照明系统设计教案正本.docx
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照明系统设计教案正本
曲阜师范大学杏坛学院
教案
2009-2010学年第2学期
课程名称：
照明系统设计
学院、专业、年级：
08级艺术设计（1、2）班
任课教师：
**********************
教师所在单位：
曲阜师范大学杏坛学院人文学院
课程及教材简介
照明系统设计是环境艺术设计课程中的重要组成部分，照明系统设计结合建筑学、电学、光学、美学、色彩心理学、人类工效学等相关学科，从光学的基本知识、电光源的选择、照明灯具、照度计算及装饰与艺术照明、室内照明设计、照明工程、照明供电与电气照明设计、绿色照明技术等角度全面、系统的阐述了照明设计与工程的相关理论与实践，反映了照明工程得最新研究成果，颇具新颖性和实用性。
总课时数：
56节×2个班
授课内容共十章：
第一章概论
第二章照明光源与环境
第三章照明灯具
第四章室内照明设计基础
第五章照明计算
第六章装饰与艺术照明
第七章室内灯光环境设计
第八章应急照明
第九章照明供电与电气照明设计举例
第十章绿色照明设计
授课时间2010年4月27日-----2010年5月21日（08艺术设计1班）第一次课
2010年4月25日-----2010年6月18日（08艺术设计1班）
授课章节
第一章概论光学的基本知识
任课教师
及职称
王丹
教学方法
与手段
方法：
讲授法、谈话法、讨论法、演示法、案例教学法等。
手段：
常规或现代（实物、案例素材文件等）。
教学目的与要求：
掌握光学的基本知识，能理解光的量度，了解光的反射透射，为以后章节的学习做铺垫
教学
重点：
光的基本特性，反射和透射
难点：
光用量、强度、亮度
课时分配计划：
前10分钟自我介绍，35分钟介绍全文，130分钟讲授课文，5分钟布置作业
布置作业：
课后习题1、2
下次课预习要点：
第一章概论光源颜色、灯光环境的基本要素
光源的显色性、照度水平、光色
实施情况及课后教学效果分析
教学内容与过程：
1、什么是光，光是指辐射能的一部分，即具有刺激视觉器官特性的辐射能。
从物理学的观点说，光是电磁波谱的一部分，波长范围在380~780nm（纳米）之间，这个范围在视觉上可能稍有些差异。
任何物体发射或反射足够数量合适波长的辐射能，作用于人眼睛的感受器官，就可看见该物体。
一般辐射能波谱的范围，可见光谱辐射能的波长在380x10-9~10-9m（即380~780nm）之间，仅是辐射能中很小的一部分。
在1666年，牛顿使一束自然光线通过棱镜，从而发现光束中包含组成彩虹的全部颜色。
可见光谱的颜实际上是连续光谱混合而成的。
波长从380nm向780nm增加时，光的颜色从紫色开始，按蓝、绿、橙、红的顺序逐渐变化。
如下图：
2、光通量
光源在单位时间内向周围空间辐射出去的并能使人眼产生光感的能量，称为光通量。
单位为流明（lm）。
光通量=光效X功率
3、发光强度（光强）
光源在空间某一方向上单位立体角内发射的光通量与该立方体角的比值，称为光源在这一方向上发光强度，简称光强，单位为坎德拉（ cd）。
4、照度
照度是用来说明被照面（工作面）上被照射的程度，通常用其单位面积内所接受的光通量来表示，单位为勒克斯（lx）或流明每平方米（lm/m2）。
5、亮度
亮度也是用来表示物体表面发光（或反光）强弱
的物理量，被视物体发光面在视线方向上的发光强
度与发光面在垂直于该方向上的投影面积的比值，
称为发光面的表面亮度，单位为坎德拉每平方米
（cd/m2）。
教学内容与过程：
6、光的反射：
光在两种物质分界面上改变传播方向又返回原来物质中的现象，叫做光的反射。
理解光的反射定律：
1在反射现象中，反射光线，入射光线和法线都在同一个平面内
2反射光线，入射光线分居法线两侧
3反射角等于入射角
可归纳为：
“三线共面，两线分居，两角相等”
相对论：
1.法线是反射光线与入射光线的角平分线。
2.入射光线与反射面的夹角和入射角的和为90°
3.在光的反射现象中，光路具有可逆性。
4.光路是可逆的
根据光的反射定律作光路图：
具体作法：
先找出入射点，过入射点作垂直于界面的法线，则反射光线与入射光线的夹角的角平分线即为法线。
若是确定某一条入射光线所对应的反射光线，则由入射光线、法线确定入射角的大小及反射光线所在的平面，再根据光的反射定律中反射光线位于法线的另一侧，反射角等于入射角的特点，确定反射光线。
镜面反射与漫反射：
镜面反射：
平行光线射到光滑表面上时反射光线也是平行的，这种反射叫做镜面反射。
漫反射：
平行光线射到凹凸不平的表面上，反射光线射向各个方向，这种反射叫做漫反射。
7、透射光：
透射光是入射光经过折射穿过物体后的出射的光。
被透射的物体为透明体或半透明体，如玻璃，滤色片等。
若透明体是无色的，除少数光被反射外，大多数光均透过物体。
为了表示透明体透过光的程度，通常用入射光通量与透过后的光通量之比τ来表征物体的透光性质，τ称为光透射率
光从一种透明均匀物质斜射到另一种透明物质中时，传播方向发生改变的现象叫做光的折射
光的折射，不如说你把筷子放进有水的玻璃杯里面，从外面看筷子歪了，这就是折射
第二次课
授课章节
第一章概论光源颜色、灯光环境的基本要素
任课教师
及职称
王丹
教学方法
与手段
方法：
讲授法、谈话法、讨论法、演示法、案例教学法等。
手段：
常规或现代（实物、案例素材文件等）。
教学目的与要求：
重点掌握光源颜色，了解物体色，培养学生对光学学习的兴趣，熟练应用灯光环境的基本因素，为下章学习打写坚实的基础。
教学重点：
光源的的显色性，光源色表，照度水平，亮度比
教学难点：
显色性，灯光造型
课时分配计划：
前20分钟复习上节课内容，5分钟导入新课，130分钟讲授课文，20分钟讨论本节所学内容，5分钟布置作业
布置作业：
课后习题3、4
下次课预习要点：
电光源的种类、特性、选择光源的基本原则以及质量控制
实施情况及课后教学效果分析：
教学内容与过程：
1、色温
将一标准黑体加热（如白炽灯中的钨丝），随着温度升高黑体的颜色开始沿着深红-浅红-橙-黄-白-蓝逐渐改变，当某光源发出的光的颜色与标准黑体处于某温度的颜色相同时，我们将黑体当时的绝对温度称为光源的色温，以绝对温度K来表示。
基本色表:
早霞3000k黄昏4000k
正午5500k-5600k其它白天时段4800k（晴天时）
阴天6500k左右白天正午的阴影和月夜6700k左右
白色路灯下偏紫色色温白炽灯土黄色
聚光灯3200k烛光1850k
新闻灯3200k三基色日光灯3200k
商场日光灯4500k
2、 显色性
光源对物体本身颜色呈现的程度称为显色性，也就是颜色逼真的程度，显色性高的光源对颜色表现较好，我们所见到的颜色也就接近自然色，显色性低的光源对颜色再现较差，我们所见到的颜色偏差也较大，用显色指数（Ra）表示。
国际照明委员会CIE把太阳的显色指数定为100，各类光源的显色指数各有相同，
如：
高压钠灯的显色指数为Ra=23，荧光灯管显色指数Ra=60-90。
显色指数越接近100，显色性就越好。
如下图：
不同显色指数下的物体所呈现出来的效果:
3、颜色显色性和照度
光源的显色指数与照度一起决定环境的视觉清晰度。
研究表明，在照度和显色指数之间存在一种平衡关系：
用显色指数Ra>90的灯照明办公室，就其外观的满意程度来说，要比用显色指数低的灯（Ra<60）照明的办公室效果好，照度值可降低25%以上。
应该尽可能选用有最佳显
4、物体色：
是眼睛看到的物体的颜色,是物体在不同光源下呈现的不同色彩.光的作用与物体的特性是构成物体色的两个不可或缺的条件。
5、照度水平
（1）照度：
台面上某点照度为入射到该表面（包含这点的面元）上的光通量与面元面积之商。
（2）视觉环境：
视野中，除视觉作业以外的所有部分。
（3）照度水平：
指视觉功效、视觉满意度、技术经济性和能源的有效利用。
（4）视觉功效：
人们借助视觉器官完成作业的效能。
通常用工作的速度和精度来表示，它取决于作业固有的特性（大小，形状、作业细节与背景的对比等），又与照明条件有关。
增加作业照度（或亮度），视觉功效随之提高，但达到一定的照度水平后，其改善就不明显了。
色指数和发光效率高的光源采用适当的照度，以便以最小的能量费用获得良好的视觉外观效果。
教学内容与过程：
（5）视觉满意度：
指照明创造舒适和愉悦的视觉满意程度。
对于非工作区（交通区和休息空间）不能用视觉功效米确定照度水平，虽然受到光环境和个人爱好的制约，在确定其照度范围时，各种工作和生活环境仍是必须考虑的因素。
（6）技术经济和能源地有效利用：
指照度水平的选定并非越高越好。
因为在实际生活中，无论根据视觉功效还是从视觉满意角度选择照度，都要受经济条件和能源供应的制约。
所以，综合上述因素确定的照度往往不是十分理想的，而只能是适当的。
6、亮度比
亮度比是指同时或相继观看视野中两个表面上的亮度之比。
一般是指环境亮度与作业亮度之比应控制在适当的范围。
亮度比过小，难以将视觉注意力吸引到要看的区域，环境显得平淡单调；亮度比过大会带来适应上的困难，视觉容易疲劳。
据研究，在工作环境中，作业对象的亮度应当高，作业表面（如阅读的书页上）、它的贴邻表面（如桌面）和视野中远处的环境（如墙面、地面）的亮度比以保持在为宜。
视野中最亮的表面（如灯具和窗外的天空等）与作业表面的亮度比最好不超过40：
1。
7、光色和显色性
暖色光暖色光的色温在3300K以下，暖色光与白炽灯相近，红光成分较多，能给人温暖、健康、舒适的感觉。
适用于家庭、住宅、宿舍、宾馆等场所或温度较低的地方。
冷白色光又叫中性色，它的色温在3300K~5300K之间，中性色由于光线柔和，使人有愉快、舒适、安详的感觉。
适用于商店、医院、办公室、饭店、餐厅、候车室等场所。
冷色光又叫日光色，它的色温在5300K以上，光源接近自然光，有明亮的感觉，使人精力集中。
适用于办公室、会议室、教室、绘图室、设计室、图书馆的阅览室、展览橱窗等场所。
8、灯光造型：
在进行照明设计时，应全面考虑和恰当处理下列各项照明数量和质量的指标即：
照度、亮度分布、照度均匀度、眩光限制和光源颜色等。
照度：
在光环境中，应当使人宜于辨别他所从事的工作细节，同时消除或者适当地控制那些会造成视觉不舒适地因素。
各类房间或场所所需要维持的照度值，应符合照明设计标准的规定。
亮度分布：
作业环境中物体表面上的亮度分布是照明设计的补充，是决定物体可见度的重要因素之一。
视野内有合适的亮度分布是舒适视觉的必要条件。
在工作环境中，被观察物的亮度如果为它相邻亮度环境的3倍时，视觉清晰度较好。
照度均匀度：
室内照明的照度均匀度用给定工作面上的最低照度与平均照度之比来衡量，通常要求为0.7～0.8。
各类房间或场所的照度均匀度应符合照明设计标准的规定。
眩光限制：
一般照明直射眩光的限制应从光源亮度、光源的表观面积大小、背景亮度以及灯具安装的位置等因素来考虑。
反射眩光的限制一般要用使视觉工作对象不处于也不接近于任何照明光源同眼睛形成的镜面反射角内等方法。
光源颜色：
选用的光源应与场所的功能需求相适应，应有舒适的色表和良好的显色性。
第三次课
授课章节
第二章照明光源与环境
任课教师
及职称
王丹
教学方法
与手段
方法：
讲授法、谈话法、讨论法、演示法、案例教学法等。
手段：
常规或现代（实物、案例素材文件等）。
教学目的与要求：
简单了解光的现象及产生原理，重点掌握光源的分类及特性，培养学生的自我动手能力，熟练运用选择光源的基本与原则
教学重点：
电光源的特性和分类，选择光源的基本原则，质量控制，白炽灯
教学难点：
荧光灯，视觉功效与照明的关系，眩光
课时分配计划：
前15分钟复习上节课内容，5分钟导入新课，130分钟讲授课文，20分钟解决课后习题，10分钟考勤
布置作业：
课后习题2、4
下次课预习要点：
灯具的特性和指标、灯具的分类及命名方法、灯具的安全要求
实施情况及课后教学效果分析：
教学内容与过程：
1、光的现象及应用：
自然光和人工光
2、人工光的意向演示：
（1）全面演示
（2）对照掩饰
（3）漫射演示（4）线性演示
（5）动态演示（6）采光掩饰
（7）声光演示（8）光雕掩饰
3、照明对视觉的影响
（1）视觉功能：
对比灵敏度、视觉敏锐度、视觉感受速度
（2）颜色视觉：
色调、颜色亮度
（3）颜色辨认：
（4）颜色的光和混合定律：
（5）颜色显示
4、电光源的种类：
教学内容与过程：
5、电光源的特性：
（1）额定电压和额定电流
（2）额定功率
（3）额定光通量和发光效率（4）寿命
（5）光谱能量分布曲线（6）光色：
色表、显色性
（7）频闪效应
6、常用电光源的技术参数
实质上，使用效率最高的光源是低压钠灯，由于它发射单色的黄色光，因此几乎没有显色性能。
与之相对照，白炽灯及卤钨灯有极好的显色性能，但是其发光效率很低。
（1）、白炽灯
有较宽的工作电压范围，从电池提供的几伏电压到市电电压，价格低廉，不需要附加电路。
其主要应用是家庭照明及需要密集的低工作电压灯的地方，如手电筒、控制台照明等。
仅有10%的输入能量转化为可见光能，典型的寿命从几十小时到几千小时不等。
使用通电的方式加热玻璃泡壳内的灯丝，导致灯丝产生热辐射而发光的光源，灯头是白炽灯电连接和机械连接部分，按形式和用途主要可分为螺口式灯头，聚焦灯头及特种灯头。
在普通白炽灯中，最常用的螺口式灯头为E14、E27；最常用的插口灯头为B15、B22。
常用于住宅基本照明及装饰照明，具有安装容易，立即启动，成本低廉等优点。
主要部件：
灯丝、支架、泡壳、填充气体、灯架。
（2）、卤钨灯
同额定功率相同的无卤素白炽灯相比，卤钨灯的体积要小得多，并允许充入高气压的较重气体（较昂贵），这些改变可延长寿命或提高光效。
同样，卤钨灯也可直接接电源工作而不需控制电路。
卤钨灯广泛用于机动车照明、投射系统、特种聚光灯、低价泛光照明、舞台及演播室照明及其他需要在紧凑、方便、性能良好上超过非卤素白炽灯的场合。
（3）、荧光灯
主导商业和工业照明。
通过设计的革新、荧光粉的发展，及电子控制线路的应用，荧光灯的性能不断提高。
带一体化电路的紧凑型荧光灯的引入拓宽了荧光灯的应用，包括家居的应用，这种灯替代白炽灯，将节能75%，寿命提高8~10倍。
一般情况下，所有气体放电灯都需要某种形式的控制电路才能工作。
荧光灯的性能主要取决于灯管的几何尺寸即长度和直径，填充气体的种类和压器，涂敷荧光灯粉及制造工艺。
现在我们常用的荧光灯主要分以下三类：
⑴直管灯：
一般使用的有T5、T8、T12，常用于办公室，商场、主宅等一般公用建筑，具有可选光色多，可达到高照度兼顾经济性等优点。
“T”表示灯管直径一个“T”表示1/8英寸
T5管直径15mmT8管直径25mmT12管直径38mm荧光灯都可调配出3000K3500K4000K6500K四种标准“白色”。
⑵高流明单端荧光灯
高流明单端荧光灯又称为是为高级商业照明中代替直管荧光灯设计。
这种灯管与直管型灯管相比，主要的优点有：
结构紧凑、流明维护系数高，还有它这种单端的设计使得灯具中的布线简单的多。
⑶紧凑型荧光灯（CFLS）
紧凑型荧光灯又称为节能灯，使用直径9-16mm细管弯曲或拼接成（U型、H型、螺旋型等），缩短了放电的线型长度。
它的光效为白炽灯的五倍，寿命约8000—10000小时，常用于局部照明和紧急照明。
一般分为两类：
A、带镇流器一体化紧凑型荧光灯这种灯自带镇流器、启辉器等全套控制电路；并装有爱迪生螺旋灯头或插式灯头。
可用于使用普通白炽灯泡的场所，具有体积小，寿命长，效率高，省电节能等优点，可用来取代白炽灯。
教学内容与过程：
B、与灯具中电路分离的灯管（PLC）用于专门设计的灯具之中借助与灯具结合成一体的控制电路工作，灯头有两针和四针两种，两针灯头中含有启辉器和射频干扰（RFI）抑制电容，四针无任何电器组件。
一般四针PLC光源使用于高频的电子镇流器中。
常用于局部照明和紧急照明。
荧光灯控制电路（镇流器）可分为：
电感式、电子式。
电感式镇流器的特点是
功率因素低，有频闪效应，自身重量大，但寿命长，坚固耐用，成本低；电子式镇流器的特点是功率因素高，无频闪，重量轻。
随着技术的发展进步，低成本、长寿命的电子镇流器将逐步取代传统的电感镇流器。
（4）、低压钠灯
光效最高，但仅辐射单色黄光，这种灯照明情况下不可能分辨各种颜色的。
主要应用是：
道路照明，安全照明及类似场合下的室外应用。
其光效是荧光灯的2倍，卤钨灯的10倍。
与荧光灯相比，低压钠灯放电管是长管形的，通常弯成“U”型，把放电管放在抽成真空的夹层外玻壳内，其夹层外玻壳上涂有红外反射层以达到节能和提高最大光效的目的。
（5）、高强度气体放电灯（HID）
这类灯都是高气压放电灯，特点是都有短的高亮度的弧形放电管，通常放电管外面有某种形状的玻璃或石英外壳，外壳是透明或磨砂的，或涂一层荧光粉以增加红色辐射。
分为：
高压汞灯（HPMV）：
最简单的高强度气体放电灯，放电发生在石英管内的汞蒸气中，放电管通常安装在涂有荧光粉的外玻璃壳内。
高压汞灯仅有中等的光效及显色性，因此主要应用于室外照明及某些工矿企业的室内照明。
高压钠灯（HPS）：
需要用陶瓷弧光管，使它能承受超过1000℃的有腐蚀性的钠蒸气的侵蚀。
陶瓷管安装在玻璃或石英泡内，使它与空气隔离。
在所有高强度气体放电灯中，高压钠灯的光效最高，并且有很长的寿命
（24000小时），因此它是市中心、停车场、工厂厂房照明的理想光源。
在这些场合，中等的显色性就能满足需要。
显色性增强型及白光型高压钠灯也可用，但这是以降低光效为代价的。
金属卤化物灯（M-H）：
是高强度气体放电灯中最复杂的，这种灯的光辐射是通过激发金属原子产生的，通常包括几种金属元素。
金属元素是以金属卤化物的形式引入的，能发出具有很好显色性的白光。
放电管由石英或陶瓷制成，与高压钠灯相似，放电管装在玻璃泡壳或长管形石英外壳内。
广泛应用在需要高发光效率、高品质白光的所有场合。
典型应用包括上射照明、下射照明、泛光照明和聚光照明。
紧凑型金属卤化物灯在需要精确控光的场合尤其适宜。
感应灯
刚出现不久的无极气体放电灯。
所需要的能量是通过高频场耦合到放电中的，变压器的次级线圈就能产生有效的放电。
从形式看来，感应灯是紧凑型荧光灯的另一种形式，但高压部分也许不同。
这种灯不局限于长管形（如荧光灯管），同时还能瞬时发光。
工作频率在几个兆赫之内，并且需要特殊的驱动和控制灯燃点的子线路装置。
（7）、场致发光照明
包括多种类型的发光面板和发光二极管，主要应用于标志牌及指示器，高亮度发光二极管可用于汽车尾灯及自行车闪烁尾灯，具有低电流消耗的优点。
7、选择光源的基本原则
（1）按照高效、长寿命原则
（2）按照环境对显色性的要求选择（3）按光源的色表
8灯光环境的质量控制
（1）视觉功效与照明的关系
（2）灯光环境质量的评价标准：
A、合理的照度合照度的均匀性B、适宜的亮度分布
C、限制眩光D、光源的显色性
E、阴影F、照明的稳定性
第四次课
授课章节
第三章照明灯具
任课教师
及职称
王丹
教学方法
与手段
方法：
讲授法、谈话法、讨论法、演示法、案例教学法等。
手段：
常规或现代（实物、案例素材文件等）。
教学目的与要求：
了解市场上的各种类型灯具，重点掌握灯具的特性和指标，能进行灯具的选择，为以后独立设计灯具做铺垫。
教学重点：
灯具的特性和指标，灯具的选择，灯具的分类及命名方法，安全要求
难点：
灯具的命名方法，配光种类选择灯具
课时分配计划：
前20分钟复习上节课内容，10分钟课后习题，5分钟导入新课，130分钟讲授课文，5分钟布置作业，10分钟考勤
布置作业：
课后习题2、4、5
下次课预习要点：
室内照明设计目的与要求
实施情况及课后教学效果分析
教学内容与过程：
1、灯具的特性：
标志灯具性能主要有3个方面，既效率.保护角（遮光角）.配光（光分布）
（1）灯具效率
从一个灯具内射出来的光通量FL与光源的总光通量Fs之比称为灯具效率
灯具的效率与灯具的行状和材料有关。
未射出的光造成损失的部分被灯具吸收，不仅影响光能的有效利用，还会使温度上升，缩短光源寿命。
蔽开式灯具的销效率取决与灯具的开口面积S0与反射面积S的比值及反射罩的形状。
为了减少灯具内部的损失，比值S0/S愈大愈好。
反射罩的形状应避免灯光在罩内多次反射。
（2）灯具的保护角（遮光角）
光源的下端与灯具下缘连线同水平水线之间的夹角称为保护角。
保护角是任意位置的平视观察者眼睛入射角的最小值，具有限制直射眩光的作用。
灯具格栅的保护角决定于格子的宽度和高度的比例，一般在25-45之间。
灯具的保护角一般为10-30。
（3）配光（灯具发光强度的空间分布）
光源或照明器在空间各个方向对发光强度的分布称为配光
2、灯具的指标
（1）灯具的效率指标
（2）灯具保护叫规定值
3、影响灯具性能和灯具效率的因素
（1）反射器
（2）灯具反射器材料和投射材料（3）格栅的影响和选择
4、选用灯具的基本原则
对大多数灯具而言，调整光线到预期方位，同时把光损失降至最低，减少光源的眩光，拥有令人满意的外形及强化灯点燃与未点燃环境的装饰性是它们的一项功能。
灯具必须是耐用的，且能为光源，有时也为控制电气附件提供一个电气、机械及热学上安全的壳体。
光源的防护：
光源除需要电气连接以外，还必须有机械支撑并要受到防护，防护程度视要求而定。
适宜的机械性能：
灯具部件必须有足够强的机械强度，从而确保在安装和使用时有适当的耐久性，同时有充
分强的悬挂强度，金属部件必须有足够的耐腐蚀能力。
壳体要求：
室外用灯必须有严格的防尘和防水要求，而对某些特殊要求的室内灯具也要提供防护，以抵御水
和尘埃的侵入。
为了根据防尘和防潮的程度来划分外壳的防护等级，使用了防护等级代码。
5、灯具选择
（1）、灯具的款式
1）首先要根据自身不同的风格来购买灯具。
例如现代的风格，就适宜选用一些不锈钢和磨砂玻璃组合的灯具。
而欧美的传统风格，就适宜选用一些诸如洛可可线条、涂有金属色粉的灯具。
2）在可能的情况下，客厅、餐厅和卧室的灯具选用同一种设计款式的。
按照笔者的经验，这是可能的。
另一种方案是，客厅和餐厅保持同一种款式，而卧室的灯具则使用另一种款式。
3）而对于厕所和厨房的灯即可以用防水吸顶灯，一般不需要太关注于风格方
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