18 高大空间照明设计方法的研究

建立研究问题的假设并设计实证研究 #生活技巧# #学习技巧# #学术研究方法#

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2017 年 12 月 第 11 卷 第 6 期 83 esearch on Illumination Design in Broad Space Wang Hao / Gao Xuewen / Wang xu 高大空间照明设计方法的研究 王昊 / 高学文 / 王旭 ( 中国建筑设计院有限公司，北京 100044) 摘要随着建筑的多元化， 传统建筑形式已经不满足人们对建筑艺术的追求。越来越多的 建筑形态出现在人们的视野， 在特殊的高大建筑物中， 灯光的设计也显得尤为重要。利用系数 法可以满足绝大多数场所的照明计算， 但在某些特定的场所， 灯具的安装高度不同， 继续沿用 利用系数法难以实现照度的准确计算。以某高大空间库房为例， 利用配光曲线进行照度计算， 在满足照度的情况下计算灯具所需的光强， 通过对光强的限制选择灯具。 关键词配光曲线照度计算光束角 AbstractWith the diversification of architecture，the traditional architectural form has not satisfied peoples pursuit of architectural art More and more architectural forms appear in peoples vision，in the special tall buildings，the design of the lighting is also very im- portant The use of the coefficient method can meet the vast majority of places of the light- ing calculation，but in certain places，the installation height of the lamp is different，con- tinue to use the coefficient method is difficult to achieve accurate calculation of illumina- tion Taking a large space warehouse as an example，using distribution curve flux to cal- culate the illumination，the light intensity required for the luminaire is calaclated under the condition of illumination，and the luminaire is selected by the restriction of the light intensity Keywordslight distribution curve，illumination calculation，beam angle 0前言 在建筑使用过程中， 人们的日常活动离不开照 明设施， 城市道路的安全照明、 居民住宅的生活照 明、 商业楼宇的功能照明、 工矿厂房的生产照明等， 可以说照明是创造舒适愉悦环境的必要手段。对 于照明设计而言， 满足以上照明需求要考虑多方面 的因素， 首先就是空间内的照度指标。 本文在总结常用照明设计方法的基础上， 结合 高大异形建筑的空间形式， 利用灯具的配光曲线特 性完成照明设计， 既保证室内照明符合规范要求， 又明确了空间各个区域的照度指标， 达到了精细、 直观、 可控的照明设计目标。 1常用照明设计方法概述 对于常规空间的照明设计来说， 通常采取平均 照度计算的方法。主要有利用系数法、 点光源照度 计算法及由此演化而来的配光曲线法， 本文着重对 建筑照明设计常用的利用系数法和配光曲线法进 行介绍。 1. 1利用系数法 平均照度计算中最常见的方法是利用系数法， 该方法既考虑了由光源直接照射到工作面上的光 通量， 又考虑了由地面、 墙体、 顶棚反射到工作面上 DOI:10.13857/11-5589/tu.2017.06.018 December 2017 Vol11 No6 84 的光通量。利用系数法适用于天棚、 地面和墙体反 射系数较高和灯具布置均匀的空间。 应用利用系数法计算平均照度的基本公式见 式( 1) 。 Eav= NUK/A( 1) 式中， Eav为工作面上的平均照度， lx; 为光源光通 量， lm; N 为光源数量; U 为利用系数; A 为工作面面 积， m2; K 为灯具的维护系数。 其中， 利用系数是投射到工作面的光通量与光 源发出光通量之比， 见式( 2) 。 U = 1/ ( 2) 式中， 1为投射到工作面上的光通量， lm。 利用系数法的核心要素在于利用系数 U 的取 值， 而且在同一空间内不同厂家、 不同灯具， 其利用 系数也不尽相同， 取值合理与否直接影响实际照明 效果的好坏， 利用系数法中查看灯具利用系数表前 也需要进行相关参数的计算。 计算利用系数的步骤分为: 1) 计算空间比; 2) 计算有效顶棚空间反射比; 3) 计算墙面平均反射 比; 4) 由上述所得数值查利用系数表。详细计算过 程可查看 照明设计手册( 第二版) 。 利用系数法计算的主要指标和产品参数包括 照度标准值、 光源光通量、 利用系数表， 可以通过标 准规范和产品样本查找。同时在设计中应注意不 同场所对色温、 显色性、 功率表密度等指标的要求。 综上所述， 常规空间的照明设计中， 设计师们 因利用系数法较为准确、 计算方法简便， 多数采取 利用系数法进行照明计算， 利于提升工作效率。但 利用系数法只适用常规建筑空间， 一些复杂空间无 法使用利用系数法进行照度计算， 例如灯具无法在 一个平面安装、 会展大厅与仓储中心的灯具安装高 度较高且安装位置相对集中等。下面着重讲解利 用配光曲线进行照度计算。 1. 2利用配光曲线进行照度计算 配光曲线是指光源( 或灯具) 在空间各个方向 的光强分布， 一般有三种表示方法: 极坐标法、 直角 坐标法、 等光强曲线。目前大部分灯具厂商使用的 都是极坐标法， 所以下面仅就极坐标法配光曲线进 行讲解。 在空间中灯具在每个角度都发出不同强度的 光， 利用图形记录下在空间中发光强度的分布状 况， 灯具的光强分布用纵坐标表示， 光源为坐标原 点， 在图中用矢量表示各个方向的发光强度， 连接 矢量端点形成的曲线就叫做配光曲线。对于轴对 称的灯具可以用通过光轴线的任意平面的配光曲 线来表示其发光强度的分布， 对于不对称的灯具则 需要多个平面上的配光曲线来表示其发光强度的 分布。为了直观体现灯具配光曲线和光强分布特 性， 统一规定了配光曲线由光通量为 1 000 lm 的假 想光源提供光源的分布数据， 单位为 cd/klm。 配光曲线的分类: 配光曲线根据其对称性可分 为轴向对称、 对称和非对称。1) 轴向对称: 也称为 旋转对称， 指各个方向上的配光曲线都是基本对称 的， 一般筒灯、 射灯都是这样的配光曲线; 2) 对称: 当灯具 C0和 C180剖面配光对称， 同时 C90和 C270剖面配光对称时， 这样的配光曲线称为对称 配光曲线; 3) 非对称: 就是指 C0 180和 C90 270任意一个剖面配光不对称的情况( C0 180是 指垂直于灯管方向的平面， C90 270是指与灯管 重合的平面) 。 配光曲线按照其光束角度通常可分为: 窄光束 ( 光束角 20) 、 中等光束( 光束角为 20 40) 、 宽 光束( 光束角 40) 。其中， 光束角是指垂直于光 束中心线之一的平面上， 光强度等于 50% 最大光强 度的两个方向之间的夹角。 利用配光曲线计算照度时可以将光源看成点 光源。一般圆盘形发光体的直径不大于照射距离 的 1/5， 现行发光体的长度不大于照射距离的 1/4 时， 按点光源进行照度计算误差 5%。将光源看成 点光源， 不仅简化了计算且对计算结果影响不大。 这样就可以将利用配光曲线计算工作面照度的方 法分为以下两种情况。 1) 计算垂直于灯具正下方 0的照度 如图 1 所示， 点光源正下方 hm处平面上 A 点 的照度 E 计算公式见式( 3) 。 E = I0/h2( 3) 式中， I0为光轴线朝 A 点方向上的发光强度， cd; h 为光源距离工作面的高度， m。 2) 计算非垂直于灯具正下方某点的照度 由于计算光源光轴线在平面上投影点的照度 仅仅是一种特殊情况， 而大部分的光线都不是垂直 照射， 而是以一定角度射入， 这里设其为 。也就是 2017 年 12 月 第 11 卷 第 6 期 85 图 1计算垂直于灯具正下方 0的照度 入射光线与垂直向下成 角， 与平面交于 B 点。点 光源对 B 点的照度并不是垂直的， 所以要求出光源 G 在 B 点垂直方向的向量再除以距离 L 的平方， 即 式( 4) 。 E1= I L2 cos = I h2 cos3( 4) 例如图 2 所示配光曲线， 假设灯具安装高度为 12m， 功率为 200W、 光通量为 18 000lm， 求出以0方 向的工作面照度和 15方向的工作面照度( 参考平 面为地面) 。 图 2配光曲线 首先读出 0方向位置的光强: 2 400cd/klm， 已 知 200W 的光通量为 18 000lm， 则 0方向的光强为 2 400 18 000/1 000 =43 200cd， 照度值 E = I0/h2 = 43 200/144 =300lx。 同理读出 15角方向位置的光强为 1 600cd/ klm， 则 15方向的光强为 1 600 18 000/1 000 = 28 800cd， 照度值 E1= ( I/h2)cos3 = 28 800/144 =180lx。 1. 3利用配光曲线进行照度计算在实际工程中的 应用 图 3 所示是一个两层的库房建筑， 其中一层的 顶部标高 6m， 二层的顶部标高 17. 6m。二层的顶部 采用弧形的混凝土屋面， 若将灯具吊装到统一高 度， 会使吊在屋顶弧形中心部位等灯具吊绳过长， 影响建筑物整体美观。所以在此建筑物中， 要求灯 具沿弧形屋顶安装( 图 4) ， 安装高度不同， 若想要空 间内的照度保持规范要求的一致性， 使用以往的利 用系数法则无法进行照度计算， 所以选择利用配光 曲线进行照度计算。 图 3某库房建筑平面示意图 图 4灯具沿弧形屋顶安装 1) 首先确定灯具的安装位置 结合室内的弧顶形式和建筑师对空间的整体 效果需要， 对屋顶灯具的排布方式采用中心对称的 线型排列方式。建筑顶面以 17. 6m 标高为轴线向 两侧对称， 灯具布置利用这一特点在中部 17m、 两侧 15m 布置照明光源， 光源布置相对地面空间也是均 匀的， 详见图 5( 灯具 A， 安装高度为 15m; 灯具 B 安装高度为 17m) 。 2) 建立照明空间模型 根据规范要求本库房的照度标准值为 150lx， 且 空间的平均照度值应在标准要求的 10% 范围内。 据此以光源安装位置为圆心， 以两光源之间距离的 December 2017 Vol11 No6 86 图 5某库放建筑灯具布置示意图 1/2 为半径绘制每个光源的拟定照射区域。选择的 灯具确保在光源拟定照射区域的正下方照度达到 标准值， 照射拟定区域边线与相邻光源拟定照射区 域边线照度相叠加达到照度标准值， 在光源拟定范 围之外的镂空区域， 由相邻多个光源照度相叠加达 到标准值， 如上述三点能够满足规范要求， 整个空 间的平均照度和均匀性是符合规范要求的。如图 6 7 所示， 经测量各个灯具的水平间距均为 8m。则 拟定照射区域为 4m， 镂空区域中心至相邻光源距离 为 5. 6m。 图 6各灯具水平间距 图 7各灯具镂空间距 3) 计算灯具光强参数 A 灯具的安装高度为 15m， 计算出 A 灯具在正 下方照度值为 150lx 时， A 灯具 0角所需的光强 IA0 计算公式见式( 5) 。 IA0= EA0 h2= 12 150cd( 5) 由于照射区域半径为 4m， 由此可以推出灯具照 射至圆形边缘的光束角 ， 见式( 6) 。 = arctan( r/h)= 24( 6) 计算边缘照度值为 75lx 时， A 灯具 24角所需 的光强 IA24， 见式( 7) 。 IA24= ( EA24 h2) / cos3 = 7 993cd( 7) 镂空区域半径为 5. 6m， 由此可以推出灯具照射 镂空区域的光束角 ， 见式( 8) 。 = arctan( r/h)= 32( 8) 计算边缘照度值为 37. 5lx 时， A 灯具在 32角 所需光强 IA32， 见式( 9) 。 IA32= ( EA32 h2) / cos3 = 5 062cd( 9) 同理计算出 B 灯具的各项参数， B 灯具的安装 高度为17m， 计算出 B 灯具在正下方照度值为 150lx 时， B 灯具 0角所需的光强 IB0， 见式( 10) 。 IB0= EB0 h2= 18 150cd( 10) 由于照射范围圆的半径为 4m， 由此可以推出灯 具照射至圆形边缘的光束角 ， 见式( 11) 。 = arctan( r/h)= 20( 11) 计算边缘照度值为 75lx 时， B 灯具 20角所需 的光强 IB20， 见式( 12) 。 IB20= ( EB20 h2) / cos3 = 10 933cd ( 12) 镂空区域半径为 5. 6m， 由此可以推出灯具照射 镂空区域的光束角 ， 见式( 13) 。 = arctan( r/h)= 27( 13) 计算边缘照度值为 37. 5lx 时， B 灯具在 27角 所需光强 IB27， 见式( 14) 。 IB27= ( EB29 h2) / cos3 = 6 482cd( 14) 4) 选择灯具 本项目采用的是某公司高、 低天棚系列灯具， A 灯光源功率为 140W， 光源输出为 15 200lm， B 灯光 源功率为210W， 光源输出为21 000lm， 色温4 200k， 显色性指数 90， 灯具效率 76%， 光束角均为窄光 束灯具。图 8 所示为此灯具配光曲线。 计算选取灯具是否能达到上述条件所需光强 的要求。 IA0= 850cd/klm 15 200lm = 12 920cd IA24= 480cd/klm 15 200lm = 7 296cd IA32= 300cd/klm 15 200lm = 4 560cd IB0= 850cd/klm 23 100lm = 19 635cd IB20= 490cd/klm 23 100lm = 11 319cd IB27= 340cd/klm 21 000lm = 7 854cd 查取配光曲线得出结果与步骤 3) 计算得出的 2017 年 12 月 第 11 卷 第 6 期 87 图 8灯具配光曲线 结果相差不大， 故可认为此灯具能满足要求。 5) 验证 EA0= IA0/h2= 159. 5lx EA24= IA21/h2 cos3 = 68. 6lx EA32= IA29/h2 cos3 = 34. 3lx EB0= IB0/h2= 162. 2lx EB20= IB18/h2 cos3 = 77. 6lx EB27= IB24/h2 c

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