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/㎡），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/㎡，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/㎡；
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/㎡.
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。
3.采光标准
（1）采光系数：采光系数C是指室内给定水平面上某一点由全阴天天空光所产生的照度（En）与同一时间同一地点，在室外无遮挡水平面上由全阴天天空光所产生的照度（Ew）的比值，即利用采光系数，可根据室内照度标准换算出所需的室外照度，或由室外照度求出室内照度。
（2）采光系数标准值
采光标准将视觉工作分为I～V级，并规定各等级天然光照度最低值分别为250，150，100，50及25lx.定义室内完全利用天然光工作时的室外天然光最低照度为“临界照度”，其值为50001x.根据临界照度值，可将室内天然光照度换算成采光系数。由于不同采光口类型在室内形成不同的光分布，故采光标准依照不同采光口类型，提出不同的要求。顶部采光时，采用平均值。侧面采光时，室内光线变化大，故规定用采光系数最低值。
注：
1.兼有侧窗和天窗的混合采光，侧窗取采光系数最低值Cmin（%），天窗取采光系数平均值Cav（%）；
2.计算点的确定，单侧窗取窗对面距内墙1m的点为计算点；矩形天窗当为单跨或边跨时取距外墙内面lm处的点为计算点，其余情况按《民用建筑采光设计标准》中的附录B确定；
3.亮度对比小的Ⅱ、Ⅲ级视觉作业，其采光等级可提高一级采用。
4.光气候分区
我国各地光气候有很大区别，如采用同一采光标准显然是不合理的。因此，采光标准将我国划分为I～V个光气候区，用光气候系数与相应室外临界照度表示各区天然光照度的高低，其中，天然光最丰富的地区是西北和北部地区，向南逐步降低，四川盆地最低。各区具体的采光系数标准值为采光标准所列的采光系数标准值乘上光气候系数。
二、采光口形式及特性
（一）采光口形式
1.采光口
室内装有玻璃等透光材料的孔洞统称为采光口。
采光口可分为侧窗和天窗两种。二者兼有的室内采光，称为混合采光。
2.侧窗
侧窗是在房间外墙上开的采光口。其中窗底离地面2m以上的侧窗，称为高侧窗。侧窗采光的优点是光线的方向性好，有利于形成阴影，适于观看立体感强的物体，并可观看室外景观。缺点是照度分布不均匀，近窗处照度高，离窗远处水平照度下降很快。当采光面积相等且窗底标高相同时，正方形窗口采光量（指室内各点照度总和）最大，竖长方形次之，横长方形最小。但从照度均匀性看，竖长方形沿进深方向均匀性最好，横长方形沿宽度方向较均匀。
影响室内横向采光均匀性的主要因素是窗间墙。窗间墙愈宽，横向均匀性愈差。
侧窗的朝向对室内光分布也有较大影响。晴天南向侧窗采光量大，但不稳定，有直射光；东西两侧窗采光量不稳定，早晚有直射光；北向单侧窗采光量小，但稳定。
侧窗分单侧窗、双侧窗和高侧窗三种，高侧窗主要用于仓库和博览建筑。
3.天窗
天窗即顶部采光口。天窗最大优点是有利于采人光量并使照度均匀分布。天窗可以有如下几种形式：
（1）矩形天窗：这种天窗位置较高，不易形成眩光。为避免直射阳光射人室内，天窗的玻璃最好朝南北向。
（2）横向天窗（横向矩形天窗）：这种天窗的玻璃也宜朝南北向。
（3）锯齿形天窗：这种天窗有倾斜的顶棚做反射面，增加了反射光，采光效率比矩形天窗高，窗口一般朝北。
（4）平天窗：特点是采光效率高，但设计时应注意采取防止光污染、防直射阳光影响和防止结露的措施。
（5）井式天窗：这种窗主要用于通风兼采光。
（二）采光口尺寸及窗地面积比
采光口的尺寸与面积一般先用《建筑采光设计标准》中规定的窗地面积比（Ac/Ad）估算。如对Ⅲ类光气候区的单层普通玻璃窗的面积用《建筑采光设计标准》中的表5.0.1估算。
注：
1.此表按Ⅲ类光气候区计算，其他气候区应乘以表2—3中的光气候系数K；
2.对I、Ⅱ类采光等级的建筑，若开窗面积受限，采光系数可降至Ⅲ级标准值。照度不足部分用人工照明补充，但天然光和人工光的总照度不应超过标准规定照度的1.5倍。
我国《住宅建筑规范》（GB50368—2005）规定，住宅中的卧室、起居室（厅）、厨房应设置外窗，窗地面积比不应小于1/7。
三、天然采光的控制与调节
为了调节采光量，改善室内照度分布，减少或防止眩光，创造舒适宜人的室内光环境，经常需要对采光口采取遮光和控光措施：
1.透光材料
利用乳白玻璃等扩散透射材料，或采用能将光线扩散到天棚的折射玻璃或反光板等，增加房间进深方向的照度，改善室内照度均匀度；还可利用玻璃砖之类既可透光、折射，又不透明的材料来控光。
2.窗帘百叶
窗帘可起透光和挡光作用。百叶多用于朝南、朝东和朝西的窗口，通过调整其叶片的倾角，可起控光作用。
3.遮阳板
遮阳板可以阻挡直射日光，防止眩光，使室内照度均匀。水平式遮阳板可遮挡从上方投射的光线，适用于南向窗口；垂直式遮阳板能遮挡高度角较小，从窗侧斜射的阳光，适用于东北、北和西北向窗口；综合式遮阳板能有效地遮挡高度角中等、从窗侧斜射的阳光，适用于东南和西南向窗口；挡板式遮阳板可遮挡高度角较小，正射窗口的阳光，适用于东西向附近的窗口。
四、采光质量
（1）I～Ⅳ级顶部采光的采光均匀度（最低采光系数与平均采光系数之比）不宜小于0.7，侧面采光不作规定；
（2）生产车间侧面采光窗不舒适眩光指数DGI标准：20时无眩光感觉，23时有轻微眩光感觉，25时眩光可接受，27时感到不舒适，28时眩光严重，但能忍受；
（3）改善采光质量时，不应降低采光标准。
五、美术展览馆采光设计要点
（1）适宜的照度：陈列室采光系数不大于2%；
（2）避免直接眩光：观看展品时，窗口应处在视野范围以外，参观者的眼睛到画框边缘和窗口边缘的夹角应大于14o；
（3）避免一、二次反射眩光：对面高侧窗的中心和画面中心连线与水平线的夹角应大于50o；
（4）墙面应采用中性色调，其反射比应取0.3左右。
