建筑环境学(2)

太阳辐射热量的大小用辐射照度来表示。 它是指1m2黑体表面在太阳辐射下所获 得的辐射能通量，单位为W/m2。地球 大气层外与太阳光线垂直的表面上的太 阳辐射照度几乎是定值。 在地球大气层外，太阳与地球的年平均 距离处，与太阳光线垂直的表面上的太 阳辐射照度为 I0=1353 W/m2，被称 为太阳常数。
月份 1 2 1394 3 1378 4 1353 5 1334 6 1316
W/m2 1405
月份
7
8
1315
9
1330
10
1350
11
1372
12
1392
W/m2 1308
太 阳 辐 射 的 波 谱
紫外线 可见光 近红外线
长波 红外线



在各种波长的辐射中能转化热能的主要 是可见光和红外线。 可见光的波长在0.380.76m的范围内， 是我们眼睛所能感知的光线，在照明学 上具有重要的意义。 波长在0.760.63m范围的是红色， 0.630.59m的为橙色，0.590.56m 为黄色，0.560.49m为绿色， 0.490.45m为兰色，0.450.38m为 紫色。

春分、夏至、秋分、冬至是四个典型季 节日，分别为春夏秋冬四季中间的日期。 从天球上看，这四个季节把黄道等分成 四个区段，若将每一个区段再等分成六 小段，则全年可分为24小段，每小段 太阳运行大约为15d左右。这就是我国 传统的历法——24节气。
一年中几个典型日期的赤纬
季节 夏至 小满 立夏 谷雨 春分 雨水 立春 大寒 日期 6月21日或22日 5月21日左右 5月6日左右 4月21日左右 3月21日或22日 2月21日左右 2月4日左右 1月21日左右 赤纬 +23©27’ +20©00’ +15©00’ +11©00’ 0© -11©00’ -15©00’ -20©00’ -23©27’ 日期 7月21日左右 8月8日左右 8月21日左右 9月22日或23日 10月21日左右 11月7日左右 11月21日左右 12月22日或23日 大暑 立秋 处暑 秋分 霜降 立冬 小雪 冬至

由于太阳与地球之间的距离逐日在变化， 地球大气层上边界处与太阳光线垂直的 表面上的太阳辐射照度也会随之变化， 1月1日最大，为1405 W/m2，7月1日最 小，为1308 W/m2，相差约7％。计算 太阳辐射时，如果按月份取不同的数值， 可达到比较高的精度。

表2-1 各月大气层外边界太阳辐射照度

经国际协议，以本初子午线处的平均太 阳时为世界时间的标准时。称为“世界 时”。把全世界按地理经度划为24个时 区，每个时区包含地理经度15©。以本 初子午线东西各7.5©为零时区，向东 分12个时区，向西也分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，称为该时区的标准时，相 邻两个时区的时差为1小时。
北京海拔为31m，大气压力为101kPa； 珠穆朗玛峰海拔为8848m，大气压力为 31kPa，数值相差3倍以上。
由于空气的密度与温度成反比，
因此在陆地上同一位置，冬季 大气压力比夏季大气压力高， 但变化范围仅在5％以内。

气压的多年平均值随纬度分布如图所示。 赤道带为低压带，由赤道带往南或往北气 压增高，于30º ～50º 附近达到最高值，称 为副热带高压带。再往高纬度则气压又下 降，于60º ～70º 处气压最低，南半球的气 压下降尤为显著，极地区域的气压又有所 增加。
P
0.85 0.8 0.75 0.7 0.65 0.6 0.55 1

2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12 月份
图2-9 某城市晴天条件下大气透明度的变化
我国的大气透明度分区
大气透明度作了6个等级, 1级最透明
2 4 3
3 5 6 4


当太阳不在天顶，太阳高度角为β时， 路程长度L’＝L/sinβ。地球表面处与太 阳光线垂直于平面上的太阳直射辐射强 度 IN＝I0Pm 式中 m = L’／L = 1／sinβ，称为大气 质量。


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： 直射辐射与散射辐射。
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大气层对太阳辐射 的影响程度及影响 参数 大气对太阳辐射的削 弱程度取决于射线 在大气中射程的长 短与大气质量。

气压有周期性的日变化和年变化，还有非 周期性的变化。气压的非周期性变化常和 大气环流及天气系统有联系，而且变化幅 度大。气压的日变化在热带表现得很明显 （图2-14），一昼夜有两个最高值（9～ 10时及21～11时）和两个最低值(3～4时 及15～16时)。温带地区气压的日变化平 缓一些。
4% 3% 0
46% 44% 28%
50% 53% 72%
二、大气层对太阳辐射的吸收
大气层对太阳辐射的散射、反射与吸收
① 反射：被云层反射到空间
② 散射：一部分短波辐射受到天空 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。
③ 吸收：氧、臭氧、CO2与水吸收
落到地球上的太阳辐射能量
建筑环境的室外气候因素 大气压力 风 空气温度 有效天空温度 地温 湿度 降水
一、 大气压力

物体表面单位面积所受的大气分子的压 力称为大气压强或气压。 随着海拔高度增加，气压
值按指数减少，海平面大
气压力称作标准大气压， 为101325 Pa 或 760 mmHg。

大气透明度



当太阳位于天顶时（日射垂直地面），到达 地面的太阳辐射强度 Il＝I0exp（-kL） 令Il／I0＝P，称为大气透明度，它是衡量大 气透明度的标志，P越接近1，大气越清澈。 P值一般为0.65～0.75。即使在晴天，大气透 明度也是逐月不同的，这是因为大气中水蒸 气含量不同的缘故。
不同太阳高度角和大气透明度下的太阳直 射辐射强度
北纬40©的太阳总辐射量
第三节 室外气候


地球上的气候形成，是由太阳辐射对地 球的作用决定的。落到地球上的太阳辐 射热主要由地球表面与大气层吸收，而 地球表面与大气层向太空的长波辐射是 地球向外界散热的主要方式。 通过这种地球表面对太阳辐射的吸收和 地球表面向太空的长波辐射才能维持地 球表面的热平衡，保持地球特有的长期 稳定的适宜人类生存的气候条件。

时区的划分

我国地域广阔，从东5时区到东9时区，横 跨5个时区。为计算方便，我国统一采用东 8时区的时间，即以东经120©的平均太阳 时为中国的标准，称为“北京时间”。北 京时间与世界时相差8小时，即北京时间等 于世界时加上8小时。
伦敦格林威治天文台 北京



标准时与地方平均太阳时可近似地按下式来计算： T0 = Tm ＋ 4（L0 - Lm） 式中 T0 ——标准时间，min； Tm——地方平均太阳时，min； L0 ——标准时间子午线的经度，deg； Lm——当地时间子午线所在处的经度，deg； 4 ——系数，是这样确定的，地球绕其轴自转 一周为24小时，地球的经度分为360度，所以每转1 度需要时间4min。地方位置在中心经度线以西时， 经度每差1度要减去4min；地方位置在中心经度以 东时，经度每差1度要加上4min。 例：大庆东经125©，Tm = T0 - 4（120 - 125） = T0 + 20 min
太阳辐射能量比例

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。
长波红外线 2.2% 可见光 45.6% 近红外线 45.2% 紫外线 7.0%
太阳辐射与太阳高度角的关系
太阳高度 角 90© 30© 0.5© 紫外线 可见光 红外线

射程长短与太阳高度角和海拔高度有关。 水平面上太阳直射辐射强度与太阳高度 角、大气透明度成正比，在低纬度地区， 太阳高度角高，阳光通过的大气层厚度 较薄，因而太阳直射辐射强度较大。高 纬度地区，太阳高度角低，阳光通过大 气层厚度较厚，因此太阳直射辐射强度 较小。又如，在中午太阳高度角大，太 阳射线穿过大气层的射程短，直射辐射 强度就大，早晨和傍晚的太阳高度角小， 射程长，直射辐射就小。
§2-2

太阳辐射
太阳辐射能是地球上热量的基本来 源，是决定气候的主要因素，也是 建筑物外部最主要的气候条件之一。
一、太阳常数与太阳辐射的电磁波

太阳是一个直径相当于地球110倍的 高温气团，其表面温度约为 6000K左 右，内部温度则高达 2 ¬107K。太阳 表面不断以电磁辐射形式向宇宙空间 发射出巨大的能量，地球接受的太阳 辐射能约为 1．7 ¬1014kw，仅占其 辐射总能量的二十亿分之一左右。
1.关于四季

四季是因地球公转而形成的。地球绕太阳逆 时针旋转称为公转，其运行轨道的平面称为 黄道平面。

地球地轴与黄道面始终保持在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。地球在公转轨道上的几个典型位置： 春分（0©），夏至（+23.5©），秋分（0©）， 冬至（-23.5©）。


到达地面的太阳辐射强度大小取决于地 球对太阳的相对位置（太阳高度角和路 径）和大气透明度。 根据太阳直射辐射强度可以分别算出水 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 = IN sinβ 垂直面上的直射强度 Ic,z = IN cosβcosθ 式中 θ——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=Aªα； A——太阳方位角； α——墙面方位角，墙面法线偏离 南向的角度，deg。
建筑环境学 第二章 建筑外环境

建筑物所在地的气候条 件和外部环境，会通过 围护结构直接影响室内 的环境。
第二章

建筑外环境
地球绕日运动的规律 太阳辐射
§2-1 §2-2
§2-3 室外气候 §2-4 城市微气候 §2-5 我国气候分区特点
第一节 地球绕日运动的规律
一、地球绕日的运动
二、太阳在空间的位置

地球上某一点所看到的太阳方向， 称为太阳位置。太阳位置常用两个 角度来表示，即太阳高度角 和太 阳方位角A。


太阳高度角 是指太 阳光线与水平面间的 夹角。 太阳方位角 A 为太阳 至地面上某给定点连 线在地面上的投影与 当地子午线（南向） 的夹角。


影响太阳高度角和方位角的因素有三： 赤纬(d)，它表明季节（日期）的变化； 时角(h)，它表明时间的变化；地理纬度 ()，它表明观察点所在的位置。 太阳高度角β和方位角A可用下式来表示 sinβ=cos cosh cosd + sin sind sinA = cosd sinh / cosβ



某地正午太阳高度角 β=90© - (φ-d) （φ>d时）； β=90© - (d-φ) （φ<d时） 例夏至时北纬40©某地正午太阳高度 β=90-(40-23.5)=73.5© 例冬至时北纬40©某地正午太阳高度 β=90-(40-(-23.5))=26.5©
夏至和冬至时太阳高度角与纬度之间的关系（北纬40©）
2. 关于昼夜


昼夜是因地球自转而形成的。一天时间 的测定，是以地球自转为依据的，昼夜 循环的现象给了我们以测量时间的一种 尺度。 日照设计中所用的时间，均以当地地方 平均太阳时为准。它与日常钟表所指的 标准时之间有一差值，应予换算。

所谓地方平均太阳时，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，使用起来不方便。因此， 规定在一定经度范围内统一使用一种标 准时间，在该范围内同一时刻的钟点均 为相同。
180©
伦敦格林威治天文台
90©
北纬 西经 0© 东经
0©
南纬
经线或子午线
纬线
本初子午线与本地子午线


全球定位系统 （GPS, Global Positioning System）
大庆农大外环GPS坐标
地点 东南角 东北角 西北角 西南角 北纬 North Latitude 46.580622 46.590171 46.590154 46.580542 东经 East Longitude 125.167788 125.167661 125.151906 125.154569