第二章建筑外环境.ppt

1、第二章 建筑外环境,建筑外环境的学习意义,建筑外环境通过建筑影响室内的建筑环境 建筑环境学的任务 了解各种内、外部因素是如何影响建筑室内环境的 为得到良好的室内建筑环境以满足人们生活和生产的需要，首先必须了解建筑外环境的变化规律及其特征。,构成外环境的气候要素,温度 湿度 太阳辐射 风 降水 地温 有效天空温度,建筑外环境的基本特点,太阳辐射是决定地球宏观气候和微观气候的主要因素 太阳辐射是影响室内环境最重要的气候因素 太阳辐射因时、因地变化,本章内容,太阳辐射 室外气候 我国气候分区 建筑微气候,太阳辐射电磁作用,太阳辐射,太阳辐射波谱及能量,近红外线：0.76m 3.0m ， 45.2%

2、远红外线：3.0m ， 2.2% 可见光： 0.38m-0.76m，45.6% 紫外线： 0.2m-0.38m， 7.0%,太阳辐射,问题,太阳投射给地球表面能量的大小？,太阳辐射,太阳与地球的相对位置,地球直径1.27万千米，太阳直径是地球110倍 太阳离地球的平均距离约1.5亿千米 照射到地球的太阳光线是平行的,太阳辐射,太阳辐射,太阳入射到地平面的入射角变化,空间,时间,太阳辐射,影响因素,决定地球上被照面太阳辐射大小的因素 垂直面的太阳辐射照度 太阳光线与被照面的入射角 大气的吸收与反射,太阳辐射,太阳常数,太阳辐射照度：1m2黑体表面在太阳辐射下所获得的辐射能通量，W/m2 某处的地

3、球大气层外，太阳与地球的年平均距离处，与太阳光线垂直的表面上的太阳辐射照度是常数，太阳常数，I0=1353W/m2,太阳辐射,入射角的变化,太阳位置：地球上某一点所看到的太阳方向 空间地理位置 时间 季节 时刻 接受面的朝向（方位）,太阳辐射,太阳位置的表示,太阳高度角：太阳光线与地平面之间的夹角 太阳方位角：太阳光线在地平面上的投影与南向（当地子午线）的夹角，偏西为正，偏东为负。,太阳辐射,地理位置 纬度（） 季节 赤纬（d） 时刻 时角（h） 太阳高度角和方位角的计算,sin = cos cos h cos d+ sin sind sin A = cos d sin h /cos ,太阳高

4、度角、方位角的影响因素,太阳辐射,高纬度地区太阳高度角低，低纬度地区太阳高度角高。 清晨和傍晚太阳高度角低，中午太阳高度角高。 冬季太阳高度角低，夏季太阳高度角高。,关于太阳高度角的认识,太阳辐射,关于太阳方位角的认识,夏季,冬季,太阳辐射,水平面上的直射辐射照度 垂直面上的直射辐射照度 坡度为平面上的直射辐射照度,太阳辐射强度与太阳入射角,太阳辐射,太阳高度角,太阳辐射强度与太阳入射角,太阳辐射,北纬40总辐射强度的年变化趋势,太阳辐射强度与朝向,太阳辐射,太阳辐射强度的影响因素,入射角 接受面的朝向（方位） 太阳高度角 太阳方位角 大气层的削弱程度？ 入射角 大气透明度,（地理位置、季节、

5、日期）,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，辐射光谱也因此发生了变化,太阳辐射能的去向,太阳辐射,落到地球的太阳辐射能量,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。 所谓太阳总辐射强度一般仅包括前两部分,太阳辐射,距离大气层上边界线x处，与太阳光线垂直的表面上(即太阳法向)的太阳直射辐射照度的梯度与

6、其本身强度成正比,太阳辐射强度的变化规律,dIx = -kIx Ix = I0 exp(-kx) IL = I0 exp(-kL) 太阳位于天顶 P= IL / I0 IN = I0 Pm 太阳不位于天顶 m = L/L = 1/sin Is,z = IN sin 水平面上的太阳直射强度 Ic,z = IN cos cos（A+） 垂直面上的太阳直射强度,法线,太阳辐射,大气透明度的变化范围 主要在0.650.75之间变化，但在一个月份的晴天中可近似认为是常数。 P越接近1，大气越清澈。,Il = I0 exp(-kL) P= Il / I0 m = L/L = 1/sin,k：单位厚度大气层

7、消光系数，m-1 P ：大气透明度 m：大气质量,某城市晴天条件下大气透明度的变化,几个参数的定义,太阳辐射,第二节 室外气候,风 温度 湿度 降水 有效天空温度 地温,室外气候,风,风 由于大气压差所引起的大气水平方向的运动 风的种类 大气环流 地方风 风的成因 地表增温不同,室外气候,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。,室外气候,地方风,由于地表水陆分布、地势起伏、地面覆盖等地方性条件所引起的 海陆风 山谷风 季风,室外气候,梯度风,下垫面对气流的摩擦作用，风速沿垂直方向存在梯度，地面为 0 m/s，可认

8、为按幂函数规律分布 边界层厚度取决于地表粗糙度,室外气候,风的表示风玫瑰图,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,室外气候,空气温度,主要指距地面1.5m高，背阴处的空气温度。,室外气候,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,室外气候,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。,气温变化的原因,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，对太阳辐射几乎是透明体。 地面与空气的热量交换（对流换热）是气温升降的直接原因 空气温度是如

9、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？,室外气候,气温变化的影响因素,主要的影响因素 入射到地面上的太阳辐射热量 地表覆盖面对太阳辐射的吸收和反射性能 大气对流的作用,室外气候,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,室外气候,空气温度的垂直分布,正常情况 空气温度随高度的增加而降低 空气容易产生垂直和水平的流动，空气层处于不稳定状态 逆温状况 空气的温度随高度而增加 对自然对流有很强的抑止作用，空气层处于相对稳定的状态,逆温层,原因 地面有冷源 夜间长波辐射 白天的晴朗无风会加剧 附近有较低温的

10、海风吹来 工业城市的人为散热会加剧,湿度,来源 水体蒸发 植物蒸发 特点 绝对湿度一日中相对稳定 相对湿度与气温变化反相,室外气候,湿度,年变化 内陆和沿海地区差别较大,室外气候,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,室外气候,大气逆辐射,室外气候,大气逆辐射：大气层中的CO2、H2O、臭氧等气体分子吸收太阳辐射和地面的反射辐射，具有一定温度，投向地面的长波辐射热，波长范围主要集中在58m及13m以上。 大气逆辐射起到保存地球热量的作用，对于地面热量平衡具有很大的意义

11、。,有效天空温度,地面与大气层之间的辐射换热量 将大气层等价为黑体，采用有效天空温度Tsky表示大气逆辐射： 有效天空温度的影响因素 云量：云量增加，逆辐射增加，有效天空辐射降低 水汽量：水汽量增加，逆辐射增加，有效天空辐射降低,室外气候,地层温度,地层表面受到太阳辐射和对天空的长波辐射的影响，并以导热方式向土壤深处传递 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后温度日波动由于衰减可忽略。15m深度后温度年波动可忽略 ，成为恒温层（土壤深层），温度比地面

12、气温的全年平均值高13。,室外气候,地层温度,室外气候,恒温层温度,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。,未考虑地热影响的,室外气候,第三节 我国气候分区的特点,“民用建筑热工设计规范”（GB5017693）的五个建筑热工设计分区 主要指标：累年一月和七月的平均温度 辅助指标：累年日平均温度低于5和大于25的天数,建筑热工设计分区,严寒地区,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,建筑热工设计分区及设计特点,城市是一个人类的生产和生活活动高度密集 的区域 建筑物 交通工具 建筑

13、物本身以其高达墙面而成为一种风障， 并在地面与其他建筑物上投下阴影，都会 改变该处的气候条件，形成与农村腹地气 候迥然不同的城市微气候。,第四节 城市微气候,特点 城市风场与远郊不同。除风向改变以外，平均风速低于远郊的来流风速。 气温较高，形成热岛现象。 形成大量的城市阴影。,小区风场,风场是指风向、风速的分布状况 特点 城区的平均风速减小，边界层高度加大 局部区域的主导风向与来流主导风向不同 高层建筑群内产生局部高速流动 （风洞效应 ） 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，

14、局部 1.5 m 高处出现 10 m/s 的高风速。,小区风场,改变建筑布局，小区风环境有明显改善。,城市热岛,热岛现象：城市中心的温度高于郊区，且市内各区的温度也不一致，如果绘制出等温线，就会看到与岛屿的等高线极为相似，这种气温分布的现象称为“热岛现象”。,热岛强度,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：,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,下垫面是气候形成的重要因素 得热 散热 蓄热,人为散热（交通、空调采暖家用电器、炊事） 太阳辐射得热（

15、反射率降低，得热面积增加）,潜热散热 对流散热 长波辐射散热（周围建筑物和天空）,热容量增加,城市热岛的成因,城市热岛与逆温层,热岛效应对逆温层的出现由很大的促进作用，热岛影响所涉及的高度在小城市约为50m，在大城市可达500m高。 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,日照特性,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 目标 冬天尽量多 夏天尽量少,建筑平面布局与日照,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 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