建筑環(huán)境學建筑外環(huán)境

建筑環(huán)境學建筑外環(huán)境第1頁，共87頁，2023年，2月20日，星期四為什么要考慮建筑外環(huán)境?建筑物所在地的氣候條件，會通過圍護結構，直接影響室內的環(huán)境，為得到良好的室內氣候條件以滿足人們生活和生產的需要，必須了解當地各主要氣候要素的變化規(guī)律及其特征。一個地區(qū)的氣候是在許多因素綜合作用下形成的。對建筑密切有關的氣候要素有：太陽輻射、氣溫、濕度、風、降水等等。 第2頁，共87頁，2023年，2月20日，星期四本章內容要點宏觀氣候——太陽輻射作用于地球氣候特點地球繞日運動規(guī)律太陽輻射室外氣候大氣壓力、風、氣溫、天空溫度、地溫、濕度、降水微觀氣候——人類營造活動形成的局部微氣候城市風場、城市熱島、建筑日照我國氣候分區(qū)特點第3頁，共87頁，2023年，2月20日，星期四第一節(jié)地球繞日運動的規(guī)律地球繞日的運動經度和緯度關于四季關于晝夜太陽在空間的位置太陽高度角

和太陽方位角第4頁，共87頁，2023年，2月20日，星期四經度和緯度倫敦格林威治天文臺經線或子午線緯線地球繞日的運動第5頁，共87頁，2023年，2月20日，星期四0°0°+23.5°-23.5°四季赤緯d北回歸線南回歸線太陽的位置與日照的關系赤緯：太陽光線與地球赤道平面之間的夾角地球繞日的運動第6頁，共87頁，2023年，2月20日，星期四南北回歸線地球繞日的運動第7頁，共87頁，2023年，2月20日，星期四地球繞日的運動90E—地方平均太陽時—世界時—標準時—真太陽時—時角問題：上海的地方平均太陽時和北京時間差多少?北京時間晝夜第8頁，共87頁，2023年，2月20日，星期四90E

北京時間經度時區(qū)當地標準時太陽與地球距離變化造成的偏差地球繞日的運動第9頁，共87頁，2023年，2月20日，星期四太陽在空間的位置太陽位置常用兩個角度來表示：太陽高度角β—太陽方向與水平的夾角太陽方位角A—太陽方向的水平投影偏向南的角度確定太陽高度角及方位角，是為了進行日照時數，日照面積，房屋朝向和間距及房屋周圍陰影區(qū)范圍等的設計。第10頁，共87頁，2023年，2月20日，星期四太陽時角太陽高度角太陽方位角赤緯和太陽高度角有什么區(qū)別？時角和太陽方位角有什么區(qū)別？太陽高度角sin=cos

coshcosδ+sin

sinδ太陽方位角sinA=cosδsinh/cos

太陽在空間的位置第11頁，共87頁，2023年，2月20日，星期四影響太陽高度角和方位角的因素有三：赤緯(δ)，它表明季節(jié)（日期）的變化；時角(h)，它表明時間的變化；地理緯度()，它表明觀察點所在的位置。太陽在空間的位置第12頁，共87頁，2023年，2月20日，星期四第二節(jié)太陽輻射太陽常數與太陽輻射的電磁波太陽常數太陽輻射的電磁波大氣層對太陽輻射的吸收大氣層對太陽輻射的散射、反射與吸收大氣層對太陽輻射的影響程度及影響參數水平面和垂直面上的直射輻射照度第13頁，共87頁，2023年，2月20日，星期四太陽常數指太陽與地球之間為年平均距離時，地球大氣層上邊界處，垂直于陽光射線的表面上，單位面積單位時間內來自太陽的輻射能量，I0=1353W/m2。第14頁，共87頁，2023年，2月20日，星期四太陽輻射的電磁波可見光紫外線近紅外線長波紅外線第15頁，共87頁，2023年，2月20日，星期四

太陽輻射能量比例第16頁，共87頁，2023年，2月20日，星期四大氣層對太陽輻射的吸收

第17頁，共87頁，2023年，2月20日，星期四落到地球上的太陽輻射能量由三部分組成直射輻射：為可見光和近紅外線散射輻射：被大氣中的水蒸汽和云層散射，為可見光和近紅外線大氣長波輻射：大氣（水蒸汽和CO2）吸收后再向地面輻射，為長波輻射。在日間比例很小，可以忽略。所謂太陽總輻射照度一般僅包括前兩部分第18頁，共87頁，2023年，2月20日，星期四太陽輻射能的去向第19頁，共87頁，2023年，2月20日，星期四太陽輻射能與太陽高度角第20頁，共87頁，2023年，2月20日，星期四大氣質量

mIN=I0Pmm=L’/L=1/sin大大

為什么太陽高度角接近0o和90o時垂直面的日射量都??？第21頁，共87頁，2023年，2月20日，星期四太陽輻射照度與朝向北緯40°的總輻射照度第22頁，共87頁，2023年，2月20日，星期四關于太陽高度角太陽高度角與太陽通過的路徑長度密切相關，從而影響日射照度。太陽高度角低則日射照度小冬季太陽高度角低，夏季太陽高度角高清晨和傍晚太陽高度角低，中午太陽高度角高高緯度地區(qū)太陽高度角低，低緯度地區(qū)太陽高度角高第23頁，共87頁，2023年，2月20日，星期四太陽高度角冬夏不同第24頁，共87頁，2023年，2月20日，星期四大氣透明度定義：I1/I0=P=exp(-kL)，P＝1最透明變化范圍：0.65~0.75，在一個月份的晴天中可近似認為是常數我國將大氣透明度作了6個等級的分區(qū)，1級最透明東京晴天的大氣透明度逐月值大氣層消光系數第25頁，共87頁，2023年，2月20日，星期四我國的大氣透明度分區(qū)6544332我國的大氣透明度分區(qū)第26頁，共87頁，2023年，2月20日，星期四第三節(jié)室外氣候自然的微氣候大氣壓力風空氣溫度有效天空溫度地層溫度空氣濕度降水第27頁，共87頁，2023年，2月20日，星期四大氣壓力隨海拔高度而變在同一位置，冬季大氣壓力比夏季大氣壓力高，變化范圍5％以內海平面大氣壓力稱作標準大氣壓，為101325Pa或760mmHg北京太原拉薩昆明瑪多蘭州格爾木大氣壓力第28頁，共87頁，2023年，2月20日，星期四大氣壓力與人體健康人體可以忍受的大氣壓力的范圍從0.303-15atm。低氣壓導致的缺氧對人體的威脅極大。高氣壓環(huán)境導致人體血液中的含氧量增加，紅細胞、血紅蛋白減少，白細胞數增加。從高壓環(huán)境快速回到標準大氣壓環(huán)境，會形成氣栓，甚至危及人的生命。第29頁，共87頁，2023年，2月20日，星期四風風的成因大氣環(huán)流：造成全球各地差異赤道和兩極溫差造成地方風：造成局部差異，以一晝夜為周期地方性地貌條件不同造成，如海陸風、山谷風、庭院風、巷道風等季風：造成季節(jié)差異，以年為周期海陸間季節(jié)溫差造成，冬季大陸吹向海洋，夏季海洋吹向大陸第30頁，共87頁，2023年，2月20日，星期四大氣環(huán)流赤道得到太陽輻射大于長波輻射散熱，極地正相反。地表溫度不同是大氣環(huán)流的動因，風的流動促進了地球各地能量的平衡。盈余區(qū)域短缺區(qū)域凈增益凈損失輻射增益區(qū)隨緯度基本不變占地面積40％過渡區(qū)占地面積36％損失區(qū)占地面積36％第31頁，共87頁，2023年，2月20日，星期四風的測量測量開闊地面10m高處的風向和風速作為當地的觀測數據

風速有梯度，地面為0m/s，可認為按冪函數規(guī)律分布，如：第32頁，共87頁，2023年，2月20日，星期四蒲福風力等級表第33頁，共87頁，2023年，2月20日，星期四風玫瑰圖某地的風向頻率分布(實線為全年，虛線為7月份)某地一年的風速頻率分布第34頁，共87頁，2023年，2月20日，星期四北京地區(qū)的風玫瑰圖粗線：全年細實線：冬季，12~2月份虛線：夏季，6~8月份第35頁，共87頁，2023年，2月20日，星期四海陸風和山谷風第36頁，共87頁，2023年，2月20日，星期四空氣溫度

主要指距地面1.5m高，背陰處的空氣溫度。與地表面以導熱、對流和長波輻射形式進行熱交換而被加熱或冷卻——以對流為主。對短波輻射幾乎是透明體?？諝鉁囟仁侨绾萎a生變化的？白天地表溫度升高與空氣溫度升高，誰是誘因？夜間地表溫度降低與空氣溫度降低，誰是誘因？白天和夜間的空氣垂直分布應該是怎么樣的？第37頁，共87頁，2023年，2月20日，星期四空氣溫度日較差：一日內氣溫的最高值和最低值之差。年較差：一年內最冷月和最熱月的月平均氣溫差。年平均溫度：向高緯度地區(qū)每移動200~300km降低1℃。年較差與緯度的關系太陽輻射和日氣溫變化第38頁，共87頁，2023年，2月20日，星期四空氣溫度的日變化武漢九月初一天的氣象數據

一天中最高氣溫一般出現在下午2~3時，最低氣溫一般出現在凌晨4~5時第39頁，共87頁，2023年，2月20日，星期四空氣溫度的年變化武漢某年的氣象數據

一年中最熱月一般在7、8月份，最冷月一般在1、2月份。第40頁，共87頁，2023年，2月20日，星期四原因地面有冷源1.夜間長波輻射2.附近有較低溫的海風吹來正常的溫度梯度：地表熱，高空冷逆溫層

第41頁，共87頁，2023年，2月20日，星期四逆溫層

由于夜間地面長波輻射的冷卻作用，使得接近地面的空氣被冷卻，溫度低于遠離地面的空氣層，就會形成輻射逆溫。逆溫層對自然對流有很強的抑止作用，這時空氣層就處于相對穩(wěn)定的狀態(tài)。逆溫層極不利于地面附近空氣層中的污染物擴散，對城市的大氣污染有加劇作用。第42頁，共87頁，2023年，2月20日，星期四受地面反射率、夜間輻射、氣流、遮陽等影響，離建筑物越遠，溫度越低空氣溫度的局部效應第43頁，共87頁，2023年，2月20日，星期四空氣溫度的局部效應霜洞效應：洼地冷空氣聚集造成氣溫低于地面上的空氣溫度第44頁，共87頁，2023年，2月20日，星期四有效天空溫度大氣層吸收10％以上的太陽輻射和來自地面的反射輻射，并向地面進行長波輻射（5～8m及13m以上）地表有效輻射：地面與大氣層之間的輻射換熱QR

QR＝Qg－Qsky

＝σ(Tg4

－Tsky4

)地表的黑度波爾茲曼常數地表溫度有效天空溫度第45頁，共87頁，2023年，2月20日，星期四有效天空溫度有效天空溫度不僅與氣溫有關，而且與大氣中的水汽含量、云量以及地表溫度等因素有關。云層、霧會使有效天空溫度升高。在沙漠中由于天氣晴朗以及空氣中的水汽量稀少，所以有效天空溫度很低。隨著高度的增大，有效天空溫度隨之減小。第46頁，共87頁，2023年，2月20日，星期四有效天空溫度參考文獻：劉森元，黃遠峰：天空有效溫度的探討，《太陽能學報》，Vol.4,No.1,pp.63-68,1983地表溫度空氣溫度水蒸汽分壓力日照百分率第47頁，共87頁，2023年，2月20日，星期四本節(jié)作業(yè)是空氣溫度改變導致地面溫度改變，還是地面溫度改變導致空氣溫度改變？為什么晴朗天氣的凌晨樹葉表面容易結露或結霜？第48頁，共87頁，2023年，2月20日，星期四地溫表面溫度的變化取決于太陽輻射和對天空的長波輻射，可看作是周期性的溫度波動地層表面的月平均溫度波動幅度基本等于室外月平均氣溫波動的幅度：北京全年最大月平均溫差30.8℃，北京地層表面溫度全年的波幅為15.4℃溫度波在向地層深處傳遞時，有衰減和延遲；1.5m后日變化被濾掉；一定深度后便成為恒溫層，溫度比全年氣溫平均溫度高1～2℃。第49頁，共87頁，2023年，2月20日，星期四恒溫層溫度地層溫度第50頁，共87頁，2023年，2月20日，星期四未考慮地熱的影響，可以采用付立葉導熱微分方程來求地層在周期溫度作用下的溫度場。假定地殼是一個半無限大的物體，有：邊界條件為過余溫度

℃A是地層表面溫度的波幅(℃)，Z是波動周期(小時)。地層溫度第51頁，共87頁，2023年，2月20日，星期四深度達到某一個部位，最熱月時此處的溫度反而低于該點的全年平均溫度，而在最冷月時，該點的溫度要高于全年平均溫度。如果考慮地熱的影響，深度每增加1米，地層平均溫度一般就會增加1/30℃左右。但與當地地質條件有關。地層溫度第52頁，共87頁，2023年，2月20日，星期四來源水體蒸發(fā)植物蒸發(fā)影響因素地面性質水體分布季節(jié)陰晴水蒸汽分壓力冬季較低，夏季較高濕熱地區(qū)：15~20mbar寒冷和沙漠地區(qū)：2mbar日變化較小，季節(jié)變化較大內陸地區(qū)夏季：上午9~10時和晚上9~10時最高，凌晨和午后最低沿海地區(qū)夏季和各地秋冬季：日變化與氣溫日變化一致濕度第53頁，共87頁，2023年，2月20日，星期四日變化絕對濕度一日中相對穩(wěn)定相對濕度與氣溫變化反相濕度第54頁，共87頁，2023年，2月20日，星期四年變化內陸和沿海地區(qū)差別較大濕度第55頁，共87頁，2023年，2月20日，星期四降水大地蒸發(fā)的水分進入大氣層，凝結后又回到地面，包括雨、雪、冰雹等降水強度：24小時的降水總量，單位mm(或cm)影響因素氣溫地形大氣環(huán)流海陸分布第56頁，共87頁，2023年，2月20日，星期四我國降水分布

我國降水基本集中在夏季，長江流域在夏初有“梅雨”

降雪集中在北緯35°以北第57頁，共87頁，2023年，2月20日，星期四第四節(jié)城市微氣候小區(qū)風場城市熱島建筑布局與日照城市氣候主要有以下特點：（1）城市風場與遠郊不同。除風向改變以外，平均風速低于遠郊的來流風速。（2）氣溫較高，形成熱島現象。（3）城市中的云量，特別是低云量比郊區(qū)多，大氣透明度低，太陽總輻射照度也比郊區(qū)弱。第58頁，共87頁，2023年，2月20日，星期四此處易聚集垃圾小區(qū)風場形成機理建筑物對來流風的阻礙和聚集作用小區(qū)內太陽輻射導致各表面存在溫差而形成的自然對流不當風場的危害冬季造成熱負荷增加高風速影響人員行動夏季自然通風不良第59頁，共87頁，2023年，2月20日，星期四小區(qū)風場建筑的布局對小區(qū)風環(huán)境有重要的影響。北京，在北風來流7.6m/s時，局部1.5m高處出現10m/s的高風速北第60頁，共87頁，2023年，2月20日，星期四風場的3-D圖：1.5m高處北第61頁，共87頁，2023年，2月20日，星期四小區(qū)風場改變建筑布局，小區(qū)風環(huán)境有明顯改善北第62頁，共87頁，2023年，2月20日，星期四小區(qū)風場建筑布局風場模擬北北第63頁，共87頁，2023年，2月20日，星期四城市熱島熱島強度：熱島中心氣溫減去同時間同高度（距地1.5m高處）附近遠郊的氣溫的差值。單位：℃第64頁，共87頁，2023年，2月20日，星期四倫敦的城市熱島倫敦地區(qū)冬季月均熱島強度達到6.7℃（12F）第65頁，共87頁，2023年，2月20日，星期四北京的城市熱島北京80年代初城市熱島強度為夏季1.5℃，冬季5℃。家用空調的普及和車輛的劇增必然導致近年夏季熱島強度增加。1983年1月26～27日1982年7月第66頁，共87頁，2023年，2月20日，星期四第67頁，共87頁，2023年，2月20日，星期四城市熱島的成因自然條件市內風速、對天空長波輻射：建筑布局影響對天空角系數和風場云量：市區(qū)內云量大于郊區(qū)太陽輻射：市內大氣透明度低下墊面的吸收和反射特性、蓄熱特性：地面材料、植被、水體的設置人為影響：“人為熱”交通、家用電器、炊事產熱空調采暖產熱第68頁，共87頁，2023年，2月20日，星期四城市熱島的成因第69頁，共87頁，2023年，2月20日，星期四城市熱島的成因：下墊面的影響不同下墊面的反射和吸收比不同下墊面的地表面溫度下墊面對氣溫的影響磚石地面草地裸露的土地蒸發(fā)漫反射反射反射漫反射蒸發(fā)漫反射反射第70頁，共87頁，2023年，2月20日，星期四某體育中心原設計方案，建筑外表面的大屏幕設置導致局部熱島強渡達4℃來流風向第71頁，共87頁，2023年，2月20日，星期四城市熱島與逆溫層由于自然對流的作用，在地面以上一定高度內形成了一個溫度隨高度上升的穩(wěn)定的“逆溫層”，使污染物處于低溫區(qū)域，妨礙了污染物向上部的擴散，加劇了城市的污染程度?！澳鏈貙印钡挠绊懛秶c熱島強度有關，在大城市可達500m高，小城市約為50m。第72頁，共87頁，2023年，2月20日，星期四城市熱島與CTTC模型

基準(背景)溫度太陽輻射造成的溫升夜間對天空長波輻射造成的空氣溫降市區(qū)氣象站第73頁，共87頁，2023年，2月20日，星期四背景某新建小區(qū)的熱島模擬日平均熱島強度/白天熱島強度第74頁，共87頁，2023年，2月20日，星期四北京某新建小區(qū)的熱島模擬S2區(qū)臨馬路，S3區(qū)綠化好，老區(qū)建筑布局不通風第75頁，共87頁，2023年，2月20日，星期四北京某新建小區(qū)的熱島模擬第76頁，共87頁，2023年，2月20日，星期四建筑布局與日照日照的作用冬季采暖：充分利用太陽能自然采光需要：適當的散射輻射健康和心理需要：冬日室內光斑對人的心理有積極作用影響因素緯度：決定太陽高度角和日射強度建筑布局：決定遮擋情況目標冬天盡量多：但太陽高度角低易被遮擋夏天盡量少：但太陽高度角高不易被遮擋第77頁，共87頁，2023年，2月20日，星期四建筑布局與日照我國民用住宅設計規(guī)范要求每戶至少有一間房間冬至日滿窗日照時間不低于1小時。日影終日日影：一天中都沒有日照永久日影：終年沒有日照建筑布局與日照建筑的互遮擋：不同建筑物相互遮擋建筑的自遮擋：建筑物一部分被