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1、第二章建筑外环境第1页，共70页，编辑于2022年，星期三建筑外环境的学习意义建筑外环境的学习意义n建筑外环境通过建筑影响室内的建筑环境n建筑环境学的任务n了解各种内、外部因素是如何影响建筑室内环境的n为得到良好的室内建筑环境以满足人们生活和生产的需要，首先必须了解建筑外环境的变化规律及其特征。第2页，共70页，编辑于2022年，星期三构成外环境的气候要素n温度n湿度n太阳辐射n风n降水n地温n有效天空温度第3页，共70页，编辑于2022年，星期三建筑外环境的基本特点建筑外环境的基本特点n太阳辐射是决定地球宏观气候和微观气候太阳辐射是决定地球宏观气候和微观气候的主要因素的主要因素n太阳辐射是影
2、响室内环境最重要的气候因太阳辐射是影响室内环境最重要的气候因素素n太阳辐射因时、因地变化太阳辐射因时、因地变化第4页，共70页，编辑于2022年，星期三本章内容本章内容n太阳辐射n室外气候n我国气候分区n建筑微气候建筑物及人的生建筑物及人的生产、生活活动对产、生活活动对局部微气候影响局部微气候影响 太阳辐射作用以太阳辐射作用以及地球宏观气候及地球宏观气候的特点的特点 第5页，共70页，编辑于2022年，星期三可见光可见光可见光可见光紫外线紫外线紫外线紫外线近红外线近红外线近红外线近红外线长波长波长波长波红外线红外线红外线红外线太阳辐射电磁作用太阳辐射电磁作用太阳辐射太阳辐射第6页，共70页，编
3、辑于2022年，星期三太阳辐射波谱及能量太阳辐射波谱及能量n近红外线：0.76m 3.0m，45.2%n远红外线：3.0m，2.2%n可见光：0.38m-0.76m，45.6%n紫外线：0.2m-0.38m，7.0%太阳辐射太阳辐射第7页，共70页，编辑于2022年，星期三问题n太阳投射给地球表面能量的大小？太阳辐射太阳辐射第8页，共70页，编辑于2022年，星期三太阳与地球的相对位置 地球直径1.27万千米，太阳直径是地球110倍太阳离地球的平均距离约1.5亿千米照射到地球的太阳光线是平行的照射到地球的太阳光线是平行的太阳辐射太阳辐射第9页，共70页，编辑于2022年，星期三太阳辐射太阳辐射
4、第10页，共70页，编辑于2022年，星期三太阳入射到地平面的入射角变化空间空间时间时间太阳辐射太阳辐射第11页，共70页，编辑于2022年，星期三影响因素n决定地球上被照面太阳辐射大小的因素n垂直面的太阳辐射照度n太阳光线与被照面的入射角n大气的吸收与反射太阳辐射太阳辐射第12页，共70页，编辑于2022年，星期三太阳常数n太阳辐射照度：1m2黑体表面在太阳辐射下所获得的辐射能通量，W/m2n某处的地球大气层外，太阳与地球的年平均距离处，与太阳光线垂直垂直的表面上的太阳辐射照度是常数，太阳常数，I0=1353W/m2太阳辐射太阳辐射第13页，共70页，编辑于2022年，星期三入射角的变化n太
5、阳位置：地球上某一点所看到的太阳方向n空间地理位置n时间n季节n时刻n接受面的朝向（方位）太阳辐射太阳辐射第14页，共70页，编辑于2022年，星期三太阳位置的表示太阳位置的表示n n太阳高度角：太阳高度角：太阳光线与地平面之间的夹角太阳方位角：太阳方位角：太阳光线在地平面上的投影与南向（当地子午线）的夹角，偏西为正，偏东为负。太阳高度角太阳高度角太阳高度角太阳高度角太阳方位角太阳方位角太阳方位角太阳方位角太阳辐射太阳辐射第15页，共70页，编辑于2022年，星期三n地理位置n纬度（）n季节n赤纬（d）n时刻n时角（h）n太阳高度角和方位角的计算sinsin =cos=cos cos cos
6、h h cos cos d d+sin+sin sinsind dsinsin A=A=coscos d d sinsin h/h/coscos 太阳高度角、方位角的影响因素太阳高度角、方位角的影响因素太阳辐射太阳辐射第16页，共70页，编辑于2022年，星期三n高纬度地区太阳高度角低，低纬度地区太阳高度角高。n清晨和傍晚太阳高度角低，中午太阳高度角高。n冬季太阳高度角低，夏季太阳高度角高。关于太阳高度角的认识关于太阳高度角的认识太阳辐射太阳辐射第17页，共70页，编辑于2022年，星期三关于太阳方位角的认识关于太阳方位角的认识夏季冬季太阳辐射太阳辐射第18页，共70页，编辑于2022年，星期
7、三n水平面上的直射辐射照度n垂直面上的直射辐射照度n坡度为平面上的直射辐射照度太阳辐射强度与太阳入射角太阳辐射强度与太阳入射角太阳辐射太阳辐射第19页，共70页，编辑于2022年，星期三太阳高度角太阳高度角太阳辐射强度与太阳入射角太阳辐射强度与太阳入射角太阳辐射太阳辐射第20页，共70页，编辑于2022年，星期三 北纬40总辐射强度的年变化趋势太阳辐射强度与朝向太阳辐射强度与朝向太阳辐射太阳辐射第21页，共70页，编辑于2022年，星期三太阳辐射强度的影响因素太阳辐射强度的影响因素n入射角n接受面的朝向（方位）n太阳高度角n太阳方位角n n大气层的削弱程度？大气层的削弱程度？n n入射角入射角
8、n n大气透明度大气透明度（地理位置、季节、日期）（地理位置、季节、日期）第22页，共70页，编辑于2022年，星期三大气层对太阳辐射的作用大气层对太阳辐射的作用n云层的反射n各种气体分子、尘埃、微小水珠的散射n大气气体（氧、臭氧、二氧化碳和水蒸气）的吸收n反射、散射和吸收的共同影响，使到达地球表面的太阳辐射照度大大削弱，辐射光谱也因此发生了变化 太阳辐射能的去向太阳辐射能的去向太阳辐射能的去向太阳辐射能的去向太阳辐射太阳辐射第23页，共70页，编辑于2022年，星期三落到地球的太阳辐射能量落到地球的太阳辐射能量n三部分组成n直射辐射：为可见光和近红外线n散射辐射：被大气中的水蒸汽和云层散射，
9、为可见光和近红外线n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。n所谓太阳总辐射强度一般仅包括前两部分太阳辐射太阳辐射第24页，共70页，编辑于2022年，星期三n距离大气层上边界线距离大气层上边界线x处，与太阳光线垂直的表面上处，与太阳光线垂直的表面上(即太阳法向即太阳法向)的太阳直射辐射照度的梯度与其本身强度成正比的太阳直射辐射照度的梯度与其本身强度成正比 太阳辐射强度的变化规律太阳辐射强度的变化规律dIx=-kIx Ix=I0 exp(-kx)IL=I0 exp(-kL)太阳位于天顶太阳位于天顶 P=IL/I0 IN=I0 Pm 太阳不位
10、于天顶太阳不位于天顶 m=L/L=1/sin Is,z=IN sin 水平面上的太阳直射强度水平面上的太阳直射强度Ic,z=IN cos cos（A+）垂直面上的太阳直射强度垂直面上的太阳直射强度dx法线法线太阳辐射太阳辐射第25页，共70页，编辑于2022年，星期三n大气透明度的变化范围主要在0.650.75之间变化，但在一个月份的晴天中可近似认为是常数。P越接近1，大气越清澈。Il=I0 exp(-kL)P=Il/I0m=L/L=1/sin k：单位厚度大气层消光系数，：单位厚度大气层消光系数，m-1P：大气透明度：大气透明度m：大气质量：大气质量某城市晴天条件下大气透明度的变化某城市晴天
11、条件下大气透明度的变化某城市晴天条件下大气透明度的变化某城市晴天条件下大气透明度的变化几个参数的定义几个参数的定义太阳辐射太阳辐射第26页，共70页，编辑于2022年，星期三第二节 室外气候风温度湿度降水有效天空温度地温室外气候室外气候第27页，共70页，编辑于2022年，星期三风风风由于大气压差所引起的大气水平方向的运动风的种类大气环流地方风风的成因地表增温不同室外气候室外气候第28页，共70页，编辑于2022年，星期三大气环流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。盈余区域盈余区域盈余区域盈余区域短缺区域短缺区域
12、短缺区域短缺区域净增益净增益净损失净损失辐射增益区辐射增益区 随纬度基本随纬度基本不变不变占地面积占地面积40过渡区过渡区占地面占地面积积36损失区损失区占地面积占地面积36室外气候室外气候第29页，共70页，编辑于2022年，星期三地方风由于地表水陆分布、地势起伏、地面覆盖等地方性条件所引起的海陆风山谷风季风室外气候室外气候第30页，共70页，编辑于2022年，星期三第31页，共70页，编辑于2022年，星期三 梯度风梯度风下垫面对气流的摩擦作用，风速沿垂直方向存在梯度，地面为 0 m/s，可认为按幂函数规律分布边界层厚度取决于地表粗糙度边界层厚度边界层厚度气象站气象站0.14市中心市中心0
13、.33室外气候室外气候第32页，共70页，编辑于2022年，星期三风的表示风的表示风玫瑰图风玫瑰图某地的风向频率分布某地的风向频率分布实线为全年，虚线为实线为全年，虚线为7月份月份某地一年的风速频率分布某地一年的风速频率分布室外气候室外气候第33页，共70页，编辑于2022年，星期三空气温度空气温度n主要指距地面1.5m高，背阴处的空气温度。室外气候室外气候第34页，共70页，编辑于2022年，星期三空气温度的日变化空气温度的日变化 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时室外气候室外气候第35页，共70页，编辑于2022年，星期三空气温度的年变
14、化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。第36页，共70页，编辑于2022年，星期三气温变化的原因气温变化的原因n空气与地表面以导热、对流和长波辐射形式进行热交换而被加热或冷却，对太阳辐射几乎是透明体。n地面与空气的热量交换（对流换热）是气温升降的直接原因n空气温度是如何产生变化的？n 白天地表温度升高与空气温度升高，谁是诱因？n 夜间地表温度降低与空气温度降低，谁是诱因？室外气候室外气候第37页，共70页，编辑于2022年，星期三气温变化的影响因素n主要的影响因素n入射到地面上的太阳辐射热量n地表覆盖面对太阳辐射的吸收和反射性能n大气对流的作
15、用室外气候室外气候第38页，共70页，编辑于2022年，星期三空气温度的局部效应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室外气候室外气候第39页，共70页，编辑于2022年，星期三空气温度的垂直分布n正常情况n空气温度随高度的增加而降低n空气容易产生垂直和水平的流动，空气层处于不稳定状态n逆温状况n空气的温度随高度而增加n对自然对流有很强的抑止作用，空气层处于相对稳定的状态第40页，共70页，编辑于2022年，星期三逆温层逆温层正常的温度梯度：地表热，高空冷正常的温度梯度：地表热，高空冷原因原因 地面有冷源地面有冷源地面有冷源地面有冷源1.1.1.1.夜间长波辐射
16、夜间长波辐射夜间长波辐射夜间长波辐射1.1.1.1.白天的晴朗无风会加剧白天的晴朗无风会加剧白天的晴朗无风会加剧白天的晴朗无风会加剧2.2.附近有较低温的海风吹附近有较低温的海风吹附近有较低温的海风吹附近有较低温的海风吹来来来来1.1.1.1.工业城市的人为散热会加剧工业城市的人为散热会加剧工业城市的人为散热会加剧工业城市的人为散热会加剧第41页，共70页，编辑于2022年，星期三湿度湿度 来源 水体蒸发 植物蒸发 特点绝对湿度一日中相对稳定相对湿度与气温变化反相室外气候室外气候第42页，共70页，编辑于2022年，星期三湿度湿度 年变化 内陆和沿海地区差别较大室外气候室外气候第43页，共70
17、页，编辑于2022年，星期三降水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 海陆分布室外气候室外气候第44页，共70页，编辑于2022年，星期三大气逆辐射大气逆辐射室外气候室外气候大气逆辐射：大气层中的CO2、H2O、臭氧等气体分子吸收太阳辐射和地面的反射辐射，具有一定温度，投向地面的长波辐射热，波长范围主要集中在58m及13m以上。大气逆辐射起到保存地球热量的作用，对于地大气逆辐射起到保存地球热量的作用，对于地面热量平衡具有很大的意义。面热量平衡具有很大的意义。第45页，共70页，编辑于2
18、022年，星期三有效天空温度有效天空温度n地面与大气层之间的辐射换热量n将大气层等价为黑体，采用有效天空温度有效天空温度Tsky表示大气逆辐射：n有效天空温度有效天空温度的影响因素n云量：云量增加，逆辐射增加，有效天空辐射降低n水汽量：水汽量增加，逆辐射增加，有效天空辐射降低地表温度地表温度空气温度空气温度水蒸汽分压力水蒸汽分压力日照百分率日照百分率室外气候室外气候第46页，共70页，编辑于2022年，星期三地层温度地层温度地层表面受到太阳辐射和对天空的长波辐射的影响，并以导热方式向土壤深处传递地层表面的月平均温度波动幅度基本等于室外月平均气温波动的幅度：北京全年最大月平均温差30.8，北京地
19、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后温度日波动由于衰减可忽略。15m深度后温度年波动可忽略，成为恒温层（土壤深层），温度比地面气温的全年平均值高13。室外气候室外气候第47页，共70页，编辑于2022年，星期三地层温度地层温度室外气候室外气候恒温层温度恒温层温度第48页，共70页，编辑于2022年，星期三地层温度地层温度n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。未考虑地热影响的未考虑地热影响的室外气候室外气候第49页，共70页，编辑于2022年，星期三第三节第三节 我国气候分区的特
20、点我国气候分区的特点n“民用建筑热工设计规范”（GB5017693）的五个建筑热工设计分区主要指标：累年一月和七月的平均温度辅助指标：累年日平均温度低于5和大于25的天数第50页，共70页，编辑于2022年，星期三建筑热工设计分区严寒地区严寒地区夏热冬冷区夏热冬冷区夏热冬暖夏热冬暖夏热冬暖夏热冬暖区区区区温和地区温和地区寒冷地区寒冷地区严寒地区严寒地区寒冷地区寒冷地区严寒地区严寒地区第51页，共70页，编辑于2022年，星期三分区名称分 区 指 标设 计 要 求主 要 指 标辅 助 指 标严寒地区最冷月平均温度-10 C日平均温度5 C的天数145天必须充分满足冬季保温要求，一 般可不考虑夏季
21、防热寒冷地区最冷月平均温度-100 C日平均温度5 C的天数90145天应满足冬季保温要求，部分地区兼顾夏季防热夏热冬冷地 区最冷月平均温度010C，最热月平均温度2530 C日平均温度5C的天数090天，日平均温度25C的天数为49110天必须满足夏季防热要求，适当兼顾冬季保温夏热冬暖地 区最冷月平均温度10C，最热月平均温度2529C日平均温度25 C的天数100200天必须充分满足夏季防热要求，一般可不考虑冬季保温温和地区最冷月平均温度013C，最热月平均温度1825C日平均温度5C的天数090天部分地区应考虑冬季保温，一般可不考虑夏季防热建筑热工设计分区及设计特点建筑热工设计分区及设计
22、特点第52页，共70页，编辑于2022年，星期三n城市是一个人类的生产和生活活动高度密集 的区域建筑物交通工具n建筑物本身以其高达墙面而成为一种风障，并在地面与其他建筑物上投下阴影，都会 改变该处的气候条件，形成与农村腹地气 候迥然不同的城市微气候。第53页，共70页，编辑于2022年，星期三第四节第四节 城市微气候城市微气候n特点n城市风场与远郊不同。除风向改变以外，平均风速低于远郊的来流风速。n气温较高，形成热岛现象。n形成大量的城市阴影。第54页，共70页，编辑于2022年，星期三小区风场小区风场n风场是指风向、风速的分布状况n特点n城区的平均风速减小，边界层高度加大 n局部区域的主导风
23、向与来流主导风向不同n高层建筑群内产生局部高速流动（风洞效应）n 不当风场的危害n冬季造成热负荷增加n高风速影响人员行动n夏季自然通风不良第55页，共70页，编辑于2022年，星期三小区风场小区风场n建筑的布局对小区风环境有重要的影响。北京，在北风来流 7.6 m/s时，局部 1.5 m 高处出现 10 m/s 的高风速。第56页，共70页，编辑于2022年，星期三小区风场小区风场n 改变建筑布局，小区风环境有明显改善。第57页，共70页，编辑于2022年，星期三城市热岛城市热岛1983年年1月月2627日日1982年年7月月n热岛现象：城市中心的温度高于郊区，且市内各区的温度也不一致，如果绘
24、制出等温线，就会看到与岛屿的等高线极为相似，这种气温分布的现象称为“热岛现象”。第58页，共70页，编辑于2022年，星期三热岛强度热岛强度热岛强度：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：第59页，共70页，编辑于2022年，星期三北京的城市热岛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。1983年年1月月2627日日1982年年7月月第60页，共70页，编辑于2022年，星期三城市热岛的成因下垫面是气候形成的重要因素得热散热蓄热人为散热（交通、空调采暖家用电器、炊事）太阳辐射得热
25、（反射率降低，得热面积增加）潜热散热对流散热长波辐射散热（周围建筑物和天空）热容量增加第61页，共70页，编辑于2022年，星期三城市热岛的成因第62页，共70页，编辑于2022年，星期三城市热岛与逆温层热岛效应对逆温层的出现由很大的促进作用，热岛影响所涉及的高度在小城市约为50m，在大城市可达500m高。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第63页，共70页，编辑于2022年，星期三日照特性 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目标 冬天尽量多 夏天尽量少第64页，共70页，编辑于202
26、2年，星期三建筑平面布局与日照n影响因素n 纬度：决定太阳高度角和日射强度n 建筑布局：决定遮挡情况n建筑的互遮挡：不同建筑物相互遮挡n建筑的自遮挡：建筑物一部分被另一部分遮挡第65页，共70页，编辑于2022年，星期三建筑物配置与外形对日照的影响建筑物配置与外形对日照的影响 日影 终日日影：一天中都没有日照 永久日影：终年没有日照第66页，共70页，编辑于2022年，星期三建筑物配置与外形对日照的影响建筑物配置与外形对日照的影响 第67页，共70页，编辑于2022年，星期三8:008:00建筑的互遮挡建筑的互遮挡建筑的互遮挡建筑的互遮挡 冬至日的情况冬至日的情况冬至日的情况冬至日的情况8:009:0016:0014:0013:0012:0011:0010:00终日日影区终日日影区终日日影区终日日影区15:00北北北北第68页，共70页，编辑于2022年，星期三建筑的互遮挡和自遮挡的状况，取决于建筑物平面布局和建筑群的规划状况。第69页，共70页，编辑于2022年，星期三有关日照的规范与标准日照间距为了得到充分的日照，南北方向相邻的楼间距不得低于一定限值 适用于南北行列式排列的板式建筑 北京北京 39 57 冬至日冬至日第70页，共70页，编辑于2022年，星期三