建筑环境学第二章建筑外环境课件

1第二章

建筑外环境1第二章

建筑外环境2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。 2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3本章内容要点宏观气候太阳辐射作用与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3本章内容要点宏观气候太阳辐射作用与地球气候特点4第一节地球绕日运动的规律

经度和纬度伦敦格林威治天文台经线或子午线纬线东经西经北纬南纬180°90°0°0°4第一节地球绕日运动的规律经度和纬度伦敦格林威治天文台经590W北京时间伦敦时间90E某地的真太阳时T当地的钟表时间T0就是忽略了时差e的当地平均太阳时。问题：西安的真太阳时和北京时间差多少?第一节地球绕日运动的规律时区当地标准时经度太阳与地球距离变化造成的偏差590W北京时间伦敦时间90E某地的真太阳时T第一节地600+2327-2327第一节地球绕日运动的规律

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赤纬d北回归线南回归线600+2327-2327第一节地球绕日运动的7南北回归线北极圈6633北回归线23277南北回归线北极圈北回归线8赤纬和太阳高度角有什么区别？

时角和太阳方位角有什么区别？太阳高度角太阳方位角sin=cos

coshcos+sin

sinsinA=cos

sinh/cos

8赤纬和太阳高度角有什么区别？

时角和太阳方位角有什么区别？9第二节

太阳辐射可见光紫外线近红外线长波红外线9第二节

太阳辐射可见光紫外线近红外线长波10太阳总辐射能量比例

太阳常数1353W/m2：大气层外的辐射强度进入大气层后被反射和吸收，光谱成分有所改变，辐射强度有所改变。太阳高度角是重要影响因素。10太阳总辐射能量比例太阳常数1353W/m2：大气层外的11大气层对太阳辐射的吸收

超短波

X射线和其它一些超短波射线在通过电离层时，被O2、N2及其它大气成分强烈吸收短波受到天空中的各种气体分子、尘埃、微小水珠等质点的散射，使得天空呈现蓝色紫外线被大气中的臭氧所吸收长波被CO2和水蒸气等温室气体所吸收剩下的可见光＋近红外线11大气层对太阳辐射的吸收超短波12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12落到地球上的太阳辐射能量由三部分组成13太阳辐射能的去向13太阳辐射能的去向1450％到达地面1450％到达地面15太阳辐射能与太阳高度角I015太阳辐射能与太阳高度角I016大气层质量

m地球表面处法向太阳直射辐射照度：IN=I0Pmm=L’/L=1/sin大大＝30

为什么太阳高度角接近0º和90º时垂直面的日射量都小？大气层质量＝1大气层质量＝216大气层质量m地球表面处法向太阳直射辐射照度：大大＝317太阳日总辐射照度与朝向地点：北纬40°17太阳日总辐射照度与朝向地点：北纬40°18关于太阳高度角

太阳高度角与太阳通过的路径长度密切相关，从而影响日射强度。太阳高度角低则日射强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18关于太阳高度角太阳高度角与太阳通过的路径长度密切相关，19太阳高度角冬夏不同19太阳高度角冬夏不同20大气透明度

定义：I1/I0=P=exp(-kL)，P＝1最透明变化范围：0.65~0.75，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

东京晴天的大气透明度逐月值大气层消光系数20大气透明度定义：I1/I0=P=exp(-k21我国的大气透明度分区654433221我国的大气透明度分区654433222第三节室外气候

自然的微气候

大气压力

风

空气温度

有效天空温度

地层温度

空气湿度

降水22第三节室外气候自然的微气候23大气压力

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101325Pa或760mmHg23大气压力大气压力随海拔高度而变24大气压力变化平均气压随纬度分布

气压日变化（2‰）24大气压力变化平均气压随纬度分布气压日变化（2‰）25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，夏季海洋吹向大陆25风风的成因26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。盈余区域短缺区域净增益净损失辐射增益区随纬度基本不变占地面积40％过渡区占地面积36％损失区占地面积36％26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。27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Vmet

风速有梯度，地面为0m/s，可认为按幂函数规律分布，如高度h处：边界层厚度气象站0.14市中心0.3327风的测量测量开阔地面10m高处的风向和风速作为当28蒲福风力等级表28蒲福风力等级表29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29风玫瑰图某地的风向频率分布某地一年的风速频率分布30北京地区的风玫瑰图30北京地区的风玫瑰图31海陆风和山谷风31海陆风和山谷风32空气温度

主要指距地面1.5m高，背阴处的空气温度。

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？32空气温度主要指距地面1.5m高，背阴处的空气温度。33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200~300km降低1℃。年较差与纬度的关系太阳辐射和日气温变化33空气温度日较差：一日内气温的最高值和最低值之差。年较差与34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2~3时，最低气温一般出现在凌晨4~5时34空气温度的日变化

武汉九月初一天的气35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。35空气温度的年变化

武汉某年的气象数据

一年中最36原因

地面有冷源1.夜间长波辐射2.附近有较低温的海风吹来逆温层正常的温度梯度：地表热，高空冷36原因逆温层正常的温度梯度：地表热，高空冷37空气温度的局部效应

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37空气温度的局部效应受地面反射率、夜间辐射、气流、遮阳等38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38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39有效天空温度大气层吸收10％以上的太阳辐射和来自地面的反射辐射，并向地面进行长波辐射（5～8m及13m以上）地表有效辐射：地面与大气层之间的辐射换热QR

QR＝Qg－Qsky

＝σ(Tg4

－Tsky4

)地表的黑度波尔兹曼常数地表温度有效天空温度39有效天空温度大气层吸收10％以上的太阳辐射和来自地面的反40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.63-68,1983地表温度空气温度水蒸汽分压力日照百分率40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41地层温度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，温度比全年气温平均温度高1～2℃。41地层温度表面温度的变化取决于太阳辐射和对天空的长波辐射，42地层温度恒温层温度42地层温度恒温层温度43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)。43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44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。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。未考虑地热影响的44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45湿度

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：15~20mbar

寒冷和沙漠地区：2mbar

日变化较小，季节变化较大内陆地区夏季：上午9~10时和晚上9~10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45湿度来源水蒸汽分压力46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46湿度日变化47湿度

年变化

内陆和沿海地区差别较大47湿度年变化48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48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49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49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50第四节城市气候

小区风场城市热岛建筑布局与日照50第四节城市气候小区风场51冲刷边角增强效应穿越前低建筑对后高建筑的影响巷道风的加强上部建筑对下部建筑的影响风对建筑的影响51冲刷边角增强效应穿越前低建筑对后高建筑的影响巷道风的加强52此处易聚集垃圾小区风场

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52此处易聚集垃圾小区风场形成机理53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污染物和室外热量不易散发

最为极端的莫过于1982年美国纽约曼哈顿岛世界贸易中心附近一栋高层建筑前的广场上，一位女士在行走时被强风刮倒而受伤，一怒之下向纽约最高法院控告建筑设计和施工上的缺点并要求赔偿650万美元。53不当风场的危害冬季造成热负荷增加最为极端54这座塔楼被高度为22m和28m的较矮的建筑物所环绕；由于与其他建筑物等高，使得街道和人行道不会受到向下气流的影响54这座塔楼被高度为22m和28m的较矮的建筑物所环绕；55

建筑师在做规划的时候刻意地设计绿化防风林，预防来自西北面的山风和东北的干燥寒冷的风55建筑师在做规划的时候刻意地设计绿化防风林演讲完毕，谢谢观看！演讲完毕，谢谢观看！57第二章

建筑外环境1第二章

建筑外环境58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。 2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59本章内容要点宏观气候太阳辐射作用与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3本章内容要点宏观气候太阳辐射作用与地球气候特点60第一节地球绕日运动的规律

经度和纬度伦敦格林威治天文台经线或子午线纬线东经西经北纬南纬180°90°0°0°4第一节地球绕日运动的规律经度和纬度伦敦格林威治天文台经6190W北京时间伦敦时间90E某地的真太阳时T当地的钟表时间T0就是忽略了时差e的当地平均太阳时。问题：西安的真太阳时和北京时间差多少?第一节地球绕日运动的规律时区当地标准时经度太阳与地球距离变化造成的偏差590W北京时间伦敦时间90E某地的真太阳时T第一节地6200+2327-2327第一节地球绕日运动的规律

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赤纬d北回归线南回归线600+2327-2327第一节地球绕日运动的63南北回归线北极圈6633北回归线23277南北回归线北极圈北回归线64赤纬和太阳高度角有什么区别？

时角和太阳方位角有什么区别？太阳高度角太阳方位角sin=cos

coshcos+sin

sinsinA=cos

sinh/cos

8赤纬和太阳高度角有什么区别？

时角和太阳方位角有什么区别？65第二节

太阳辐射可见光紫外线近红外线长波红外线9第二节

太阳辐射可见光紫外线近红外线长波66太阳总辐射能量比例

太阳常数1353W/m2：大气层外的辐射强度进入大气层后被反射和吸收，光谱成分有所改变，辐射强度有所改变。太阳高度角是重要影响因素。10太阳总辐射能量比例太阳常数1353W/m2：大气层外的67大气层对太阳辐射的吸收

超短波

X射线和其它一些超短波射线在通过电离层时，被O2、N2及其它大气成分强烈吸收短波受到天空中的各种气体分子、尘埃、微小水珠等质点的散射，使得天空呈现蓝色紫外线被大气中的臭氧所吸收长波被CO2和水蒸气等温室气体所吸收剩下的可见光＋近红外线11大气层对太阳辐射的吸收超短波68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12落到地球上的太阳辐射能量由三部分组成69太阳辐射能的去向13太阳辐射能的去向7050％到达地面1450％到达地面71太阳辐射能与太阳高度角I015太阳辐射能与太阳高度角I072大气层质量

m地球表面处法向太阳直射辐射照度：IN=I0Pmm=L’/L=1/sin大大＝30

为什么太阳高度角接近0º和90º时垂直面的日射量都小？大气层质量＝1大气层质量＝216大气层质量m地球表面处法向太阳直射辐射照度：大大＝373太阳日总辐射照度与朝向地点：北纬40°17太阳日总辐射照度与朝向地点：北纬40°74关于太阳高度角

太阳高度角与太阳通过的路径长度密切相关，从而影响日射强度。太阳高度角低则日射强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18关于太阳高度角太阳高度角与太阳通过的路径长度密切相关，75太阳高度角冬夏不同19太阳高度角冬夏不同76大气透明度

定义：I1/I0=P=exp(-kL)，P＝1最透明变化范围：0.65~0.75，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

东京晴天的大气透明度逐月值大气层消光系数20大气透明度定义：I1/I0=P=exp(-k77我国的大气透明度分区654433221我国的大气透明度分区654433278第三节室外气候

自然的微气候

大气压力

风

空气温度

有效天空温度

地层温度

空气湿度

降水22第三节室外气候自然的微气候79大气压力

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101325Pa或760mmHg23大气压力大气压力随海拔高度而变80大气压力变化平均气压随纬度分布

气压日变化（2‰）24大气压力变化平均气压随纬度分布气压日变化（2‰）81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，夏季海洋吹向大陆25风风的成因82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。盈余区域短缺区域净增益净损失辐射增益区随纬度基本不变占地面积40％过渡区占地面积36％损失区占地面积36％26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。83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Vmet

风速有梯度，地面为0m/s，可认为按幂函数规律分布，如高度h处：边界层厚度气象站0.14市中心0.3327风的测量测量开阔地面10m高处的风向和风速作为当84蒲福风力等级表28蒲福风力等级表85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29风玫瑰图某地的风向频率分布某地一年的风速频率分布86北京地区的风玫瑰图30北京地区的风玫瑰图87海陆风和山谷风31海陆风和山谷风88空气温度

主要指距地面1.5m高，背阴处的空气温度。

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？32空气温度主要指距地面1.5m高，背阴处的空气温度。89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200~300km降低1℃。年较差与纬度的关系太阳辐射和日气温变化33空气温度日较差：一日内气温的最高值和最低值之差。年较差与90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2~3时，最低气温一般出现在凌晨4~5时34空气温度的日变化

武汉九月初一天的气91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。35空气温度的年变化

武汉某年的气象数据

一年中最92原因

地面有冷源1.夜间长波辐射2.附近有较低温的海风吹来逆温层正常的温度梯度：地表热，高空冷36原因逆温层正常的温度梯度：地表热，高空冷93空气温度的局部效应

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37空气温度的局部效应受地面反射率、夜间辐射、气流、遮阳等94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38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95有效天空温度大气层吸收10％以上的太阳辐射和来自地面的反射辐射，并向地面进行长波辐射（5～8m及13m以上）地表有效辐射：地面与大气层之间的辐射换热QR

QR＝Qg－Qsky

＝σ(Tg4

－Tsky4

)地表的黑度波尔兹曼常数地表温度有效天空温度39有效天空温度大气层吸收10％以上的太阳辐射和来自地面的反96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.63-68,1983地表温度空气温度水蒸汽分压力日照百分率40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97地层温度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，温度比全年气温平均温度高1～2℃。41地层温度表面温度的变化取决于太阳辐射和对天空的长波辐射，98地层温度恒温层温度42地层温度恒温层温度99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)。43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100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。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