第二章建筑外环境

第二章建筑外环境主要内容第一节地球绕日运动的规律第二节太阳辐射第三节室外气候第四节城市微气候第五节我国气候分区特点第二章建筑外环境虽然我们的研究对象以室内环境为主，但室内环境，尤其是热湿环境受室外环境的影响非常大，所以有必要了解室外环境为什么要考虑建筑外环境？为了控制室内环境，依赖于外环境。满足人生产生活需求。第二章建筑外环境外环境是怎样影响室内环境的？建筑物所在地的气候条件和外部环境，会通过围护结构直接影响室内环境室内空气品质与热湿环境直接受室外气候的影响室内自然光环境直接受室外光气候的影响室内声环境是在室外声环境的基础上形成的第二章建筑外环境宏观气候——太阳辐射的作用及地球气候的特点地球绕日运动的规律太阳辐射室外气候微观气候——人类营造的建筑物与生活、生产活动对局部微气候的影响风场、城市热岛、日照及建筑物的配置我国的气候分区特点指城市因大量的人工发热、建筑物和道路等高蓄热体及绿地减少等因素，造成城市“高温化热带、亚热带、暖温带、温带、寒温带。南部的雷州半岛、海南省、台湾省和云南南部各地，全年无冬，四季高温多雨。长江和黄河中下游地区，四季分明。北部的黑龙江等地区，冬季严寒多雪。广大西北地区，降水稀少，气候干燥，东冷夏热，气温变化显著。西南部的高山峡谷地区，依海拔高度的上升涉及内容第一节地球绕日运动的规律地球绕日的运动伦敦格林尼治天文台东经西经北纬南纬180°90°0°0°北半球南半球经度经线纬线纬度地球经度圈地球纬度圈同地球表面相交同地球表面相割第一节地球绕日运动的规律赤纬δ地球中心和太阳中心的连线与地球赤道平面的夹角赤纬δ北回归线南回归线计算日在一年中的日期序号南北回归线：太阳每年在地球上直射来回移动的分界线。第一节地球绕日运动的规律地球的公转与自转公转轴（年/转）～1.53×108km～1.47×108km66º33’冬至：12月22日90º(δ

=0º)春分：3月21日66º33’夏至：6月21日

δ=－23º27’

δ=＋23º27’90º(δ=0º)秋分：9月22日NNNNSSSS自转轴（日/转）黄道面第一节地球绕日运动的规律地球的公转第一节地球绕日运动的规律关于四季春分、秋分：昼夜相等夏至：北半球昼长夜短，南半球相反冬至：北半球昼短夜长，南半球相反二分二至日（统称）第一节地球绕日运动的规律地球的自转第一节地球绕日运动的规律地方平均太阳时p9太阳通过当地的子午线时为正午12点来计算一天的时间世界时以本初子午线处的平均太阳时为世界时间的标准时真太阳时T以当地太阳位于正南向的瞬时为正午12时，地球自转15°为1小时24个时区，每个时区包含经度15°。以本初子午线东西各7.5°为零时区，向东西各12个时区，相邻两个时区相差1小时当地地方平均太阳时第一节地球绕日运动的规律世界时区24个时区相邻两个时区相差1小时我国东5区~东9区北京时间：东8区第一节地球绕日运动的规律例题北京时间12点时，求北京、上海的地方平均太阳时。（北京处于东经116°19′，上海处于东经121°26′）第一节地球绕日运动的规律太阳时角h当时太阳入射的日地中心连线在地球赤道平面上的投影与当地真太阳时12点时，日、地中心连线在赤道平面上的投影之间的夹角第一节地球绕日运动的规律太阳在空间的位置太阳高度角β——太阳光线与水平面间的夹角太阳方位角A——太阳至地面上某给定点连线在地面上的投影与当地子午线的夹角第一节地球绕日运动的规律影响太阳高度角和方位角的因素赤纬δ——季节的变化时角h——时间的变化地理纬度φ——观察点所在的位置第二节太阳辐射太阳辐射照度1㎡黑体表面在太阳辐射下所获得的辐射能通量大气层外的太阳辐射照度几乎为定值太阳常数I0=1353W/㎡月份123456789101112辐射照度140513941378135313341316130813151330135013721392大气层边界处第二节太阳辐射太阳辐射波谱可见光紫外线近红外线长波红外线第二节太阳辐射太阳总辐射能量比例第二节太阳辐射大气层对太阳辐射的吸收超短波X射线和其他一些超短波射线在通过电离层时，会被氧、氮及其他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大部分紫外线被大气中的臭氧吸收长波被大气层中的二氧化碳和水蒸气等温室气体吸收第二节太阳辐射到达地面的太阳辐射直接辐射可见光和近红外线散射辐射被大气中的水蒸气和云层散射，可见光和近红外线大气长波辐射被大气层吸收掉的太阳辐射将其中一部分能量送到地面第二节太阳辐射第二节太阳辐射扩散和散射能量平衡对流和传导冷凝潜热净损失27+20+19-6=10+8+23+19第二节太阳辐射大气对太阳辐射的削弱程度取决于大气中行程的长短及大气质量，行程长短及大气质量都与太阳高度角有关低纬度地区，太阳高度角高，太阳直射辐射照度大高纬度地区，太阳高度角低，太阳直射辐射照度小中午，太阳高度角大，直射辐射照度大早晨和傍晚，太阳高度角小，直射辐射照度小第二节太阳辐射不同纬度水平面上太阳辐射时刻/h不同纬度受照情况太阳辐射强度/Wm-2第二节太阳辐射大气层质量m反映太阳光在大气层中通过距离的长短，取决于太阳高度角的大小I0INI1βLI0基于距大气层上边界x处与太阳光线垂直表面上的太阳直射辐射照度Ix的梯度与其本身强度成正比太阳不在天顶时，到达地面的距离第二节太阳辐射大气透明度P衡量大气透明度的标志，P越接近1，大气越清澈0.65~0.75到达地面的太阳辐射取决于地球对太阳的相对位置（太阳高度角和路径）和大气透明度第二节太阳辐射我国将大气透明度作了6个等级的分区，1级最透明296544332第二节太阳辐射坡度为θ的平面上的直射辐射照度水平面上的直射辐射照度垂直面上的直射辐射照度根据太阳直射照度可以分别算出水平面和垂直面上的照度第二节太阳辐射各种大气透明度下的直射辐射强度北纬40°的太阳日总辐射照度第二节太阳辐射第三节室外气候大气压力随着海拔高度的增加，气压值按指数减少海平面大气压力称作标准大气压，为101325Pa或760mmHg陆地上同一位置处，冬季的大气压力比夏季的高，变化范围在5%以内第三节室外气候气压随纬度的分布赤道带为低压带30°~50°为副热带高压带60°~70°处气压最低极地区域气压又增加第三节室外气候气压日变化热带变化明显温带变化平缓气压年变化赤道区变化不大，高纬度区变化较大大陆冬季气压高，夏季低；海洋冬季气压低，夏季高第三节室外气候低气压环境物理性影响器官损伤，尤其是肺部高空减压病皮下组织气肿现象缺氧效应急性缺氧：只能坚持数秒至数分钟亚急性缺氧：暴露在缺氧环境数分钟至数小时慢性缺氧：长期暴露在轻度或中度缺氧环境下高气压环境p18第三节室外气候风成因：大气环流——赤道和两极间的温差造成各地气候差异的主要原因之一地方风——地方性条件不同海陆风和山谷风——局部地方昼夜受热不均匀以一昼夜为周期季风——海陆间季节温差以年为周期地表增温不同大气压力差风地表水陆分布、地势起伏、表面覆盖等第三节室外气候风的形成和对地球热平衡的影响通过对流的净能量流赤字过剩纬度梯度带交换第三节室外气候大气边界层厚度取决于地表的粗糙度边界层内风速沿垂直方向存在梯度是由于下垫面对气流有摩擦作用从地球表面到500~1000m高的这层空气。第三节室外气候风速的测量对于风速梯度，计算关系式：气象站所记录的风速为当地10m高处的风速高度为h的某点风速Vh所求地点不同、地形不同，δ和a的取值均不同（表2-2）风向方位图用角度表示风向，是把圆周分成360度，北风(N)是0度(即360度)，东风(E)是90度，南风(S)是180度，西风(W)是270度，其余的风向都可以由此计算出来第三节室外气候风吹来的方向定为风的方向第三节室外气候蒲福（FrancisBeaufort）风力等级表第三节室外气候风玫瑰图风向频率分布图风速频率分布图第三节室外气候海陆风和山谷风第三节室外气候室外温度指距地面1.5m高、背阴处的空气温度地面与空气的热量交换是气温升降的直接原因空气温度变化的原因——地面温度变化影响地面附近气温的因素入射到地面的太阳辐射热量地面的覆盖面大气的对流作用第三节室外气候空气温度的垂直分布正常情况空气温度随高度的增加而降低（垂直衰减率为：0.6℃/100m）空气容易产生垂直或水平的流动，空气层处于不稳定状态逆温情况空气温度随高度的增加而增加（在一定的高度范围内）对自然对流有很强的抑制作用，空气层处于相对稳定状态第三节室外气候逆温层多种原因夜间（尤其是晴朗无风的夜晚）的长波辐射，地面温度低较低温的海风吹入城市（上层空气被大量的人为散热加热）正常的温度梯度：地表热，高空冷逆温层地面长波辐射递减率第三节室外气候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无风力扰动第三节室外气候气温的日变化日较差一日内气温的最高值和最低值之差我国从东南向西北递增第三节室外气候气温的年变化年较差一年内最热月与最冷月的平均气温差我国自南到北、自沿海到内陆递增第三节室外气候同一高度，离建筑物越远，温度越低草地地面的温度比混凝土地面低第三节室外气候有效天空温度Tsky与气温有关与大气中的水汽含量、云量以及地表温度等因素有关与地方的海拔高度有关大气层中的气体分子、尘埃等吸收一部分透过大气层的太阳辐射和来自地面的反射辐射，从而具有一定的温度，回向地面进行长波辐射。大气层向地面逆辐射有效辐射第三节室外气候估算Tsky接近实际的计算公式第三节室外气候地温地温变化取决于太阳辐射和地面对天空的长波辐射，可看作是周期性的温度波动温度波向地层深处传递时，会造成温度波的衰减和时间上的延迟地层表面的温度波动幅度基本等于室外气温全年的波动幅度恒温层第三节室外气候地温的预测采用傅里叶导热微分方程求解过余温度第一类边界条件地层原始温度地面温度地下建筑空调负荷计算时，需要对不同深度处的地层温度进行预测第三节室外气候在深度达到某一个部位，最热月的温度低于该点的全年平均温度，最冷月的温度高于全年平均温度在地面温度出现最高值时，地下构筑物的温度不处于这一深度温度波的最高值，可能会随深度的不同而处于最低或较低值第三节室外气候湿度空气中水蒸气的含量来源：水体蒸发、植物蒸发用绝对湿度和相对湿度来表示影响因素：地面性质、水陆分布、季节寒暑、天气阴晴等大陆低于海面，夏季高于冬季，晴天低于阴天第三节室外气候相对湿度的日变化与气温变化趋势相反水蒸气含量少，但是温度低；大水蒸气含量多，但是温度高；低第三节室外气候相对湿度的年变化内陆和沿海区差别较大第三节室外气候同一高度，离建筑物越远，相对湿度越大草地地面的相对湿度比混凝土地面大第三节室外气候降水从大地蒸发出来的水进入大气层，经过凝结后又降到地面上的液态或固态水分降水量：降落到地面的雨、雪、冰雹等溶化后，未经蒸发或渗透流失而积累在水平面上大的水层厚度，mm降水时间：一次降水过程从开始到结束的时间，h或min降水强度：单位时间内的降水量，以24h的总量划分为小雨（＜10mm）、中雨（10~25mm）、大雨（25~50mm）、暴雨（50~100mm）影响因素：气温、大气环流、地形、海陆分布的性质及洋流复杂第三节室外气候我国降水分布图第四节城市微气候城市气候的特点城市大气污染大气透明度低气温较高风速减小，风向随地而异城市地表蒸发减弱，湿度变小微气候建筑物周围地面上的屋面、墙面、窗台等特定地点的气温、湿度、压力、风速、阳光、辐射等第四节城市微气候风场指风向和风速的分布状况城市风环境主要影响城市的污染状况；建筑群内的风场主要影响热环境不当风场的问题冬季导致采暖负荷增加夏季自然通风不良高风速影响人的活动和热舒适性低风速导致气体污染物聚集在小区旋风区域积聚废弃物第四节城市微气候风场图小区内部局部区域出现的高风速气流（风洞效应）第四节城市微气候风场的研究方法利用风洞的物理模型实验方法利用计算流体力学（CFD）的数值模拟方法冬季有效抑制风速夏季保证气流通畅第四节城市微气候城市热岛市中心的温度高于郊区温度，市内各区温度分布也不同1983年，北京的热岛效应1983年1月26～27日1982年7月第四节城市微气候城市热岛产生的原因下垫面特殊的物理性质、城市内的低风速、城市内较大的人为热等第四节城市微气候不同下垫面的地表面温度下垫面对气温的影响不同下垫面的反射和吸收比第四节城市微气候热岛强度以热岛中心气温减去同时间同高度（距地1.5m处）附近郊区的气温差值农村住宅城市内部第四节城市微气候热岛强度与逆温层逆温层在地面以上一定高度温度随高度上升，使污染物处于低温区域，妨碍了污染物向上部的扩散，其影响范围与热岛强度有关，小城市约为50m，大城市可达500m以上高空逆温层被困的烟雾层海拔高度第四节城市微气候热岛强度的评价方法现场测试计算机模拟分布参数模型集中参数模型CCTC模型改进模型第四节城市微气候紫外线杀菌，波长0.2~0.38μm合成维生素D，预防佝偻病，波长0.29~0.32μm晒黑可见光自然采光心理影响：冬日室内的大片光斑会给人带来愉悦感红外线热效果：减少采暖负荷，达到节能的目的第四节城市微气候日照作用冬季采暖：充分利用太阳能自然采光：适当的散射辐射心理影响：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夏天尽量少只有充分的日照才能得到保证第四节城市微气候日照标准日照时间和日照质量来衡量最低标准：保证足够或最低的日照时间我国民用住宅设计规范中，要求冬至日的满窗日照时间不低于1小时作为最低的日照标准第四节城市微气候建筑物的配置日照间距：为了得到充分的日照，南北方向相邻建筑楼间距不得低于一定限制第四节城市微气候互遮挡：被其他建筑物遮挡而得不到日照自遮挡：由于本幢建筑物的某部分的遮挡造成没有日照的现象终日阴影：一天中都没有日照永久阴影：一年中都没有日照第四节城市微气候788:00建筑的互遮挡冬至日的情况8:009:0016:0014:001