《建筑外环境》-第一章

第一节室外环境概述一、地球绕日运行的规律地球是太阳系八大行星之一，按距离太阳由近及远的次序为第三颗。它有一个天然卫星——月球，二者组成一个天体系统——地月系统。

地球上的任何一点位置都可以用地理经度和纬度来表示。经度是地球上一个地点离本初子午线的南北方向走线以东或以西的度数。本初子午线的经度是0°，地球上其他地点的经度是向东到180°或向西到180°。经度没有自然的起点，作为本初子午线的那条线是人为订出来的（图1-1）。

一切垂直于地轴的平面同地球表面相割而成的圆，都是纬线，它们彼此平行。其中通过地心的纬线叫赤道，赤道是一根人为划分的线。下一页返回第一节室外环境概述二、太阳在空间的位置及其辐射效应（一）太阳在空间的位置太阳位置常用两个角度来表示，即太阳高度角犺和太阳方位角α。（１）高度角：太阳直射光线与地球表面之间的夹角（图１-２中的角h）。高度角的计算式为：Sinh＝sinφsinδ＋cosφcosδcosH式中h——太阳高度角；

φ——测点纬度；

δ——太阳赤纬；

H——时角。上一页下一页返回第一节室外环境概述（２）方位角：测点与太阳在水平面上投影点之间连线和正南方向的夹角（图１-２中的角α）。方位角的计算式为：当计算得到｜α｜＞90°时用下式：

图1-3所示为夏至到冬至这一段时间太阳在中午照射时的太阳高度角h与纬度φ

之间的关系。O点表示地心，QQ′表示赤道，NS表示地球轴线。上一页下一页返回第一节室外环境概述（二）太阳辐射能量与辐射强度１．地球上太阳辐射年总量太阳辐射为地球接收到的一种自然能源。太阳光线的正交面上的辐射强度约为1.44W／m２。地球地表受到的短波与长波年辐射量如图1-4所示。２．太阳常数与太阳辐射电磁波太阳是一个直径相当于地球110倍的灼热气团，在地球大气层外，太阳与地球的平均距离处，与太阳光线垂直的表面上的辐射强度约为1353W／m２，被称为太阳常数。在太阳辐射未进入大气层之前，其波谱如图1-5所示，在不同波长的辐射中，能转化为热能的主要是可见光和红外线。上一页下一页返回第一节室外环境概述（三）大气层对太阳辐射的吸收太阳辐射通过大气层时各部分的大致比例见图1-6。由于反射、折射和吸收的共同作用，使得太阳辐射到达地面时被极大地削弱了。这其中包括：太阳辐射遇到云层时要反射出一部分；大气层中各种气体分子的折射也减弱了太阳辐射；大气层中的氧、臭氧、二氧化碳和水蒸气又吸收了一部分太阳辐射；大气中尘埃对太阳辐射的吸收也是不可忽视的。太阳辐射到达地面后，一部分被地面吸收，另一部分则由地面向天空反射。

图1-7所示为夏季中午太阳辐射热交换的情况。上一页下一页返回第一节室外环境概述太阳辐射是以太阳直射辐射照度、散射辐射照度及用两者之和的太阳总辐射照度表示。到达地球表面的太阳辐射由两部分组成，一部分是太阳直接照射到地球表面的部分，称为直射辐射；另一部分是经过大气散射作用后而到达地面的，称为散射辐射。直接辐射与散射辐射之和就是到达地面的太阳辐射总和，称为总辐射。三、日照的作用与效果日照是指物体表面被太阳光直接照射的现象。从太阳光谱可以知道，到达大气层表面的太阳光波长范围大约在200～300nm之间。上一页返回第二节室外气候要素一、大气压力空气分子不断地做无规则的热运动，不断地与物体表面相碰撞，宏观上，物体表面就受到一个持续的、恒定的压力，物体表面单位面积所受的大气分子的压力称为大气压强或气压。空气可看成是混合理想气体，压强p可写成：式中——气体的分子数密度，单位体积内的分子数；——分子的平均动能，，K为波尔兹曼常量

（K＝1.3806×10－23J/K）；T为热力学温度（Ｋ）。下一页返回第二节室外气候要素二、风风是自然界由大气压力差所引起的大气水平方向的运动。地表增温不同是引起大气压力差的主要原因，也是风的主要成因。可分为大气环流与地方风两大类。由于照射在地球上的太阳辐射不匀，造成赤道和两极间的温差，由此引发的大气在赤道和两极之间运动，叫做大气环流。地方风是由于地表水陆分布，地势起伏、地表覆盖等地方条件不同引起的，如水陆风、山谷风和林原风等(图1-8)。风向和风速是描述风特性的两个要素。人们把风吹来的地平方向确定为风的方向，为了直观地反映一个地方的风向和风速，通常用风玫瑰图来表示(图1-9)。上一页下一页返回第二节室外气候要素三、室外气温室外气温一般是指距地面1.5ｍ高、处于背阴处的空气温度。一日内气温的最高值和最低值之差称为气温的日较差，通常用来表示气温的日变化。一年中各月平均气温也有最大值与最低值。由于引起空气温度变化的太阳辐射是周期的，所以空气温度的变化也是周期性的。气温可以根据气象台站的观测资料，按变化周期进行谐量分析，即将气温表示成傅立叶级数形式：上一页下一页返回第二节室外气候要素

建筑不宜布置在山谷、洼地、沟底等凹地里，因冬季冷气流在凹地里形成对建筑物的“霜洞”效应。位于凹地的底层或半地下层建筑若保持所需的室内温度所耗能量会相应增加，如图1-10所示。四、湿度空气湿度是指空气中水蒸气的含量。一般以绝对湿度和相对湿度来表示。绝对湿度的日变化受地面性质、水陆分布、季节寒暑、天气阴晴等的影响，一般是大陆低于海面，夏季低于冬季，晴天低于阴天。相对湿度日变化趋势与气温日变化趋势相反。上一页下一页返回第二节室外气候要素五、降水从海洋和大地蒸发出来的水进入大气层，经过凝结又降回地面的液态或固态水分称为降水。降水特性包括降水量、降水时间和降水强度。降水量是指降落到地面的雨、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。降水时间是指一次降水过程从开始到结束的持续时间，以ｈ、min表示。降水强度是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24h的总量(mm)来划分。上一页返回第三节城市微气候一、空气温度和辐射温度由于城市地面覆盖物多，发热体多，加上密集的城市人口的生活和生产中产生的大量的人为热，导致城市区域空气平均温度、瞬时温度的空间分布均大于郊区，形成众所周知的城市热岛现象（图1-11）。热岛效应影响所及的高度叫做混合高度，在小城市约为50m，大城市则可达500m以上。下一页返回第三节城市微气候二、风场风场是指风向、风速的分布状况。

在大环境天气系统背景风速很大的情况下，地面风进入市区，粗糙的城市下垫面层使得市区风场分布变得极为复杂。其特征：一是平均风速明显小于郊外；二是风向分布基本无规律可循；三是在部分区域形成风影区（无风区）和强风区。在大环境天气系统背景风速较小或无风的情况下，城市风场即为由城市热岛现象引起的热力紊流，称为“城市风”。这种风常认为是“污染风”。上一页下一页返回第三节城市微气候三、湿度和降水城市区域由于大量的建筑物和大面积的道路硬质铺装，使自然蒸发量减小，空气绝对湿度和相对湿度较郊外略低，日波动模式亦与郊外有所不同，所以年平均相对湿度比郊区低。但因城区空气中尘埃浓度较高，所以雾和云量亦高，城区的降水量较郊外要多。但是较多的降水并不能增加城区地表的储水量，而是将降水由排水设施迅速输送至城外。上一页下一页返回第三节城市微气候四、日照与建筑物的配置建筑的合理布局有利于改善日照条件。在住宅楼组合布置时，应注意从一些不同的布局处理中争取良好日照。在多排多列楼栋布置时，采用错位布局，利用山墙空隙争取日照（图1-12）。点、条组合布置时，将点式住宅布置在好朝向位置，条状住宅布置在其后，有利于利用空隙争取日照（图1-13）。在严寒地区，城市住宅布置时可通过利用东西向住宅围合成封闭或半封闭的周边式住宅方案。这种布局可以扩大南北向住宅间距，可以形成较大的院落，对节能节地有利。全封闭围合时，开口的位置和方位以向阳和居中为好。上一页下一页返回第三节城市微气候五、建筑形态与气流单体建筑物的三维尺寸对其周围的风环境带来较大的影响。从节能的角度考虑，应创造有利的建筑形态，减少风流、减少风压、减少耗能热损失。建筑物越长、越高，进深越小，其背风面产生的涡流区越大，流场越紊乱，对减少风速、风压有利（图1-15至图1-17）。从避免冬季季风对建筑的侵入来考虑，应减少风向与建筑物长边的入射角度（图1-18）。风向相同间距不同时迎风面风速百分率的比较（图1-19）。上一页下一页返回第三节城市微气候分析下列建筑物形成的风环境可以发现：（1）风在条形建筑背面边缘形成涡流。建筑物高度越高，深度越小，长度越大时，背面涡流区越大（图1-20）。（2）风在Ｌ形建筑中，图1-21（ｂ）所示的布局对防风有利。（3）形建筑形成半封闭的院落空间，图1-22所示的布局对防寒风十分有利。（4）□形建筑当有开口时，其开口不宜朝向冬季主导风向和冬季最不利风向，而且开口不宜过大（图1-23）。（5）将迎冬季季风面作成一系列台阶式的高层建筑，有利于缓冲下行风（图1-24）。（6）将建筑物的外墙转角由垂直相交成90°直角改为圆角有利于消除风涡流（图1-25）。上一页下一页返回第三节城市微气候（7）低矮的圆屋顶形式，有利于防止冬季季风的干扰。（8）屋顶面层为粗糙表面可以使冷风分解成无数小的涡流，既可以减少风速也可以多获得太阳能。（9）建筑物高度是对风速产生影响的重要因素。当风遇到建筑物垂直的表面时，便产生下冲气流形成下行风，其风速不变，和地面附近水平方向的风一道在建筑物附近产生高速风和涡流。（10）不同的平面形体在不同的日期内建筑阴影位置和面积也不同，节能建筑应选择相互日照遮挡少的建筑形体，以利于减少因日照遮挡影响太阳辐射得热（图1-26）。上一页返回图1-1经度圈返回图1-2太阳直射的高度角和方位角返回图1-3夏至到冬至时太阳高度角与纬度之间的关系（北纬40°）返回图1-4地球上太阳辐射年总量（以大气顶部的入射量为100％）返回（ａ）太阳的短波辐射；（ｂ）地球的长波辐射图1-5太阳的辐射波谱返回图1-6地球表面太阳辐射的热平衡返回图1-7太阳辐射热交换示意图返回图1-8几种地方风返回（ａ）水陆风；（ｂ）山谷风；（ｃ）林原风图1-9风玫瑰图返回（ａ）风向频率分布；（ｂ）风速频率分布图1-10对建筑物的“霜洞”效应返回图1-11城市热岛剖面示意图返回图1-12错落布置，利用山墙

间隙提高日照水平返回图1-13条式和点式住宅结合

布置改善日照效果返回图1-15建筑物长度变化对气流的影响返回图1-16