[工学]02第2章外环境.ppt

第二章 建筑外环境 1 为什么要考虑建筑外环境? B 建筑物所在地的气候条件，会通 过围护结构，直接影响室内的环境 ，为得到良好的室内气候条件以满 足人们生活和生产的需要，必须了 解当地各主要气候要素的变化规律 及其特征。 B 一个地区的气候是在许多因素综 合作用下形成的。对建筑密切有关 的气候要素有：太阳辐射、气温、 湿度、风、降水等等。 2 本章内容要点 B宏观气候太阳辐射作用与地球气候特点 J 地球绕日运动规律 J 太阳辐射 J 室外气候 大气压力、风、气温、天空温度、地温、湿度、降水 B 微观气候人类营造活动形成的局部微气候 J 城市风场、城市热岛、建筑日照 B 我国气候分区特点 3 第一节 地球绕日运动的规律 B 经度和纬度 伦敦格林威治天文台伦敦格林威治天文台 经线或子午线经线或子午线纬线纬线 东经西经 北纬 南纬 18090 0 0 4 90W 北京时间 伦敦时间 90E B某地的真太阳时T B当地的钟表时间T0就是 忽略了时差e 的当地平均太阳时。 问题：西安的真太阳时和北京时间差多少? 第一节 地球绕日运动的规律 时区当地时区当地 标准时标准时 经度经度 太阳与地球距离太阳与地球距离 变化造成的偏差变化造成的偏差 5 0 0 +2327 -2327 第一节 地球绕日运动的规律 B 太阳的位置与日 照的关系 J 赤纬 ：太阳光线 与地球赤道平面 之间的夹角 赤纬赤纬d d 北回归线北回归线 南回归线南回归线 6 南北回归线 北极圈 6633 北回归线 2327 7 赤纬和太阳高度角有什么区别？ 时角和太阳方位角有什么区别？ 太阳高度角太阳高度角 太阳方位角太阳方位角 sinsin = = coscos coscos h h coscos + sin+ sin sinsin sinsin A = A = coscos sinsin h / h /coscos 8 第 二 节 太 阳 辐 射 可见光可见光紫外线紫外线近红外线近红外线 长波长波 红外线红外线 9 太阳总辐射能量比例 B 太阳常数1353W/m2：大气层外的辐射强度 B 进入大气层后被反射和吸收，光谱成分有所改变， 辐射强度有所改变。太阳高度角是重要影响因素。 10 大气层对太阳辐射的吸收 B 超短波 J X射线和其它一些超短波射线在通过电离层时，被O2、 N2 及其它大气成分强烈吸收 B 短波 J 受到天空中的各种气体分子、尘埃、微小水珠等质点的散射 ，使得天空呈现蓝色 J 紫外线被大气中的臭氧所吸收 B 长波 J被CO2和水蒸气等温室气体所吸收 B 剩下的 J 可见光近红外线 11 落到地球上的太阳辐射能量 B 由三部分组成 J 直射辐射：为可见光和近红外线 J 散射辐射：被大气中的水蒸汽和云层散射，为 可见光和近红外线 J 大气长波辐射：大气（水蒸汽和CO2）吸收后 再向地面辐射，为长波辐射。在日间比例很小 ，可以忽略。 B 所谓太阳总辐射照度一般仅包括前两部分 12 太 阳 辐 射 能 的 去 向 13 50到达地面 14 太阳辐射能与太阳高度角 I0 15 大气层质量 m 地球表面处法向太阳 直射辐射照度： IN = I0P m m = L/L = 1/sin 大 大 3030 为什么太阳为什么太阳 高度角接近高度角接近00 和和9090 时垂直面时垂直面 的日射量都小的日射量都小 ？ 大气层质量1 大气层质量2 16 太阳日总辐射照度与朝向 B地点：北纬40 17 关于太阳高度角 B 太阳高度角与太阳通过的路径长度密切相 关，从而影响日射强度。太阳高度角低则日 射强度小 B 冬季太阳高度角低，夏季太阳高度角高 B 清晨和傍晚太阳高度角低，中午太阳高度 角高 B 高纬度地区太阳高度角低，低纬度地区太 阳高度角高 18 太阳高 度角冬 夏不同 19 大气透明度 B 定义：I1/I0 = P = exp (-kL)，P1 最透明 B 变化范围：0.650.75，在一个月份的晴天中可近 似认为是常数 B 我国将大气透明度作了6个等级的分区，1级最透明 东京晴天的大东京晴天的大 气透明度逐月值气透明度逐月值 大气层消光系数大气层消光系数 20 我国的大气透明度分区 6 6 5 5 4 4 4 4 3 3 3 3 2 2 21 第三节 室外气候 B 自然的微气候 J 大气压力 J 风 J 空气温度 J 有效天空温度 J 地层温度 J 空气湿度 J 降水 22 大气压力 B 大气压力随海拔高 度而变 B 在同一位置，冬季 大气压力比夏季大 气压力高，变化范 围5以内 B 海平面大气压力称 作标准大气压，为 101325 Pa 或 760 mmHg 23 大气压力变化 平均气压随纬度分布平均气压随纬度分布 气压日变化（气压日变化（2 2） 24 风 B 风的成因 J 大气环流：造成全球各地差异 赤道和两极温差造成 J 地方风：造成局部差异，以一昼夜为周期 地方性地貌条件不同造成，如海陆风、山谷风 、庭院风、巷道风等 J 季风：造成季节差异，以年为周期 海陆间季节温差造成，冬季大陆吹向海洋，夏 季海洋吹向大陆 25 大气环流 B 赤道得到太阳辐射大于长波辐射散热，极地 正相反。地表温度不同是大气环流的动因， 风的流动促进了地球各地能量的平衡。 盈余区域盈余区域 短缺区域短缺区域 净增益 净损失 辐射增益区 随纬度基本 不变 占地面积40 过渡区 占地面 积36 损失区 占地面积36 26 风的测量 B 测量开阔地面 10m 高处的风向和风速作为当地的观测 数据Vmet B 风速有梯度，地面为 0 m/s，可认为按幂函数规律分 布，如高度h处： 边界层厚度 气象站0.14 市中心0.33 27 蒲福风力等级表 28 风玫瑰图 某地的风向频率分布 实线为全年，虚线为7月份 某地一年的风速频率分布 29 北京地区的风玫瑰图 B 粗线：全年 B 细实线：冬季 ，122月份 B 虚线：夏季， 68月份 30 海陆风和山谷风 31 空气温度 B 主要指距地面1.5m高，背阴处的空气温度。 B 空气与地表面以导热、对流和长波辐射形式 进行热交换而被加热或冷却以对流为主。 对短波辐射几乎是透明体。 B 空气温度是如何产生变化的？ J 白天地表温度升高与空气温度升高，谁是诱因？ J 夜间地表温度降低与空气温度降低，谁是诱因？ J 白天和夜间的空气垂直分布应该是怎么样的？ 32 空气温度 B日较差：一日内气温的最高值 和最低值之差。 B 年较差：一年内最冷月和最热 月的月平均气温差。 B 年平均温度：向高纬度地区每 移动 200300 km 降低1。 年较差与纬度的关系 太阳辐射和日气温变化 33 空气温度的日变化 武汉九月初一天的气象数据 一天中最高气温一般出现在下午23时，最低气 温一般出现在凌晨45时 34 空气温度的年变化 武汉某年的气象数据 一年中最热月一般在7、8月份，最冷月一般在1 、2月份。 35 原因原因 地面有冷源地面有冷源 1. 1. 夜间长波辐射夜间长波辐射 2. 2. 附近有较低温附近有较低温 的海风吹来的海风吹来 逆温层 正常的温度梯度：地表热，高空冷 36 空气温度的局部效应 B 受地面反射率、夜间辐射、气流、遮阳等影响，离 建筑物越远，温度越低 37 空气温度的局部效应 B 霜洞效应：洼地冷空气聚集造成气温低于地 面上的空气温度 38 有效天空温度 B大气层吸收10以上的太阳辐射和来自地面 的反射辐射，并向地面进行长波辐射（5 8m及13m以上） B地表有效辐射：地面与大气层之间的辐射换 热QR B QRQgQsky ( Tg4 Tsky4 ) 地表的黑度 波尔兹曼常数 地表温度 有效天空有效天空温度 39 有效天空温度 B 参考文献：刘森元，黄远峰：天空有效温度的探讨，太阳能 学报，Vol.4, No.1, pp.63-68, 1983 地表温度 空气温度 水蒸汽分压力 日照百分率 40 地层温度 B 表面温度的变化取决于太阳 辐射和对天空的长波辐射， 可看作是周期性的温度波动 B 地层表面的月平均温度波动 幅度基本等于室外月平均气 温波动的幅度：北京全年最 大月平均温差30.8 ，北京 地层表面温度全年的波幅为 15.4 B 温度波在向地层深处传递时 ，有衰减和延迟；1.5m后日 变化被滤掉；一定深度后便 成为恒温层，温度比全年气 温平均温度高12。 41 地层温度 恒温层温度 42 地层温度 B 未考虑地热的影响，可以采用付立叶导热微 分方程来求地层在周期温度作用下的温度场 。假定地壳是一个半无限大的物体，有： B 边界条件为过余温度 B A是地层表面温度的波幅()，Z是波动周期 (小时)。 43 地层温度 B 深度达到某一个部位， 最热月时此处的温度反而 低于该点的全年平均温度 ，而在最冷月时，该点的 温度要高于全年平均温度 。 B 如果考虑地热的影响， 深度每增加1米，地层平 均温度一般就会增加1/30 左右。但与当地地质条 件有关。 未考虑地热影响的 44 湿度 B 来源 J 水体蒸发 J 植物蒸发 B 影响因素 J 地面性质 J 水体分布 J 季节 J 阴晴 B 水蒸汽分压力 J 冬季较低，夏季较高 J 湿热地区：1520 mbar J 寒冷和沙漠地区： 2 mbar J 日变化较小，季节变化较大 J 内陆地区夏季：上午910时和 晚上910时最高，凌晨和午后 最低 J 沿海地区夏季和各地秋冬季： 日变化与气温日变化一致 45 湿度 B日变化 J绝对湿度一日中相对稳定 J相对湿度与气温变化反相 46 湿度 B 年变化 J 内陆和沿海地区差别较大 47 降水 B 大地蒸发的水分进入大气层，凝结后又回 到地面，包括雨、雪、冰雹等 B 降水强度：24小时的降水总量，单位 mm ( 或cm) B 影响因素 J 气温 J 地形 J 大气环流 J 海陆分布 48 我国降水分布 我国降水基本集中在夏季，长江流域在夏初有“梅雨” 降雪集中在北纬35以北 49 第四节 城市气候 B 小区风场 B 城市热岛 B 建筑布局与日照 50 此处易聚集垃圾此处易聚集垃圾 小区风场 B 形成机理 J 建筑物对来流风的阻 碍和聚集作用 J 小区内太阳辐射导致 各表面存在温差而形 成的自然对流 B 不当风场的危害 J 冬季造成热负荷增加 J 高风速影响人员行动 J 夏季自然通风不良 51 小 区 风 场 B 建筑的布局对小区风环境有 重要的影响。北京，在北风 来流 7.6 m/s时，局部 1.5 m 高处出现 10 m/s 的高风速 北北 52 风场的3-D图：1.5m高处 北北 53 合理建筑布局对小区风场的改善 北风北风 冬季主导风向冬季主导风向 夏季主导风向夏季主导风向 南风南风 54 合理的 小区风场 B 建筑布局 风场模拟风场模拟 北北 北北 55 城市热岛 B 热岛强度：热岛中心气温减去同时间同高度 （距地1.5 m高处）附件远郊的气温的差值。 单位： 56 伦敦的城 市热岛 B 伦敦地区冬 季月均热岛 强度达到 6.7（12 F ） 57 北京的城市热岛 B 北京80年代初城市热岛强度为夏季1.5，冬季5 。家用空调的普及和车辆的剧增必然导致近年夏季热 岛强度增加。 1983年1月2627日1982年7月 58 城市热岛的成因 B 自然条件 J 市内风速、对天空长波辐射：建筑布局影响对 天空角系数和风场 J 云量：市区内云量大于郊区 J 太阳辐射：市内大气透明度低 J 下垫面的吸收和反射特性、蓄热特性：地面材 料、植被、水体的设置 B 人为影响：“人为热” J 交通、家用电器、炊事产热 J 空调采暖产热 59 城市热岛的成因 60 城市热岛的成因：下垫面的影响 不同下垫面的反射和吸收比 不同下垫面的地表面温度下垫面对气温的影响 砖石地面草地裸露的土地 蒸发 漫反射 反射 反射 漫反射蒸发 漫反射 反射 61 局部热岛效应 来流风向 某体育中心原设 计方案，建筑外表 面的大屏幕设置导 致局部热岛强度达 4。 62 城市热岛与逆温层 B 由于自然对流的作用，在地面以上一定高度内形成 了一个温度随高度上升的稳定的“逆温层”，使污染 物处于低温区域，妨碍了污染物向上部的扩散，加剧 了城市的污染程度。“逆温层”的影响范围与热岛强 度有关，在大城市可达500m高，小城市约为50m。 63 城市热岛与CTTC模型 建筑群热时间常数Cluster Thermal Time Constant B以色列H. Swaid and M. E. Hoffman提出， 对建筑采 取了二维简化，将建筑群简化成为周期性起伏的“城 市峡谷” B改进CTTC模型：Elnahas和Williamson 基准(背景)温度 太阳辐射造成的 空气温升 夜间对天空长波辐射 造成的空气温降 空气团 的温度 气象站 市区 64 北京某新建小区的热岛模拟 日平均热岛强度/白天热岛强度 老区 2/1.6 1.4/0.5 S2区 2/1.7 2.1/1.6 S3区 1.6/0.9 1.8/1.1 1.7/0.8 65 北京某新建小区的热岛模拟 BS2区临马路，S3区绿化好，老区建筑布局不通风 66 设置水景对热岛强度的影响 67 建筑布局与日照 B 日照的作用 J 冬季采暖：充分利用太阳能 J 自然采光需要：适当的散射辐射 J 心理需要：冬日室内光斑对人的心理有积极作用 B 影响因素 J 纬度：决定太阳高度角和日射强度 J 建筑布局：决定遮挡情况 B 目标 J 冬天尽量多：但太阳高度角低易被遮挡 J 夏天尽量少：但太阳高度角高不易被遮挡 68 建筑布局与日照 B 日影 J 终日日影：一天中都没有日照 J 永久日影：终年没有日照 B 建筑布局与日照 J 建筑的互遮挡：不同建筑物相互遮挡 J 建筑的自遮挡：建筑物一部分被另一部 分遮挡 69 8:008:00 建筑的互遮挡建筑的互遮挡 冬至日的情况冬至日的情况 8:00 9:00 16:0014:00 13:0012:0011:00 10:00 终日日影区终日日影区 15:00 北北 70 永久日影 红线区内为永久日影 区，终年没有日照 71 日照的作用 B 日照过少导致人体产生的褪黑色素增加， 引起精神忧郁 B 紫外线 J 杀菌，促进合成维生素D J导致皮肤癌 B 可见光 J获得照明 B 红外线 J 带来辐射热能 72 有关日照的规范与标准 B日照间距为了得到充分的日照，南北方 向相邻的楼间距不得低于一定限值 适用 于南北行列式排列的板式建筑 北京 3957 冬至日 73 城市居住区规划设计规范规定 建筑气候区划 、VII气候区 气候区 、 气候区 大城市 中小城市 大城市 中小城市 日照标准日 大寒日 冬至日 日照时数(h) 2 3 1 有效日照时间 带(h) 816 915 日照时间计算 起点 底层窗台面 74 城市居住区规划设计规范规定 主要城市不同日照标准的间距系数 75 第五节