建筑环境学-建筑外环境培训课件

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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、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
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落到地球上的太阳辐射能量
某地一年的风速频率分布
29
30
北京地区的风玫瑰图
海陆风和山谷风
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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？
恒温层温度
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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：
a
2
y 2
边界条件为过余温度 (0, ) Acos 2 ℃
Z
A是地层表面温度的波幅(℃)，Z是波动周期
(小时)。
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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。
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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Vmet
风速有梯度，地面为 0 m/s，可认为按幂函数规律分
布，如高度h处：
Vh
Vmet
( met
hmet
)amet
( h)a
边界层厚度
气象站0.14 市中心0.33
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蒲福风力等级表
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风玫瑰图
某地的风向频率分布
实线为全年，虚线为7月份
严 格 把 控 质 量关， 让生产 更加有 保障。 2020年 11月上 午4时 30分2 0.11.25 04:30 Novem ber 25 , 2020
重 规 矩 ， 严 要求， 少危险 。202 0年11月 25日星 期三4 时30分 21秒0 4:30:2 125 November 202 0
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加 强 自 身 建 设，增 强个人 的休养 。202 0年11月 25日上 午4时 30分2 0.11.25 20.11.25
追 求 卓 越 ， 让自己 更好， 向上而 生。2 020年1 1月25日 星期三 上午4 时30分 21秒0 4:30:2 120.11 .25
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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
太阳辐射和日气温变化
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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
好 的 事 情 马 上就会 到来， 一切都 是最好 的安排 。上午 4时30 分21秒 上午4时 30分 04:30:2120.1 1.25
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
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我国的大气透明度分区
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 空气温度 有效天空温度 地层温度 空气湿度 降水
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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
地表有效辐射：地面与大气层之间的辐射换
热QR
地表的黑度
QR＝Qg－Qsky ＝σ ( Tg4 －Tsky4 )
波尔兹曼常数
地表温度
有效天空温度
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有效天空温度
日照百分率
Tsky [0.9Td 4 (0.32 0.026 ed )(0.30 0.70S )T04 ]1/ 4
地表温度
水蒸汽分压力
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
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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
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第四节 城市气候
小区风场 城市热岛 建筑布局与日照
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风对建筑的影响
冲刷
边角增强效应
穿越
前低建筑对后高 建筑的影响
太阳辐射能与太阳高度角
I0
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大气层质量 m
为什么太阳 高度角接近0º 和90º时垂直面 的日射量都小？
大气大层质量＝1
大大气层质量＝2
＝30
地球表面处法向太阳 直射辐射照度：
IN = I0P 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°
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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
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
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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。
盈余区域 短缺区域
净增益
辐射增益区
随纬度基本 不变
占地面积40％
过渡区
净损失
占地面 积36％
损失区 占地面积36％
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
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太 阳 辐 射 能 的 去 向
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50％到达地面
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巷道风的加强
上部建筑对下部建筑 的影响
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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
此处易聚集垃圾
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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。
海平面大气压力称 作标准大气压，为 101325 Pa 或 760 mmHg
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大气压力变化
平均气压随纬度分布
气压日变化（2‰）
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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
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℃。
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地层温度
地名
哈尔滨 北京 上海 广州
土壤表面年平均 地面温度波幅
温பைடு நூலகம்td（℃）
Ad（℃）
4.6
22.7
13.1
15.4
17.0
11.9
24.6
7.3
室外空气年平均 温度（℃） 3.6 11.4 15.7 21.8
32 30 28 26 24 22 20 18
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 时间 (小时 ) 34
温度 (℃ )
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。
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逆温层
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
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℃
第二章
建筑外环境
1
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。
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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
3
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
90°
西经
东经 0°
经线或子午线
北纬 0°
南纬
纬线
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第一节 地球绕日运动的规律
某地的真太阳时T
经度
太阳与地球距离 变化造成的偏差
T
Tm
L Lm 15
e 60
90W
时区当地 标准时
北京时间 90E
当地的钟表时间T0就是
伦敦时间
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?
5
第一节 地球绕日运动的规律
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
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太阳高 度角冬 夏不同
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大气透明度 大气层消光系数
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
太阳高度角
太阳方位角
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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。
近红外线 45.2%
长波红外线 2.2%
紫外线 7.0%
可见光 45.6%
弄 虚 作 假 要 不得， 踏实肯 干第一 名。0 4:30:2 104:30 :2104:3 011/25 /2020 4:30:21 AM
安 全 象 只 弓 ，不拉 它就松 ，要想 保安全 ，常把 弓弦绷 。20.1 1.2504 :30:21 04:30Nov-20 25-No v-20
重 于 泰 山 ， 轻于鸿 毛。0 4:30:2 104:30 :2104:3 0Wed nesday , Nove mber 2 5, 202 0
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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
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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
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踏 实 ， 奋 斗 ，坚持 ，专业 ，努力 成就未 来。2 0.11.25 20.11.2 5Wed nesday , Nove mber 2 5, 202 0
太阳的位置与日 照的关系
北回归线
赤纬 ：太阳光线 与地球赤道平面
南回归线
之间的夹角
0
赤纬d
+2327 0
-2327
6
南北回归线
北极圈 6633
北回归线 2327
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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 = cos cos h cos + sin sin sin A = cos sin h /cos
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
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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
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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～ 8m及13m以上）
地面性质 内陆地区夏季：上午9~10时和
水体分布 季节 阴晴
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
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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
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湿度 年变化 内陆和沿海地区差别较大
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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
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
影响因素
水蒸汽分压力
冬季较低，夏季较高 湿热地区：15~20 mbar 寒冷和沙漠地区： 2 mbar 日变化较小，季节变化较大