建筑環(huán)境學(xué) 建筑外環(huán)境

建筑環(huán)境學(xué)建筑外環(huán)境第1頁，共91頁，2023年，2月20日，星期一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(hù)結(jié)構(gòu)，直接影響室內(nèi)的環(huán)境，為得到良好的室內(nèi)氣候條件以滿足人們生活和生產(chǎn)的需要，必須了解當(dāng)?shù)馗髦饕獨(dú)夂蛞氐淖兓?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(guān)的氣候要素有：太陽輻射、氣溫、濕度、風(fēng)、降水等等。 第2頁，共91頁，2023年，2月20日，星期一本課程涉及的建筑外環(huán)境內(nèi)容太陽輻射對地球環(huán)境的作用以及地球氣候的特點(diǎn)；人類營造的建筑物與生活、生產(chǎn)活動對局部微氣候的影響。第3頁，共91頁，2023年，2月20日，星期一第一節(jié)地球繞日運(yùn)動的規(guī)律地球繞日的運(yùn)動經(jīng)度和緯度關(guān)于四季關(guān)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91頁，2023年，2月20日，星期一地球繞日的運(yùn)動經(jīng)度和緯度倫敦格林威治天文臺經(jīng)線或子午線緯線第5頁，共91頁，2023年，2月20日，星期一0°0°+23.5°-23.5°地球繞日的運(yùn)動關(guān)于四季赤緯：太陽光線與地球赤道平面之間的夾角赤緯d北回歸線南回歸線第6頁，共91頁，2023年，2月20日，星期一地球繞日的運(yùn)動南北回歸線第7頁，共91頁，2023年，2月20日，星期一地球繞日的運(yùn)動90E關(guān)于晝夜地方平均太陽時世界時標(biāo)準(zhǔn)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?北京時間第8頁，共91頁，2023年，2月20日，星期一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(jìn)行日照時數(shù)，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(shè)計(jì)。第9頁，共91頁，2023年，2月20日，星期一太陽在空間的位置太陽時角太陽高度角太陽方位角太陽高度角sin=cos

coshcosδ+sin

sinδ太陽方位角sinA=cosδsinh/cos

第10頁，共91頁，2023年，2月20日，星期一太陽在空間的位置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(diǎn)所在的位置。第11頁，共91頁，2023年，2月20日，星期一第二節(jié)太陽輻射太陽常數(shù)與太陽輻射的電磁波太陽常數(shù)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(shù)水平面和垂直面上的直射輻射照度第12頁，共91頁，2023年，2月20日，星期一太陽常數(shù)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(nèi)來自太陽的輻射能量，I0=1353W/m2。第13頁，共91頁，2023年，2月20日，星期一太陽輻射的電磁波可見光紫外線近紅外線長波紅外線第14頁，共91頁，2023年，2月20日，星期一太陽輻射的電磁波太陽輻射能量比例第15頁，共91頁，2023年，2月20日，星期一大氣層對太陽輻射的散射、反射與吸收反射：被云層反射到空間散射：天空中的各種氣體分子、塵埃、微小水柱。吸收：氧、臭氧、CO2與水吸收第16頁，共91頁，2023年，2月20日，星期一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17頁，共91頁，2023年，2月20日，星期一太陽輻射能的去向第18頁，共91頁，2023年，2月20日，星期一太陽輻射能的去向第19頁，共91頁，2023年，2月20日，星期一大氣層對太陽輻射的影響程度及影響參數(shù)大氣對太陽輻射的削弱程度取決于射線在大氣中射程的長短與大氣質(zhì)量。而射程長短又與太陽高度角和海拔高度有關(guān)。第20頁，共91頁，2023年，2月20日，星期一關(guān)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(guān)，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21頁，共91頁，2023年，2月20日，星期一關(guān)于大氣透明度定義：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(rèn)為是常數(shù)我國將大氣透明度作了6個等級的分區(qū)，1級最透明第22頁，共91頁，2023年，2月20日，星期一我國的大氣透明度分區(qū)我國的大氣透明度分區(qū)6544332第23頁，共91頁，2023年，2月20日，星期一水平面和垂直面上的直射輻射照度某坡度為

的平面上的直射輻射照度

IDi=INcosi=INsin(+

)

cos(A+) 水平面上的直射輻射照度 IDH=INsin 垂直面上的直射輻射照度 IDV=INcos

cos(A+)第24頁，共91頁，2023年，2月20日，星期一太陽輻射能與太陽高度角第25頁，共91頁，2023年，2月20日，星期一太陽輻射照度與朝向北緯40°的總輻射照度第26頁，共91頁，2023年，2月20日，星期一第三節(jié)室外氣候自然的微氣候大氣壓力風(fēng)與大氣邊界層

室外氣溫有效天空溫度地溫濕度降水第27頁，共91頁，2023年，2月20日，星期一大氣壓力

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(nèi)海平面大氣壓力稱作標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，為101325Pa或760mmHg北京太原拉薩昆明瑪多蘭州格爾木第28頁，共91頁，2023年，2月20日，星期一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(dǎo)致的缺氧對人體的威脅極大。高氣壓環(huán)境導(dǎo)致人體血液中的含氧量增加，紅細(xì)胞、血紅蛋白減少，白細(xì)胞數(shù)增加。從高壓環(huán)境快速回到標(biāo)準(zhǔn)大氣壓環(huán)境，會形成氣栓，甚至危及人的生命。第29頁，共91頁，2023年，2月20日，星期一風(fēng)與大氣邊界層風(fēng)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(fēng)：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(fēng)、山谷風(fēng)、庭院風(fēng)、巷道風(fēng)等季風(fēng)：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91頁，2023年，2月20日，星期一大氣環(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(fēng)的流動促進(jìn)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91頁，2023年，2月20日，星期一海陸風(fēng)和山谷風(fēng)第32頁，共91頁，2023年，2月20日，星期一風(fēng)的測量測量開闊地面10m高處的風(fēng)向和風(fēng)速作為當(dāng)?shù)氐挠^測數(shù)據(jù)

風(fēng)速有梯度，地面為0m/s，可認(rèn)為按冪函數(shù)規(guī)律分布，如：第33頁，共91頁，2023年，2月20日，星期一風(fēng)玫瑰圖某地的風(fēng)向頻率分布實(shí)線為全年，虛線為7月份某地一年的風(fēng)速頻率分布第34頁，共91頁，2023年，2月20日，星期一北京地區(qū)的風(fēng)玫瑰圖粗線：全年細(xì)實(shí)線：冬季，12~2月份虛線：夏季，6~8月份第35頁，共91頁，2023年，2月20日，星期一蒲福風(fēng)力等級表第36頁，共91頁，2023年，2月20日，星期一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(yuǎn)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(qiáng)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(kuò)散，對城市的大氣污染有加劇作用。第37頁，共91頁，2023年，2月20日，星期一原因

地面有冷源1.夜間長波輻射2.附近有較低溫的海風(fēng)吹來逆溫層正常的溫度梯度：地表熱，高空冷第38頁，共91頁，2023年，2月20日，星期一室外氣溫主要指距地面1.5m高，背陰處的空氣溫度。與地表面以導(dǎo)熱、對流和長波輻射形式進(jìn)行熱交換而被加熱或冷卻。對短波輻射幾乎是透明體。日較差：一日內(nèi)氣溫的最高值和最低值之差。年較差：一年內(nèi)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℃。第39頁，共91頁，2023年，2月20日，星期一室外氣溫與太陽輻射的關(guān)系第40頁，共91頁，2023年，2月20日，星期一室外氣溫與緯度的關(guān)系第41頁，共91頁，2023年，2月20日，星期一空氣溫度的日變化武漢九月初一天的氣象數(shù)據(jù)

一天中最高氣溫一般出現(xiàn)在下午2~3時，最低氣溫一般出現(xiàn)在凌晨4~5時第42頁，共91頁，2023年，2月20日，星期一空氣溫度的年變化武漢某年的氣象數(shù)據(jù)

一年中最熱月一般在7、8月份，最冷月一般在1、2月份。第43頁，共91頁，2023年，2月20日，星期一空氣溫度的局部效應(yīng)

受地面反射率、夜間輻射、氣流、遮陽等影響，離建筑物越遠(yuǎn)，溫度越低第44頁，共91頁，2023年，2月20日，星期一空氣溫度的局部效應(yīng)霜洞效應(yīng)：洼地冷空氣聚集造成氣溫低于地面上的空氣溫度第45頁，共91頁，2023年，2月20日，星期一有效天空溫度大氣層的輻射主要是由二氧化碳、水蒸氣等氣體分子所造成，它們吸收一部分透過大氣層的太陽輻射（約占10％）和來自地面的反射輻射，從而具有一定的溫度，因此會向地面進(jìn)行長波輻射，波長范圍主要集中在5～8m及13m以上。經(jīng)常采用所謂的“有效天空溫度”Tsky來計(jì)算大氣層對地球表面的投入輻射Qsky。第46頁，共91頁，2023年，2月20日，星期一有效天空溫度有效天空溫度不僅與氣溫有關(guān)，而且與大氣中的水汽含量、云量以及地表溫度等因素有關(guān)。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47頁，共91頁，2023年，2月20日，星期一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(jìn)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(shù)地表溫度有效天空溫度第48頁，共91頁，2023年，2月20日，星期一有效天空溫度參考文獻(xiàn)：劉森元，黃遠(yuǎn)峰：天空有效溫度的探討，《太陽能學(xué)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49頁，共91頁，2023年，2月20日，星期一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50頁，共91頁，2023年，2月20日，星期一地溫第51頁，共91頁，2023年，2月20日，星期一地層溫度恒溫層溫度第52頁，共91頁，2023年，2月20日，星期一地溫未考慮地?zé)岬挠绊懀梢圆捎酶读⑷~導(dǎo)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)。第53頁，共91頁，2023年，2月20日，星期一地層溫度深度達(dá)到某一個部位，最熱月時此處的溫度反而低于該點(diǎn)的全年平均溫度，而在最冷月時，該點(diǎn)的溫度要高于全年平均溫度。如果考慮地?zé)岬挠绊懀疃让吭黾?米，地層平均溫度一般就會增加1/30℃左右。但與當(dāng)?shù)氐刭|(zhì)條件有關(guān)。第54頁，共91頁，2023年，2月20日，星期一濕度來源水體蒸發(fā)植物蒸發(fā)影響因素地面性質(zhì)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(nèi)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第55頁，共91頁，2023年，2月20日，星期一濕度日變化相對濕度與氣溫變化反相

第56頁，共91頁，2023年，2月20日，星期一濕度年變化內(nèi)陸和沿海地區(qū)差別較大第57頁，共91頁，2023年，2月20日，星期一降水大地蒸發(fā)的水分進(jìn)入大氣層，凝結(jié)后又回到地面，包括雨、雪、冰雹等降水強(qiáng)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58頁，共91頁，2023年，2月20日，星期一我國降水分布

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59頁，共91頁，2023年，2月20日，星期一第四節(jié)城市微氣候城市氣候主要有以下特點(diǎn)：（1）城市風(fēng)場與遠(yuǎn)郊不同。除風(fēng)向改變以外，平均風(fēng)速低于遠(yuǎn)郊的來流風(fēng)速。（2）氣溫較高，形成熱島現(xiàn)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60頁，共91頁，2023年，2月20日，星期一城市微氣候小區(qū)風(fēng)場城市熱島建筑布局與日照第61頁，共91頁，2023年，2月20日，星期一此處易聚集垃圾小區(qū)風(fēng)場形成機(jī)理建筑物對來流風(fēng)的阻礙和聚集作用小區(qū)內(nèi)太陽輻射導(dǎo)致各表面存在溫差而形成的自然對流不當(dāng)風(fēng)場的危害冬季造成熱負(fù)荷增加高風(fēng)速影響人員行動夏季自然通風(fēng)不良第62頁，共91頁，2023年，2月20日，星期一小區(qū)風(fēng)場

建筑的布局對小區(qū)風(fēng)環(huán)境有重要的影響。北京，在北風(fēng)來流7.6m/s時，局部1.5m高處出現(xiàn)10m/s的高風(fēng)速北第63頁，共91頁，2023年，2月20日，星期一小區(qū)風(fēng)場改變建筑布局，小區(qū)風(fēng)環(huán)境有明顯改善北第64頁，共91頁，2023年，2月20日，星期一小區(qū)風(fēng)場建筑布局風(fēng)場模擬北北第65頁，共91頁，2023年，2月20日，星期一城市熱島熱島強(qiáng)度：熱島中心氣溫減去同時間同高度（距地1.5m高處）附件遠(yuǎn)郊的氣溫的差值。單位：℃第66頁，共91頁，2023年，2月20日，星期一城市熱島的成因自然條件市內(nèi)風(fēng)速、對天空長波輻射：建筑布局影響對天空角系數(shù)和風(fēng)場云量：市區(qū)內(nèi)云量大于郊區(qū)太陽輻射：市內(nèi)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(shè)置人為影響：“人為熱”交通、家用電器、炊事產(chǎn)熱空調(diào)采暖產(chǎn)熱第67頁，共91頁，2023年，2月20日，星期一城市熱島的成因第68頁，共91頁，2023年，2月20日，星期一城市熱島的成因：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69頁，共91頁，2023年，2月20日，星期一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(nèi)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(kuò)散，加劇了城市的污染程度?！澳鏈貙印钡挠绊懛秶c熱島強(qiáng)度有關(guān)，在大城市可達(dá)500m高，小城市約為50m。第70頁，共91頁，2023年，2月20日，星期一倫敦的城市熱島倫敦地區(qū)冬季月均熱島強(qiáng)度達(dá)到6.7℃（12F）第71頁，共91頁，2023年，2月20日，星期一北京的城市熱島北京80年代初城市熱島強(qiáng)度為夏季1.5℃，冬季5℃。家用空調(diào)的普及和車輛的劇增必然導(dǎo)致近年夏季熱島強(qiáng)度增加。1983年1月26～27日1982年7月第72頁，共91頁，2023年，2月20日，星期一北京某新建小區(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(fēng)第73頁，共91頁，2023年，2月20日，星期一北京某新建小區(qū)的熱島模擬第74頁，共91頁，2023年，2月20日，星期一日照與建筑物的配置日照的作用與效果建筑物的配置和外形與日照的關(guān)系第75頁，共91頁，2023年，2月20日，星期一日照的作用與效果

1.紫外線:(0.2～0.4m)

作用：殺菌；促進(jìn)人體合成維生素；

危害：過度的照射會危害人體健康；由于氯氟碳化合物對臭氧層的破壞，導(dǎo)致紫外線輻射增強(qiáng)；是黑瘤的致病因素；

2.可見光(0.4～0.77m)：在照明學(xué)上有重要意義；

3.紅外線(0.77～4.0m)：造成熱效果的主要因素；日照強(qiáng)度大小和時間長短對人類行為的影響；

第76頁，共91頁，2023年，2月20日，星期一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(dāng)?shù)纳⑸漭椛浣】岛托睦硇枰憾帐覂?nèi)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(qiáng)度建筑布局：決定遮擋情況目標(biāo)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91頁，2023年，2月20日，星期一建筑物的配置和外形與日照的關(guān)系影響建筑外形配置的幾個因素：日照時間、南北方向相鄰樓間距與緯度之間的關(guān)系第78頁，共91頁，2023年，2月20日，星期一不同使用性質(zhì)的建筑物對日照的要求不同需要爭取較多日照的建筑物有：病房、幼兒園、農(nóng)業(yè)用的日光室等。需要避免日照的建筑物有兩類：一類是防止室內(nèi)過熱。另一類是避免眩光和防止起化學(xué)反應(yīng)的建筑。第79頁，共91頁，2023年，2月20日，星期一影響建筑外形配置的幾個因素我們在進(jìn)行日照設(shè)計(jì)時，常要滿足最低日照標(biāo)準(zhǔn)確定住宅建筑間距，首先應(yīng)滿足日照要求為基礎(chǔ)，綜合考慮其他方面，如：采光、通風(fēng)、消防等。決定住宅日照標(biāo)準(zhǔn)的主要因素：所處的地理緯度及其氣候特征。所處城市的規(guī)模大小。建筑物的高度建筑物的朝向間距及布局第80頁，共91頁，2023年，2月20日，星期一建筑布局與日照我國民用住宅設(shè)計(jì)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：建筑物一部分被另一部分遮擋第81頁，共91頁，2023年，2月20日，星期一建筑的互遮擋情況第82頁