建筑环境学第2章建筑外环境课件

1、1第二章 建筑外环境龚伟申苏州大学2014年2建筑外环境影响因素? 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，必须了解建筑所在地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。与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。3本章内容要点宏观气候太阳辐射作用与地球气候特点 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42.1 地球绕日 运动的规律 2.1.

2、1 地球绕日的运动 2.1.2 太阳位置5经度纬度北纬南纬东经西经经线纬线伦敦格林威治天文台1800090北京时间地球每转1需要4分钟 2.1.1地球绕日的运动?经度, ?纬度61.关于四季：四季因地球公转而形成 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00+23.5-23.5南回归线北回归线2.1.1 地球绕日的运动 地轴倾斜角不变，致使赤纬的变化，形成四季。7公转轴（年/转）1.53108 km1.47108 km 6633冬至：12月22日 90 ( =0)春分：3月21日6633夏至：6月21日 =2327 =2327 90 ( =0)秋分：9月22日NNNNS

3、SSS自转轴（日/转）黄道面黄道面等分24段，每段15天，即为1个节气，全年有24个节气赤纬北回归线南回归线2.1.1 地球绕日的运动 24节气的由来?地球的公转与自转82.关于昼夜：昼夜因地球自转而形成太阳时角2.1.1 地球绕日的运动 9地区标准时间：规定在一定经度范围内使用一种标准时间。如世界时间（本初子午线/格林威治天文台），北京时间（东经120/东8时区）当地太阳时（真太阳时）：太阳在当地正南时为12点，地球自转一周又回到正南时为一天。中国的“标准时”：北京时间=世界时+8小时.全世界共有24个时区，每个时区都按其中央子午线的真太阳时为该时区的标准时（钟表时间）。相邻时区差为1小时。

4、标准时所处经度 120当地经度 11319 12126 当地太阳时 11:33 12:06地区标准时 12:00广州 上海两地时差Decimal Degrees = Degrees + minutes/60 + seconds/3600关于时间10地球每转1约需要4分钟标准时T0和真太阳时TmT0=Tm 4(L0 - Lm)min或北京地处东经11619，北京标准时12点时，其真太阳时11：45。问题：西安（东经10856 ）的真太阳时和北京时间差多少?关于时间90W北京时间伦敦时间90E2.1.1 地球绕日的运动 11关于时间2.1.1 地球绕日的运动 1200+23.5-23.5太阳的位置

5、与日照的关系 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赤纬北回归线南回归线2.1.2 太阳位置13南北回归线北极圈6633北回归线 2327 2.1.2 太阳位置14 时角h:指当时太阳入射的日地 中心连线OP线在地球赤道平面上的投影与当地时间12点时日地 中心连线在地球赤道平面上的投影的夹角。表地球自转的的位置。2.1.2 太阳位置15太阳位置:地球上某一点所看到的太阳方向.常用太阳高度角和太阳方位角来表示.太阳高度角 :太阳方向与水平面的夹角.太阳方位角A:太阳方向的水平投影偏离南向的角度.太阳高度角太阳方位角2.1.2 太阳位置16赤纬和太阳高度角有什么区别？时角

6、和太阳方位角有什么区别？太阳高度角太阳方位角sin = cos cos h cos + sin sinsin A = cos sin h /cos 2.1.2 太阳位置17太阳高度角与纬度的关系2.1.2 太阳位置18影响太阳高度角和方位角的因素赤纬：它表明季节(日期)的变化;时角：它表明时刻的变化;纬度：它表明观察点所在的位置.确定太阳高度角和方位角在建筑环境控制领域有非常重要的作用。确定不同季节设计代表日或者代表时刻的太阳位置，可进行建筑朝向确定、建筑间距及周围阴影区范围计算等建筑的日照设计可以进行建筑的日射得热量与空调负荷得计算，进行建筑自然采光设计。2.1.2 太阳位置19纬度赤纬时角

7、h太阳高度角太阳方位角A计算起点赤道面春秋分正午地平面正南方向性北/南纬|2327|180|90|180|日出S日落N地平面正午时太阳高度角PN 北天极AWE2327太阳轨迹2327冬至春秋分夏至天顶半天球地轴地平圈太阳高度角与季节、时刻的关系不同季节的太阳轨迹2.1.2 太阳位置202.2 太阳辐射2.2.1 太阳辐射电磁波2.2.2 大气层对太阳辐射的吸收211. 太阳辐射强度及太阳常数太阳辐射是地球热量的基本来源，是决定气候的主要因素，也是建筑外部最主要的气候条件之一。太阳辐射强度I：它使指1m2 黑体表面在太阳照射下所能获得的辐射能通量（ W/m2 ）。在地球大气层外，太阳与地球的年平

8、均距离处，与太阳光线垂直的表面上的太阳辐射强度为I。=1353 W/m2 ，称为太阳常数。因太阳与地球之间的距离在逐日变化，大气层上边界处与太阳光线垂直的表面上的太阳辐射强度也会随之变化。一年中1.1最大、7.1最小。 I0=0E()d2.2.1 太阳辐射电磁波22太阳辐射的波谱可见光紫外线近红外线长波红外线 2.0.1m的X射线100 m的无线电（、X、紫外、可见、红外、微波、短波、中波、长波）233. 太阳辐射能量比例进入大气层后，因大气对不同波长的射线具有选择性的反射和吸收作用，到达地球表面的光谱成分有所改变，辐射强度也有所改变。太阳高度角?是重要影响因素之一。大气层上界太阳辐射能量分布

9、2.2.1 太阳辐射电磁波242.2.2 大气层对太阳辐射的吸收 太阳辐射通过大气层时，一部分被反射到宇宙空间；被吸收的一部分为：超短波 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 短波 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 紫外线被大气中的臭氧所吸收 长波被CO2和水蒸气等温室气体所吸收 剩下的一部分直接到达地面的为： 可见光近红外线大气层对太阳辐射的作用云层的反射各种气体分子、尘埃、微小水珠的散射大气气体（氧、臭氧、二氧化碳和水蒸气）的吸收反射、散射和吸收的共同影响，使到达地球表面的太阳辐射照度大大削弱，辐射光谱也因此发

10、生了变化 太阳辐射能的去向26到达地面的太阳辐射能量到达地面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(0.322.5m) 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。 所谓太阳总辐射强度一般仅包括前两部分。2.2.2 大气层对太阳辐射的吸收 271. 大气层消光系数a距大气层上界x处与太阳光线垂直的表面上的太阳辐射强度Ix的梯度与其本身的强度成正比。k比例常数(1/m),k越大，辐射强度衰减越大，a=kL,a又称为消光系数。2.2.2 大气层对太阳辐射的吸收 大气对太阳辐

11、射的削弱程度取决于射线在大气中行程的长短及大气层质量，行程长短与太阳高度角和海拨高度有关。282. 大气透明度 定义：大气透明度：IL/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个等级的分区，1级最透明某地晴天的大气透明度逐月值为何6、7、8月P最低?29我国的大气透明度分区6544332303. 大气质量 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30为什么太阳高度角接近0和90时垂直面的日射量都小？大气层质量1大气层质量22.2.2 大气层对太阳

12、辐射的吸收 INIL314. 建筑物接收到的 太阳直射辐射强度到达地面的太阳辐射强度大小取决于地球对太阳的相对位置（L）和大气透明度P 。建筑物水平面上的直射辐射强度建筑物垂直面上的直射辐射强度32太阳直射辐射能IN、 IDH 、IDV与太阳高度角I033太阳日总辐射照度与朝向地点：北纬404. 建筑物接收到的太阳直射辐射强度345. 太阳直射辐射与太阳高度角 太阳高度角与太阳通过的路径长度密切相关，从而影响日射强度。太阳高度角低则日射强度小 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2.2.2 大气层对太阳辐射

13、的吸收 352.3 室外气候 自然的微气候 大气压力 地层温度 空气温度 有效天空温度 空气湿度 风 降水362.3.1 大气压力 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北京太原拉萨昆明玛多兰州格尔木37大气压力变化平均气压随纬度分布 气压日变化（2） 2.3.1 大气压力高低压对人体的影响381. 风及风的成因风：是指因大气压差所引起的大气水平方向的运动。 风的成因：地表增温不同是引起大气压差的主要原因。 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

14、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， 夏季海洋吹向大陆2.3.2 风与大气边界层 392. 大气环流 赤道得到太阳辐射大于地表的长波辐射散热，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362.3.2 风与大气边界层 403. 地方风：海陆风和山谷风414. 大气边界层 从地球表面到5001000米高的这层空气称之，其厚度主要取决于地表的粗糙度。其原因是下垫面对

15、气流有摩擦作用。425. 风的测量描述风特征的要素：风速和风向。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 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0.33436. 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44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45上海广州的风频图风向频率分布：实线为全年，虚线为7月份4647蒲福风力等级表482.3.3 室外气温 主要指距地面1.5m高，背阴处的空气温度。 空气与地表面以导热、对流和长波辐射形式进行热交换而

16、被加热或冷却以对流为主。对短波辐射几乎是透明体，直接接受太阳辐射的增温是微弱的，只能吸收地面的长波（3120m）辐射。因此，地面与空气的热量交换是气温升降的直接原因。491. 空气温度是如何产生变化的？问题 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？50空气温度的变化日较差：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 200300 km 降低1。年较差与纬度的关系太阳辐射和日气温变化51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

17、温一般出现在下午23时，最低气温一般出现在凌晨45时52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。53原因（机理）地面有冷源1. 夜间长波辐射2. 附近有较低温的海风吹来2. 逆温层 P20正常的温度梯度：地表热，高空冷543. 空气温度的局部效应 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553. 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 (局部逆温层机理)56 2.3.4 有效天空温度Tsky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13 m以上）地表

18、有效辐射：地面与大气层之间的净辐射换热QR QRQgQsky ( Tg4 Tsky4 ) Tsky？地表的黑度波尔兹曼常数地表温度有效天空温度Tsky ，不仅与气温有关，且与大气中的水汽含量、云量及地表温度有关（大致在230K（冬季）285K（夏季）之间）（ 无云时Tsky会很低）572.3.4 有效天空温度Tsky夜间，云层是减少QR的幕；无云时Tsky会很低，沙漠地区利用较低的Tsky进行夜间降温是控制夏季室内热环境的节能方法；但冬季较低的Tsky会造成额外的夜间采暖能耗。 问题：为什么晴朗天气的凌晨植物叶片的表面易结露或结霜？58基本概念地热指地球内部的热量。地热类型高温中温低温温度15

19、0901502590热媒的状态蒸汽水和蒸汽温热水地热能指封闭在地球中距地表足够近的距离内，并可被经济开采的天然热能。地热的分类：地热的应用：发电、采暖、空调等。关于地热2.3.5地层温度59地热的应用及其对建筑环境的影响取水回灌接热泵系统接热泵系统接地下利用水系统地源热泵系统a) 开式水系统 b) 闭式水系统c)热泵系统高较大利用率对环境影响低较小2.3.5 地层温度602.3.5地层温度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：北京全年月平均温差的最大值为30.8 （年较差），北京地层表面温度全年的波

20、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（约15m）便成为恒温层，温度比全年气温平均温度高12。612.3.5 地层温度恒温层温度扬州恒温层温度约为：18左右622.3.5 地层温度 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)。632.3.5 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

21、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64652.3.6 湿度 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 水蒸汽的分压力 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1. 基本知识662. 湿度的日变化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？ 673. 湿度的年变化 年变化 内陆和沿海地区差别较大,南方春夏交接时，气候潮湿，室内地面有泛潮现象。682.3.

22、7 降水 大地蒸发的水分进入大气层，凝结后又回到地面的液态或固态水分，包括雨、雪、冰雹等。降水性质：降水量、降水时间和降水强度。影响因素 气温 地形 大气环流 海陆分布69降水量：指降落到地面的雨、雪、冰雹等融化后，未经蒸发或渗透流失而积累在水平面上的水层厚度，以mm为单位。降水时间：指一次降水过程从开始到结束的持续时间，用h，min来表示。降水强度：指单位时间内的降水量。降水量的多少是用雨量筒和雨量计测定的。降水强度的等级，以24小时的总量（mm）来划分：小雨10；中雨1025；大雨2550；暴雨50100。 降水度量参数2.3.7 降水70我国降水分布 我国降水基本集中在夏季，长江流域在夏

23、初有“梅雨” 降雪集中在北纬35以北712.4 城市微气候城市气候的主要特点：（1） 城市风场与远郊不同；（2）气温较高，形成城市热岛；（3）城市中的云量较高，大气透明度低，太阳总辐射强度比郊区低。72此处易聚集垃圾2.4.1 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 夏季自然通风不良建筑群内风速太低，导致污染物无法排除而聚集建筑群内出现旋风区域，易积聚落叶、废纸、等废弃物风场指风向风速的分布状况。城市风场主要影响城市污染状况。 建筑群内的风 场主要影响热 环境。73小区风场 建

24、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74风场的3-D图：1.5m高处北75小区风场 改变建筑布局，小区风环境有明显改善北76合理建筑布局对小区风场的改善北风冬季主导风向夏季主导风向南风77小区风场 建筑布局风场模拟北北78北京的“热岛现象” 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 1. 热岛强度2.4.2 城市热岛792.4.2 城市热岛 1. 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

25、郊区的气温的差值。单位：80热岛强度等级分为15级 1. 热岛强度81热岛强度事例822. 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2.4.2 城市热岛832.城市热岛的成因2.4.2 城市热岛842.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2.4.2 城市热岛853

26、. 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。2.4.2 城市热岛864. 例子：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）热岛形成的天气条件：风速微弱或无风，天气晴朗或无云、少云，空气层结构较稳定，气压梯度小。到达一定风速时，城郊温差就不存在了。称热岛临界风速。87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。88 北京某新建

27、小区的热岛模拟日平均热岛强度/白天热岛强度 夜间大于白天老区2/1.61.4/0.5S2区2/1.72.1/1.6S3区1.6/0.91.8/1.11.7/0.889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90北京某新建小区的热岛模拟912.4.3 建筑布局与日照（1）日照的作用日照过少导致人体产生的褪黑色素增加，引起精神忧郁 紫外线 杀菌，促进合成维生素D导致皮肤癌（黑瘤病） 可见光获得照明 红外线 带来辐射热能922.4.3 建筑布局与日照 （1）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 心理需要：冬日室内光斑对人的心理有积极作用（2）日照的影响因素 纬度：决定太阳高度角和日射强度 建筑布局：决定遮挡情况 （3）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932.4.3 建筑布局与日照 （4）日影 终日日影：一天中都没有日照 永久日影：终年没有日照 （5）建筑布局与日照 建筑的互遮挡：不同建筑物相互遮挡 建筑的自遮挡：建筑物一部分被另一部分遮挡948:00建筑的互遮挡 冬至日