第11章建筑日照

1第五章建筑日照

1.日照的作用与建筑物对日照的要求

日照的作用：首先，建筑物具有适宜的日照有着重要的卫生意义；其次，阳光中含有大量红外线和可见光，若冬季能直射入室内，所产生的热效应能提高室内温度，有良好的取暖和干燥作用；此外，日照对建筑物造型艺术有不可替代的作用与影响，直射阳光不仅能增强建筑物的立体感，不同角度变化的阴影使建筑物更具艺术风采。

过量的日照，特别是在我国南方炎热地区的夏季，容易造成室内过热，恶化室内热环境；若阳光直射到工作面上，可能产生眩光，不仅会影响视力、降低工作效率，甚至造成严重事故；此外，直射阳光对许多物品有褪色、变质等损坏作用，有时还有导致爆炸的危险。

对日照的要求：通过必要的建筑措施争取日照或者避免日照。22.建筑日照设计的任务根据建筑物的不同使用要求，采取相应的技术措施，使房间内部获得适当的而防止过量的日照。

3

阳光直射地球的范围43.地球绕太阳运行的规律

地球属于太阳系的一个行星，除绕地轴自转外，还绕太阳公转。自转一周为一天，公转一周为一年。地球公转的轨道平面称为黄道面。地球在自转与公转的运动中，其地轴始终与黄道面保持66°33‘的夹角。这样，太阳光线直射在地球南、北纬度23º27’之间的范围内，并且年复一年、周而复始地变动着，从而形成了地球上春、夏、秋、冬四季的更替。

通过地心并与地轴垂直的平面与地球表面相交而成的圆，即是地球的赤道，太阳光线与地球赤道面所夹的圆心角，即所谓太阳赤纬角。赤纬角从赤道面起算，向北为正，向南为负。显然，赤纬角变化于±23º27'范围内。

夏至

6、21

小满

5、21大暑

7、21

立夏

5、7立秋8、8

谷雨

4、21处暑

8、21春分

3、21（22）秋分

9、22（23）

雨水2、21霜降

10、21

立春2、4立冬11、7

大寒

1、27

小雪

11、21

冬至

12、22（23）6

春分时，阳光直射地球赤道，赤纬角为0º，阳光正好切过两极，因此，南北半球昼夜等长。

夏至日，阳光直射北纬23º27‘，且切过北极圈，即北纬66º33’线，这时的赤纬角为23º27‘。赤纬亦可看作是阳光直射的地理纬度。在北半球从夏至到秋分为夏季，北极圈内都在向阳的一侧，故为“永昼”；南极圈内却在背阳的一侧，故为“长夜”；北半球昼长夜短，南半球则昼短夜长。

夏至以后，太阳不再向北移动，而是逐日南移返回赤道，所以北纬23º27’处称为北回归线。当阳光又直射到地球赤道时，赤纬角为0º，称为秋分。这时，南北半球昼夜又是等长。

阳光继续向南半球移动，达南纬23º27‘时，即赤纬角为-23º27’，称为冬至。此时，阳光切过南极圈，南极圈内为“永昼”，北极圈内背阳为“长夜”；南半球昼长夜短，北半球则昼短夜长。

冬至以后，阳光又向北移动返回赤道，当回到赤道时，又是春分。如此周期性变化，年复一年。7

地球在绕太阳公转的行程中，太阳赤纬角的变化反映了地球的不同季节。或者说，地球上的季节可用太阳赤纬角代表。全年主要季节的太阳赤纬角占值列于表。

8。

太阳高度角是指太阳直射光线与地平面间的夹角。

太阳方位角是指太阳直射光线在地平面上的投影线与地平面正南向所夹的角，通常以南点S为0º，向西为正值，向东为负值。

9

(1)春分日和秋分日，太阳从正东方升起，12时到达子午线，方位正南，然后从正西日投，且昼夜时段平分；

(2)夏至日，太阳从东北方升起，绕过东南向，12时到达子午线上，方位正南，然后经西南向到西北向日没。在一年之中的昼间时段最长、夜间时段最短；正午太阳高度角最大；

(3)冬至日，太阳从东南方升起，12时到达子午线，方位正南，然后在西南向日没，且在一年之中昼间时段最短、夜间时段最长；就正午而言，一年中该日的太阳高度角最小。10太阳高度角和太阳方位角的计算：

特殊时刻的太阳高度角和太阳方位角：

（1）日出、日落时刻（hs=0)：（2）正午时刻（As=0)：115.地方时与标准时

一天时间的测定，是以地球自转为依据的。日照设计所用的时间，均为当地平均太阳时，它与日常钟表所指示的标准时之间往往有一差值，故需加以换算。

所谓平均太阳时，是以太阳通过该地子午线为正午12h来计算一天的时间。这样，经度不同的地方，正午时间都不同，使用很不方便。因此规定在一定经度范围内统一使用一种标准时，在该范围内同一时刻的钟点均相同。

经国际协议，以本初子午线处的平均太阳时为世界时间的标准，叫“世界时”。将整个地球按地理经度划分为24个时区，每个时区包含地理经度15º。以本初子午线东西各7.5º为零时区，向东分12个时区，向西亦分12个时区。每个时区都按它的中央子午线的平均太阳时为计时标准，称为该时区的标准时，相邻两个时区的时差为1h。12

我国地域辽阔，从东五时区到东九时区，横跨5个时区。为了方便起见，统一采用东八时区的时间，即以东经120º的平均太阳时为全国标准时，称为“北京时间”。北京时间和世界时相差8h，即北京时间等于世界时加上8h。

根据天文学有关公式，地方平均太阳时与标准时之间的转换关系为:

T0=Tm+4(L0-Lm)+Ep

式中

T0-----标准时间(h：min)；

Tm----地方平均太阳时(h：min)；

L0-----标准时间子午线的经度(deg)；

Lm----当地时间子午线的经度(deg)；

Ep----均时差(min)。

Ep是一个修正系数，这是因为地球绕太阳公转的轨道是一个椭圆，且地轴倾斜于黄道面，致使一年中太阳时的量值不断变化，故需加以修正。Ep值的变化范围是从-16min到+14min之间。考虑到日照设计中所用的时间不需要那样精确，Ep值一般可忽略不计，而近似地按下式换算：

T0=Tm+4(L0-Lm)

136.棒影日照图的原理及应用

在建筑设计和城乡规划中都包含了多种建筑日照问题，而在设计中采用的方法也有很多种，并且各具特色。在这些方法之中，棒影日照图法比较简单、直观，用途广泛且使用方便。因此，特就此法的原理和应用作一介绍。14

棒影日照图的原理与绘制

太阳相对于地球的位置不断变化。怎样才能把这种情况与地球表面的建筑物联系起来呢?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，也就是以棒在直射阳光下产生的棒影端点移动的轨迹，采代表太阳运行的轨迹。

旋转180°后的棒影图棒影日照图制作步骤15棒影日照图应用举例

建筑物的高度、形体各不一样，邻近建筑物的情况也各不相同，甚至相差悬殊，但都可以简化，把它们看成由一系列直立于地面的不同高度的棒所围合而成。因此，可利用棒影日照图解决有关建筑日照的问题。

(1)求建筑物的阴影区

在设计某建筑物或规划建筑群时，以居住区为例，往往并不是孤立的一幢建筑物，而是在其周边已有或将有其它建筑物相邻。特别是近些年随着经济的发展，城镇建筑出现了高密度、高层化的趋势，建筑物互相遮挡问题日渐突出。因此，在设计时也应掌握建筑物阴影的变化。

(2)求建筑物室内日照面积

太阳直射光可以通过采光口照在室内的墙面和地面上。为了了解室内的日照时间、日照面积与变化范围，对于设计窗口的位置、形式及尺寸以及进行室内设计、防止眩光等都有直接的关系。16(3)求建筑物的日照时间

(4)建筑朝向与间距

[例]：若两幢房屋朝向正南，为保证后幢房屋在正午前后有3h日照(从上午10:30至13:30)，房屋的间距应为33．95m。若以同样的间距，将朝向改为南偏东15º时，则可看出，从上午11h许直到日落，均有连续的日照。由此可见，合理选择间距和朝向，对日照状况有重大影响。换言之，为满足同样的日照要求，通过合理调整朝向，能够缩小房屋间距从而节约建筑用地。

177.窗口建筑遮阳

在我国南方炎热地区，日照时间长，太阳辐射强烈，建筑物的某些部位或构件如窗口、外廊、橱窗、中庭屋顶与玻璃幕墙等需要调节太阳直射辐射，以扬其利而避其害。当然，最常见与最具代表性的仍然是窗口遮阳，因此，特以窗口为例说明建筑遮阳设计的原理与方法。

遮阳的基本方式（a）水平式；（b）垂直式；（c）综合式；（d）挡板式18

遮阳形式及适用朝向

(1)水平式遮阳

如图(a)所示。这种形式能够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。就我国地域而言，在北回归线以北地区，它适用于南向附近窗口；而在北回归线以南地区，它既可用于南向窗口，也可用于北向窗口。

(2)垂直式遮阳

如图(b)所示。这种形式能够有效地遮挡太阳高度角较小从窗侧向斜射过来的直射阳光。故主要适用于北向、东北向和西北向附近的窗口。

(3)综合式遮阳

这种遮阳形式是由水平式遮阳形式与垂直式遮阳形式综合而成。其基本形式如图(c)所示。它能够有效地遮挡从窗前侧向斜射下来的、中等大小太阳高度角的直射阳光。故它主要适用于东南向或西南向附近窗口，且适应范围较大。

(4)挡板式遮阳

基本形式如图(d)所示。这种形式能够有效地遮挡从窗口正前方射来、太阳高度角较小的直射阳光。因此，这种遮阳形式主要适用于东向、西向附近窗口。19值得注意的是：以上基本形式的适用朝向并不是绝对的，在设计中还必须根据建筑要求、构造方式与经济条件进行比较后再选定。

永久性的就是在窗口设置各种形式的遮阳板。

临时性的可在窗口设置轻便的布帘、竹帘、软百叶、布篷等。

在永久性遮阳设施中，又可分为固定式与活动式两种。

活动式遮阳可视一年中季节的变换、一天中时间的变化和天气的阴晴情况等因素进行调节；在寒冷季节为争取日照，还可以拆除。因此，灵活性大，使用合理，近年来在建筑中应用日趋广泛。

有些建筑，特别是低层建筑，可以依建筑与环境的条件，利用绿化遮阳。既有利于建筑与环境的绿化与美化，也是一种经济、有效的技术措施。此外，结合建筑构件的处理进行遮阳也是常见的措施，如加大挑檐、设置百叶挑檐、外廊、凹廊及旋窗等。但其构造应合理，并同样应满足遮阳要求。20

遮阳板尺寸计算1)水平式遮阳

A.水平板的挑出长度L-的计算

B.水平板端翼挑出长度D的计算水平式遮阳尺寸计算21

2)垂直式遮阳

3)综合式遮阳

首先分别计算出垂直板和水平板的挑出长度，然后按构造要求来确定遮阳板的挑出长度4)挡板式遮阳

挡板式遮阳的构造有两个基本部分，即水平板的挑出长度L-和挡板的高度H'。根据窗户的实际状况首先决定水平挑出的长度L-，然后根据公式确定挡板高度H'。22

遮阳设施对室内环境的影响

窗口设置遮阳构件之后，对室内物理环境因素将产生一定的影响。

A.

对太阳辐射热的阻挡

遮阳设置尽管形式有所不同，但经合理设计的遮阳构件对遮挡太阳辐射热的效果是很显著的。遮阳设施对太阳辐射热的影响23

B.

对室内气温的影响

遮阳设施对室内空气温度的影响如图1．5—26所示。由图可见，闭窗时，遮阳对防止室沮上升的作用较明显。有无遮阳、室温最大差值达2℃，平均差值为1．4℃。而且有遮阳时，房间温度波幅较小，出现高温的时间也较晚。开窗时，室温最大差值为1．2℃，平均差值为1．0℃，这在炎热的夏季仍具有一定的意义。

遮阳对室内气温的影响（a）开窗（b）闭窗24C.

对室内采光的影响

遮阳设施依据其形式、构造、色彩的不同，挡光作用亦有程度上的差异，从而不同程度地影响室内照度。据观测，一般室内照度约降低53%-73%。但遮阳设施也能阻挡直射阳光，使室内照度的分布均匀，并防止发生眩光，有助于视觉的正常工作。

D.

对室内通风的影响

遮阳设施对室内通风有一定的阻挡作用，使室内风速有所降低。实测资料表明，有遮阳的房间，室内风速约减弱22%—47%，并随遮阳的形式与构造而有所不同。25

遮阳设施构造设计要点

遮阳设施的使用效果除与遮阳形式有关外，还与构造处理、安装位置、材料与颜色等因素有很大关系。

A.遮阳的板面组合与构造

遮阳板在满足阻挡直射阳光的前提下，可以有不同的板面组合，以便选择对采光、通风、视野、立面造型和构造等要求都更为有利的形式。下图表示水平式遮阳的不同的板面组合形式。为了减少板底热空气向室内逸散和对采光、通风的影响，通常将遮阳板面全部或部分做成百叶形式；也可中间各层做成百叶。

水平遮阳板的组合形式26顶层做成实体并在前面加吸热玻璃挡板，如下图所示。

遮阳板面构造形式27

B.

遮阳板的安装位置

遮阳板的安装位置对防热和通风的影响很大。例如将板面靠墙面布置时，由受热表面上升的热空气将由室外空气导人室内。这种情况对综合式更为严重，如图(d)所示。为了克服这个缺点，板面应与墙面有一定的距离部分热空气沿墙面排走，如图(b)所示。同样，装在窗口内侧的布帘、软百叶等遮阳设施，其所吸收的太阳辐射热，大部分散发到了室内，如图(c)所示。若装在外侧，则会有较大的改善，如图(d)所示。遮阳设施的安装位置28C.

材料与颜色

遮阳设施多悬挑于室外，因此多采用坚固耐久的轻质材料。如果是可调节的活动形式，还要求轻便、灵活。构件外表面的颜色宜浅，以减少对太阳辐射热的吸收；内表面则应稍暗，以避免产生眩光，并希望材料的辐射系数较小。

此外，采用特种玻璃作窗玻璃，也能起到遮阳防热的作用。左图表示了几种不同玻璃的传热情况.净片玻璃窗与热反射玻璃帘的防热作用29如在构造上加以处理，还可将不同玻璃进行组合，如图所示，使遮阳防热的效果更佳。不同玻璃传热性能比较30

专题：太阳能建筑与建筑节能被动式太阳能建筑采暖原理示意图311、太阳能及太阳能建筑太阳能是首选的可持续能源。具有清洁卫生、永久（相对）持续、覆盖受益面大、适应性强以及安全无污染等特点。我国太阳能资源丰富，但各地有差异。中等级以上地区主要分布在我国中北部，而这些地区恰好是需保温节能且其他能源资源相对贫乏地区。太阳能热能等级全年日照时数全年总辐射能（万kcal/㎡)分布地区太阳能资源一3200～3300160～200宁夏北、甘肃北、新疆东南、青海西、西藏西最富区二3000～3200140～160冀西北、晋北、内蒙及宁夏南、甘肃中、青海东、西藏南、新疆南富区三2200～3000120～140鲁、豫、冀东南、晋南、新疆北、吉林、辽宁、云南、陕北、甘肃东南、粤南中等四1400～2200100～120湘、桂、赣、浙、鄂、闽北、粤北、陕南、黑龙江较差五1000～140080～100川、黔差32

太阳能建筑（1）主动式太阳能建筑

在利用太阳能的同时，靠机械动力驱动，一定程度上也耗能。（2）被动式太阳能建筑将建筑物自身或某一部分、构件作为太阳能的集热、蓄热及散热“设备”，而进行太阳能与建筑用能的热运转形式。

A

直接受益型被动式太阳能建筑原理：通过建筑洞口的合理设计，让太阳能（阳光）直接进入建筑室内空间，通过对流、辐射的方式与室内进行热交换，达到用能并节能目的。集热器蓄热器用户管道泵、风机泵、风机33存在的问题：室内获得的热量可能会“入不符出”对玻璃有很强的选择性；室内热稳定性差。提高热特性途径：增加玻璃层（单—双）；提高气密性；选择蓄热系数大的材料，提高热稳定性。冬季、夏季hs不同优点：构造简单；室内升温快；建筑艺术处理灵活。34B集热墙被动式太阳能建筑

1956年法国太阳能lab主任(Trombe)特朗伯教授首先提出。在直接受益式太阳能窗后面筑起一道重型结构墙，如图所示：

集热墙双层玻璃、间层10cm集热墙太阳能建筑

最早的集热墙采用50㎝厚砼制成。目前集热墙在材料选用上有较大变化，如：砖、石墙；水墙；相变蓄热材料墙（清华大学）等。35

特朗伯墙太阳能建筑工作原理（冬季）太阳光照射后，利用空气间层的“温室效应”和集热墙的吸热、蓄热特性，间层中的空气被加热上浮，通过上气口进入室内，同室内较低的空气进行热交换后，通过下气口再进入间层被加热。如此循环，使室内升温，达到建筑运行节能目的。集热墙外侧一般涂黑？集热墙选择重质材料？集热墙在夏季的工作原理？36特朗伯集热墙在应用推广中存在的问题自重大，对房屋结构抗震不利；建筑立面艺术处理难度大，矛盾较多；构造复杂，使用不便；得热效率不高等。

C

关于：“水墙”利用水的比热容大（c=1kcal/kg·C，常见建筑材料的比热容=1/5C水)的特点，吸收、蓄存热量。相比较而言，水的比重较小，可减轻自重。国外有试点工程（美国），我国研究和应用较少。37D附加日光间式被动太阳能建筑在建筑的适当位置或利用建筑的走廊（南外廊）、封闭阳台、门厅等辅助房间，通过合理设计使其成为太阳能暖房，达到与室内热交换的目的。这种形式国内外都有研究和应用，其效果较好。利于建筑造型的艺术处理；房屋的利用率提高；热损失减少。日光间日光间38

E

被动式太阳能建筑

在太阳能资源较为丰富的地区，利用太阳能改善室内热环境不仅可行而且这种能源用之不竭，又不污染环境。

实践证明，如设计合理、使用得当，能取得较好的效果。目前，国内多采用被动式太阳能采暖方案：当太阳辐射热透过日光室玻璃照射到墙面上时，墙面吸收热能，温度升高，并通过对流方式将热量传给日光室内的空气，使之温度升高，由上部开口流入室内；室内的低温空气由下部开口流进日光室，不断循环流动的空气提高了室内气温，从而改善了室内热环境。39

注意问题:(A)日光室的朝向应选择当地日照时间长、太阳辐射强烈的方位，一般以东南、南、西南向为宜；

(B)日光室的玻璃应选择热光比大的玻璃，并应有较大的面积。这是因为玻璃是短波热射线的透射体，而又是长波热射线的非透射体，能阻挡日光室的热量辐射外逸；

(C)墙面对太阳辐射热的吸收至关重要，表面一定要用对太阳辐射热吸收系数大的材料；

(D)上下通风口尺寸应适当，过大、过小都会影响采暖效果；

(E)在使用上，当夜晚或无日辐射的时候，如日光室的气温低于室内气温，应关闭上、下通风口，避免室内热量的损失。

除利用太阳能采暖之外，在建筑上还可设法利用太阳能使建筑物的各部分产生较大的温差，以加强室内通风，也能取得较好的效果。402、建筑节能现状

（1）我国建筑能耗现状建筑能耗包括建筑采暖、制冷、照明、热水使用等方面。从建筑的全寿命周期来看，能耗有建造和运行两方面。

A.耗量大年能耗折算超过2亿吨标准煤；

B.水平低单位建筑能耗是美国的3.2倍、日本的3.4倍、印度的1.52倍。

C.负效应多…

（

2）我国的能源政策

“节约与开发并重，近期把节约放在首位”41

（3）建筑高能耗的原因

A.建筑节能技术水平低；

B.建筑节能的法律、法规制度建立晚，标准不高；

C.国民节能意识差等。目前处于建筑高能耗阶段，建筑节能任务很重。高能耗建筑节能建筑零能耗建筑（自运行）

建筑节能问题成为当前建筑领域的重要研究课题，是因为：生态、环境、可持续发展的需要；推动建筑科学发展的动力；具有较多的科技切入点（计算机技术、纳米技术、生物技术等）423、建筑节能原则1)正确处理节能目标和计划、局部与整体、阶段与长远的关系；2）注重因地制宜、同而有别的方法和措施；3）开发利用新能源，充分利用太阳能；4）既要做好新建筑的节能设计，又要重视已有建筑的节能改造；5）在最大限度地发挥建筑节能效益的同时，提高设备节能运行效益；6）重视综合用能，提高生产、生活残余能量的利用水平；7）坚持效益为上、效益优先的评估体系；8）正确处理节能与需求的关系。434、建筑节能目标

《民用建筑节能设计标准》JGJ26—95和《民用建筑节能管理规定》（2000.10.1),都对我国建筑节能工作提出了具体要求。《建筑节能“九五”目标和2010年规划》目标：在第一阶段节能30%基础上，第二阶段达到节能50%。其中：（1）改善建筑围护结构设计，减少建筑物采暖能耗30%；（2）改善采暖供热系统，节约采暖能耗20%（提高锅炉运行效率

10%，提高管网输送效率10%）。445、建筑节能设计原则（综合控制原则）建筑规划主要内容包括建筑选址、朝向、间距、楼宇平面布局、空间构成、绿化配置、风向以及道路网络等设计元素。建筑初步设计主要包括对建筑的体形、体量等内容的合理选择。技术和施工图设计构造做法、材料选择以及采暖、通风、照明、电气等方面的选择与设计。施工工艺和水平对建筑的整体节能效果也有较大影响。456、建筑节能设计标准(要求)《民用建筑节能设计标准》JGJ26—95中规定:

（1）建筑热工设计建筑物朝向宜采用南北向或接近南北向，主要房间避开冬季主导风向。建筑物体型系数宜控制在0.3以下；若体型系数大于0.3，屋顶和外墙应加强保温，其传热系数应符合要求。采暖居住建筑的楼梯间和外廊应设置门窗。在采暖期室外平均温度在-0.6℃～-6.0℃的地区,楼梯间不采暖时，楼梯间隔墙和户门应采取保温措施；在采暖期室外平均温度-6.0℃的地区，楼梯间应采暖，入口处应设置门斗等避风措施。46不同地区建筑各部分围护结构的传热系数应符合规定的限值。

不同地区采暖居住建筑各部分围护结构传热系数限值(W/㎡·k)采暖期室外平均温度(℃)代表城市屋顶外墙不采暖楼梯间地板地面S≤0.3S≥0.3S≤0.3S≥0.3隔墙户门接触室外空气不采暖地下室上部周边地面非周边地面2.0～1.0郑州洛阳…0.80.61.41.11.82.70.60.650.520.30.9～0.0安阳…0.80.61.21.01.82.70.60.650.520.3……47采用气密窗或窗户加设密封条时，房间应设置换气调节装置。围护结构热桥部位应加强保温措施，保证围护结构内表面不结露。采暖期室外平均温度低于-5.0℃的地区，外墙在室外地坪以下的垂直墙面、周边直接接触土壤的地面应加强保温措施。其传热系数不应超过规定值。在外墙周边内侧2米范围内，地面的传热系数不应超过0.30(W/㎡·k)。（2）采暖设计

《民用建筑节能设计标准》JGJ26—95对“供热系统设计和供热管网敷设与保温设计”都有所规定。（略）487、建筑节能的建筑学措施节能对建筑的本质性要求：从营建角度营建一定体量的建筑，当所用材料最少时需有较小的外表面积。从运行角度一定体量的建筑，当建筑与室外有较少的热交换（耗能最少）时需有较小的围护结构外表面积。所以，当建筑的体量、围体热阻一定时，建筑的外围护结构须有较小的表面积。（1）节能体型建筑体型系数S：建筑外围护结构表面积∑F与之所包围的体积V

之比。49

S

=∑F/

V

容易证明，当V一定时球形∑F最小；正方体∑F次之；长方体…所以，建筑的体型越规则，节能效果越好。体型系数S≤0.3的建筑称为节能建筑。定向体形系数Sd：考虑到太阳辐射在不同季节对围护结构的不同影响（冬季正效应；夏季负效应），建筑围护结构不同立面的面积也不相等。建筑某一立面面积F与建筑体积V之比称为定向体形系数。

Sd=F/V

由于冬夏季节对建筑的要求不同，对建筑的定向体形系数有相对不同的要求。冬季太阳能采暖建筑，南向体型系数要求相对较大；夏季防热建筑，南向体型系数则要求较小。50

（2）节能平面不同平面形状及其节能分析：零星