建筑环境学建筑外环境

1、 第二章第二章 建筑外环境建筑外环境为什么要考虑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第一节 地球绕日运动的规律

2、地球绕日运动的规律地球绕日的运动经度和纬度关于四季关于昼夜太阳在空间的位置太阳高度角 和太阳方位角 经度和纬度地球绕日的运动地球绕日的运动00+23.5-23.5四季 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球绕日的运动地球绕日的运动90e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?北京时间北京时间 昼夜90e北京时间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地球绕日的运动太阳在空间的位置太阳在空间的位置 太阳位置常用两个角度太阳位置常用两

3、个角度来表示：来表示： 太阳高度角太阳高度角太阳方太阳方向与水平的夹角向与水平的夹角 太阳方位角太阳方位角a a太阳方向太阳方向的水平投影偏向南的角的水平投影偏向南的角度度 确定太阳高度角及方位确定太阳高度角及方位角，是为了进行日照时角，是为了进行日照时数，日照面积，房屋朝数，日照面积，房屋朝向和间距及房屋周围阴向和间距及房屋周围阴影区范围等的设计。影区范围等的设计。太阳高度角太阳高度角 sin sin = cos= cos cos cos h h cos cos+ sin+ sin sinsin太阳方位角太阳方位角 sin sina = a = cossincossin h / h /cos

4、cos 太阳在空间的位置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。太阳在空间的位置太阳在空间的位置第二节第二节 太阳辐射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。太阳辐射的电磁波太阳辐射的电磁

5、波太阳辐射太阳辐射能量比例能量比例大气层对太阳辐射的吸收大气层对太阳辐射的吸收落到地球上的太阳辐射能量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太阳辐射能的去向太阳辐射能与太阳高度角太阳辐射能与太阳高度角21大气质量大气质量 min = i0 p mm = l/l = 1/sin 大大大大太阳辐射照度与朝向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关于太阳高度角

6、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太阳高度角冬夏不同冬夏不同大气透明度大气透明度定义：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个等级的分区，1级最透明0.60.650.70.750.80.85024681012月份月份大气透明度大气透明度 p东京晴天的东京晴天的大气透明度大气透明度逐月值逐月值大气层消光系数我国的大气透明

7、度分区我国的大气透明度分区第三节第三节 室外气候室外气候 自然的微气候大气压力风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-101234567405060708090100110大气压力(kpa)海拔高度(km)北京北京太原太原拉萨拉萨昆明昆明玛多玛多兰州兰州格尔木格尔木大气压力大气压力与人体健康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

8、细胞、血红蛋白减少，白细胞数增加。从高压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。净增益净增益净损失净损失辐射增益区辐射增益区 随纬度基本随纬度基本不变不变占地面积占地面积40过渡区过渡区占地面占地面积积36损失区损失区占

9、地面积占地面积36风的测量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：aametmetmet）h（)h(metvvh蒲福风力等级表蒲福风力等级表自由海面状况浪高距地 10 米高处的相当风速风力等级一般(m) 最高(m)陆地地面征象米/秒0静，烟直上00.210.10.1烟能表示方向，但方向标不能转动0.31.520.20.3人面感觉有风，树叶微响，方向标能转动1.63.330.61.0树叶及微枝摇动不息，旌旗展开3.45.441.01.5能吹起地面灰尘和纸张，树的小枝摇动5.57.952.02.5有叶的小树摇摆，

10、内陆的水面有小波8.010.763.04.0大树枝摇动，举伞困难10.813.874.05.5全树摇动，迎风步行感觉不便13.917.185.57.5树枝折毁，人向前行，感觉阻力甚大17.220.797.010.0建筑物有小损，烟囱顶部及平屋摇动20.824.4109.012.5可使树木拔起或使建筑物损坏较重。陆上少见。24.528.41111.516.0陆上很少见，有则必有广泛破坏28.532.61214.0陆上绝少见，摧毁力极大32.736.9风玫瑰图风玫瑰图某地的风向频率分布某地的风向频率分布( (实线为全年，虚线为实线为全年，虚线为7 7月份月份) )某地一年的风速频率分布某地一年的风

11、速频率分布北京地区的风玫瑰图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海陆风和山谷风空气温度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 200300 km 降低1。年较

12、差与纬度年较差与纬度的关系的关系太阳辐射和太阳辐射和日气温变化日气温变化空气温度的日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1820222426283032024681012141618202224时间时间(小时小时)温度温度()空气温度的年变化空气温度的年变化-100102030400730 1460 2190 2920 3650 4380 5110 5840 6570 7300 8030 8760时间(小时)温度()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

13、. 附近有较低温的海风吹来正常的温度梯度：地表热，高空冷正常的温度梯度：地表热，高空冷逆温层逆温层 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有效天空温度大气层吸收10以上的太阳辐射

14、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 ) 地表的黑度地表的黑度波尔兹曼常数波尔兹曼常数地表温度地表温度温度温度有效天空温度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。有效天空温度有效天空温度参考文献：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, 19834

15、/1404)70. 030. 0)(026. 032. 0(9 . 0tstteddsky地表温度地表温度空气温度空气温度水蒸汽分压力水蒸汽分压力日照百分率日照百分率本节作业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？地地 温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

16、全年气温平均温度高12。地名 土壤表面年平均温度td（） 地面温度波幅ad（） 室外空气年平均温度（） 哈尔滨 4.6 22.7 3.6 北京 13.1 15.4 11.4 上海 17.0 11.9 15.7 广州 24.6 7.3 21.8 恒温层温度恒温层温度地层温度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)。22yaza2cos), 0(地层温度地层温度 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

17、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湿度 年变化 内陆和沿海地区差别较大湿度湿度降水 大地蒸发的水分进入大气层，凝结后又

18、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以北第四节第四节 城市微气候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。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

19、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城市热岛热岛强度：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。1983年年

20、1月月2627日日1982年年7月月城市热岛的成因城市热岛的成因 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射和吸收比不同下垫面的反射和吸收比不同下垫面的地表面温度不同下垫面的地表面温度下垫面对气温的影响下垫面对气温的影响砖石地面砖石地面草地草地裸露的土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

21、幕设置导致局部热岛强渡达4来流风向来流风向城市热岛与逆温层城市热岛与逆温层 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。城市热岛与城市热岛与cttc模型模型基准(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背景某新建小区的热岛模拟日平均热岛强度日平均热岛强度/白天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252

22、62728293031323334351:005:009:0013:0017:0021:00time(h)time(h)t()t()气象站s3s2老区北京某新建小区的热岛模拟建筑布局与日照建筑布局与日照 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永久日影红线区内为永久日影区日照的作用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