的均匀性

在室内环境中，如果照度不均匀，容易引起人的视觉疲劳。

为了减轻这种疲劳，室内照度的分布应具有一定的均匀度。

照明平均均匀度定义为工作面上的最低照度Emin和平均照度Eav之比。

照明最低均匀度定义为工作面上的最低照度Emin和Emax之比。

我国民用建筑照明设计标准规定，办公室、阅览室等工作房间一般照明的照明平均均匀度不应小于0．7，最低照明平均均匀度不应小于0．3。

为了获得满意的照明均匀度，还要求灯具的布置间距不应大于所选灯具的最大允许距高比。

距高比为相邻灯具之间的距离L与灯具到工作面的距离h之比，用λ表示：

（8-12）

三、适宜的亮度分布

照明环境不但应使人能清楚地观看事物，而且要给人以舒适的感觉。

在室内环境中，如果有彼此亮度差别过大的情况时，也易引起视觉疲劳。

要创造一个良好的使人感到舒适的照明环境，就需要亮度分布合理和室内各个面的反射率选择适当，照度的分配也应与之相配合。

因此，视野内适宜的亮度分布是视觉舒适的重要条件。

室内各表面亮度比推荐值和室内反射系数和照度分配推荐相对值如表8-7和表8-8。

表8-7室内各表面亮度比推荐值

室内表面

推荐值

室内表面

推荐值

观察对象与工作面之间（如书与桌子之间）

3：

13：

1

光源（灯具）与背景（环境）之间

20：

1

观察对象与周围环境之间（如书物与墙壁之间）

10：

1

视野内最大的亮度差

40：

1

在设计工作中，通常用照度对比和墙面、顶棚、地板的反射比作为设计应达到的亮度分布要求。

表8-8室内反射系数和照度分配推荐相对值

室内表面

反射系数

照度相对值

天棚

最小0.6

0.3~0.6

墙壁

0.3~0.8

0.5~0.8

地板

0.2~0.4

1

工作面

-

1

四、限制眩光

1．眩光（sunlight）

视觉场中有极强高的亮度或强烈的亮度变化时，会造成的视觉不适或视力减低的现象。

称为眩光。

眩光分直射眩光和反射眩光两种。

由高亮度光源的光线直接进入人眼内所引起的眩光称为直接眩光。

光源通过桌面、显示屏等光泽表面反射进入人眼引起的眩光称为反射眩光。

2．眩光的抑制

图8-8光源位置对眩光的影响

直接眩光的强弱与以下因素有关：

（1）与背景亮度大小有关。

周围暗，则眼睛的适应亮度很低，不大的光源亮度即可引起眩光。

例如黑夜看对面的汽车灯亮就感到刺眼，而白天在强烈阳光下看对面的汽车灯亮就不那么刺眼。

（2）与光源的亮度有关。

当背景亮度一定时，视野内光源亮度大，眩光作用就强。

光源亮度超过16cd/m2时，任何背景都会产生眩光。

亮度小于0．6cd/m2时，即使在黑暗背景下也不会产生眩光。

（3）光源越靠近视线眩光作用越强。

光源在视野中的位置对眩光的影响如图8-8所示。

当人们的视线在水平方向时，灯泡应悬挂在观察者上方30°以上的高度，或用灯具的保护角限制直射眩光。

灯具的保护角γ是光源的发光体与灯具出口下缘的连线和水平线之间的夹角。

如图8-9所示。

（4）光源的表观面积越大，或光源数越多，则眩光作用越显著。

例如，同样亮度的光源，离人眼越近，眩光也越强。

可采用以下几种抑制直射眩光办法：

（1）限制光源的亮度或降低灯具的表面亮度。

可采用磨砂玻璃或乳白玻璃的光源或灯具。

（2）采用保护角较大的灯具。

图8-9灯具的保护角

（3）正确选择灯具型式。

合理布置灯具位置和选择最佳的灯具悬挂高度。

灯具的悬挂高度增加，眩光作用就减小。

产生反射眩光的原因，主要是由于室内环境亮度对比过大以及光源通过光泽表面反射造成。

可以通过适当提高环境亮度，减小亮度对比，以及视觉作业和工作房间内采用无光泽的材料作为表面，或令视觉作业处于照明光源和眼睛形成的镜面反射角外来加以解决。

五、光源的显色性和色温

现代人工光源的种类很多，其光谱特性各不相同，因而同一物品在不同光源的照射下将显现出不同的颜色。

光源除了要求发光效率高之外，还要求它具有良好的颜色。

光源的颜色有两方面的意思，一方面是人眼观看光源所发出光的颜色，称为光源的色表；另一方面是光源照到物体上所显现出来的颜色，称为光源的显色性。

我们都有这样的经验，在夜晚的街道上漫步时，会发现同伴的脸色发青，这说明路灯显色性不好；而从远处看路灯发出的光又亮又白，说明它的色表好。

路灯常用高压汞灯，它的光效较高。

由于人们非常习惯于在日光照射下来分辨颜色，所以在显色性比较中，以日光或接近日光光谱的人工光源作为标准光源，其显色性最好，以显色指数Ra=100表示，其它光源的显色指数都小于100这个标准。

与标准光谱越接近的光源，其显色指数就越高。

常用光源的显色指数及其使用范围见表8-9。

从视觉心理分析，在相同照度下显色性好的光源比显色性差的光源在感觉上要明亮。

采用显色指数较低的光源照明时，则应适当提高照度。

表8-9光源的显色指数及其适用范围

显色分组

显色指数

光源示例

适用范围示例

Ⅰ

Ra≥85

白炽灯、卤钨灯、稀土节能荧光灯、

三基色荧光灯、高显色高压钠灯

美术展厅、化装室、客厅、餐厅、多功能厅、高级商店营业厅

Ⅱ

70≤Ra<85

荧光灯、金属卤化物灯

教室、办公室、会议室、阅览室、候车室、自选商店等、

Ⅲ

70≤Ra<85

荧光高压汞灯

行李房、库房等

Ⅳ

Ra<70

高压纳灯

颜色要求不高的库房、道路照明等

光色对人有一定的心理和生理作用。

红、橙、黄色令人兴奋，振作精神；蓝色使人沉静，有利于消除紧张情绪。

不同的工作环境和场所，要求不同的光色，合适的光色是采用具有合适光谱的光源照明，或采用几种光谱的光源混合照明而获得的。

常用光源的色调比较见表8-10。

欲要获得较好的光色，需注意下列几点：

（1）采用显色指数高的光源，在需要正确辨色的场所（如绘画、织布间、彩印间、商店、医院、餐厅、化验等）宜采用显色指数较高的光源。

（2）注意光谱选择当需要观察快速运动对象时，要采用单色光如黄绿色光。

在需要熄灯后较快地适应黑暗的场所宜采用红色光。

（3）混光照明荧光高压汞灯的光效高、寿命长，但光色差，为改善光色，可用白炽灯或高压钠灯等与其混光，以改善光色，汞钠混光灯具已有工厂生产，并为不少设计者所选用，效果较好。

表8-10常用光源的色调比较

光源

色调

光源

色调

白炽灯、卤钨灯

日光色荧光灯

高压钠灯

偏红色光

与太阳光相似的白色光

金黄色光、红色成分偏多、蓝色成分不足

荧光高压汞灯

金属卤化物灯

氙灯

淡蓝-蓝色光，缺乏红色成分

接近于日光的白色光

非常接近于日光的白色光

光源发光颜色的定量表达称色温。

色温的定义是：

热辐射光源发光的颜色，与黑体（能吸收全部光辐射而不反射，不透光的理想物体）在某一温度下辐射的光的颜色相同时（对于气体放电光源为相似时），这个加热温度称为该热辐射光源的色温（对于气体放电光源称为相关色温），用Tc表示。

色温所用的温度单位是热力学温度单位开尔文（K）。

光色越偏兰，色温越高；越偏红，则色温越低。

表8-11列出一些光源的色温及其适用场合。

表8-11光源的色温（或相关色温）及其适用场合

分类号

色温（或相关色温）/K

颜色特征

适用场合

Ⅰ

Ⅱ

Ⅲ

<3300

3300~5300

>5300

暖

中间

冷

居室、餐厅、酒吧、陈列室等

教室、会议室、办公室、阅览室等

设计室、计算机房

六、照明的稳定性

照明的不稳定性主要由于光源光通量的变化所致。

影响照明的稳定是多方面的，主要由于电源电压的波动引起的。

为了保证照明的稳定性，当电压波动频率大于每小时10次时，规定允许的电压波动为不大于5％。

如电源电压的波动超过允许范围时，应将照明供电电源与电力负荷的供电线路分开设计，也可考虑采用稳压措施。

另外，由交流电源供电的气体放电光源（如荧光灯），其光通量是随交流电的频率周期性变化的，会令人眼产生明显的闪烁感。

例如当快速转动的物体的频率是灯光明暗变化频率的整倍数时，实际转动的物体就会观察为静止不动的，这种现象就是所谓的频闪效应。

频闪效应会使人产生错觉甚至会引发事故，因此，气体放电光源不宜用作有快速转动和快速移动物体的场所的照明光源。

如使用气体放电光源时，应采取措施，降低频闪。

降低气体放电光源频闪效应的办法是采用三相电源分别对三灯管的荧光灯供电，使三灯管电流不会同时过零。

对单相供电的双管荧光灯可采用移相法供电，在其中一只灯管回路串联电容分相器，使两只灯管的电流不会同时过零。

或用高频电源对气体放电供电。

这样做可有效地降低频闪效应。

七、阴影（shadow）

在视觉环境中往往由于光源的位置不当造成不合适的投光方向，从而产生阴影。

可通过改变光源的位置，增加光源的数量来消除。

如手术室广泛使用的无影灯。

有时又可利用阴影创造某种艺术气氛。

八、节能（cutdownenergy）

“绿色照明”（GreenLights），这一概念最早由美国国家环保局（EPA