照明设计原理

一.照明设计的基本要件
照明的两个基本目的,一是为识别物体,二是为增进环境气氛。良好的照明不但要符合视觉的生理要求，也要达成情境的心理需求。也就是说，除了必须适当的照明数量之外，还要考虑照明品质的提升。

为了提供一个舒适的照明环境，在进行照明设计之前，必须充分了解一些照明的基本条件，其中包括：照度的大小，辉度的分布，眩光的控制，阴影的利用，光源的色温度，光源的显色性及光源的闷热感等。

1.照度的大小
在照度不足的环境下，人眼对物体的辨别能力将下降，视觉所收集到的信息也会随之减少，从而影响工作效率。此外，还会给人阴暗，沉闷和压抑的感觉。反之，充足的照度会给人带来明亮，开朗和舒适的感觉。甚至提供安全的保障。通常人眼对于物体的辨别能力会随着被照物体的照度的增加而提高，但当照度提高到与白天太阳光的照度10万LUX相同时，人眼的视觉能力反而又会略而下降，因而，人工光源所能提供的照度以10万LUX为限。

中日英美等国对各种场所所需的照度均订有各自的国家标准，中国所订的照度标准，以目视作业面上的水平照度来表示，并以作业面离地85CM为准，坐姿时离地面40CM，走廊与屋外则以地面为高度来计算照度。并规定全部照明之照度宜维持局部照明之照度的十分之一以上。

除水平面照度外，有时对垂直面或倾斜面照度也有要求，如，办公室或会议室，人脸部的照度就是垂直照度，因而要求在办公室或会议室，垂直照度至少达200-300LUX，否则，看不出说话人面部表情，不利于产生良好的交谈气氛。在体育场，为满足彩色电视转播，垂直照度也应维持在100LUX以上。

2.辉度的分布
在照明系统中，每种物体的辉度大小取决于光源的照度分布及周围物体表面材料的反射率。这里所指的周围物体表面材料包括天花板，墙面，地面，家具等可以反射光线的材料。

人眼对于视觉范围内的各种物体的辉度差异具有调节适应能力，但当明暗对比太大时，会造成人眼视线不集中，且须不断适应各种不同的辉度而导致人眼疲劳。当辉度太接近 时，又会使空间感趋于平淡而缺乏活力。

辉度比推荐值（美国照明学会）

 

--------------------------------------------------------办公室------工厂

1.作业对象物周围邻界面(如书本与课桌)-----3:1--------3:1
2.作业对象物与间隔之墙面(书本与墙面)-----5:1--------10:1
3.照明灯具或窗户与其附近平面之间----------------------20:1
4.视界内任意场所与场所之间------------------------------40:1

3.眩光的控制
眩光(GLARE)是由辉度较高的光源,灯具或窗户等部位所造成,通常以视线为中心线,向上下左右各绘一条30度线,由这些线所围成的锥形体范围内,若有刺眼的光线存在,则会使人眼产生不舒服的感觉或造成人眼对物体的辨别能力下降。前者称为“不舒适眩光”后者称为“减能眩光”。在实际的视觉作业中，视线并非固定不动的，因此，为避免眩光的困扰，在视界范围内，应移开高辉度的光源。如：采用有遮光的灯具，提高灯具安装高度，降低灯具与周围环境的辉度比等。

眩光可分为直接眩光，反射眩光两种。直接眩光是来自光源或窗外的光线，反射眩光则来自工作桌面，显示屏，玻璃窗，光滑反射面等的反射光。由轻度光滑之作业物品所产生的反射眩光，虽然损失视觉效果，但不易察觉，特称为光幕眩光。通常人的视线角度以25度内为主，在45度内均属于正常。

减轻直接眩光的方法：
(1)降低照明灯具的辉度
(2)缩小不适辉度之面积
(3)调整灯具的安装位置或减少天花板辉度的变化
(4)加大房间的整体辉度
(5)少用通明的落地窗或玻璃幕墙
(6)窗外加装遮阳板
(7)工作台与窗户保持适当的角度

减少反射眩光大的方法:
(1)降低相关物件的反射率
(2)调整光源或工作站的位置,使反射光不进入人眼
(3)工作桌面不使用玻璃垫,电脑屏幕加装护眼屏
想要消除作业面的反射眩光,对灯具的配置设计应特别注意,通常作业面接受来自光源的光线,凡其入射角低于40度者,其反射线就会进入人眼成为反射眩光.但是,利用方向性较强的点光

 

  [page]源,照射金属,宝石,瓷器,玻璃等物体时,其光泽或晶莹剔透的质感便可以充分地被表露出来,从而提高这类物体的价值感.这就是放射光用于商业照明的重要实例。

4.阴影的利用
阴影是因受照体表面不平整，受照方向不一致所引起的。通常，间隔墙，机器，人的头部与手部等物体均会产生阴影。由此产生照度不足等视觉障碍，但也可以显示出被照物体的立体感和材质感。利用点光源从斜向加以着射，可以使被着物体因表面之细微凹凸不平所产生的阴影来凸显其材质感。

当明暗之间的辉度比小于2:1时,被照物体缺乏立体感,通常明暗辉度比在3:1至6:1之间时,被照物体具有良好的立体感。扩散性较强的光源，如日光管，用于照射物体时，其产生的立体感和材质感均较差，从而给人一种单调刻板的感觉。

 

5.光源的色温
光色可以由光源的色温来表示，色温低，光色偏暖色，色温高，光色便冷色。在不同的照度下，选用不同色温的光源，可以获得良好的照明效果。当然，气候和地区习性也会影响人们对色温舒适度的感觉。如，热带地区的人喜欢冷色，而高寒地区的人中意暖色。

 

光源的色温，照度与人感觉之间的关系

 

照度(lux)-----暖色(<3200K)----中间色(3200-5300K)----冷色(>5300K)

<500----------舒适------------自然------------------清冷

500-2000------刺激------------舒适------------------自然

>2200---------闷热------------刺激------------------舒适

 

6.光源的显色性
光源的光谱分布与照度大小均会影响其显色性,如:白炽灯的光谱中蓝光少,水银灯缺红色光。因此，在显色性不同的光源下，同一物体会呈现不同的颜色感觉。另外，即使某一光源的光谱分布接近太阳光，但是，如果被照体表面照度低于1000lux，那么，光源的显色性也不能充分表现出来。

 

7.光源的闷热感
光源的光谱分布中，如有很多红外线（色温较低），只要被照体所受照度很高，就会产生闷热感。

 

主要光源在1000lux时的能源密度与人感觉之间的关系

 

光源--------能源密度(W/平方M)--------有闷热感的照度(lux)

白炽灯--------------57---------------------1,500以上

高显色日光灯--------10---------------------6,000以上

白色日光灯----------14---------------------8,500以上

水银灯--------------12---------------------7,000以上

金卤灯--------------10---------------------8,500以上

高压钠灯-------------7---------------------12,000以上

高压钠灯-------------5---------------------17,000以上

 

二.照明设计的步骤
照明设计可分为四个阶段:环境调查,基本构想,基本设计,细部设计。

 

1.环境调查
(1)建筑物特性调查：建筑物用途，自然光对建筑物的影响
(2)室内环境调查：房间的用途，大小，构造。窗的位置，大小。室内表面墙体材质，颜色及反射率。设备家具的位置大小和高度。
(3)使用条件调查：作业或活动类别，使用者年龄，使用时间。
(4)其他状况调查：经济性，电源规格，法律法规。

 

2.基本构想
(1)照明规划：根据室内空间的景象及内部的设施与用途来决定照明状态，使其符合相互协调之整体感
(2)照度设定：了解照明与空间的相互关系后，需要考虑适当的照明照度，并使室内光线平均分布。
(3)照明方式

  [page]：一般而言，办公室可采用整体照明，以获得均匀的照度。对于特殊对象，可采用局部照明或局部照明与整体照明相集合的照明方式。

3.基本设计
(1)光源的选定

根据各种不同场合的照明目的,决定所需的光色和显色性,再考虑光源的效率,寿命,温度特性及电源特性等,最后决定所采用光源.
光源的现色性可按显色性评价指数(Ra:Average Rendering Index)分为四个等级,在不同的照明场合,其所需光源的显色性和色温是不同的,我们可以参考下表所示的范围加以选定。

等级---显色指数----暖色(<3200K)------中间色(3200-5300K)---冷色(>5300K)

1级-----Ra>85------住宅,餐厅,旅馆----展示馆,商店,医院-----纺织业,涂料业

2级--Ra:70-85---办公室,学校,商场--办公室,学校,商场-----办公室,学校,商场

2级----------无尘室,寒带地区---精密工业,温带地区----精密工业,温带地区

3级---Ra<70------------室内空间---------室内空间-------------室内空间

S级-特别显色性----------特殊用途---------特殊用途-------------特殊用途

(2)灯具的选定

选择灯具时,应配合房间的长度(A),宽度(B),作业面离光源的高度(H)之间的关系。用室指数RI(Room Index)来表示他们的相互关系:RI=AB/(A+B)H,若天花板较低而地面长宽相对较大,则RI较大,其照明率(或称利用系数)较大。反之，RI较小，其照明率也小。通常，办公室之作业面高度系数（指办公室离地面的高度）约为0.8M,而一般商店为1M.体育馆或走廊的视觉面为0M.

投光灯具光束角度可大致分为:特宽角度180-120度,宽角度120-90度,中角度60-45度,窄角度20-15度,特窄角度10-0度,可配合室指数加以选用。

 

分级-------A---B---C---D---E---F-----G----H----I-----J

室指数-----5---4---3--2.5--2--1.5--1.25---1---0.8---0.6

 

A,B,C级:房间面积宽广,适合选用宽光束角的灯具
H,I,J级:房间面积狭又高,适合选用窄光束角的灯具

马歇尔所提出的明度大小与物体表面反射率有密切的关系,如下表:

 

反射率与明度的关系

明度(V)---10--9--9.5--8--8.5--7--7.5--6--6.5--5--5.5--4--4.5--3--2--1

反射率(%)--100-88--77--67--58--49--42--35--29--24--19--15--12--6--3--0.1

 

(3)灯数计算

照度公式:E=NFUM/A

E:照度
A:被照面积(平方M)
N:灯具数
U:灯具照明率,即被照面所接受到的光束占光源输出光束的比例,(约在0.6-0.9之间,取决于灯具配光,灯具效率,室指数及被照各物体的表面反射率.
M:灯具维护系数,取决于光源光束维持率,光源体残存率,灯具洁净率,室内表面反射率等,通常,密封灯具M=0.75,开放灯具M=0.65

 

四.照明设计的精确计算
可透过专用照明设计软件进行。