建筑日照与遮阳

建筑日照与遮阳第一页，共61页。

本讲主要内容：

9.1太阳的运行规律与特点

9.1.1日照的作用

9.1.2太阳运行的规律与特点

9.1.3天球图、赤道坐标系和地平坐标系

9.1.4地里经纬度

9.1.5太阳时与标准时

9.2建筑遮阳构件

9.2.1遮阳构件及应用

9.2.2建筑遮阳方式

9.2.3遮阳构件尺寸计算

9.2.4遮阳与隔热2第二页，共61页。9.1太阳的运行规律与特点9.1.1日照的作用

日照是指物体表面被太阳直接照射的现象。建筑对日照的要求主要根据它的使用性质和当地气候情况而定。（1）温和地区的多数建筑，也需要至少在冬季正午前后有一定的日照时间；这时的阳光含有较多的紫外线，有利于消灭细菌和预防一些疾病，使室内保持良好的卫生环境。3第三页，共61页。（2）日照还可使房间在冬季获得较多的太阳辐射，提高室内温度。据研究表明，冬季的日照会对多数人产生良好的心理作用。为满足建筑对日照的要求，在设计时应按照使用要求，结合当地气候条件、日照特点、地形及前后建筑的遮挡条件、房间的自然通风要求以及节约用地等因素，综合考虑，正确地选择房屋间距、朝向、建筑体型、窗口位置、遮阳处理等。

在有些情况下，建筑需要避免日照。防止室内过热避免眩光或暴晒日照的作用4第四页，共61页。9.1.2太阳的运行规律与特点太阳在天空的位置是因时、因地时刻都在变化着，而建筑物的状况也是多种多样的，要在设计之初预知日照情况，便需掌握太阳相对运动的规律原理，在此基础上学会运用必要的图表或做简单计算5第五页，共61页。地球按一定的轨道绕太阳运动---公转，公转一周的时间是一年。地球公转轨道平面叫黄道面。地球的地轴与黄道面成66°33′的交角。在公转的过程中，地轴的倾斜方向和黄道面的交角是固定不变的。6第六页，共61页。太阳光线直射地球的范围，在南北纬23°27′之间作周期性的变化，从而形成了春夏秋冬四季的更替。7第七页，共61页。太阳赤纬角δ：太阳光线与地球赤道面所夹的角度。赤纬角从赤道面算起，向北为正，向南为负。一年当中，不同的季节，赤纬角不同。主要季节的赤纬角可以查表：8第八页，共61页。9.1.3地理经、纬度

通过地轴和地球表面相交而成的圆叫经度圈；每一个经圈都被南北两极等分成两个180°的半圆，这样的半圆叫经线或子午线，全球分180个经圈，360条经线。公元1884年经国际会议商定，以英国伦敦的格林威治天文台所在的子午线为全世界通用的本初子午线。

经度既是本初子午线所在的平面与某地子午线所在平面间的夹角。（在赤道面上度量）经度以本初子午线为零度线，自零度线向东分180°，称为东经；向西分180°，称为西经。地球的经线（子午线）与纬线9第九页，共61页。

一切垂直于地轴的平面同地球表面相割而成的圆，都是纬线，它们彼此平行。其中通过地心的纬线叫赤道。赤道所在的平面叫赤道面。赤道面把地球分为南北半球纬度是本地法线（地平面的垂线）和赤道面的夹角，是在本地子午线上度量的。赤道上的纬度都是零。自赤道向北极方向分90°，称为北纬；向南极方向分为90°，称为南纬10第十页，共61页。9.1.4天球图、赤道坐标系和地平坐标系天球：地球绕太阳运行，相对来讲，我们在地球上见到的却是太阳在天空中移动。为了确切地描述太阳在天空中的位置，用相对论原理，假定地球不动，而太阳绕地球旋转，以地球为中心，以任意长为半径作一假想球面，太阳在这一假想球面上绕地轴旋转，这个假想的球体称为天球。延长地轴与天球相交的两点成为天极，PN为北天极，PS为南天极，PNPS为天轴。扩展地球赤道面与天球相交所成的圆QQ′成为天球赤道，黄赤角=23°27′11第十一页，共61页。（1）赤道坐标系：是把地球上的经、纬度坐标系扩展到天球，在天球上与赤道面平行的纬度圈，在天球上叫赤纬圈；在地球上通过南北极的经度圈，在天球上则称为时圈。以赤纬和时角表示太阳的位置。时角：是指太阳所在的时圈与通过南极的时圈构成的夹角，单位为度。自天球北极看，顺时针方向为正，逆时针方向为负。时角表示太阳的方位，因为太阳在天球上一天24小时内旋转360°，所以每小时为15°。假如已知太阳经南点后至观察时刻的位置所经历的时间t，乘以15°，即得出在观察时刻太阳所处位置时角Ω的度数，Ω=15t，deg。太阳在天球上的位置每日每时都有变化，为了确定其位置，常用赤道坐标系和地平坐标系共同表示。12第十二页，共61页。（2）地平坐标系：是以地平圈为基圈，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（hs）：是指太阳直射光线与地平面间的夹角。太阳方位角As：是指太阳直射光线在地平面上的投影与地平面正南方向所夹的角。正南点As=0°，向西为正，向东为负。13第十三页，共61页。太阳高度角和方位角在日出、日落时，任何一个地区，太阳的高度角hs=0°；一天中的正午，即当地太阳时12时，太阳高度角最大，此时太阳位于正南，即太阳方位角As=0在任何一天里，上、下午太阳的位置对称于中午，例如下午1点对称于上午11点，二者太阳的高度角和方位角的数值相同，只是方位角的符号相反。14第十四页，共61页。太阳高度角和方位角可依据下式进行计算：15第十五页，共61页。在日出、日落时hs=0°，所以其方位角和时角为下式：如求正午时的太阳高度角，可按下式计算：16第十六页，共61页。

春分、秋分正午太阳高度角：17第十七页，共61页。冬至日，正午太阳高度角：18第十八页，共61页。夏至日，正午太阳的高度角：19第十九页，共61页。地球自转速度并不完全均匀，为计算方便，按一天为24小时计算称“地方平均太阳时“。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”。各地区所采用的标准时间是各国按所处地理经度位置以某一中心子午线的时间为标准时。9.1.5太阳时与标准时

在以上计算太阳高度角和方位角的公式中，时角(t)所用的时间为观测点的当地太阳时，或称“真太阳时”，即太阳在当地正南时为12点、地球自转一周又回到正南时为一天。

20第二十页，共61页。平均太阳时：

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。

为了使用方便，规定在一定经度范围（15°）统一使用一种标准时，在该经度范围内，同一时刻的钟点均相同。将整个地球按地理经度划分为24个时区，每个时区含地里经度15°。以本初子午线东西各7.5°为零时区，向东分12个时区，向西分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1小时。一天时间的测定，是以地球自转为依据的。建筑日照设计所用的时间，均为当地太阳时，它与日常时钟所指的时间（标准时）之间有一定差值，需加以换算。21第二十一页，共61页。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，统一采用东八时区的时间，即以东经120°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。22第二十二页，共61页。精确的当地太阳时与标准时之间的转换关系为：式中：T。一标准时间，时；分；Tm--地方平均太阳时，时；分；L。一标准时间子午圈所处的经度，度；Lm--当地子午圈所处的经度，度：Ep一均时差，分；4--换算系数，分／度。由于地球自转一周按24小时计，地球的经度分为360°，所以每转过经度1°为4分钟。地方经度在中心经度以西时，经度每差1°，地方时比标准时提前4分钟；在中心经度以东时，经度每差1°，地方时比标准时推后4分钟。23第二十三页，共61页。真太阳时与平均太阳时之间的差称为均时差(Ep)。Ep的变化范围约在-14分到+16分之间。

均时差Ep的年变化24第二十四页，共61页。对于一般建筑日照工程，所用的时间不需要十分精确，为简化计算，修正之Ep可忽略不计。计算式可简化为：25第二十五页，共61页。9.2建筑遮阳9.2.1遮阳构件及应用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。最常见与最具代表性的是窗口遮阳。在炎热地区的夏季，日辐射强度大，气温也高，如我国南方夏季日辐射强度可达1000W／m2，气温可达40℃以上。据我国有关单位的研究测定：当进入室内的直射光辐射强度大于280W／m2，同时气温在29℃以上，气流速度小于0.3m/s寸，人们在室内会感到闷热不舒适。因此，目前一般建筑以气温29℃、日辐射强度280W／m2左右作为必需设遮阳的参考界限。26第二十六页，共61页。27第二十七页，共61页。建筑遮阳的目的是阻断阳光直射，这样做的好处有三个：可以防止透过玻璃的直射阳光，使室内过热；可以防止建筑围护结构（如窗、玻璃幕墙等，对此加以遮阳板）过热并造成对室内环境的热辐射；可以防止直射阳光造成的强烈眩光。这三点对于处于低纬地区尤为重要。所以设计窗口遮阳时，应满足7项要求：28第二十八页，共61页。设计窗口遮阳时，应满足7项要求：⑴、夏天防止日照，冬天不影响必要的日照；⑵、晴天遮挡直射阳光，阴天保证房间有足够的照度；⑶、减少遮阳构造的挡风作用，最好还能起导风入室的作用；⑷、能兼作防雨构件，并避免雨天影响通风；⑸、不阻挡从窗口向外眺望的视野；⑹、构造简单，经济耐久；⑺、必须注意与建筑造型处理的协调统一。⑴29第二十九页，共61页。9.2.2建筑遮阳方式由于日辐射强度随地点、日期、时间和朝向而异，建筑中各向窗口要求遮阳的日期、时间以及遮阳的形式和尺寸，也需根据具体地区的气候和窗口朝向而定。建筑遮阳类型很多，可以利用建筑的其他构件，如挑檐、阁板或各种突出构件，也可以专为遮阳目的而设置。30第三十页，共61页。一、人工遮阳方式·水平式遮阳·垂直式遮阳·综合式遮阳(格栅)·挡板式遮阳二、绿化遮阳三、建筑自遮阳和群体互遮阳按照构件遮挡阳光的特点来区分，主要分为几类：31第三十一页，共61页。32第三十二页，共61页。（1）水平式遮阳----遮挡高度角较大的、从窗口上方投射下来的阳光。·在低纬地区或一年中的夏季，由于太阳高度角很高，建筑的阴影很短，因而水平遮阳比垂直遮阳更加有效。在湿热地区，悬挑出的长长的屋檐足以起到遮阳蔽雨的作用。·印第安昔埃布洛人悬崖宫殿遮阳33第三十三页，共61页。传统建筑的遮阳34第三十四页，共61页。现代建筑的遮阳35第三十五页，共61页。现代建筑的遮阳36第三十六页，共61页。同济大学建筑学院办公楼阳面遮阳37第三十七页，共61页。同济大学图书馆西墙遮阳38第三十八页，共61页。

莱特作为一位美国本土建筑大师，却是家喻户晓。这位以乡土理念为出发点、致力追求建筑个性与自然环境高度融合的大师，在美国各地留下了许多优秀的作品。·（2）垂直遮阳·------遮挡高度角较大的、从窗口斜射过来的阳光，另外垂直遮阳能够有效地挡住高度角很低的光线，适合用于遮挡东北、北、西北向附近的窗口。

普莱斯大厦(1956)是莱特晚期代表作，大面积的垂直遮阳板形成了鲜明的竖向线条，与短促有力的水平遮阳板相结合，共同营造出丰富多采的几何形体。39第三十九页，共61页。垂直遮阳40第四十页，共61页。·亚利桑那州凤凰坡中央图书馆则将垂直遮阳其作为一种标志或装饰：由钢架支撑起的片片三角帆布最直观地向我们展示了垂直遮阳所具有的艺术感染力，在浩瀚、酷热的西部沙漠之中，那片片白帆仿佛使人们看到蔚蓝的大海。41第四十一页，共61页。·（3）

格栅式遮阳(综合式遮阳)-----比较适用于东南、西南附近的窗口。·格栅式遮阳综合了水平遮阳利垂直遮阳的优点，对于各种朝向和高度角的阳光都比较有效。在综合使用各种遮阳方式方面，柯布西耶（法国建筑师）设计的昌迪加尔议会大厦及高等法院(1751—1956)是当之无愧的典范。42第四十二页，共61页。·虽然波士顿市政厅(1964)绐人留下的第一印象是极富韵律的、柱廊般的混凝土垂直遮阳板。因为层层向内缩进的平面使得每层的窗户都于不知不觉中获得了自然的水平遮阳。波士顿市政厅无疑受到柯布西耶（法国建筑师柯布西耶）作品的极大影响。其体形厚重、有雕塑感。43第四十三页，共61页。·（4）挡板式遮阳·------遮挡高度角较小的、从窗口正射过来的阳光，适合用于东向、西向附近的窗口。

44第四十四页，共61页。·柯里亚（亚洲地区的建筑师）设计的孟买干城章嘉公寓(1970—1983)所采用的遮阳方式属建筑自遮阳。·这类遮阳方式没有明显的遮阳构件，通过建筑自身的凸凹来形成大面积阴影，最主要的采光窗都位于阴影之中，而暴露在墙体表面的窗洞口往往尺寸较小。二、建筑自遮阳45第四十五页，共61页。·（三）绿化遮阳·大自然给我们提供了一些天然的遮阳手段，树木或攀缘植物可以用来遮挡阳光，形成阴影，其效果总体来说相当不错。·绿化遮阳不同于建筑构件遮阳之处还在于它的能量流向。植被通过光合作用将太阳能转化为生物能，植被叶片本身的温度并未显著升高。而遮阳构件在吸收太阳能后温度会显著升高，其中一部分热量还会通过各种方式向室内传递。46第四十六页，共61页。·诺曼·福斯特在设计弗冒尤斯地方中等职业学校(1991—93)时，不但在建筑向阳的一侧设计了一组精美的银色遮阳板，以遮挡夏季的酷热。还在建筑周边配置了高大的落叶阔叶乔木，阳光透过树叶和遮阳板的缝隙投下缕缕光斑，犹如一曲动人的旋律。最有意思的是，福斯特所选用树种的姿态与屋顶形状非常相象，让人领略到现代建筑同样可以与优美的自然环境相融合。47第四十七页，共61页。9.2.3遮阳构件尺寸计算

遮阳构件的形式和尺寸一般可根据当地需遮阳日期、时间及窗口朝向用图表法求得，但针对某一时间的窗口遮阳也可按当时的太阳高度角和方位角得出准确尺寸。（1）水平遮阳窗口的水平式遮阳板应当计算其挑出长度L-和端翼的挑出长度D。水平板挑出长度L-的计算：48第四十八页，共61页。水平板端翼挑出长度D的计算：49第四十九页，共61页。（2）垂直遮阳

窗口的垂直遮阳板挑出长度按下式计算：50第五十页，共61页。（3）综合式遮阳和挡板式遮阳综合式遮阳：根据窗口的朝向和建筑造型的要求，若初步确定采用综合式遮阳，可先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。挡板式遮阳：挡板式遮阳的构造有两个基本部分，就是水平板的挑出长度L-和挡板的高度。如L-太小，使挡板离窗口太近，影响使用，如L-太大，又不够经济。根据构造要求确定水平板长度L-51第五十一页，共61页。挡板式遮阳挡板式遮阳中挡板的高度，可计算出窗台离挡板下端的垂直距离H0（应用下式）。挡板的尺寸为H-H0。挡板端翼的挑出长度D按水平遮阳计算。52第五十二页，共61页。例：南京地区（北纬32°）某建筑层高3.6m，采用朝南连续带形落地窗，如图所示，设计师采用双层连续水平遮阳板，水平遮阳板高度距离楼面分别为1.8m和3.6m，要求在秋分日（9月21日）上午11点至下午1点（当地太阳时）玻璃窗有满窗遮阳，不计玻璃厚度，求遮阳板的出挑深度及尽端两翼伸出长度。（已知上午11时太阳高度角为54°，方位角为26.5°）答案：（1）

有水平遮阳公式：-

（2）

两翼深处长度：53第五十三页，共61页。9.2.4遮阳效果与隔热

窗口设置遮阳后，对遮挡太阳辐射热量和在闭窗下降低室内气温，效果较为显著。但对房间的采光和通风不利。（1）、遮阳对太阳辐射热量的遮挡；广州地区四个朝向，夏季一天内遮阳前、后，太阳辐射热量的效果。54第五十四页，共61页。9·.2.4遮阳效果与隔热遮阳形式的选择与构造设计遮