建筑环境学第2章建筑外环境

1第二章

建筑外环境龚伟申苏州大学2021年2建筑外环境影响因素?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，必须了解建筑所在地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。与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。 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4

地球绕日

运动的规律地球绕日的运动太阳位置5经度纬度北纬南纬东经西经经线纬线★伦敦格林威治天文台180°0°0°90°北京时间地球每转1°需要4分钟地球绕日的运动

?经度,?纬度61.关于四季：

四季因地球公转而形成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0°0°+23.5°-23.5°南回归线北回归线地球绕日的运动

地轴倾斜角不变，致使赤纬的变化，形成四季。7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）黄道面黄道面等分24段，每段15天，即为1个节气，全年有24个节气赤纬δ北回归线南回归线地球绕日的运动

24节气的由来?地球的公转与自转82.关于昼夜：

昼夜因地球自转而形成太阳时角地球绕日的运动

9地区标准时间：规定在一定经度范围内使用一种标准时间。如世界时间〔本初子午线/格林威治天文台〕，北京时间〔东经120º/东8时区〕当地太阳时〔真太阳时〕：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。中国的“标准时〞：北京时间=世界时+8小时.全世界共有24个时区，每个时区都按其中央子午线的真太阳时为该时区的标准时〔钟表时间〕。相邻时区差为1小时。标准时所处经度120º当地经度

113º19’121º26’

当地太阳时

11:3312:06地区标准时12:00广州 上海两地时差DecimalDegrees=Degrees+minutes/60+seconds/3600

关于时间10地球每转1°约需要4分钟标准时T0和真太阳时TmT0=Tm±4(L0-Lm)min或北京地处东经116°19‘，北京标准时12点时，其真太阳时11：45。问题：西安〔东经108°56‘〕的真太阳时和北京时间差多少?关于时间90W北京时间伦敦时间90E★地球绕日的运动

11关于时间地球绕日的运动

120°0°+23.5°-23.5°太阳的位置与日照的关系

太阳的位置与日照的关系赤纬δ：太阳光线与地球赤道平面之间的夹角赤纬δ北回归线南回归线太阳位置13南北回归线北极圈66

33

北回归线23

27

太阳位置14

时角h:指当时太阳入射的日地中心连线OP线在地球赤道平面上的投影与当地时间12点时日地中心连线在地球赤道平面上的投影的夹角。——表地球自转的的位置。

太阳位置15太阳位置:地球上某一点所看到的太阳方向.常用太阳高度角和太阳方位角来表示.太阳高度角

:太阳方向与水平面的夹角.太阳方位角A:太阳方向的水平投影偏离南向的角度.太阳高度角太阳方位角太阳位置16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

sin

sinA=cos

sinh/cos

太阳位置17太阳高度角与纬度的关系太阳位置18影响太阳高度角和方位角的因素赤纬：它说明季节(日期)的变化;时角：它说明时刻的变化;纬度：它说明观察点所在的位置.确定太阳高度角和方位角在建筑环境控制领域有非常重要的作用。确定不同季节设计代表日或者代表时刻的太阳位置，可进行建筑朝向确定、建筑间距及周围阴影区范围计算等建筑的日照设计可以进行建筑的日射得热量与空调负荷得计算，进行建筑自然采光设计。太阳位置19纬度

赤纬δ时角h太阳高度角β太阳方位角A计算起点赤道面春秋分正午地平面正南方向性北/南纬≤|±23

27’|≤|±180|≤90

≤|±180|日出S日落N地平面正午时太阳高度角

PN北天极

AWE23

27’太阳轨迹23

27’冬至春秋分夏至天顶半天球地轴地平圈太阳高度角与季节、时刻的关系不同季节的太阳轨迹太阳位置202.2太阳辐射太阳辐射电磁波大气层对太阳辐射的吸收211.太阳辐射强度及太阳常数太阳辐射是地球热量的根本来源，是决定气候的主要因素，也是建筑外部最主要的气候条件之一。太阳辐射强度I：它使指1m2黑体外表在太阳照射下所能获得的辐射能通量〔W/m2〕。在地球大气层外，太阳与地球的年平均距离处，与太阳光线垂直的外表上的太阳辐射强度为I。=1353W/m2，称为太阳常数。因太阳与地球之间的距离在逐日变化，大气层上边界处与太阳光线垂直的外表上的太阳辐射强度也会随之变化。一年中最大、最小。I0=∫0∞E(λ)dλ太阳辐射电磁波22太阳辐射的

波

谱可见光紫外线近红外线长波红外线2.μm的X射线～100m的无线电〔γ、X、紫外、可见、红外、微波、短波、中波、长波〕233.太阳辐射能量比例进入大气层后，因大气对不同波长的射线具有选择性的反射和吸收作用，到达地球外表的光谱成分有所改变，辐射强度也有所改变。太阳高度角??是重要影响因素之一。大气层上界太阳辐射能量分布太阳辐射电磁波24大气层对太阳辐射的吸收

太阳辐射通过大气层时，一局部被反射到宇宙空间；被吸收的一局部为：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一局部直接到达地面的为：可见光＋近红外线大气层对太阳辐射的作用云层的反射各种气体分子、尘埃、微小水珠的散射大气气体〔氧、臭氧、二氧化碳和水蒸气〕的吸收反射、散射和吸收的共同影响，使到达地球外表的太阳辐射照度大大削弱，辐射光谱也因此发生了变化太阳辐射能的去向26到达地面的太阳辐射能量到达地面的太阳辐射能量由三局部组成直射辐射：为可见光和近红外线(μm)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。所谓太阳总辐射强度一般仅包括前两局部。大气层对太阳辐射的吸收

271.大气层消光系数a距大气层上界x处与太阳光线垂直的外表上的太阳辐射强度Ix的梯度与其本身的强度成正比。k—比例常数(1/m),k越大，辐射强度衰减越大，a=kL,a又称为消光系数。大气层对太阳辐射的吸收

大气对太阳辐射的削弱程度取决于射线在大气中行程的长短及大气层质量，行程长短与太阳高度角和海拨高度有关。282.大气透明度

定义：大气透明度：IL/I0=P=exp(-kL)，P＝1

最透明变化范围：，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级最透明某地晴天的大气透明度逐月值为何6、7、8月P最低?29我国的大气透明度分区6544332303.大气质量

m地球外表处法向太阳直射辐射照度：IN=I0Pm？？m=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＝2大气层对太阳辐射的吸收

INIL314.建筑物接收到的

太阳直射辐射强度到达地面的太阳辐射强度大小取决于地球对太阳的相对位置〔L〕和大气透明度P。建筑物水平面上的直射辐射强度建筑物垂直面上的直射辐射强度±32太阳直射辐射能IN、IDH

、IDV与太阳高度角I033太阳日总辐射照度与朝向地点：北纬40°4.

建筑物接收到的太阳直射辐射强度345.太阳直射辐射与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。太阳高度角低那么日射强度小冬季太阳高度角低，夏季太阳高度角高清晨和黄昏太阳高度角低，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大气层对太阳辐射的吸收

352.3室外气候

自然的微气候

大气压力

地层温度

空气温度

有效天空温度

空气湿度

风降水36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760mmHg北京太原拉萨昆明玛多兰州格尔木37大气压力变化平均气压随纬度分布气压日变化〔2‰〕大气压力上下压对人体的影响381.风及风的成因风：是指因大气压差所引起的大气水平方向的运动。风的成因：地表增温不同是引起大气压差的主要原因。

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，夏季海洋吹向大陆风与大气边界层392.大气环流

赤道得到太阳辐射大于地表的长波辐射散热，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％风与大气边界层403.地方风：海陆风和山谷风414.大气边界层

从地球外表到500—1000米高的这层空气称之，其厚度主要取决于地表的粗糙度。其原因是下垫面对气流有摩擦作用。

42

5.风的测量描述风特征的要素：风速和风向。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0.33436.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44北京地区的风玫瑰图

粗线：全年细实线：冬季，12~2月份虚线：夏季，6~8月份45上海广州的风频图风向频率分布：实线为全年，虚线为7月份4647蒲福风力等级表48室外气温主要指距地面高，背阴处的空气温度。空气与地外表以导热、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，直接接受太阳辐射的增温是微弱的，只能吸收地面的长波〔3－120m〕辐射。因此，地面与空气的热量交换是气温升降的直接原因。491.空气温度是如何产生变化的？问题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？50空气温度的变化日较差：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51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52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。53原因〔机理〕地面有冷源1.夜间长波辐射2.附近有较低温的海风吹来2.逆温层P20正常的温度梯度：地表热，高空冷543.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553.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(局部逆温层机理)56

有效天空温度Tsky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净辐射换热QRQR＝Qg－Qsky＝σ(Tg4－Tsky4)≡＞Tsky？地表的黑度波尔兹曼常数地表温度有效天空温度Tsky，不仅与气温有关，且与大气中的水汽含量、云量及地表温度有关〔大致在230K〔冬季〕——285K〔夏季〕之间〕〔无云时Tsky会很低〕57有效天空温度Tsky夜间，云层是减少QR的幕；无云时Tsky会很低，沙漠地区利用较低的Tsky进行夜间降温是控制夏季室内热环境的节能方法；但冬季较低的Tsky会造成额外的夜间采暖能耗。问题：为什么晴朗天气的凌晨植物叶片的外表易结露或结霜？？58根本概念地热指地球内部的热量。地热类型高温中温低温温度>150℃90～150℃25～90℃热媒的状态蒸汽水和蒸汽温热水地热能指封闭在地球中距地表足够近的距离内，并可被经济开采的天然热能。地热的分类：地热的应用：发电、采暖、空调等。关于地热地层温度59地热的应用及其对建筑环境的影响取水回灌接热泵系统接热泵系统接地下利用水系统地源热泵系统a)开式水系统b)闭式水系统c)热泵系统高较大利用率对环境影响低较小地层温度60地层温度外表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外表的月平均温度波动幅度根本等于室外月平均气温波动的幅度：北京全年月平均温差的最大值为30.8℃〔年较差〕，北京地层外表温度全年的波幅为15.4℃。温度波在向地层深处传递时，有衰减和延迟；后日变化被滤掉；一定深度后〔约15m〕便成为恒温层，温度比全年气温平均温度高1—2℃。61地层温度恒温层温度扬州恒温层温度约为：18℃左右62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是地层外表温度的波幅(℃)，Z是波动周期(小时)。63地层温度深度到达某一个部位，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6465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

水蒸汽的分压力

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1.根本知识662.湿度的日变化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？？673.湿度的年变化年变化内陆和沿海地区差异较大,南方春夏交接时，气候潮湿，室内地面有泛潮现象。68降水

大地蒸发的水分进入大气层，凝结后又回到地面的液态或固态水分，包括雨、雪、冰雹等。降水性质：降水量、降水时间和降水强度。影响因素气温地形大气环流海陆分布69降水量：指降落到地面的雨、雪、冰雹等融化后，未经蒸发或渗透流失而积累在水平面上的水层厚度，以mm为单位。降水时间：指一次降水过程从开始到结束的持续时间，用h，min来表示。降水强度：指单位时间内的降水量。降水量的多少是用雨量筒和雨量计测定的。降水强度的等级，以24小时的总量〔mm〕来划分：小雨＜10；中雨10～25；大雨25～50；暴雨50～100。降水——度量参数降水70我国降水分布

我国降水根本集中在夏季，长江流域在夏初有“梅雨〞

降雪集中在北纬35°以北712.4城市微气候城市气候的主要特点：〔1〕城市风场与远郊不同；〔2〕气温较高，形成城市热岛；〔3〕城市中的云量较高，大气透明度低，太阳总辐射强度比郊区低。72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外表存在温差而形成的自然对流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建筑群内风速太低，导致污染物无法排除而聚集建筑群内出现旋风区域，易积聚落叶、废纸、等废弃物风场——指风向风速的分布状况。

城市风场主要影响城市污染状况。

建筑群内的风

场主要影响热

环境。73小区风场

建筑的布局对小区风环境有重要的影响。北京，在北风来流7.6m/s时，局部1.5m高处出现10m/s的高风速北74风场的3-D图：高处北75小区风场

改变建筑布局，小区风环境有明显改善北76合理建筑布局对小区风场的改善北风冬季主导风向夏季主导风向南风77小区风场

建筑布局风场模拟北北78北京的“热岛现象〞

北京80年代初城市热岛强度为夏季1.5℃，冬季5℃。家用空调的普及和车辆的剧增必然导致近年夏季热岛强度增加。1983年1月26～27日1982年7月

1.热岛强度城市热岛79城市热岛

——1.热岛强度热岛中心气温减去同时间同高度〔距地1.5m高处〕附近郊区的气温的差值。单位：℃80热岛强度等级——分为1－5级

1.热岛强度81热岛强度——事例822.城市热岛的成因自然条件市内风速、对天空长波辐射：建筑布局影响对天空角系数和风场云量：市区内云量大于郊区太阳辐射：市内大气透明度低下垫面的吸收和反射特性、蓄热特性：地面材料、植被、水体的设置人为影响：“人为热〞交通、家用电器、炊事产热空调采暖产热城市热岛832.城市热岛的成因城市热岛842.城市热岛的成因：下垫面的影响不同下垫面的反射和吸收比不同下垫面的地外表温度下垫面对气温的影响砖石地面草地裸露的土地蒸发漫反射反射反射漫反射蒸发漫反射反射城市热岛853.城市热岛与逆温层由于自然对流的作用，在地面以上一定高度内形成了一个温度随高度上升的稳定的“逆温层〞，使污染物处于低温区域，阻碍了污染物向上部的扩散，加剧了城市的污染程度。“逆温层〞的影响范围与热岛强度有关，在大城市可达500m高，小城市约为50m。城市热岛864.例子：伦敦的城市热岛伦敦地区冬季月均热岛强度到达6.7℃〔12F〕热岛形成的天气条件：风速微弱或无风，天气晴朗或无云、少云，空气层结构较稳定，气压梯度小。到达一定风速时，城郊温差就不存在了。—称热岛临界风速。87局部热岛效应来流风向某体育中心原设计方案，建筑外外表的大屏幕设置导致局部热岛强度达4℃。88

北京某新建小区的热岛模拟

日平均热岛强度/白天热岛强度

——夜间大于白天老区2/1.6℃1.4/0.5℃S2区2/1.7℃2.1/1.6℃S3区1.6/0.9℃1.8/1.1℃1.7/0.8℃89北京某新建小区的热岛模拟S2区临马路，S3区绿化好，老区建筑布局不通风90北京某新建小区的热岛模拟91建筑布局与日照〔1〕日照的作用日照过少导致人体产生的褪黑色素增加，引起精神忧郁紫外线杀菌，促进合成维生素D导致皮肤癌〔黑瘤病〕可见光获得照明红外线带来辐射热能92建筑布局与日照〔1〕日照的作用冬季采暖：充分利用太阳能自然采光需要：适当的散射辐射心理需要：冬日室内光斑对人的心理有积极作用〔2〕日照的影响因素纬度：决定太阳高度角和日射强度建筑布局：决定遮挡情况〔3〕目标冬天尽量多：但太阳高度角低易被遮挡夏天尽量少：但太阳高度角高不易被遮挡93建筑布局与日照〔4〕日影终日日影：一天中都没有日照永久日影：终年没有日照〔5〕建筑布局与日照建筑的互遮挡：不同建筑物相互遮挡建筑的自遮挡：建筑物一局部被另一局部遮挡948:00建筑的互遮挡

冬至日的情况8:009:0016:0014:001