建筑环境学建筑外环境

1第二章建筑外环境清华大学建筑学院建筑技术科学系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本章内容要点宏观气候太阳辐射作用与地球气候特点地球绕日运动规律太阳辐射室外气候大气压力、风、气温、天空温度、地温、湿度、降水微观气候人类营造活动形成的局部微气候城市风场、城市热岛、建筑日照我国气候分区特点4第一节地球绕日运动的规律经度和纬度伦敦格林威治天文台经线或子午线纬线东经西经北纬南纬180°90°0°0°590W北京时间伦敦时间90E某地的真太阳时T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：西安的真太阳时和北京时间差多少?第一节地球绕日运动的规律时区当地标准时经度6015eLLTTmm太阳与地球距离变化造成的偏差600+2327-2327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7南北回归线北极圈6633北回归线23278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coshcos+sinsinsinA=cossinh/cos9第二节太阳辐射可见光紫外线近红外线长波红外线10太阳总辐射能量比例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。可见光45.6%紫外线7.0%近红外线45.2%长波红外线2.2%11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12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。所谓太阳总辐射照度一般仅包括前两部分13太阳辐射能的去向1450％到达地面15太阳辐射能与太阳高度角I016大气层质量m地球表面处法向太阳直射辐射照度：IN=I0Pmm=L’/L=1/sin大大＝30为什么太阳高度角接近0º和90º时垂直面的日射量都小？大气层质量＝1大气层质量＝217太阳日总辐射照度与朝向地点：北纬40°18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。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19太阳高度角冬夏不同20大气透明度定义：I1/I0=P=exp(-kL)，P＝1最透明变化范围：0.65~0.75，在一个月份的晴天中可近似认为是常数我国将大气透明度作了6个等级的分区，1级最透明东京晴天的大气透明度逐月值大气层消光系数21我国的大气透明度分区654433222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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101325Pa或760mmHg24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。盈余区域短缺区域净增益净损失辐射增益区随纬度基本不变占地面积40％过渡区占地面积36％损失区占地面积36％27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Vmet风速有梯度，地面为0m/s，可认为按幂函数规律分布，如高度h处：aametmetmethhhVVmet)()(边界层厚度气象站0.14市中心0.3328蒲福风力等级表自由海面状况浪高距地10米高处的相当风速风力等级一般(m)最高(m)陆地地面征象米/秒0－－静，烟直上0~0.210.10.1烟能表示方向，但方向标不能转动0.3~1.520.20.3人面感觉有风，树叶微响，方向标能转动1.6~3.330.61.0树叶及微枝摇动不息，旌旗展开3.4~5.441.01.5能吹起地面灰尘和纸张，树的小枝摇动5.5~7.952.02.5有叶的小树摇摆，内陆的水面有小波8.0~10.763.04.0大树枝摇动，举伞困难10.8~13.874.05.5全树摇动，迎风步行感觉不便13.9~17.185.57.5树枝折毁，人向前行，感觉阻力甚大17.2~20.797.010.0建筑物有小损，烟囱顶部及平屋摇动20.8~24.4109.012.5可使树木拔起或使建筑物损坏较重。陆上少见。24.5~28.41111.516.0陆上很少见，有则必有广泛破坏28.5~32.61214.0－陆上绝少见，摧毁力极大32.7~36.929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30北京地区的风玫瑰图31海陆风和山谷风32空气温度主要指距地面1.5m高，背阴处的空气温度。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以对流为主。对短波辐射几乎是透明体。空气温度是如何产生变化的？白天地表温度升高与空气温度升高，谁是诱因？夜间地表温度降低与空气温度降低，谁是诱因？白天和夜间的空气垂直分布应该是怎么样的？33空气温度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月的月平均气温差。年平均温度：向高纬度地区每移动200~300km降低1℃。年较差与纬度的关系太阳辐射和日气温变化341820222426283032024681012141618202224时间(小时)温度(℃)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2~3时，最低气温一般出现在凌晨4~5时35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。-10010203040073014602190292036504380511058406570730080308760时间(小时)温度(℃)36原因地面有冷源1.夜间长波辐射2.附近有较低温的海风吹来逆温层正常的温度梯度：地表热，高空冷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，并向地面进行长波辐射（5～8m及13m以上）地表有效辐射：地面与大气层之间的辐射换热QRQR＝Qg－Qsky＝σ(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.63-68,19834/1404])70.030.0)(026.032.0(9.0[TSTTeddsky地表温度空气温度水蒸汽分压力日照百分率41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1～2℃。42地层温度地名土壤表面年平均温度td（℃）地面温度波幅Ad（℃）室外空气年平均温度（℃）哈尔滨4.622.73.6北京13.115.411.4上海17.011.915.7广州24.67.321.8恒温层温度43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)。22yaZA2cos),0(44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℃左右。但与当地地质条件有关。未考虑地热影响的45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水蒸汽分压力冬季较低，夏季较高湿热地区：15~20mbar寒冷和沙漠地区：2mbar日变化较小，季节变化较大内陆地区夏季：上午9~10时和晚上9~10时最高，凌晨和午后最低沿海地区夏季和各地秋冬季：日变化与气温日变化一致46湿度日变化绝对湿度一日中相对稳定相对湿度与气温变化反相47湿度年变化内陆和沿海地区差别较大48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49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50第四节城市气候小区风场城市热岛建筑布局与日照51冲刷边角增强效应穿越前低建筑对后高建筑的影响巷道风的加强上部建筑对下部建筑的影响风对建筑的影响52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53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污染物和室外热量不易散发最为极端的莫过于1982年美国纽约曼哈顿岛世界贸易中心附近一栋高层建筑前的广场上，一位女士在行走时被强风刮倒而受伤，一怒之下向纽约最高法院控告建筑设计和施工上的缺点并要求赔偿650万美元。54这座塔楼被高度为22m和28m的较矮的建筑物所环绕；由于与其他建筑物等高，使得街道和人行道不会受到向下气流的影响55建筑师在做规划的时候刻意地设计绿化防风林，预防来自西北面的山风和东北的干燥寒冷的风