第二章 建筑外环境 本章学习要点： 掌握影响室内环境的几个外扰因素 室外大气环境的特点及与室内环境的相对关系 了解微气候与室外气象参数的相互影响 §2-1 地球绕日运动的规律 建筑物所在地的外部环境，主要是气候条件，会通过维护结构直接影响室内的环境。 一、几个基本概念 地理经度与纬度 本初子午线、赤道、时区的划分 平均太阳时、标准时间 世界时：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”。 北京时间：我国从东5时区到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。 标准时与地方平均太阳时的近似计算式 T0=Tm+4（L0-Lm） 日照：是指物体表面被太阳光直接照射的现象。 二、地球绕太阳的公转与自转、日照 1．赤纬（d）： 太阳光线与地球赤道平面之间的夹角； 是随地球在公转轨道上的位置、即日期的不同而变化的； 全年的赤纬在+23.5~-23.5变化，从而形成了一年的春夏秋冬四季交替。  图2-4 太阳与地球的相对运动   图2-6 本初子午线与本地子午线 图2-7 太阳高度角与方位角 地球与太阳的相对位置 由纬度φ，太阳赤纬d，时角h，太阳高度角β和方位角A等来表示 纬度φ，地球表面某地的纬度是该点对赤道平面偏北或偏南的角位移 时角h 太阳高度角β与太阳方位角A 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。 太阳高度角β——太阳方向与水平的夹角（光线与影子的夹角） 太阳方位角A——太阳方向的水平投影偏向南的角度 之所以要确定太阳高度角及方位角，是为了进行日照时数，日照面积，房屋朝向和间距及房屋周围阴影区范围等的设计。 影响太阳高度角与方位角的因素有三： 赤纬（d）——表明季节（日期）的变化； 时角（h）——表明时间的变化； 地理纬度（φ）——观察点的位置 关系式：sinβ=cosφ cosh cosd +sinφ sind Sinβ=cosd sinh/cosβ §2-2 太阳辐射 太阳辐射是地球上热量的基本来源，也是决定气候的主要由来，也是建筑物外部最重要的气候条件之一。 一、太阳常数与太阳辐射的电磁波 1．太阳（基本数据）： (1) 直径：是地球的110倍 (2) 高温：表面温度6000k左右，内部2×107 k (3) 能量（热能）以电磁波的辐射的形成向宇宙空间发射能量 (4) 地球接收能量：1.7×1014kw 20亿分之一总辐射能 2．太阳常数 太阳辐射热量的度量，用辐射强度来表示（I）——是指单位面积（1m2）黑体在太阳辐射下所获得的热量值，单位是W/m2，可用仪器测量。 太阳常数I0——大气层外，太阳与地球的平均距离处（日地平均距离），大约15000万公里，与太阳光线垂直的表面上的辐射强度。I0=1353 W/m2 3．太阳辐射的波谱 太阳辐射的波长范围大约在0.15~4.0μm之间  太阳辐射与太阳高度角的关系参见教材表2-1 太阳辐射的能量主要分布在课间光区与红外区，紫外区最少。各自所占的比例随太阳高度角的变化而变化。 ( 增大 紫外线成分增多，辐射能占比例增多 可见光成分增多，辐射能占比例增多 红外线成分减少，辐射能占比例减少 二、大气层对太阳辐射的吸收 1. 大气层对太阳辐射的散射、反射与吸收 反射：被云层反射到空间 散射：天空中的各种气体分子、尘埃、微小水柱。 吸收：氧、臭氧、CO2与水吸收 到达地面的太阳辐射由两部分组成：直接辐射、散射辐射 2. 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。 太阳辐射的削弱：①射线射程：太阳高度角β、纬度φ、路径 β增大，φ减小I增大（射程短） β减小，φ增大，I减小（射程长） 大气质量：大气透明度 p=Il/I0 3. 计算式 距大气层上界x处的太阳直射辐射强度Ix的梯度与其本身强度成正比   式中： k——比例常数，m-1，k越大，辐射衰减越大。 x——太阳光线的行进路程，即太阳光线透过大气层的距离 天顶（日射垂直地面）辐射强度  令 大气透明度 P值一般为0.65~0.75, P值越大，大气越清澈 当太阳不再天顶时，太阳高度角为β时，路程长度为  IN——为地球表面处与太阳光线垂直的平面上的太阳直射辐射强度 水平面上直射强度  垂直面上只射强度  式中： θ——太阳方位角，太阳辐射线在水平上的投影与墙面法线夹角 A——太阳方位角 D——墙面方位角 参见教材图2-10表示了各种大气透明度的直射辐射强度 从图中可以看出：IS，Z ，IF，Z随β增加而增强 IC，Z ，开始随β增大而增强，到达最大值后随β增大而减弱 图2-11给出了北纬40°全年各月水平面、南向面、东向面表面每天获得的太阳总辐射热量。 从图中可以看出：水平面、东西向垂直面、法向面夏季的日总辐射量达到最大，而南向垂直表面，则冬季所接收的总辐射量最大。 三、日照的作用与效果 日照：是指物体表面被太阳光直接照射的现象。 对于住宅室内的日照标准一般是由日照时间与日照质量来衡量 最低日照标准：北半球的太阳高度角全年中的最小值是冬至日，因此，冬至日最低层住宅内得到的日照时间，作为最低的日照标准。 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 日照质量：是通过日照时间的积累和每小时的日照面积两方面组成，只有日照时间和日照面积都得到保证，才能充分发挥光中紫外线的杀菌作用。 §2-3 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是根据它的使用性质和当地气候情况而定。 寒冷地区：争取较好的日照。 炎热地区：避免过量的直射阳光进入室内。 一、日照时间、南北方向相邻楼间距与纬度之间的关系  图 2-12 不同纬度下南北相邻楼间距与日照时间的关系 从图2-12中可知，日照时间相同，不同纬度的建筑，南北方向相邻楼间距是不同的，纬度越高，需要的楼间距也越大。 二、建筑物的形状与日照的关系 终日日影：由于建筑的遮挡，有的地方在一天中都没有日照，该现象称为终日日影。 永久日影：由于建筑的遮挡，有的地方在一年中都没有日照，该现象称为永久日影。 从日照的角度来考虑建筑的体形，期望冬季阴影范围小，在夏季最好有较大的建筑阴影范围。 建筑物的形状、朝向与阴影（日照的关系） §2-4 室外气候 “微气候”的概念：微气候是指离地30~120cm高度范围内，在建筑物周围地面上及屋面、墙角、窗台等特定地点的风、阳光、辐射、气温与温度条件。 一、室外温度 室外气候是指距地面1.5m高、背阴处的空气温度 1. 影响气温（地表附近）的主要因素 (1)气温升降的主要原因 空气与地表的热交换量引起气温变化的主要原因   (2) 影响气温的因素 1) 入射到地面上的太阳辐射热量（起决定作用）。 温度的日变化及四季变化、随纬度的变化都是由太阳辐射的热量变化引起的。 2) 地面的覆盖面 如草原、森林、沙漠、河流、地形等不同的地形及地面覆盖面对太阳辐射的吸收和反射本身温度变化的性质均不同，所以地面的增温也不同。 3) 大气的对流作用 无论水平方向还是垂直方向的空气流动都会使两地的空气进行混合，减少两地的气温差。 2. 气温的变化规律 (1) 日变化规律 最低气温出现在日出前后，非午夜，时间延迟； 最高气温出现在下午2时左右，非正午12:00  图2-16 室外空气温度变化 气温的日较差：一日内气温最高值和最低值之差。 气温的年变化及日变化取决于地表温度变化。在同样的太阳辐射条件下：同一纬度下，陆地表面与海平面相比 夏季 T陆>T海 冬季 T陆<T海 夏季 T陆平均>T海平均 冬季 T陆平均<T海平均 (2) 一年中各月平均气温的变化 我国：年最高气温T年最高出现在7月（大陆地区）或8月（沿海或岛屿）年最低气温 T年最低出现在1月或2月 气温的年较差：一年内最热月与最冷月的平均气温差叫做气温的年较差。我国各地的气温年较差是从南到北、从沿海到内陆逐渐增大。 华南 长江流域 华北、东北南部 东北北、西北 10~20℃ 20~30℃ 30~40℃ 40℃ (3) 微气候范围内空气层温度随时间与空间的变化规律 受土壤反射率、夜间辐射、气流形式、土壤受建筑物或种植物遮挡情况的影响。图2-17  图2-17 不同下垫面上空气温湿度变化 “霜洞”效应的概念： 当空气流入山谷和凹地时，在无风力扰动的情况下，空气就如池水一样积聚在一起。到了夜晚，天空的低温加速了地表的冷却，凹地里的建筑在冬季温度较周围平地面温度的的多。这种温度的局地倒置现象。 有限天气温度  二、湿度（指空气中水蒸汽的含量） 1. 室外空气湿度日变化规律 受地面性质、水陆分布、季节寒暑、天气阴晴等因素影响 相对湿度变化：大陆大于海面；夏季大于冬季；晴天大于阴天 相对湿度日变化趋势与日气温变化趋势相反。晴天时，最高值出现在黎明前后，此时温度最低（绝对湿度小），最低值出现在午后，温度最高（绝对湿度大）。 2. 年变化规律P16 (1) 海洋、内陆不同而不同 (2) 绝对湿度：最热月的绝对湿度最大，最冷月的绝对湿度最小 (3) 相对湿度：由气温的日变化和年变化而引起的变化范围很大。 日较差较大的大陆，午后不久，T最高而φ很低，夜间T最低时，φ值很高 我国南方大部：夏季φ值最大，秋季φ最小 华南、东南沿海：春季φ值较高，3、4、5最大，秋季 φ值最小 南方春夏交换的时候：气候较为潮湿，“返潮”（室内地面）  图2-19 室外湿度的变化 三、风 1. 风的概念 指由于大气压所引起的大气水平方向的运动。地表增温不同是引起大气压的主要原因，也是风的主要原因。 大气环流：（是造成各地气候差异的主要原因之一） 控制大气环流的因素：①地球形状②地球的自转与公转 地方风：是由于地表水陆分布，地势起伏、表面覆盖等地方性，条件不同所引起的。 如海陆风、季风、山谷风，庭院风及巷道风等。 季风：（季风是因为海陆象季节温差而引起的） 以年为周期，冬季，大陆T低，P高，大陆吹向海洋； 夏季，大陆T高，P低，海洋吹向大陆； 我国东部地区，夏季湿润多雨，冬季干燥。 其他地方风：都是由于局部地方昼夜受热不均匀引起的，都以一昼夜为周期。 局部地方风：以一昼夜为周期 风向与风速：描述风特征的两个要素： 风向——风吹来的地平方向，陆地上常用16个方位来表示。 风速——米/秒，气象台一般以测距地面10m高处的风向和风速作为当地的观察数据 2. 风向频率图，风速频率图 为反映出一个地方的风向和风速，通过逐时实测，统计计算出各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，最后连接各点而成。 有年风向频率图，月风向频率图；年风速频率图，月风速频率图  图2- 20 风向风速频率图 我国根据1月、7月和年的风向频率图，按其相似形状进行分类，分为五大类：即季节变化主导风向、双主导风向、无主导风向、准静止风、其他。 四、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。包括雨、雪、冰雹等。 1. 降水性质 A 降水量 是指降落到地面的雨、雪、冰雹等熔化后，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。 B 降水时间 一次降水过程由开始到结束的持续时间，用h或min表示。 C 降水强度 以24h的总量划分：小雨＜10mm. 中雨10~25mm 大雨25~50mm 暴雨50~100mm 2. 降水的变化规律 (1) 影响降水分布的因素：气温、大气环境、地形、海陆分布的性质、洋流。 (2) 我国降水变化规律：降水量由东南到西北递增，雨量都集中在夏季（受季风影响） 季风降水：华南 5月份————10月份 长江流域：6月~9月“梅雨” 珠江口台湾南部 7、8月份多暴雨 五、城市气候 1. 城市气候概念：由于建筑群、人口高度密集，经济活动和生活密度较高，而造成与农村腹地气候迥然不同的城市小气候，名称为城市气候。 2. 主要特点： (1) 城市建筑群增密、增多、增高、道路纵横交错、建材多种多样，使城市下垫面粗糙。 1）使城市空气的温度、湿度、风速、风向受到很大影响，热容量和蓄热能力比农村、郊区大； 2）储存水分的能力比郊区大，蒸发沸腾作用比郊区小，城市的平均风速小。 因而导致其与农村、郊区气候不同； (2) 气温较高，形成热岛现象。P19 1）热岛影响高度（混合高度）及其特点：小城市约为50m，大城市约为100m。热岛内空气易对流，但其上部大气呈稳定状态，而不扩散（热盖），发生成热岛内的各种污染物被封在热岛重。 2）热岛浓度：热岛中心气温减去同时同高度附近郊区的气温的差值来表示。 3）影响因素：气象条件（风速、云量、太阳直接辐射等）；人为因素（空调散热、车流量）；城市区域气候条件（寒冷地区的取暖）；城市布局形状（团块状紧凑布置，条形状或星形状分散结构） (3) 城市中的云量 §2-5 我国气候分区的特点 一、进行气候分区的原因 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，气候条件差异悬殊。我国的气候特点：显著的季风特色，明显的大陆性气候，多样的气候类型。 由于我国各地气候条件差异悬殊，而不同的气候条件对房屋建筑提出了不同的要求，为了满足炎热地区的通风、遮阳、隔热、寒冷地区的采暖、防冻和保温的需要，明确建筑和气候两者的科学联系。我国“民用建筑热工设计规范”（GB50176-93）从建筑热工设计的角度出发，将全国建筑热工设计分为五个区。同时为适用范围更为广泛，适于一般工业建筑与民用建筑，又制定的建筑气候分区“建筑气候区划分标准”（GB50178-93） 二、分区划分的主要指标、辅助指标 1. 建筑热工设计区分区指标： 以累年最冷月（1月）和最热月（7月）平均温度作为分区主要指标，以累年日平均温度≤5℃和≥25℃的天数作为辅助指标。 划分为五个区：严寒、寒冷、夏热冬冷、夏热冬暖、温和地区。见P20，表2-3 2. 建筑气候区划的指标 以累年一月和七月的平均气温，七月平均相对湿度作为主要指标，以年降水量，年日平均气温≤5℃和≥25℃的天数作为辅助指标。 将全国划分为七个一级区Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ、Ⅶ区，在一级区内，又以一月、七月平均气温、冻土性质、最大风速、年降水量等指标划分为若干二级区（20个）。 Ⅰ ⅠA ⅠB ⅠC ⅠD Ⅱ ⅡA ⅡB Ⅲ ⅢA ⅢB ⅢC Ⅳ ⅣA ⅣB Ⅴ ⅤA ⅤB Ⅵ ⅥA ⅥB ⅥC Ⅶ ⅦA ⅦB ⅦC ⅦD