电子讲稿第六章.ppt

1 第六章建筑日照 概述地球运行的基本知识太阳高度角和方位角的确定建筑日照间距的确定棒影日照图及其应用 2 第一节概述 日照的作用建筑对日照的要求建筑日照设计应考虑的因素 3 1 日照的作用 日照既是物体表面被太阳光直接照射的现象 日照时数是表示太阳照射的时数 日照率是以实际日照时数与同时间内 如年 月 日等 的最大可照时数的百分比 同一纬度的最大可照时数是相同的 但因各地云量及其遮挡太阳时间的不同 实际的日照时数就有差异 4 由于阳光照射 引起动植物的各种光生物学反应 因而促进生物机体的新陈代谢 紫外线能预防和治疗一些疾病 如感冒 支气管炎 扁桃腺炎和佝偻病等 所以 建筑争取适宜的日照 具有重大的卫生意义 其次 阳光中含有大量的红外线 冬季照射入室 所产生的辐射热 能提高室内温度 有良好的取暖和干燥作用 此外 日照对建筑物的造型艺术也有一定的影响 能增强建筑物的立体感 不同角度的阴影个人们的艺术感觉也有所不同 5 但是 过量的日照 特别是在我国南方炎热地区的夏季 容易造成室内过热 对人体来说 则是不利的 且因阳光直射工作面上会产生眩光 损害视力 尤其在工业厂房中 工人会因室内过热与眩光而易于疲劳 降低工作效率 增加废品 甚至造成伤亡事故 此外 直射阳光对物品有褪色 变质等损坏作用 有些化学药品被晒 还有发生爆炸的危险 因此 如何利用日照的有利一面 控制与防止日照不利的影响 是建筑日照设计时应当考虑的问题 6 2 建筑对日照的要求 建筑对日照的要求是根据建筑的不同使用性质而定 需要争取日照的建筑 如病房 幼儿活动室和农业用的日光室等 它们对日照各有特殊的要求 病房和幼儿活动室主要要求中午前后的阳光 因这时的阳光含有较多的紫外线 而日光室则需整天的阳光 对居住建筑 则要求一定的日照 目的在使室内有良好的卫生条件 起消灭细菌与干燥潮湿房间的作用 以及在冬季能使房间获得太阳辐射热而提高室温 7 需要避免日照的建筑大致有两类 一是防止室内过热 主要是在炎热地区夏季一般规筑都需要避免过量的直射阳光进入室内 特别是恒温恒湿的纺织车间 高温的冶炼车间等更要注意 另一类是避免眩光和防止起化学作用的建筑 如展览室 绘图室 阅览室 精密仪器车间 以及某些化工厂 实验室 药品车间等 都需要限制阳光直射在工作面和物体上 以免发生危害 8 3 建筑日照设计应考虑的因素 因此 建筑日照设计的主要目的是根据建筑的不同使用要求 采取措施使房间内部获得适当的而防止过量的太阳直射光 有特殊要求的房间甚至终年要求限制阳光直射 为此目的在建筑日照设计时 应考虑日照时间 面积及其变化范围以保证必需的日照或避免阳光过量射入以防室内过热 因此要相应地采取建筑措施 正确地选择房屋的朝向 间距和布局形式 做好窗口的遮阳处理 且要综合考虑地区气候特点 房间的自然通风及节约用地等因索而防止片面性 9 第二节地球运行的基本知识 地球绕太阳运行规律天球图太阳的高度角和方位角太阳时与标准时 10 一 地球绕太阳运行规律 众所周知 地球绕地轴自转同时绕太阳公转 地球公转的轨道平面称为黄道面 由于地轴 即地球南北极联线 是倾斜的 与黄道面成66 33 的交角 而且在公转运行中 这个交角和地轴的倾斜方向都是不变的 这样就使太阳光线的直射范围在南北纬23 27 之间作周期性变动 从而形成一年中春 夏 秋 冬四季的更替 图1表示地球绕太阳运行一周的行程 11 地球绕太阳运行图 12 地球在公转中 阳光直射地球的变动范围用赤纬 表示 赤纬即太阳光线与地球赤道面的夹角 它是随着地球在公转轨道上的位置 即日期的不同而变化的 图6 l中给出了地球在公转轨道上的几个典型位置 春分 0 夏至 23 27 秋分 0 冬至 23 27 13 赤纬从赤道面算起 向北为正 向南为负 春分时 约在3月21日 太阳光线与地球赤道面平行 赤纬为0 阳光直射赤道 并且正好切过两极 南 北半球的昼夜均等长 春分以后 赤纬逐渐增加 到夏至 约在6月22日 赤纬 23 27 达到最大值 太阳光线直射地球北纬23 27 即北回归线上 以后 赤纬一天天变小 秋分日 约9月22日 赤纬 0 14 在北半球 从夏至到秋分为夏季 北极圈处在向太阳一侧 北半球昼长夜短 南半球夜长昼短 到秋分时又是日夜等长 当阳光继续向南半球移动 到冬至日 约12月22日 阳光直射南纬23 27 即南回归线 赤纬 23 27 这情况恰好与夏至日相反 冬至以后 阳光又向北移动返回赤道 至春分太阳光线与赤道面平行 如此周而复始 地球在绕太阳公转的行程中 不同日期有不同的太阳赤纬 全年主要季节的赤纬值可参见表1 15 表1一年中几个典型日期的赤纬 16 一年中逐日的赤纬也可用Peter J Iumde等人建议的公式粗略计算 式中 赤纬 度 N 从元旦开始计算的天数 17 二 天球图 为了进一步确定太阳对地球上某点的相对位置 可以根据相对运动原理 假定地球不动而太阳绕地球旋转 以地球上的一观测点为圆心O 以任意长度为半径 作一假想球面 设天空中一切星体包括太阳均在此球面上作相对运动 这个球称为天球 见下图 18 天球图作法 19 在天球图上有天轴与地轴平行 有天球赤道面与地球赤道面平行 并以赤纬圈表示一天里太阳在天球上运行的轨迹 此外 过地球上观测点O作与地球的切面与天球相接成大圆 即O点的地平面 从O点作一与地平面相垂直的线与天球相交称为天顶 天顶线与天球赤道面的交角表示了观测点的地理纬度 对观测者来说 任何一天 任何时刻的太阳位置 在天球圈上均可用赤纬 利时角 表示 称为天球坐标 见下图 20 时角是按照地球自转一周 24小时 相当于太阳在天球图上绕天轴一周即360 的原理 不同的时角可表示在一天里不同时间的太阳位置 以其所在时圈的角度表示 即1小时相当于时角15 并规定以太阳在观测点正南向 即当地时间正午12时的时角为0 这时的时圈称为当地的子午圈 对应于上午的时角 12时以前 为负值 下午的时角为正值 21 时角的计算公式为 15 h 12 式中 时角 度h 时间 小时 按当地太阳时计算 天球图上以赤纬时角表示太阳位置 22 三 太阳的高度角和方位角 人在地平面观测太阳位置 需用地平坐标 即以高度角和方位角表示太阳位置 如下图 太阳光线与地平面夹角 h 称为太阳高度角 太阳光线在地平面上的投影线与地平面正南方向所夹的角 A 称为太阳方位角 高度角和方位角 23 任何一个地区 在日出 日落时 太阳高度角为零 一天中在正午 即当地太阳时为12点的时候 高度角最大 在北半球此时的太阳位于正南 太阳方位角以正南为0 顺时针方向的角度为正值 表示太阳位于下午的范围 逆时针方向的角度为负值 表示太阳位于上午的范围 在任何一天里 上 下午太阳的位置对称于中午 例如下午1点对称于上午11点 二者太阳的太阳高度角和方位角的数值相同 只是方位角的符号相反 下图为北纬40 地区冬至和夏至日的太阳方位角的变化情况 24 冬至 夏至日太阳方位角 北纬40 25 四 太阳时与标准时 国际上在1884年经过各国协议 以穿过英国伦敦格林尼治 Greenwich 天文台的经线为本初经线 本初子午线 是经度的零度线 由此向东和向西各分为180 称为东经和西经 各又分为12个时区 每个时区所含地理经度为15度 以太阳经过本初子午线时计为12点 称为 世界时 而每个时区按其中央子午线的平均太阳时为计时标准 称为标准时 相邻区间时差为1小时 我国地域分布从东五区至东九区 为使用方便我国采用东八区的时间为标准时 称为北京时间 在此区中人口最多 因而与世界时时差为8小时 26 日照设计所用的时间均为当地平均太阳时 即以太阳通过当地子午线时为12点 地球自转一周又回到正南时为一天 但地球自转速度并不完全均匀 为计算方便 按一天为24小时计算称 地方平均太阳时 当地太阳时与标准时之间可近似按下式换算 T0 Tm 4 L0 Lm 式中 T0 标准时间 时 分 Tm 地方平均太阳时 时 分 L0 标准时间子午圈所处的经度 度 Lm 当地子午圈所处的经度 度 27 4 换算系数 分 度 由于地球自转一周按24小时计 地球的经度分为360 所以每转过经度l 为4分钟 地方经度在中心经区以西时 经度每差1 地方时比标准时提前4分钟 在中心经度以东时 经度每差1 地方时比标准时推后4分钟 例如我国广州市的经度为113 19 在我国的标准经度120 以西6 41 6 68 则广州地方时12点相当于标准时12点26 73分 12点26分44秒 28 第三节太阳高度角和方位角的确定 确定太阳高度角和方位角的目的 是为了进行日照时数 日照面积 房屋朝向和间距以及房屋周围阴影区范围等的设计 影响太阳高度角和方位角的因素有三 赤纬 它表明季节 即日期 的变化 时角 它表明时间的变化 地理纬度 它表明观察点所在地方的差异 太阳高度角和方位角的计算公式 29 1 求太阳高度角h 式中h 太阳高度角 度 地理纬度 度 赤纬 度 时角 度 式中A 太阳方位角 度 2 求太阳方位角A 30 3 求日出 日没的时间和方位 以 0代入前面式中 可得 h 90 当 时 h 90 当 时 例题见教科书第53页 因日出 日没时h 0 代入上式得cos tan tan 4 中午的太阳高度角 31 第四节建筑日照间距的确定 建筑物日照间距的计算日照间距与建筑布局 32 一 建筑物日照间距的计算 建筑物必须的日照间距 常以在冬至日 12月22日 或大寒日 1月22日 保证室内在正午前后有不少于1小时或2小时的日照时间来确定的 具体的时间要求则需根据 城市居住区规划设计规范 GB50180 93 按地区气候条件及城市特点所作的规定 33 在小区规划中 如果已知前后两栋建筑的朝向及其外形尺寸 以及建筑所在的地理纬度 则可用计算法按照当地所规定日期各小时的太阳高度角和方位角 计算出为保证规定的日照时间所需间距 繁杂的计算工作可用计算机代替 34 日照间距的基本计算式如下 计算参考图如下图 D0 H0 ctgh cos 式中 D0 建筑所需日照间距 m H0 前栋建筑计算高度 前栋建筑总高减后栋建筑第一层窗台高 m h 太阳高度角 度 后栋建筑墙面法线与太阳方位角的夹角 如图 即太阳方位角与墙面方位角之差 即 A 35 36 式中 A 太阳方位角 度 以当地正午时为零 上午为负值 下午为正值 墙面法线与正南方向所夹的角 度 以南偏西为正 偏东为负 当建筑朝向正南时 0 上式可写成 D0 H0 ctgh cosA 37 例题1 北京 40 有一组住宅建筑 室外地坪的高度相同 设其朝向正南 后栋建筑一层窗台高1 5m 距室外地坪 前栋建筑总高15m 从室外地坪至檐口 则其计算高度H0为13 5m 要求后栋建筑在大寒日正午前后有2小时日照 求其必须的建筑间距 38 解 确定太阳赤纬角和时角 查表得大寒日 1月22日 赤纬角 为一20 由于建筑朝向正南 若要正午前后有2小时日照则最理想的日照时间是从11点到13点 在11点和13点二者的太阳高度角相同而方位角的正负号相反 因此 可以只取其中一个时角即可 如取11点 则按其时角 的计算公式可算得 15 1 12 15 39 计算太阳高度角和方位角 以 40 20 15 代入公式即 sinh sin40 sin 20 cos40 cos 20 cos 15 0 473h 28 23 或28 14 40 计算建筑日照间距D0 由于建筑朝向正南 建筑日照间距的计算为 D0 13 5ctg28 23 cos16 05 24 1m解得所需两栋建筑间的距离为至少24 1m 41 例题2 设建设地点 高度及日照要求均与上例同 但建筑朝向为南偏东15 求最小建筑日照间距 解 由于建筑朝向偏东15 即 一15 如取中午12点至14点作为有效日照时间 计算如下 42 计算太阳高度角和方位角 计算方法同前 得大寒日14点的太阳高度角h 23 55 太阳方位角A 30 8 中午12点的太阳高度角h 29 8 太阳方位角A 0 计算墙面法线与太阳方位的夹角 A 得 14点 30 8 15 45 8 中午12点 0 15 15 43 计算日照间距 14点D0 13 5ctg23 55 cos45 8 21 58m 12点D0 13 5ctg29 8 cos15 22 76m在两个间距之间选择较大值 得其最小间距应为22 76m 44 二 日照间距与建筑布局 1 在住宅小区的布局中 满足日照间距的要求常与提高建筑密度 节约用地存在一定矛盾 在设计中如掌握日照规律 便可采取一些灵活的手法 既满足建筑的日照要求 又提高建筑的密度 首先 可适当调整建筑朝向 从朝向正南北改为朝向南偏东或偏西30 的范围内 使日照时间偏于上午或偏于下午 如 例2 由于使朝向偏转15 日照间距即可比用正南朝向的 例1 减少1 34m 据研究结果 朝向在南偏东西15 范围内对建筑冬季日照辐射得热影响很小 朝向在南偏东西15 30 建筑仍能获得较好的日辐射热 但如偏转角度超过30 则不利于日照需要 45 2 调节建筑布局和外形 也可在满足日照要求的基础上增加建筑密度的效果 如图对在南北向行列式布置的建筑 如将前栋建筑的顶层北侧去掉一角 成为北侧错台式 日照时间便可从在冬至日的1小时增为2小时 又如图和图 将正南向行列式布置改为错排行列式或交叉错排行列式布置 利用上下午的斜向日照 这些方法都有可能增加建筑密度 但为了保证日照时间 需进行验算 如图中两排建筑山墙间的距离和影响斜向日照的 角均应满足一定要求 这时建筑日照间距的计算可以运用计算机 也可用图表法 46 南北向行列式布置时在北侧错台 47 第五节棒影日照图及其应用 棒影图绘制原理棒影图的应用 48 一 棒影图绘制原理 在地面上O点立一高度为H的垂直棒oa 在已知某时刻的太阳方位角A和高度角h的情况下 太阳照射到棒的顶端a在地面上的投影为a 则棒影oa 的长度L应为L H ctgh 即在太阳高度均相同时 棒高增加则影长也按比例增加 影的方向则反映了日照方向 日照方位角A与影的方位角A 间的关系为A A 180 如图 49 按照以上原理 可以作出不同高度的棒在一天里各个时间的棒影图 供设计者使用 其中棒高所用的比尺即为棒影图的比尺 图 a b c 分别为北纬40 北京地区 冬至 春分 秋分 简称 春秋分 和夏至日的棒影图 50 棒与影的关系 51 a 52 b 53 c 54 二 棒影图的应用 棒影图的特点是可以直观地得出一天内各时间的日影长度和日影方向 它的应用也很广泛 可求出建筑物的阴影和日照间距 以及了解窗口日照被遮挡情况等 55 1 建筑物阴影区的确定 例3 设求北纬40 地区一幢二层住宅在冬至日 12月22日 上午10点钟的地面阴影 建筑平面如图 采用1 300比尺绘成 建筑高度6m 平屋顶 解 1 首先将绘于透明纸上的屋顶平面图面覆盖于棒影图上 使平面上欲求之A点与棒影图上O点重合 并使两图的指北针方向一致 如图 平面图的比例最好与棒影图比例一致较为简单方便 当比例不同时 要注意棒影图上影长的折算 56 2 如棒影图比例为1 100时 棒高1cm代表1m 比例为1 200时 棒高1cm代表2m 余类推 在图中棒影图比尺为1 100 而平面图所用比尺为1 300 建筑高度为6m 则应选2cm处的影长代表6m高建筑的阴影 这时A点在上午10点的阴影就应落在棒影图的10点钟线上 长度在2cm的棒影处 即AA 3 用相同的方法依次将B C D E各点放在棒影图O点上 可求出它们的阴影B C D E点的影只有一部分落在地上 其他被建筑遮挡 依次连AA BB CC 和DD 等 并从A 作与建筑外边的平行线 即求得建筑影区的边界 57 确定建筑物阴影区 58 按以上方法 还可以同时绘出建筑物在一日内不同时间的阴影区 下图为在北纬40 地区一长方形建筑在冬至日各时间的阴影区 59 2 建筑物室内日照区的确定 用棒影日照图也可求采光口在室内地面或墙面上的投影 即室内日照区 了解室内日照面积与变化范围 对室内地面 墙面等接受太阳辐射所得的热量计算 窗口的尺寸及对室内的日照深度等 均有很大关系 60 例4 求广州冬至日14点 正南朝向的室内日照面积 设窗台高1m 窗高1 5m墙厚16cm 见P56图3 16 解 1 确定室内地面日照区 见P56 2 确定室内墙面日照区 如图中绿色区域部分 关键 比例 窗台宽 墙面折 61 3 建筑物日照时间 朝向和间距的确定 为了解决这一类问题 只需把棒影图旋转180 使用 即将其指北向改为指南向 这样作的目的是 如将某一高度的棒放在其相应的轨迹上 如1m高的棒放在1m的棒影位置 则棒的端点的影应恰好落在棒形图的原点O上 如将2m高的棒放在lm的棒影位置上 则原点O处必然受到棒影的遮挡而无日照 如将小于lm的棒放在lm的棒影上 则对原点O处日照无影响 因此 将棒影图转180 后 可以根据棒高及其在棒影图上的位置判断其对原点O的日照有无影响 62 例3 求广州 北纬23 08 冬至日正南向底层窗口P点的日照时间 设窗台高1 5m 从室外地坪至窗台高 周围建筑的布置情况见下图 图中建筑 高7 5m 建筑 高5 5m 由于减去1 5m窗台高