建筑环境学第2章外环境

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
建筑与自然环境资源的关系
70
80
90
100 110
大气压力(kPa)
大气压力的变化
平均气压随纬度分布
气压日变化（2‰）
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大气压力对人体的影响
机理：人体内脏和血液系统维持一个与外部 大气压 力抗衡的压力以保护人体的安全。一旦平衡被打破， 可能影响人的生理机能甚至导致死亡。 人体可以忍受的极限范围：0.303~15atm 低压缺氧环境：胸闷、呼吸急促、恶心呕吐，神经 系统发生障碍
时间(小时)
40
逆温层
正常的温度梯度：地表热，高空冷
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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

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
43
44
有效天空温度
日照百分率
Tsky [0.9Td (0.32 0.026
48
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
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湿度
来源
水体蒸发
植物蒸发
水蒸汽分压力
36
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？ 夜间地表温度与空气温度降低，谁是诱因？ 白天和夜间的空气垂直温度分布应该是怎样的？
公转轴（年/转）
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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
北回归线
赤纬δ
南回归线
赤纬的简化计算公式：
284 n 23.45 sin 360 365
n——计算日在一年中的日期序号。
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第一节 地球绕日运动的规律
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1～3℃。
46
47
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： 2 a y 2 2 边界条件为过余温度 (0, ) Ag cos ℃ Z Ag是地层表面温度的波幅(℃)，Z是波动周期 (小时)。
冬季较低，夏季较高
湿热地区：15~20 mbar
影响因素
地面性质
水体分布 季节
寒冷和沙漠地区： 2 mbar
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
50
所谓太阳总辐射照度一般仅包括前两部分
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太阳辐射能与太阳高度角
太阳高度角 17
大气质量 m
为什么太阳高 度角接近0˚和 90 ˚时垂直面的 日射量都小？

地球表面处法向太阳直 射辐射照度
IN = I0 P m m = L’/L = 1/sin
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太阳日总辐射照度与朝向
地点：北纬40°
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
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落到地球上的太阳辐射能量
由三部分组成
直射辐射：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。
met
a
33
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
34
北京地区的风玫瑰图
粗线：全年
细实线：冬季， 12~2月份 虚线：夏季， 6~8月份
35
蒲福风力等级表
自由海面状况 风 力 浪高 等 级 一般(m) 最高(m) 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 － 0.1 0.2 0.6 1.0 2.0 3.0 4.0 5.5 7.0 9.0 11.5 14.0 － 0.1 0.3 1.0 1.5 2.5 4.0 5.5 7.5 10.0 12.5 16.0 － 陆地地面征象 距地 10 米 高处的相 当风速 米/秒 静，烟直上 烟能表示方向，但方向标不能转动 人面感觉有风，树叶微响，方向标能转动 树叶及微枝摇动不息，旌旗展开 能吹起地面灰尘和纸张，树的小枝摇动 有叶的小树摇摆，内陆的水面有小波 大树枝摇动，举伞困难 全树摇动，迎风步行感觉不便 树枝折毁，人向前行，感觉阻力甚大 建筑物有小损，烟囱顶部及平屋摇动 可使树木拔起或使建筑物损坏较重。陆上少见。 陆上很少见，有则必有广泛破坏 陆上绝少见，摧毁力极大 0~0.2 0.3~1.5 1.6~3.3 3.4~5.4 5.5~7.9 8.0~10.7 10.8~13.8 13.9~17.1 17.2~20.7 20.8~24.4 24.5~28.4 28.5~32.6 32.7~36.9
3000m高度：7天~3个月适应高山反应 3000~5000m高度：重症高山反应 8500m高度：生理极限
高压环境：人体组织被氧饱和
恢复正常必须缓慢减压，否则脂肪中积蓄的氧有部分就会 停留在人的机体内，并膨胀形成小的气泡阻滞血液、液体 和组织，形成气栓而引起病症，甚至危及人的生命。
阴晴
湿度
日变化
相对湿度与气温变化反相
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大气环流
地球的自转把赤道上空向两 极流动的气流变成西风
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海陆风和山谷风
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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：
v
met a h Vh Vmet ( ) hmet
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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
太阳高度角低
冬季 清晨和傍晚 高纬度地区
太阳高度角高
夏季 中午 低纬度地区
20
太阳高 度角冬 夏不同
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大气透明度
消光系数
定义：Ix/I0 = P = exp (-kx)，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 我国将大气透明度划分了6个等级区域，1级最透明
时间
地球每转1°
北京时间
90 E
需要4分钟
真太阳时T和
地方平均太阳时Tm
T=Tm ± (L - Lm)/15
问题：西安的地方平均太阳时和北京时间差多少?
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第一节 地球绕日运动的规律
问题：在北半球，冬季太阳能能照到北向房间吗？
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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？
sin = con cos h con δ+ sin sin δ sin A = cos δ sin h /cos
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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 200~300 km 降低1℃。
年较差与纬度的关系
太阳辐射和气温变化
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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
长波红外线 2.2% 可见光 45.6% 近红外线 45.2% 紫外线 7.0%
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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、水珠等微小 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
第二章
建筑外环境
前章总结
“人定胜天”还是“天人合一”？这是如何 对待大自然方面的哲学思想上的对立。事实 证明，工业技术的滥用导致了自然界对人类 的报复。因此我们应该认识到，无论工业技 术发展到多高的水平，人们仍然需要了解、 爱护我们的自然界，合理地利用自然界的资 源。
2
为什么要考虑建筑外环境?
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本章知识要点
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
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第一节 地球绕日运动的规律
经度和纬度
180°
伦敦格林威治天文台
地表温度
4
1/ 4 )( 0 . 30 0 . 70 S ) T ] ed 0
4
水蒸汽分压力
空气温度
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
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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℃
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大气压力
7 6 5
玛多 拉萨 格木 昆明 兰州 太原 北京
大气压力随海拔高度 而变
海拔高度(km)
4 3 2 1 0 -1 40 50 60
在同一位置，冬季大 气压力比夏季大气压 力大，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
25
32 30 28
温度 (℃ )
26 24 22 20 18 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 时间 (小时 )
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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。
40 30
温度(℃)
20 10 0 -10
0 730 1460 2190 2920 3650 4380 5110 5840 6570 7300 8030 8760
0.85
大气透明度 P
东京晴天的 大气透明度 逐月值
0.8 0.75 0.7 0.65 0.6 0 2 4 6 月份 8 10 12
22
我国大气透明度分区
2
4
3
3
5
6 4
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第三节 室外气候
自然的微气候
大气压力
风与大气边界层
室外气温
有效天空温度
地层温度
空气湿度
降水
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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
28
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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。
太阳高度角
太阳方位角
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确定太阳高度角和方位角的目的
进行日照时数、日照面积、房屋朝向和
间距以及房屋周围阴影区范围等的设计 进行建筑的日射得热量与空调负荷的 计算 进行建筑的自然采光设计
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第 二 节 太 阳 辐 射
紫外线 可见光 近红外线 长波 红外线
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太阳总辐射能量比例
太阳常数1353W/m2：大气层外的辐射照度 进入大气层后被反射和吸收，光谱成分有所改变， 辐射照度有所改变。太阳高度角是重要影响因素。
90°
北纬
西经
0°
东经 0° 南纬
经线或子午线
纬线
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地球的公转与自转
夏至：6月21日 N 66º 33’
黄道面
春分：3月21日
N
90º (d=0º ) 冬至：12月22日 N 66º 33’
N d =＋23º 27’ S 90º(d =0º ) S ～1.53×108 km 秋分：9月22日 S d =－23º 27’ S 自转轴（日/转） ～1.47×108 km