5.建筑物理95mb热学课件chapter-thermal

1、建筑物理（I） 建筑热工、建筑光学浙江大学 建筑工程学院建筑学系 建筑技术科学研究所授课教师：葛 坚第5章 建筑日照与遮阳第1节 日照的基本原理日照的作用与建筑物对日照的要求 日照阳光直射到物体表面的现象建筑日照阳光直射到建筑地段、建筑外围护结构表面、房间内部的现象。建筑日照主要研究太阳直射辐射对建筑物的作用和建筑物对日照的要求。日照对建筑物的作用-卫生作用 冬季，取暖和干燥作用立体感、阴影等造型作用夏季，过量的日照会造成室内过热，恶化热环境产生眩光物品褪色、变质、爆炸等危险 争取日照或者避免日照建筑日照设计的任务（1）按照条件，合理确定规划道路网方位、道路宽度、居住区位置、居住区布置和建筑物

2、的体形；（2）根据建筑物对日照的要求合理选择和确定建筑的朝向和间距；（3）确定采光口的位置、形状和大小；（4）涉及遮阳构件的形式、尺寸和构造。2. 地球绕太阳运行规律黄道面地球公转的轨道平面黄赤交角赤道和黄道面的夹角，23度27分太阳直射光线在南、北纬23度27分之间周期性移动，形成四季更替。太阳赤纬角 太阳直射光线与地球赤道平面所夹的圆心角从赤道面算起，向北为正，向南为负。赤纬角变化于正负23度27分之间。太阳赤纬角可以看作阳光直射的地理纬度。太阳赤纬角反映了地球不同的季节。为了描绘太阳与地球的相对移动与位置，采用天球坐标系统。以地球为中心，任意长为半径，假象一个球体，称为天球。地轴与天球相

3、交的两个交点称为天极，北天极、南天极扩展地球赤道与天球相交的圆称为天球赤道。假设太阳沿着天球黄道绕地球运动。3. 太阳高度角、方位角的确定把地球上的经度和纬度坐标扩展到天球，在地球上的纬度圈，扩展到天球上为赤纬圈；在地球上的经度圈扩展到天球上为时圈。以赤纬和时角表示太阳的位置。时角太阳所在的时圈与通过南点的时圈所构成的夹角。自天球北极看，顺时针方向为正，逆时针方向为负。（上午为负，下午为正）时角表示太阳的方位。因为一天旋转360度，因此一小时旋转15度。t 为经过正南点至观察位置所经过的时间用太阳高度角和方位角来确定太阳在天球中的位置。太阳高度角太阳直射光线与地平面之间的夹角，太阳方位角太阳直

4、射光线在地平面上的投影与地平面正南方向的夹角， 南点S为0度，向西为正值，向东为负值日出、日没时，太阳高度角正午，即当地太阳时12时，太阳方位角 。按照当地太阳时，上下午太阳的位置对称于正午。两者的太阳高度角相等，方位角数值相等，符号相反，上午偏东为负值，下午偏西为正值。地理纬度确定的某地，太阳运行的规律（1）春分日和秋分日，太阳从正东升起，12时到达正南，然后从正西日没，昼夜时段平分；（2）夏至日，太阳从东北方向升起，正午12时到达正南，然后西北向日没，昼时段最长，夜时段最短，正午太阳高度角最大。（3）冬至日，太阳从东南方向升起，正午12时到达正南，然后西南向日没，夜时段最长，昼时段最短，正

5、午太阳高度角最小。太阳高度角、方位角的计算其中，太阳高度角太阳方位角观察点的地理纬度赤纬时角时出、日没时间、方位角的计算时出、日没时太阳高度角为0则正午时太阳高度角的计算正午时，时角为0，则则，当 时， 当 时，例：求北纬35度地区立夏正午后3小时太阳高度角和方位角解：已知立夏例：求南京地区冬至日时出、日没时间及方位角日出日没时解：已知冬至日出日出4. 地方时与标准时日照设计时所用的时间，都是当地的平均太阳时平均太阳时：以太阳通过当地的子午线（经线）为正午12时来计算一天的时间的。标准时：一定经度范围内采用同一标准时。按地理经度划分为24个时区，每个时区包含地理经度15度。每个时区的中央子午线

6、的平均太阳时为该时区的标准时。我国横跨5个时区，统一采用东八时区的标准时，即东经120度的平均太阳时为全国标准时间，称为北京时间。地方平均太阳时和标准时间的换算为标准时间地方平均太阳时标准时间子午线的经度当地时间子午线的经度时差均时差，修正系数，一般可以忽略即当地方经度在中心经度以西时，每经过1度减去4分钟，当地方经度在中心经度以东时，每经过1度增加4分钟。例：求广州地区当地平均太阳时为12h时，相当于北京标准时间几点几分？解：北京标准时间的子午圈经度为东经120度，广州经度为113度19分。 棒影日照图是以地面上某点的棒及其影的关系来描述太阳运行的规律，也就是以棒在直射太阳光下产生的棒影端点

7、移动的轨迹来代表太阳运行的轨迹。垂直于地面的任意高度H的棒，受太阳照射，在地面上产生了棒影。则棒影的长度L与棒高H的关系为棒影的方位角为第2节 棒影日照图的原理和应用棒影日照图的原理与绘制一天中，太阳高度角和方位角不断变化，棒影的端点也随之变化。若绘制不同高度的棒影的端点。连成轨迹线，就构成该地这一天不同棒高的棒影日照图。棒影日照图连续地反映了某地不同高度的棒端影的变化。1）它说明了某地某日某各时刻棒高H的影长及其方位；2）通过棒高与影长的关系及棒影的方位，可以得到相应时刻的太阳高度角及方位角。棒影日照图的绘制例：广州地区冬至日棒影日照图的绘制1）求广州地区各时刻的太阳方位角和高度角，并求出单

8、位棒高的影长及棒影的方位。2）根据1）计算的结果，按照比例作出棒影日照图。在图上作两正交直线交于O点。O即代表观察点，也就是棒位置。依照1）所得的方位角，由O点作出各时刻的方位角射线，并标明各射线所代表的时间。再根据1）所得的各时刻的影长，在相应的射线上截取相应的影长。做出H,2H,3H等各棒高的影长，连接其端点，即棒影日照图。3）因为假设棒立于O点，12时的棒影在正北向。依指北针符号。同时标出纬度和日期。4）此图说明，当棒立于O点，相应的棒段点的影比在相应的延长线上，连线就是棒端影的轨迹线。把已绘制好的棒影日照图旋转180度，并且把棒从O点移动至相应的影长线上。假想棒随着太行的运行在线上移动

9、，棒端的影必然落在O点上，且始终在O点。2. 棒影日照图的应用建筑物的高度、体形不同，但是都可以简化为一系列直立于地面的不同高度的棒所围合而成。（1）求建筑物的阴影区（2）求建筑物室内的日照面积（3）求建筑物的日照时间（4）建筑物朝向与间距的选择（5）确定遮阳构件尺寸（1）求建筑物的阴影区例：北纬40度地区高20米图示建筑在夏至日上午10h的阴影区解：1）用透明纸绘出北纬40度夏至日的棒影日照图2）指北针一致，比例换算，绘各转角点在10h的棒影点。3）连接各棒影点，即房屋的阴影区边界。（2）求建筑物室内的日照面积例：求广州地区正南朝向的房间冬至日14h室内的日照面积。窗台高1m，窗高1.5m，

10、墙厚16cm。解：1）绘制该地区冬至日的同比例棒影日照图3）再找出2.5单位的影长点A2.5,B2.5,为窗上沿的落影线。4）连接A,B，A2.5,B2.5，即为日照面积。2）将O点至于窗边的外墙线A,B点，从14h的射线上找出1单位影长的A1,B1,扣除16cm得到实际窗台落影线A,B。（3）求建筑物的日照时间需要把棒影日照图旋转180度后使用。假想棒随着太行的运行在线上移动，棒端的影必然落在O点上，且始终在O点。若棒在线外移动，则棒影就不能到达O点。因此，棒影线成为O点有无日照的临界线。例：求广州地区正南向底层房间窗口P点冬至日的日照时间。窗台高1米。前幢建筑B1高9米，B2高3米，B3高

11、6米。解：因为窗台高1米，所以实际有影响的相邻建筑的相对高度为 8米、2米和5米。1）按比例将棒影图与平面图的O点与P点重合，棒影图南北旋转180度。2）由于墙有一定的厚度，所以阳光只有在角度QPR范围内才能照射到P点。4）其次判断B2，相对高度为2m，找出2单位的棒影线，B2所有时刻均在2单位轨迹线以外，所以对P没有遮挡。3）从东向西，首先判断B3建筑。因为相对高度为5m，所以找出5单位的棒影轨迹线。在轨迹线以内的B3部分，都对P点有遮挡。所以找出C点。 C点以后的时刻，建筑B3都在5单位的棒影以外，所以P点有日照。5）再次判断B1，相对高度为8m，找出8单位的棒影线，B1所有时刻均在8单位

12、轨迹线以内，从E时刻开始对对P有遮挡。E6）最后查出C点，E点的太阳方位角的时刻，即从10:10开始到13:30，P点实际受到日照。从日出到10:10受到E3的遮挡，从13:30到日没受到B1的遮挡。实际日照时间是3小时20分。相邻建筑的相对高度的确定与遮挡建筑的高度H，被遮挡建筑窗台的高度H1，以及两幢建筑的相对地势高低有关Hd。（4）建筑物朝向与间距的选择用（3）的原理和方法，可以进行建筑物朝向与间距的选择例：北纬40度地区，若冬至日正午前后需要3h以上的日照，确定建筑的朝向和间距。解：前幢建筑物的相对高度为15米，一个单位的棒高代表10m,则15米的建筑物相对于1.5个棒高。若两幢房屋正

13、南，则正午前后3小时即10:30到13:30之间，建筑物应该在1.5单位的棒高线以外。量得相对距离为1.7个12时的影长。计算得12时的单位影长为19.97m，因此，两建筑的间距应该保证为33.95m。若把朝向改为南偏东15度，间距不变，则从上午11时前左右开始遮挡物一直在1.5单位的棒影线之外，即一直没有遮挡，有连续的日照。换言之，如果获得相同的日照时间，间距可以缩短，节约用地。第3节 建筑遮阳1. 遮阳的形式及适用的朝向（1）水平式遮阳能有效地遮挡太阳高度角较大，从窗口前上方投射下来的直射阳光。我国，北回归线以北的地区，适用于南向附近的窗口，北回归线以南的地区，既可以适用于南向，也可适用于

14、北向窗口。（2）垂直式遮阳能有效地遮挡太阳高度角较小，从窗口侧向斜射过来的直射阳光。主要适用于北向、东北、西北向附近的窗口。（3）综合式遮阳由水平和垂直形式综合而成，能有效遮挡从窗前侧向斜射下来的、太阳高度角中等的直射阳光。主要适用于东南、西南向附近的窗口，且适用范围较广。（4）挡板式遮阳能有效地遮挡太阳高度角较小，从窗口正前方射过来的直射阳光。主要适用于东向、西向附近的窗口。永久性遮阳设施临时性遮阳设施固定式活动式绿化遮阳结合建筑构件的遮阳2. 遮阳构件尺寸的计算（1）水平式遮阳应计算挑出长度和端翼的挑出长度。1）挑出长度水平板挑出长度，m窗台至水平板下沿的高度，m太阳高度角，deg太阳方位

15、角与墙方位角之差，deg2）端翼的挑出长度的计算（2）垂直式遮阳应计算挑出长度垂直板挑出长度，m板内沿至窗口另一边的距离。或板内沿净间距，m太阳方位角与墙方位角之差，deg（3）综合式遮阳先计算出水平板和垂直板的挑出长度，然后根据构造要求来确定（4）挡板式遮阳水平板的挑出长度、挡板的高度和挡板端翼的挑出长度水平板的挑出长度应根据构造确定挡板的高度的计算挡板的高度为端翼的挑出长度例：计算 长沙地区， 挡板式遮阳构件尺寸利用棒影日照图确定遮阳构件尺寸3. 遮阳设施对室内环境的影响（1）对太阳辐射热的阻挡效果明显。遮阳系数窗口经遮阳后透过的辐射热量的与无遮阳时透过的辐射热量之比。（2）对室内气温的影响闭窗时，对防止室温上升作用明显。最高温度、平均温度、温度波幅均下降，最高温度出现时间延迟。开窗时，最高温度和平均温度也有下降。（3）对室内采光的影响根据形式、构造、色彩的不同，对室内采光有不同程度的影响。室内照度下降 （53%-73%）遮挡直射光线，室内照度均匀，防止玄光的发生。（4）对室内通风的影响对室内通风有阻挡作用，风速降低（22%- 47%）4. 遮阳构件设计要点（1）遮阳的板面组合与构造在满足遮挡直射阳光的前提下，可以有不同的板面组合，选择对采光、通风、视野、立面更加有利的形式。为了减少板底热空气向室内逸散，及对采光通风影响，通常做成百叶形式。或者板面为吸热玻璃