建筑生态环境

1、建筑生态环境Architectural Ecological Environment 导言（Introduction）n生态环境（Ecosystem)： 生态系统中进行物质和能量流动的条件（因子or Factors in English).n生态因子： 1. 生物因子：光、温度、湿度、大气、水和土壤等; 2. 非生物因子：动物、植物与微生物等。建筑与生态环境关系n作用与反作用（Interaction)n作用的尺度n认识的不断深入本课程内容n环境学基本知识n生态学基本知识n城市气候n建筑群中风环境n城市大气污染及其控制n建筑群中声环境n建筑绿化n自然能源在建筑中利用环境科学基础n环境的基本概念

2、定义：某一中心或主体（通常指人类或一特定人群）周围对该中心或主体有影响的自然因素和社会因素的总和。n环境的组成 三部分：自然环境人工环境社会环境 n建筑环境（Built Environment)1.建筑室内热环境；2.建筑室内光环境；3.建筑室内声环境；4.城市热湿环境；5.建筑群中风环境；6.城市大气环境；7.建筑群中声环境环境学基本知识n环境的构成n环境要素的基本属性n最差因子限制定律n等值性n整体性大于各个个体之和:n互相联系、互相依存n环境对于干扰所具有的特性n整体性n有限性n不可逆性n隐现性n持续性1.灾害放大性环境的自净机能n环境的自净机能： 环境具有一种机能，在一定程度上，借助一

3、系列物理、化学、生物过程，被异物污染的环境都有清除异物，恢复原状的能力。n大气的自净作用：1. 风力使污染物扩散、稀释，降低浓度；2. 重力作用使污染物下沉，降落到地面；3. 雨水冲洗，把污染物带到地面；4. 植物光合作用，降低co2,so2等有害气体浓度。环境的自净机能n水体的自净作用：1. 水湍流扩散、稀释污染物；2. 重力作用使污染物下沉，降落到水体底部；3. 微生物分解，使污染物变为无害或降低浓度（生物净化）；4. 氧化还原反应化学自净。n环境的自净机能的特征：1. 不同环境的自净能力不同： 例如：风大，空气自净能力大；水流速度大，水体自净能力大。2. 环境的自净能力是有限的： 环境容

4、量：环境对异物可容纳的总量，也称为环境負荷。 污染物超过环境容量，环境的自净作用无法使环境恢复原状。环境问题n两类问题：1.第一环境问题（原生环境问题）：由自然力引起，如火山爆发，地震，台风，洪水，旱灾，地方病等。2.第二环境问题（次生环境问题）：由人类因素引起，如森林减少，水土流失，地下水过度采集，工业废品大量排放等。n全球环境问题：1.臭氧层耗损(Ozone hole)：CFCs2.温室效应，全球变暖：Greenhouse effect, Global warning，IPCC，UN/FCCC.3.酸雨：SO24.生态系统简化：Bio-diversity ()5

5、.森林面积减少：大面积砍伐；6.土壤退化：土壤沙漠化，土壤侵蚀；7.淡水资源危机：水污染加剧了危机；8.海洋污染：废物大量排放，石油污染；9.固体废料污染：工业、生活固体废物；10.有害化学品污染：如重金属污染，废旧电池问题。中国环境状况n水环境： 我国七大水系受到不同程度的污染，主要污染物为高锰酸钾和生化需氧量（COD）。 长江：干流污染较轻； 黄河：污染+断流； 珠江：水质尚可； 淮河：污染严重； 海滦河：污染严重； 大辽河：水质差，污染严重； 松花江：水质差，污染严重；n大气环境：煤烟型，SO2；酸雨（PH5.6，南方大于北方）；臭氧层报护；温室气体。n城市环境： 空气质量：北方重于南方

6、，SO2； 水污染：有机物污染； 噪声污染：日趋严重； 垃圾：白色污染n气候变化：暖冬，冬暖，夏热，春来早，秋去迟。可持续发展(Sustainable Development)n1987年提出(Our common future)n定义：meeting the needs of people today without destroying the resources that will be needed by persons in the future. n基本原则： 公平性：当代人，代际间； 持续性：资源与环境承载力； 共同性：全球目标。n相关网站： www.sustainable.do

7、生态学基本知识n生态学（Ecology） 1.1869年由德国生物学家E.Haeckel提出，1986年创立。 2.定义：研究生物与生物，生物与环境之间相互关系的科学。 3.生态学基本规律： （1）相互依存、相互制约规律（物物相关规律和相生相克规律）； （2）微观与宏观协调发展规律； （3）物质循环转化与再生规律； （4）物质输入输出的动态平衡规律； （5）相互适应与补偿的协调进化规律； （6）环境资源的有限性规律。n生物圈（Biosphere） 1.定义：地球表面全部有机物及其相互作用的生存环境的总称。 2.空间尺度：海平面以下11km至其上10km。 3.三个部分：气圈，水圈，岩

8、石圈生态学基本知识n生态系统（Ecosystem） 1. 定义： 在一定空间内，生物与环境之间，生物与生物之间，互相依赖，互相制约，并进行物质、能量交换，这种在一定空间中的生物与环境的综合体称为生态系统。可概括为：生态系统=生命系统+环境条件。 2.生态系统的组成： （1）非生物环境：Inorganic substances，organic compounds，climate regime。 （2）生产者（producers）：包括绿色植物，一些细菌； 光合作用（photosynthesis）：水+CO2碳水化合物，蛋白质，脂质（有机质） 太阳能化学能（贮存） （3）消费者（consumers

9、）：动物，非绿色植物；食物链（food chains）； （4）分解者（decomposers）：土壤，微生物（大多数细菌，真菌）； 有机质简单无机化合物 生态学基本知识n生态系统（Ecosystem）3.生态系统的特征： （1）具有生物学特征生产：如发育、代谢、繁殖、生长、衰老等，动态变化； （2）具有一定区域特征：如寒带与热带雨林的森林生态系统有明显差异； （3）开放的自律系统：自然生态系统具有开放、自我维持特征； （4）反馈系统：自动调节，维持正常的功能，但自动调节功能是有限的。4.生态系统的功能： （1）生物生产； （2）能量流动：能流变化，不可逆，耗散，利用率低； （3）物质流动（循

10、环）：水循环，碳循环，氧循环，氮循环，硫循环等； （4）信息流动：营养信息，物理信息，化学信息，行为信息等。生态学基本知识n生态平衡（Ecological Balance） 1. 定义： 生态系统内部各组分之间，在一段时间内，在一定条件下，保持自然的、暂时的、相对的动态平衡关系，称为生态平衡。 2.生态平衡的机制： （1）生态系统内部的“正反馈”与“负反馈”机制； （2）在一定条件下，人类具有调节和控制生态平衡的能力； 3.生态失衡的原因： （1）自然因素：火山爆发、地震、旱涝灾害、流行病等，第一环境问题； （2）人为因素：物种改变，环境因素改变，信息系统破坏等。生态学基本知识n城市生态系统1

11、.定义：2.特征（相比于自然生态系统）： （1）改变了生态系统的主体：生物 人类；决定因素为：人类社会经济活动。 （2）非自律的开放系统：需要其它生态系统提供大量物质、能量；排除大量废物需要人工技术手段处理，或排向其它生态系统，借助其它生态系统的自净能力消除其不良影响； （3）城市生态系统的结构、功能、大小不同于自然生态系统： a.形态结构：水平垂直分布均为人工形成； b.营养结构：人为因素起主要作用； c.物质流、能量流、信息流增大； d.城市生态系统不稳定。环境等的社会文化环境、经济人类经济社会活动形成公共设施等）人类技术物质（建筑、人工环境生物等）生物（动物、植物、微自然环境人类生存环境

12、人类城市生态系统生态学基本知识n城市生态环境 1. 定义： 城市人口与城市环境的统一体以及在这一统一体中进行物质、能量流动的因素总和称为城市生态环境。 2.组成： 3.城市生态环境与城市生态系统的关系： （1）城市生态系统是以人为中心的城市生态环境系统（Miller, 1979）； （2）两者本质相同，研究侧重点不同； a. 城市生态系统侧重网络结构关系和调控机理研究； b. 城市生态环境侧重环境特征、要素结构功能关系，以及污染物环境行为和效应研究。、医疗等）社会服务（科教、政法、金融、信息等）生产对象（工业、农业、管线等）人工设施（建筑、交通城市人工环境植物、微生物等）生物环境（城市动物、资

13、源等）貌、气候要素、水文水物理环境（城市地质地城市自然生态环境城市生态环境生态学基本知识n城市化的生态环境效应 1. 定义： 城市化的生态环境效应是指城市自然过程和人为活动造成的环境污染和破坏，引起城市生态环境结构和功能的变化，以及生态环变异。 2.三类效应： （1）物理效应：由声、光、热、电磁辐射等物理作用引起的生态环境效应，如城市热岛效应、温室效应等。 （2）化学效应：由物质之间化学反应引起的生态环境效应，如城市环境酸化效应（酸雨污染）、光化学烟雾、地下水硬化等。 （3）生物效应：由环境因素变化导致生物系统变异的效应，如生物种类减少，生物系统简化等。城市气候n城市气候定义 城市气候是指在区

14、域气候（regional climate）的背景下，在城市特殊下垫面和城市人类活动的影响下，形成的一种局地气候（local climate）。n城市化（Urbanization）对气候影响的机制 1.城市下垫面性质改变及其影响 Covering the ground with artificial instead of natural materials。 建筑物集中：自然地貌（土壤+植被+水面） 人工地貌（RC、石、砖瓦、沥青、金属等） 因此： （1）对太阳辐射反射率减小；（2）导热系数、热容量大，蓄热能力强；（3）不透水面积大，蒸发少； （4）风速小； （5）街谷，天穹可见度小，长波散热少

15、。 2.城市大气成份改变及其影响 能源矿物质燃料CO2、SO2、NOx、CO 因此： （1）改变太阳入射辐射和日照时间；（2）影响大气透明度，减弱可见度；（3）改变长波辐射性质，温室效应。 3.城市人为热释放及其影响 城市人为热释放远大于郊区。城市气候n城市大气分层图（见戴著p217，刘著p73）城市边界层（urban boundary layer）：城市建筑屋顶至积云中部，高约500米；城市覆盖层（urban canopy layer）：城市建筑屋顶至地面，高约100米；乡村边界层（rural boundary layer）：城市建筑屋顶至地面，高约200米；n城市大气尘盖图（见戴著p218

16、）尘盖（罩盖）效应城市气候n城市气候特点变量变化强度temperatureWarmer1-3CHumidityLessCloudMoreFogDepends onPrecipitationLess snow, more total precipitationVisibilityReduced变量变化强度UV radiationMuch less2990%Solar radiationLess125%EvaporationLess50%Heat fluxMore50%TurbulenceGreater1050%Wind speedDecreased530% at 10mWind directio

17、nAltered110城市热岛效应（UHI）n定义 城市气温高于郊区，愈接近市中心气温越高，市区任一水平面的等温线图如同海岛等高线一样的一族曲线，将气温分布的这种特殊现象称为城市热岛。城市热岛是城市化的必然产物。n热岛强度 市区气温与郊区同期气温差值大小称为热岛强度，即： n城市热岛的时空分布特点 1.水平方向：见戴著p224，刘著p55； 2.垂直方向（高度方向）：地面附近热岛强度最大，向上逐渐减弱； 3.时间变化：夜晚热岛效应强，白天热岛效应弱。ruruTTT，降水量，其它）时间，风速，人口密度(fTru城市热岛效应（UHI）n城市热岛的成因 （1）对太阳辐射反射率减小，太阳辐射在建筑物之

18、间多次反射、吸收；（2）导热系数、热容量大，蓄热能力强，白天吸热，夜晚降温慢；（3）不透水面积大，蒸发散热少； （4）风速小，显热散热少； （5）街谷，天穹可见度小，长波散热少。 （6）城市人为热释放量大。n城市热岛的生态环境效应 （1）冬季采暖期可缩短，节约采暖能耗，减少大气污染；（2）夏季更加酷热，空调能耗增加，污染环境，影响生态环境质量；（3）雪少，霜冻期短，春来早，秋去迟，树木开花、发芽早。n控制城市热岛的措施 （1）控制人为热释放（控制人口密度、减少矿物燃料使用量、开发新能源）；（2）减少城市净辐射得热量（建筑物浅色粉刷，控制建筑高度、密度，扩大天空视见度）；（3）增加城市水域面积，

19、提高绿地覆盖率（屋顶种植，建筑立体绿化）； （4）合理使用人工铺装（沥青、水泥面等）； （5）加强城市自然通风。城市水文与水资源n一般特点 地面水系人工化；人工排水系统。n城市化水文效应（见p55） 1.水循环过程改变； 城市化前：降水100%（蒸发40%，地表径流10%，渗入地下50%）； 城市化后：降水100%（蒸发25%，屋顶径流13%，地面径流30%，渗入地下32%） 2.城市化地区降雨后，城市附加河流洪峰流量大，峰值出现时间提前； 3.径流污染物荷载量增加； 4.地下水位下降，水量平衡失调。n城市水资源问题 1.用水量激增，水资源短缺； 2.城市水质污染严重； 3.用水不合理（浪费大

20、）。城市水文与水资源n城市水平衡特点 1.得水多，蒸散少，贮水少，排水多； 2.城市善于贮热，不善于贮水。n城市大气水文效应 1.城市空气湿度 （1）城市干岛，城市湿岛；（2）城市平均绝对湿度小于郊区；（3）城市相对绝对湿度均小于郊区（逐时）。 2.城市云与雾 城市化有使云量和雾增多的效应。 3.城市降水 城市化有使降水量增多的效应。城市水文与水资源n建筑中的水资源有效利用设计 1.使用节水器具（如水龙头，便池等）； 2.雨水利用（收集）； 3.中水系统； 4.基地保水设计。建筑群中风环境n基本知识1.风的定义：气流水平运动称为风；风向：风吹来的方向；风速：m/s； 盛行风向，主导风向，风向频

21、率，最小风频风向2.风玫瑰（wind rose)：风向频率图（冬季、夏季、全年） 例如：西安：夏季（七月）NE17，冬季（七月）NE11，全年NE14。3.中国风向分区图（见戴著p228，刘著p90） 主导风向原则及其局限；季风区、无主导风向区、准静风区规划设计。4.建筑中的风利用：风作为资源；自然通风设计，建筑周围风场分布5.基本公式：Bernoulli theorem.（1）（2）rpghvpghvp2022210211)(2/)(2/2211AvAv建筑群中风环境n大气边界层物理特性 1. 大气边界层尺度（见戴著p217，刘著p73） 2.边界层空气温度的时空变化特征 （1）时间变化（周

22、期性）：日周期，日较差；年周期，年较差。 （2）空间变化： 气温水平分布特征城市热岛（UHI）； 气温垂直分布（温度层结）： 正常分布气温随高度递减； 反常分布逆温、等温现象。 例如地形逆温的形成机制（见刘著p80） 。n局地气流 1.热岛环流（见戴著p227，刘著p61 ）； 2.山谷风（见刘著p94） ； 3.海陆风（见刘著p95） 。建筑群中风环境n城市低空风的垂直变化 1.定性分析图（见刘著p86 ）； 2.定量公式： 对数法则： 指数法则：n市区风环境特点 1.市区平均风速比郊区小，风向不规则； 2.形成狭管效应和风影区（见刘著p100 ）； 3.高层建筑附近有风速增大的现象。)/l

23、n()(0ZZZUnZZU)(城市大气污染及其控制n城市大气污染物及其危害 1.颗粒状污染物及其危害 （1）颗粒状污染物（粉尘）分为两类： 降尘：直径在10m100m，很快降落到地面； 飘尘：直径在小于10m，长期漂浮在空中，可进入人体呼吸道、血液并沉积，引发 人体病变。 （2）颗粒状污染物来源：矿物质燃料燃烧，工业生产。 2.气态污染物及其危害 （1）主要污染物：CO, NOx, CmHn, SO2, 光化学烟雾（PAN，为NO和HC在光照下反应的产物）； （2） 主要来源：矿物质燃料燃烧，工业生产、汽车尾气等。城市大气污染及其控制n大气污染物对生态环境影响 1.城市气候要素影响大气污染物的

24、时空分布，大气污染物又作用于建筑群，影响各个城市气候要素。 2.三大特征 （1）阳伞效应（Umbrella effect）：影响城市太阳辐射热的获得； （2）CO2温室效应（Greenhouse effect）：影响城市气候； （3）酸雨（Acid rain）: 影响生物生长，腐蚀人工构筑物和设施。n城市大气污染的控制措施 1.减少污染物排放量（开展建筑节能）； 2.合理的城市规划与局地规划（考虑城市风向和局地气流）； 3.绿化（增强环境净化能力）。 建筑群中声环境n基本知识 1.噪声定义：噪声是指为接受者所不需要的声音。 2.噪声计量： （1）声功率（声源输出功率W，正常讲话约50W，3万人

25、同时讲话相当于15W）、声压（由于声波作用而产生空气质点振动引起的大气压起伏N/m2）、声强（声音能流密度W/m2）； （2）声功率级（SWL）、声压级（SPL）、声强级（SIL） （3）声级相加：情景飞机附近公共汽车内相距1米交谈安静室内声压级（dB）140dB80dB60dB40dB2500/102),(lg20mNpdBppLpDifference0,12,34910 or largerAdd to larger SPL+3+2+10建筑群中声环境n城市噪声源 工业噪声、施工噪声、社会噪声、交通噪声n噪声传播特性 1.噪声传播衰减 点声源：距离加倍，衰减6dB； 线声源：距离加倍，衰减3dB； 面声源：无此线性关系。 2.绿化降噪 （1）一颗树几乎无降噪效果，隔噪绿化要求树木高大茂密，乔木与灌木结 合，最好是四季常青。 （2）30米宽林带可使高频噪声衰减1012dB，可使低频噪声衰减34dB。n防噪措施 1.闹静分离（城市分区、考虑声环境的小区规划、道路规划、城市规划） 2.隔声屏障（对高频声降噪效果明显；多种形式，灵活运用）