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建筑外环境影响要素?建筑物所在地的气候条件，会经过围护构造，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消费的需求，必需了解建筑所在地主要气候要素的变化规律及其特征。一个地域的气候是在许多要素综协作用下构成的。与建筑亲密有关的气候要素有：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构成的部分微气候城市风场、城市热岛、建筑日照我国气候分区特点42.1地球绕日

运动的规律2.1.1地球绕日的运动2.1.2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°需求4分钟2.1.1地球绕日的运动

?经度,?纬度61.关于四季：

四季因地球公转而构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2.1.1地球绕日的运动地轴倾斜角不变，致使赤纬的变化，构成四季。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2.1.1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：

昼夜因地球自转而构成太阳时角2.1.1地球绕日的运动9地域规范时间：规定在一定经度范围内运用一种规范时间。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“规范时〞：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规范时〔钟表时间〕。相邻时区差为1小时。规范时所处经度120º当地经度113º19’121º26’当地太阳时 11:3312:06地域规范时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分钟规范时T0和真太阳时TmT0=Tm±4(L0-Lm)min或北京地处东经116°19‘，北京规范时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★2.1.1地球绕日的运动11关于时间2.1.1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2.1.2太阳位置13南北回归线北极圈6633北回归线23272.1.2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。

2.1.2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:太阳方向与程度面的夹角.太阳方位角A:太阳方向的程度投影偏离南向的角度.太阳高度角太阳方位角2.1.2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=coscoshcos+sinsinsinA=cossinh/cos

2.1.2太阳位置17太阳高度角与纬度的关系2.1.2太阳位置18影响太阳高度角和方位角的要素赤纬：它阐明季节(日期)的变化;时角：它阐明时辰的变化;纬度：它阐明察看点所在的位置.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辰的太阳位置，可进展建筑朝向确定、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展建筑的日射得热量与空调负荷得计算，进展建筑自然采光设计。2.1.2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

AWE2327’太阳轨迹2327’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、时辰的关系不同季节的太阳轨迹2.1.2太阳位置202.2太阳辐射2.2.1太阳辐射电磁波2.2.2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，是决议气候的主要要素，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间隔处，与太阳光线垂直的外表上的太阳辐射强度为I。=3W/m2，称为太阳常数。因太阳与地球之间的间隔在逐日变化，大气层上边境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1.1最大、7.1最小。I0=∫0∞E(λ)dλ2.2.1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2.0.1μm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动，辐射强度也有所改动。太阳高度角??是重要影响要素之一。大气层上界太阳辐射能量分布2.2.1太阳辐射电磁波242.2.2大气层对太阳辐射的吸收太阳辐射经过大气层时，一部分被反射到宇宙空间；被吸收的一部分为：超短波X射线和其它一些超短波射线在经过电离层时，被O2、N2及其它大气成分剧烈吸收短波遭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部分直接到达地面的为：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减弱，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部分组成直射辐射：为可见光和近红外线(0.32~2.5μm)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普通仅包括前两部分。2.2.2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。2.2.2大气层对太阳辐射的吸收大气对太阳辐射的减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：0.65~0.75，在一个月份的晴天中可近似以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＝22.2.2大气层对太阳辐射的吸收INIL314.建筑物接纳到的

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。建筑物程度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.建筑物接纳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经过的途径长度亲密相关，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傍晚太阳高度角低，中午太阳高度角高高纬度地域太阳高度角低，低纬度地域太阳高度角高2.2.2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362.3.1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规范大气压，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‰〕2.3.1大气压力高低压对人体的影响381.风及风的成因风：是指因大气压差所引起的大气程度方向的运动。风的成因：地表增温不同是引起大气压差的主要缘由。大气环流：呵斥全球各地差别赤道和两极温差呵斥地方风：呵斥部分差别，以一昼夜为周期地方性地貌条件不同呵斥，如海陆风、山谷风、庭院风、巷道风等季风：呵斥季节差别，以年为周期海陆间季节温差呵斥，冬季大陆吹向海洋，夏季海洋吹向大陆2.3.2风与大气边境层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根本不变占地面积40％过渡区占地面积36％损失区占地面积36％2.3.2风与大气边境层403.地方风：海陆风和山谷风414.大气边境层从地球外表到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。其缘由是下垫面对气流有摩擦作用。

42

5.风的丈量描画风特征的要素：风速和风向。丈量开阔地面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，可以为按幂函数规律分布，如高度h处：边境层厚度气候站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北京地域的风玫瑰图粗线：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482.3.3室外气温主要指距地面1.5m高，背阴处的空气温度。空气与地外表以导热、对流和长波辐射方式进展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缘由。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样样的？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：向高纬度地域每挪动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候数据

一天中最高气温普通出如今下午2~3时，最低气温普通出如今凌晨4~5时52空气温度的年变化

武汉某年的气候数据

一年中最热月普通在7、8月份，最冷月普通在1、2月份。53缘由〔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.空气温度的部分效应受地面反射率、夜间辐射、气流、遮阳等影响，离建筑物越远，温度越低553.空气温度的部分效应霜洞效应：洼地冷空气聚集呵斥气温低于地面上的空气温度(部分逆温层机理)562.3.4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，并向地面进展长波辐射〔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〕572.3.4有效天空温度Tsky夜间，云层是减少QR的幕；无云时Tsky会很低，沙漠地域利用较低的Tsky进展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会呵斥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锁在地球中距地表足够近的间隔内，并可被经济开采的天然热能。地热的分类：地热的运用：发电、采暖、空调等。关于地热2.3.5地层温度59地热的运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2.3.5地层温度602.3.5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动摇地层外表的月平均温度动摇幅度根本等于室外月平均气温动摇的幅度：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送时，有衰减和延迟；1.5m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℃。612.3.5地层温度恒温层温度扬州恒温层温度约为：18℃左右622.3.5地层温度未思索地热的影响，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：边境条件为过余温度 ℃A是地层外表温度的波幅(℃)，Z是动摇周期(小时)。632.3.5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。假设思索地热的影响，深度每添加1米，地层平均温度普通就会添加1/30℃左右。但与当地地质条件有关。未思索地热影响的64652.3.6湿度来源水体蒸发植物蒸发影响要素地面性质水体分布季节阴晴水蒸汽的分压力冬季较低，夏季较高湿热地域：15~20mbar冰冷和沙漠地域：2mbar日变化较小，季节变化较大内陆地域夏季：上午9~10时和晚上9~10时最高，凌晨和午后最低沿海地域夏季和各地秋冬季：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域差别较大,南方春夏交接时，气候潮湿，室内地面有泛潮景象。682.3.7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。影响要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，未经蒸发或浸透流失而积累在程度面上的水层厚度，以mm为单位。降水时间：指一次降水过程从开场到终了的继续时间，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2.3.7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，构成城市热岛；〔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此处易聚集渣滓2.4.1小区风场构成机理建筑物对来流风的妨碍和聚集作用小区内太阳辐射导致各外表存在温差而构成的自然对流不当风场的危害冬季呵斥热负荷添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——指风向风速的分布情况。

城市风场主要影响城市污染情况。

建筑群内的风

场主要影响热

环境。73小区风场建筑的规划对小区风环境有重要的影响。北京，在北风来流7.6m/s时，部分1.5m高处出现10m/s的高风速北74风场的3-D图：1.5m高处北75小区风场改动建筑规划，小区风环境有明显改善北76合理建筑规划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小区风场建筑规划风场模拟北北78北京的“热岛景象〞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添加。1983年1月26～27日1982年7月1.热岛强度2.4.2城市热岛792.4.2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：建筑规划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：地面资料、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2.4.2城市热岛832.城市热岛的成因2.4.2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2.4.2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构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，妨碍了污染物向上部的分散，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。2.4.2城市热岛864.例子：伦敦的城市热岛伦敦地域冬季月均热岛强度到达6.7℃〔12F〕热岛构成的天气条件：风速微弱或无风，天气晴朗或无云、少云，空气层构造较稳定，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部分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部分热岛强度达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，老区建筑规划不通风90北京某新建小区的热岛模拟912.4.3建筑规划与日照〔1〕日照的作用日照过少导致人体产生的褪黑色素添加，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922.4.3建筑规划与日照〔1〕日照的作用冬季采暖：充分利用太阳能自然采光需求：适当的散射辐射心思需求：冬日室内光斑对人的心思有积极作用〔2〕日照的影响要素纬度：决议太阳高度角和日射强度建筑规划：决议遮挡情况〔3〕目的冬天尽量多：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932.4.3建筑规划与日照〔4〕日影整天日影：一天中都没有日照永久日影：终年没有日照〔5〕建筑规划与日照建筑的互遮挡：不同建筑物相互遮挡建筑的自遮挡：建筑物一部分被另一部分遮挡948:00建筑的互遮挡冬至日的情况8:00