建筑环境学-建筑外环境

1、第二章 建筑外环境,为什么要考虑建筑外环境?,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。 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。,本章内容要点,宏观气候太阳辐射作用于地球气候特点 地球绕日运动规律 太阳辐射 室外气候 大气压力、风、气温、天空温度、地温、湿度、降水 微观气候人类营造活动形成的局部微气候 城市风场、城市热岛、建筑日照 我国气候分区特点,第一节 地球绕日运动的规律,地球绕日的运动 经度和纬度 关于四

2、季 关于昼夜 太阳在空间的位置 太阳高度角 和太阳方位角,经度和纬度,经线或子午线,纬线,地球绕日的运动,四季,赤纬d,北回归线,南回归线,太阳的位置与日照的关系,赤纬 ：太阳光线与地球赤道平面之间的夹角,地球绕日的运动,南北回归线,地球绕日的运动,地球绕日的运动,地方平均太阳时 世界时 标准时 真太阳时 时角 问题：上海的地方平均太阳时和北京时间差多少?,北京时间,昼夜,北京时间,经度,时区当地标准时,太阳与地球距离变化造成的偏差,地球绕日的运动,太阳在空间的位置,太阳位置常用两个角度来表示： 太阳高度角太阳方向与水平的夹角 太阳方位角A太阳方向的水平投影偏向南的角度 确定太阳高度角及方位角

3、，是为了进行日照时数，日照面积，房屋朝向和间距及房屋周围阴影区范围等的设计。,太阳高度角,太阳方位角,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 sin = cos cos h cos+ sin sin 太阳方位角 sinA = cossin h /cos ,太阳在空间的位置,影响太阳高度角和方位角的因素有三：赤纬()，它表明季节（日期）的变化；时角(h)，它表明时间的变化；地理纬度()，它表明观察点所在的位置。,太阳在空间的位置,第二节 太阳辐射,太阳常数与太阳辐射的电磁波 太阳常数 太阳辐射的电磁波 大气层对太阳辐射的吸收 大气层对太阳辐射的散射、反射与吸收 大

4、气层对太阳辐射的影响程度及影响参数 水平面和垂直面上的直射辐射照度,太阳常数,指太阳与地球之间为年平均距离时，地球大气层上边界处，垂直于阳光射线的表面上，单位面积单位时间内来自太阳的辐射能量，I0=1353 W/m2。,太阳辐射的电磁波,可见光,紫外线,近红外线,长波 红外线,太阳辐射能量比例,大气层对太阳辐射的吸收,落到地球上的太阳辐射能量,由三部分组成 直射辐射：为可见光和近红外线 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 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。 所谓太阳总辐射照度一般仅包括前两部分,太阳辐射能的去向,

5、太阳辐射能与太阳高度角,21,大气质量 m,IN = I0 P m m = L/L = 1/sin,为什么太阳高度角接近0和90时垂直面的日射量都小？,太阳辐射照度与朝向,北纬40的总辐射照度,关于太阳高度角,太阳高度角与太阳通过的路径长度密切相关，从而影响日射照度。太阳高度角低则日射照度小 冬季太阳高度角低，夏季太阳高度角高 清晨和傍晚太阳高度角低，中午太阳高度角高 高纬度地区太阳高度角低，低纬度地区太阳高度角高,太阳高度角冬夏不同,大气透明度,定义：I1/I0 = P = exp (-kL)，P1 最透明 变化范围：0.650.75，在一个月份的晴天中可近似认为是常数 我国将大气透明度作了

6、6个等级的分区，1级最透明,东京晴天的大气透明度逐月值,大气层消光系数,我国的大气透明度分区,6,5,4,4,3,3,2,我国的大气透明度分区,第三节 室外气候,自然的微气候 大气压力 风 空气温度 有效天空温度 地层温度 空气湿度 降水,大气压力随海拔高度而变 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 海平面大气压力称作标准大气压，为101325 Pa 或 760 mmHg,大气压力,大气压力与人体健康,人体可以忍受的大气压力的范围从0.303-15atm。 低气压导致的缺氧对人体的威胁极大。 高气压环境导致人体血液中的含氧量增加，红细胞、血红蛋白减少，白细胞数增加。 从高压

7、环境快速回到标准大气压环境，会形成气栓，甚至危及人的生命。,风,风的成因 大气环流：造成全球各地差异 赤道和两极温差造成 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 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,大气环流,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。,风的测量,测量开阔地面 10m 高处的风向和风速作为当地的观测数据 风速有梯度，地面为 0 m/s，可认为按幂函数规律分布，如：,蒲福风力等级表,风玫瑰图,某地的风向频率

8、分布 (实线为全年，虚线为7月份),某地一年的风速频率分布,北京地区的风玫瑰图,粗线：全年 细实线：冬季，122月份 虚线：夏季，68月份,海陆风和山谷风,空气温度,主要指距地面1.5m高，背阴处的空气温度。 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。 空气温度是如何产生变化的？ 白天地表温度升高与空气温度升高，谁是诱因？ 夜间地表温度降低与空气温度降低，谁是诱因？ 白天和夜间的空气垂直分布应该是怎么样的？,空气温度,日较差：一日内气温的最高值和最低值之差。 年较差：一年内最冷月和最热月的月平均气温差。 年平均温度：向高纬度地区每移动 200

9、300 km 降低1。,年较差与纬度的关系,太阳辐射和日气温变化,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,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。,原因地面有冷源 1. 夜间长波辐射 2. 附近有较低温的海风吹来,逆温层,逆温层,由于夜间地面长波辐射的冷却作用，使得接近地面的空气被冷却，温度低于远离地面的空气层，就会形成辐射逆温。 逆温层对自然对流有很强的抑止作用，这时空气层就处于相对稳定的状态。 逆温层极不利于地面附近空气层中的污染物扩散，对城市的大气污染有加剧作用。,受

10、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,空气温度的局部效应,空气温度的局部效应,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,有效天空温度,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（58m及13m以上） 地表有效辐射：地面与大气层之间的辐射换热QR QRQgQsky ( Tg4 Tsky4 ),有效天空温度,有效天空温度不仅与气温有关，而且与大气中的水汽含量、云量以及地表温度等因素有关。 云层、雾会使有效天空温度升高。 在沙漠中由于天气晴朗以及空气中的水汽量稀少，所以有效天空温度很低。 随着高度的增大，有效天空温度随之减小。,有效天

11、空温度,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,本节作业,是空气温度改变导致地面温度改变，还是地面温度改变导致空气温度改变？ 为什么晴朗天气的凌晨树叶表面容易结露或结霜？,地 温,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 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 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。,恒温层温度,地层温

12、度,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： 边界条件为过余温度 A是地层表面温度的波幅()，Z是波动周期(小时)。,地层温度,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。 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。,地层温度,来源 水体蒸发 植物蒸发 影响因素 地面性质 水体分布 季节 阴晴,水蒸汽分压力 冬季较低，夏季较高 湿热地区：1520 mbar 寒冷和沙漠地区： 2 mbar 日变化较小，季

13、节变化较大 内陆地区夏季：上午910时和晚上910时最高，凌晨和午后最低 沿海地区夏季和各地秋冬季：日变化与气温日变化一致,湿度,日变化 绝对湿度一日中相对稳定 相对湿度与气温变化反相,湿度,年变化 内陆和沿海地区差别较大,湿度,降水,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 降水强度：24小时的降水总量，单位 mm (或cm) 影响因素 气温 地形 大气环流 海陆分布,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,第四节 城市微气候,小区风场 城市热岛 建筑布局与日照,城市气候主要有以下特点： （1）城市风场与远郊不同。除风向改

14、变以外，平均风速低于远郊的来流风速。 （2）气温较高，形成热岛现象。 （3）城市中的云量，特别是低云量比郊区多，大气透明度低，太阳总辐射照度也比郊区弱。,此处易聚集垃圾,小区风场,形成机理 建筑物对来流风的阻碍和聚集作用 小区内太阳辐射导致各表面存在温差而形成的自然对流 不当风场的危害 冬季造成热负荷增加 高风速影响人员行动 夏季自然通风不良,小区风场,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,61,风场的3-D图：1.5m高处,小区风场,改变建筑布局，小区风环境有明显改善,小区风场,建筑布局,风场模拟,城市热岛

15、,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）附近远郊的气温的差值。单位：,伦敦的城市热岛,伦敦地区冬季月均热岛强度达到6.7（12 F）,北京的城市热岛,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。,城市热岛的成因,自然条件 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 云量：市区内云量大于郊区 太阳辐射：市内大气透明度低 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 人为影响：“人为热” 交通、家用电器、炊事产热 空调采暖产热,城市热岛的成因,城市热岛的成因：下垫面的影响,不同下垫面的反

16、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,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渡达4,来流风向,城市热岛与逆温层,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。,城市热岛与CTTC模型,基准(背景)温度,太阳辐射造成的温升,夜间对天空长波辐射造成的空气温降,市区,气象站,背景某新建小区的热岛模拟

17、,日平均热岛强度/白天热岛强度,北京某新建小区的热岛模拟,S2区临马路，S3区绿化好，老区建筑布局不通风,北京某新建小区的热岛模拟,建筑布局与日照,日照的作用 冬季采暖：充分利用太阳能 自然采光需要：适当的散射辐射 健康和心理需要：冬日室内光斑对人的心理有积极作用 影响因素 纬度：决定太阳高度角和日射强度 建筑布局：决定遮挡情况 目标 冬天尽量多：但太阳高度角低易被遮挡 夏天尽量少：但太阳高度角高不易被遮挡,建筑布局与日照,我国民用住宅设计规范要求每户至少有一间房间冬至日满窗日照时间不低于1小时。 日影 终日日影：一天中都没有日照 永久日影：终年没有日照 建筑布局与日照 建筑的互遮挡：不同建筑

18、物相互遮挡 建筑的自遮挡：建筑物一部分被另一部分遮挡,永久日影红线区内为永久日影区,日照的作用,日照过少导致人体产生褪黑色素增加，引起精神忧郁 紫外线: (0.20.4 m) 作用：杀菌；促进人体合成维生素； 危害：过度的照射会危害人体健康；由于氯氟碳化合物对臭氧层的破坏，导致紫外线辐射增强；是黑瘤的致病因素；导致皮肤癌. 可见光(0.40.77 m) 在照明学上有重要意义； 红外线(0.774.0 m) 造成热效果的主要因素；日照强度大小和时间长短对人类行为的影响；,有关日照的规范与标准,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,城市居住区规划设计规范规定,城市居住区规划设计规范关于间距系数的规定,第五节 我国气候分区特点,两个分区标准 “民用建筑热工设计规范” （GB501762015） 五个建筑热工设计分区 “建筑气候区划标准” （GB5017893） 七个建筑气候区划分区,建筑热工设计分区,严寒地区,寒冷地区,夏热冬冷区,夏热冬暖区,温和地区,寒冷地区,严寒地区,寒冷地区,严寒地区,建筑气候区划标准的分区法,I区,II区,