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1、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
2、球绕日运动的规律,经度和纬度,经线或子午线,纬线,东经,西经,北纬,南纬,180,90,0,0,5,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,6,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,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？,sin = cos cos h cos + sin sin sin A = cos sin h /cos ,9,第二节 太阳辐射,10,太阳总辐射能量
3、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。,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）
4、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,14,50到达地面,15,太阳辐射能与太阳高度角,I0,16,大气层质量 m,地球表面处法向太阳直射辐射照度： IN = I0P m m = L/L = 1/sin,30,为什么太阳高度角接近0和90时垂直面的日射量都小？,大气层质量1,大气层质量2,17,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
5、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)，P1 最透明 变化范围：0.650.75，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,6,5,4,4,3,3,2,22,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
6、，为101325 Pa 或 760 mmHg,24,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。,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 0 m/s，
7、可认为按幂函数规律分布，如高度h处：,28,蒲福风力等级表,29,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
8、月平均气温差。 年平均温度：向高纬度地区每移动 200300 km 降低1。,年较差与纬度的关系,太阳辐射和日气温变化,34,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23时，最低气温一般出现在凌晨45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。,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,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
9、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（58m及13m以上） 地表有效辐射：地面与大气层之间的辐射换热QR QRQgQsky ( Tg4 Tsky4 ),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, 1983,41,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；1.5
10、m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12。,42,地层温度,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)。,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
11、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：1520 mbar 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910时和晚上910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
12、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,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,