2建筑环境学第二章建筑外环境

第二章建筑外环境建筑物所在地的气候条件，通过围护结构，直接影响室内环境，因此，有必要将建筑外环境的基本概况讲清楚，以便充分利用自然条件改善建筑物的内部环境。第一节地球绕日运动的规律地球上的任何一点位置都可以用地理经度和纬度表示。1．经线：一切通过地轴的平面同地球表面相交而成的圆叫经度圈。经度圈都要通过南北两极，形成两个180°的半圆，这样的半圆叫经线。（或称子午线）全球共分为180个经圈，360条经线（子午线）。*国际会议商定，以英国伦敦的格林威治天文台所在的子午线为全世界通用的本初．．子午线．．．。2．纬线：一切垂直于地轴的平面同地球表面相割而成的圆，称为纬线，且彼此平行。其中通过地心的纬线．．．．．叫赤道．．。赤道面将地球分为南．．．．．．．．．、北两个半球．．．．．。3．经度：经度是指本初子午线所在的平面与本地子午线所在平面的夹角。以本初子午线为零度线，自零度线向东分为180°叫东经．．，向西分为180°叫西经．．。4．纬度：是以本地法线（地平面的垂线）与赤道平面的夹角，赤道的纬度为零。自赤道向北极方向分为90°称为北纬．．，向南极方向分为90°称为南纬．．。5．日照时间一般采用平均太阳时。6．平均太阳时：是以太阳通过该地的子午线时为正午12点来计算一天的时间。这样经度不同的地方，正午时间均不同，规定标准时间．．．．。7．世界时：国际协议，以本初子午线处的平均太阳时为世界时间的标准，称为“世界时”。把全世界按地理经度划分为24个时区，每个时区包含地里经度15°。以本初子午线东西各7.5°为零时区，向东西各分为12个时区，每个时区都按它的中央子午线的平均太阳时为计时标准，成为该时区的标准时，相邻两个时区的时差为1小时。8．我国的时区范围是，东5~9时区，横跨5个时区。我国统一采用东8时区的时间，即以东京120°的平均太阳时为中国的标准时间，称为北京时间。北京时间与世界时间相差8小时。9．标准时间计算公式：To=Tm+4(Lo－Lm)To——标准时间Tm——地方平均太阳时Lo——标准时间子午线的经度degLm——当地时间子午线所在处的经度deg10．日照：指物体表面被太阳直接照射的现象。太阳在天空中的位置因时、因地时刻变化，正确掌握太阳运动规律，对处理建筑环境问题有益。地球绕地轴自转同时绕太阳公转，地球绕着太阳公转轨道的平面始终保持66.5°的倾角，而且在公转运行中，这个交角和地轴的倾斜方向都保持不变。11．赤纬：是太阳光线与地球赤道平面之间的夹角，用d来表示。它是随地球在公转轨道上的位置，日期的不同而变化的。全年的赤纬在+23.5°~－23.5°之间变化。赤纬从赤道平面算起，向北为正．．．．，向南为负．．．．。春分时，太阳光线与地球赤道面平行，赤纬为0°，南北半球的昼夜相等。夏至赤纬最大，太阳光线直射地球北纬23.5°。秋分时，赤纬为0°。冬至阳光直射南纬23.5°，赤纬为－23.5°。将四个典型节日再细分为24节气，每个节气太阳运转15d左右，形成传统的24节气。12．地球与太阳的相对位置可以用纬度，太阳赤纬d，时角h，太阳高度角β和方位角A等来表示。13．纬度：地球表面的纬度是该点对赤道平面偏北或偏南的角位移。14．时角（h）：指OP线在地球赤道平面上的投影与当前时间12点时，日、地中心连线在赤道平面上的投影之间的夹角。当地时间12点时的时角为零，前后每隔一小时，增加360/24=15。15．太阳位置：地球上某一点所看到的太阳方向，用太阳高度角β和太阳角A表示。太阳高度角β：sinβ=coscoshcosd+sinsindsinA=cosdsinh/cosβ第二节太阳辐射太阳热辐射能是地球上热量的主要来源。一、太阳常数与太阳辐射的电磁波1．关于太阳的基本数据：1）太阳的直径均为地球直径的110倍。地球直径为r=6436km，表面积As=6.13×1018m2。2）太阳表面温度约为6000k。（5724k）3）太阳内部温度为2×107k。4）地球接受的太阳辐射能为1.7×104kw。估算方法：视地球为半径r=6436km的圆球，距离太阳为R=150.6×106km，因此投射到地球大气层外缘的百分数为：πr2π×64362————=——————————=4.56×10-8%4πR24π（150.6×106）2将太阳视为黑体：σbAsT=5.67×10－8×6.131×1018×57244=3.832×1026w到达地球的能量：3.832×1026×4.56×10－8%=17.48×1016w2．太阳常数：与太阳光线垂直的表面上的辐射强度Io=1353W/m2，称为太阳常数．．．．。3．太阳辐射中能转化为热能的主要是可见光和红外线，波长范围在0.38μm~0.76μm，0.76μm~3.0μm。这些辐射能受到大气层的影响将减弱。太阳辐射在大气层中的减弱因素：1）大气层中的H2O，CO2，O3，O2对太阳辐射有吸收作用，且具有明显的选择性。O3吸收紫外线和小于0.3μm的短波辐射，一部分可见光。H2O、CO2主要吸收红外光的辐射。2）太阳辐射在大气层中遇到空气分子和微小尘埃会产生散射。3）大气层中的云层和较大的尘粒，对太阳辐射其反射作用。4）与太阳辐射通过大气层的行程有关。二、大气层对太阳辐射的吸收距大气层上部边界距离x出的辐射强度为Ix。dxdIx=-kIxIx=Ioexp(－kx)k——消光系数k值越大辐射强度衰减越大。当日射垂直地面时，到达地面的太阳辐射强度为：I1=Ioexp(－kL)P=I1/I0称为大气透明度。ρ越接近1，大气越清澈。ρ=0.65~0.75。当太阳不在天顶，太阳高度角为β时，路程长度L=L’/sinβ。地球表面处于太阳光线垂直于平面上的太阳直射辐射强度：IN=IoPmm=L’/L=1/sinβ，称为大气质量。根据太阳直射辐射强度分别算出水平面上的直射强度和垂直面上的直射强度。水平面上的直射强度：IS.Z=INsinβ垂直面上的直射强度：IC.Z=INcosβcosθθ——墙—太阳方位角。太阳辐射线在水平面上的投影与墙面法线的夹角。θ=A±αA——太阳方位角α——墙面方位角。墙面法线偏离南向的角度deg。水平面夏季的热辐射接收量最大，南北向垂直面冬季热辐射接收量最大。三、日照的作用与效果1．日照：指物体表面被太阳光直接照射的现象。2．住宅室内的日照标准是由日照时间和日照质量来衡量的。3．日照标准：要求冬至日底层住宅满窗日照时间不低于1小时。4．紫外线：波长0.2~0.4μm，具有强大的杀菌作用，但人的皮肤易被晒黑。5．红外线：波长0.77~4.0μm，造成热效果的主要因素。第三节建筑物的配置和外形与日照的关系建筑对日照的要求主要根据他的使用性质和当地气候情况决定。一、建筑物对日照的一般要求1．寒冷地区：一般在冬季需要较多的日照。2．炎热地区：一般在夏季避免太阳直射室内。3．特殊功能的房间对日照有特殊要求：由于建筑物的配置，间距或者形状造成的日影形状是不同的。对于行列式或组团式的建筑，为了得到充分的日照，必须考虑南北方向的楼间距，我国一般民用住宅中，要求冬至日的满窗日照时间不低于1h，有的国家标准不同。根据最低日照要求的不同，建筑物所在地理位置，即纬度不同，使得建筑物南北方向的乡邻楼间距要求不同。二、建筑物与日影之间的关系1．终日日影：由于其他建筑物的遮挡，某地方一天中都没有日照，这种现象称为终日日影。2．永久日影：某地方一年中都没有日照的现象称为永久日影。为了居住着的健康和建筑物本身的寿命，应该避免终日日影和永久日影。第四节室外气候我们这里讨论的室外气候是“微气候”。微气候一般指离地面30~120cm高度范围内，在建筑物影响下的气候，因建筑物形状的不同，将对“微气候”有较大的影响。一、室外温度1．室外温度：一般是指距地面1.5m高，背阴处的空气温度。地面与空气的热量交换是气温升降的直接原因，与温暖地面直接接触的空气层，由于导热的作用而被加热，此热量又靠对流的作用而转移到上层空气。2．室外温度的变化规律：最高温度出现在下午2点左右，最低温度出现在日出前后。因为空气与地面间因辐射换热而增温或降温需要经历一段时间。3．日较差：一日内气温的最高值和最低值之差成为日较差。通常用来表示气温的日变化量。而且陆地与水面之间的差异较大，陆地是“夏热冬冷”，水面则相反。4．年较差：一年内最热日与最冷日的平均气温差叫做气温的年较差。年较差随着地理位置的不同，有较大的差别，从我国的华南到东北或西北地区，年较差值由10℃~40℃间变化。在微气候范围内的空气层温度随着空间和时间的改变会有很大的变化，主要是因为这一范围的温度受土壤反射、夜间辐射和植物的影响。5．有效天空温度TskyTsky=[0.9Td4–(0.32-0.026ed)(0.30+0.705)T04]1/4Td——地表温度To——地面1.5~2.0m处的气温Ed——以毫巴表示的水蒸气份压力S——日照百分率二、温度1．空气温度：指空气中水蒸气的含量2．相对湿度的日变化量受地面性质，水陆分布，季节寒暑，天气阴晴等因素的影响。一般大陆大于海面，夏季大于冬季，晴天大于阴天，一般在一年中，最热月份的绝对湿度最大，最冷得月份绝对湿度最大。三、风1．风是指由于大气压差所引起的大气水平方向的运动。地表面温度的变化是引起大气压力差的主要原因，即风（气流）的起因。2．风的分类：地方风大气环流1）大气环流：因太阳辐射在地球上的不均匀，造成赤道和两极间的温差，引起由赤道到两极和由两极到赤道大气经常性的活动，叫大气环流。（造成气候差异的主要因素）2）地方风：因地表水陆分布，地势起伏，表面覆盖等地方条件不同所引起的气流运动。（海陆风，季风，山谷风，庭院风，巷道风）3．风的特征要素：风速风向气象台一般以距地面10m高处的风向和风速为观察数据4．风向频率图（风的玫瑰图）按照逐时所实测的各个方向风所出现的次数，分别计算出每个方向风出现的次数占总次数的百分比，并按一定比例在各方位线上标出，最后联结点而成。四、降水1．降水：从大地蒸发出来的水进入大气层，经过凝结后又降到地面上的液态或固态水分，称为降水。（雨、雪、冰雹等）2．降水性质：1）降水量：指降落到地面的雨、雪、冰雹等融化后，未经蒸发或渗透流失而积累在水平面上的水层厚度，以mm为单位。2）降水时间：指一次降水从开始到结束的持续时间，用h或mm来表示。3）降水强度：指单位时间内的降水量。小雨（10mm），中雨（10~25mm），大雨(25~50mm)，暴雨(50~100mm)。五、城市气候城市气候的特点：1．土地硬化风速减小。2．气温较高。3．城市上空云量较大，大气透明度低。第五节我国气候分区特点我国幅员辽阔，地形复杂，各地由于纬度、地势和地理条件不同，气候差异悬殊。为了满足不同地区对建筑物的要求：炎热地区的通风、遮阳、隔热。寒冷地区的采暖、防冻、保湿。我国制定设计规范，按气候特征划分7个区域：Ⅰ区：冬季漫长严寒，夏季短促凉爽，气温年较差较大，冻土期长，冻土深，积雪厚，日照较丰富，东半年多大风，西部偏干燥，东部偏于湿润。Ⅱ区：冬季较长且寒冷干燥，夏季炎热湿润，降水量相对集中，春秋季短促，气温变化剧烈，春季雨雪稀少，多大风风沙天气，夏季多冰雹和雷暴，气温年较差大，日照丰富。Ⅲ区：夏季闷热，冬季湿冷，气温日较差小，年降水量大，日照偏少。Ⅳ区：夏季炎热，冬季温暖，湿度大，气温年较差和日较差均小，降雨量大。Ⅴ区：立体气候特征明显，大部分地区冬湿夏凉，干湿季节分明，常年有雷暴雨，多雾，气温年较差小，日较差偏大，日照较强烈，部分地区冬季气温偏低。Ⅵ区：长年气温偏低，气候寒冷干燥，气温年较差小而日较差大，空气稀薄，透明度高，日照丰富强烈。Ⅶ区：大部分地区冬季长而严寒，大部分地区夏季干热，气温年较差和日较差大，雨量稀少，气候干燥，冻土较深，积雪较厚。日照丰富，强烈，风沙大。