建筑环境学-第2章建筑外环境

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1、1,第二章 建筑外环境,2,为什么要考虑建筑外环境?,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，必须了解当地各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。对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,第一节 地球绕日运动的规律,经度和纬度,经线或子午线,纬线,东经,西经,北纬,南纬,180,90,0,0,4,时间 某地的真太阳时当地的钟表时间T0就是忽略了时差e 的当地平均太阳时。 问题：西安的地方平均太阳时和北京时间差多少?,第一节 地球绕日运动的规律,北京时间,5,

2、第一节 地球绕日运动的规律,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,赤纬d,北回归线,南回归线,6,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 cos h cos d+ sin sind sin A = cos d sin h /cos ,7,第二节 太阳辐射,可见光,紫外线,近红外线,长波 红外线,8,太阳辐射能量比例,太阳常数1353W/m2：大气层外的辐射强度进入大气层后被反射和吸收，光谱成分有所改变，辐射强度有所改变。太阳高度角是重要影响因素。,9,大气层对太阳辐射的吸收,超短波X射线和其它一些超短波射

3、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 剩下的可见光近红外线,10,落到地球上的太阳辐射能量,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部分,11,太阳辐射能的去向,12,13,大气透明度,定义：I1/I0 = P = exp (-kL)，P1 最透明变化范围

4、：0.650.75，在一个月份的晴天中可近似认为是常数,积分后，得,14,东京晴天的大气透明度逐月值,我国将大气透明度作了6个等级的分区，1级最透明,15,我国的大气透明度分区,6,5,4,4,3,3,2,16,大气质量 m,IN = I0 P m m = L/L = 1/sin,到达地面的太阳辐射照度大小取决于地球对太阳的相对位置（太阳高度角和路径）以及大气透明度。,17,水平面上的直射辐射照度为垂直面上的直射辐射照度为,18,太阳辐射能与太阳高度角,太阳高度角,为什么太阳高度角接近0和90时垂直面的日射量都小？,19,关于太阳高度角,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

5、。太阳高度角低则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区太阳高度角低，低纬度地区太阳高度角高,20,太阳辐射强度与朝向,北纬40的总辐射强度,21,已知焦作的经度113.21，纬度 35.24，大气透明度0.68 （1）计算在春分、夏至、秋分、冬至四天8:00、12:00、16:00、20:00的太阳高度角和太阳方位角； （2）在第一问的基础上，分别计算四天中四个不同时刻，水平面和东、西、南、北四个垂直面上获得的太阳直射辐射大小。,22,第三节 室外气候,自然的微气候大气压力 风空气温度有效天空温度 地层温度 空气湿度降水,23,大气压力,

6、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101325 Pa 或 760 mmHg,24,大气压力变化,平均气压随纬度分布,气压日变化（2）,25,风,风的成因大气环流：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，夏季海洋吹向大陆,26,大气环流,赤道得到太阳辐射大于长波辐射散热，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。,27,大气环流,地

7、球的自转把赤道上空向两极流动的气流变成西风,28,海陆风和山谷风,29,风的测量,测量开阔地面 10m 高处的风向和风速作为当地的观测数据 风速有梯度，地面为 0 m/s，可认为按幂函数规律分布，如：,30,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,31,北京地区的风玫瑰图,粗线：全年细实线：冬季，122月份虚线：夏季，68月份,32,蒲福风力等级表,33,空气温度,主要指距地面1.5m高，背阴处的空气温度。与地表面以导热、对流和长波辐射形式进行热交换而被加热或冷却。对短波辐射几乎是透明体。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

8、月的月平均气温差。年平均温度：向高纬度地区每移动 200300 km 降低1。,34,空气温度,年较差与纬度的关系,太阳辐射和气温变化,35,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23时，最低气温一般出现在凌晨45时,36,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。,37,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,38,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,39,有效天空温度,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

9、面进行长波辐射（58m及13m以上） 地表有效辐射：地面与大气层之间的辐射换热QRQRQgQsky ( Tg4 Tsky4 ),地表的黑度,波尔兹曼常数,地表温度,有效天空温度,40,有效天空温度,参考文献：刘森元，黄远峰：天空有效温度的探讨，太阳能学报，Vol.4, No.1, pp.63-68, 1983,41,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,42,湿度,日变化相对湿度与气温变化反相,43,湿度,年变化内陆和沿海地区差别较大,44,地层温度,表面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 地层表面的月平均温度波动幅度基本等于室外月平均气

10、温波动的幅度：北京全年最大月平均温差30.8 ，北京地层表面温度全年的波幅为15.4 温度波在向地层深处传递时，有衰减和延迟；1.5m后日变化被滤掉；一定深度后便成为恒温层，温度比全年气温平均温度高12。,45,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是地层表面温度的波幅()，Z是波动周期(小时)。,46,地层温度,深度达到某一个部位，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

11、 左右。但与当地地质条件有关。,未考虑地热影响的,47,降水,大地蒸发的水分进入大气层，凝结后又回到地面，包括雨、雪、冰雹等降水强度：24小时的降水总量，单位 mm (或cm)影响因素气温地形大气环流海陆分布,48,我国降水分布 我国降水基本集中在夏季，长江流域在夏初有“梅雨” 降雪集中在北纬35以北,49,第三节 室外气候,城市气候小区风场城市热岛建筑布局与日照,50,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表面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,51,小区风场,建筑的布局对小区风环境有重要的

12、影响。北京，在北风来流 7.6 m/s时，局部 1.5 m 高处出现 10 m/s 的高风速,52,风场的3-D图：1.5m高处,53,城市热岛,热岛强度：热岛中心气温减去同时间同高度（距地1.5 m高处）附件远郊的气温的差值。单位：,54,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,55,城市热岛的成因,56,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,不同下垫面的地表面温度,下

13、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,57,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，妨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。,58,伦敦的城市热岛,伦敦地区冬季月均热岛强度达到6.7（12 F）,59,北京的城市热岛,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。,60,北京某新建小区的热岛模拟,S2区临马路

14、，S3区绿化好，老区建筑布局不通风,61,北京某新建小区的热岛模拟,62,建筑布局与日照,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：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,63,建筑布局与日照,我国民用住宅设计规范要求每户至少有一间房间冬至日满窗日照时间不低于1小时。 日照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 导致皮肤癌可见光 获得照明红外线带来辐射热能,64,65,日影终日日影：一天中都没有

15、日照永久日影：终年没有日照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：建筑物一部分被另一部分遮挡,66,建筑的互遮挡情况,67,永久日影 红线区内为永久日影区,68,第四节 我国气候分区特点,两个分区标准“民用建筑设计规范”（GB5017693）的五个建筑热工设计分区建筑热工区划标准（GB5017693）的七个建筑气候区划分区,69,建筑热工设计分区,严寒地区,寒冷地区,夏热冬冷区,夏热冬暖区,温和地区,寒冷地区,严寒地区,寒冷地区,严寒地区,70,建筑气候区划标准的分区法,I区,II区,III区,IV区,V区,VII区,VI区,71,柯本(W.P. Koppen)的全球气候分区,湿热,寒冷高原,干冷,半干冷,寒冷,寒冷,冬冷夏热,冬干夏 湿热,72,习题,为什么我国北方住宅严格遵守座北朝南的原则，而南方（尤其是华南地区）住宅并不严格遵守此原则？是空气温度改变导致地面温度改变，还是地面温度改变导致空气温度改变？晴朗的夏夜，气温25，有效天空温度能达到多少？ 如果没有大气层，有效天空温度应该是多少？,73,习题,为什么晴朗天气的凌晨树叶表面容易结露或结霜？ 为保证日照时间满足规范要求，南方地区和北方地区要求的最小住宅楼间距是否相同？为什么？采用高反射率的地面对住区微气候是改善了还是恶化了？为什么？水体和植被对热岛现象起什么作用？机理是什么？,