智能建筑环境学2建筑外环境概要.docx

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智能建筑环境学2建筑外环境概要

智能建筑环境学2-建筑外环境

为什么要考虑建筑外环境?

建筑物所在地的气候条件和外部环境，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。

会通过围护结构直接影响室内的环境。

如果为了控制室内环境而要利用当地的室外空气、室外空气、太阳能、太阳能、地层蓄能、地层蓄能、地下水蓄能、蓄能、风能等，风能等，均需依赖于当地的外部环境与气候条件。

环境与气候条件。

因此为了得到良好的室内气候条件以满足人们生活和生产的需要，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。

地各主要气候要素的变化规律及其特征。

2015/3/242

为什么要考虑建筑外环境?

一个地区的气候与建筑的外部环境是在许多因素的综合作用下形成的。

许多因素的综合作用下形成的。

与建筑环境密切相关的外部环境要素有太阳辐射、太阳辐射、气温、气温、湿度、湿度、风、降水、降水、天空辐射、空辐射、土壤温度等等。

土壤温度等等。

这些外部环境要素的形成又主要取决于太阳对地球的辐射，太阳对地球的辐射，同时又受人类城乡建设、建设、以及生活、以及生活、生产活动的影响。

生产活动的影响。

2015/3/243

2.1室外气候地球上的气候形成，地球上的气候形成，是由太阳辐射对地球的作用决定的。

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，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。

射是地球向外界散热的主要方式。

太阳辐射中有51％左右被地球表面吸收，左右被地球表面吸收，有19％被大气层和云吸收，被大气层和云吸收，另外还有30％左右被地面、左右被地面、大气层和云层直接反射回去，大气层和云层直接反射回去，而被地球表面和大气层吸收的太阳辐射热主要是通过长波辐射的形式发射回太空。

收的太阳辐射热主要是通过长波辐射的形式发射回太空。

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，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。

保持地球特有的长期稳定的适宜人类生存的气候条件。

2015/3/244

2.1室外气候太阳辐射能量落到赤道附近的要远远多于两极。

要远远多于两极。

尽管赤道地区和地球的两极都会向太空进行长波辐射，会向太空进行长波辐射，但赤道附近地区获得的太阳辐射要多于对外的长波辐射，多于对外的长波辐射，极地则相反。

相反。

因此，因此，赤道附近的低纬度地区要比两极附近的高纬度地区热得多。

得多。

2015/3/245

2015/3/2462.1室外气候

赤道与两极存在的,即赤道附近

的高温地表高温地表面加热空气形成上升气流面加热空气形成上升气流面加热空气形成上升气流,,而极地的冷地表面极地的冷地表面会冷却空气形成下会冷却空气形成下沉气流沉气流,,从而形成大气环流从而形成大气环流。

。

大气环流会将赤道附近的热量带到两极大气环流会将赤道附近的热量带到两极,,减少赤道与两极获得的能量差异减少赤道与两极获得的能量差异。

。

本节涉及到的影响建筑环境的室外气候因素本节涉及到的影响建筑环境的室外气候因素,,包括度、地温地温、、有效天空温度有效天空温度、、降水等,都是由太阳辐射以及地球本身的物理性质决定的质决定的。

。

2015/3/2472.1.1室外气候:

大气压力

空气分子不断地做无规则的热运动空气分子不断地做无规则的热运动,,不断地与物体表面相碰撞不断地与物体表面相碰撞,,宏观上宏观上,,物

体表面就受到一个持续的体表面就受到一个持续的、、恒定的压力恒定的压力。

。

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。

在重力场中在重力场中,,空气的分子数随高度的增加而呈指数减少空气的分子数随高度的增加而呈指数减少,,所以气压大体上也

是随高度按指数降低的是随高度按指数降低的。

。

地面气压恒在98~104kPa之间变动之间变动,,平均约为101.3kPa。

随着海拔高度增

加,气压值按指数减少气压值按指数减少,,离地面10km处的气压值只有地面海平面的25%。

海平面大气压力称作标准大气压海平面大气压力称作标准大气压,,为101.3kPa或760mmHg。

2015/3/2482.1.1室外气候:

大气压力

右图为我国不同城市多年平均大气压

力分布力分布,,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。

由于空气密度与温度成反比由于空气密度与温度成反比,,因此在

陆地上同一位置陆地上同一位置,,冬季大气压力比夏

季大气压力高季大气压力高,,但变化范围仅在5%

以内以内。

。

我国城市我国城市（（地区地区大气压力随海拔

高度变化规律

2015/3/2492.1.1室外气候:

大气压力

标准大气

为了给气象制图提供基准为了给气象制图提供基准,,根据探测数据和理论计算制定出的一种比较接近

实际大气平均状况垂直分布特性的大气实际大气平均状况垂直分布特性的大气,,称为标准大气称为标准大气,,又称参照（考大气大气。

。

现在较常用的是1976美国标准大气美国标准大气。

。

该大气描述了中等太阳活动期间该大气描述了中等太阳活动期间,,1000km以下中纬度地区的平均大气结构以下中纬度地区的平均大气结构。

。

根据测试统计根据测试统计,,1976美国标准大气30km以下部分与我国45ºN附近30km以下的实际大气平均状态比较接近的实际大气平均状态比较接近,,取该大气的30km以下部分作为我国的标准大气（30km以下。

根据标准大气压高公式和状态方程可获得气压根据标准大气压高公式和状态方程可获得气压、、密度数据密度数据。

。

相应的压高公式如下如下:

:

2015/3/24102.1.1室外气候:

大气压力11km以下以下:

:

11~20km:

20~30km:

式中P的单位为kPa,H为海拔高度为海拔高度,,m。

图（a是高度与气压关系的图示是高度与气压关系的图示。

。

26.551026.21（325.101HP−×−×=1011（1058.134699.22×−×−−=He

P（[]3436102010616.41529.5−−×−×+×=H

P（a气压随高度的分布

2015/3/24112.1.1室外气候:

大气压力

气压的多年平均值随纬度分布如图（b

所示所示。

。

赤道带为低压带赤道带为低压带,,由赤道带往南或往

北气压增高北气压增高,,于30º~50º附近达到最

高值高值,,称为副热带高压带称为副热带高压带。

。

再往高纬度则气压又下降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

尤为显著尤为显著,,极地区域的气压又有所增

加。

（b平均气压随纬度分布

2015/3/24122.1.1室外气候:

大气压力

气压有周期性的日变化和年变化气压有周期性的日变化和年变化,,还有非周期性的变化还有非周期性的变化。

。

常和大气环流及天气系统有联系常和大气环流及天气系统有联系,,而且变化幅度大而且变化幅度大。

。

气压的日变化在热带表现得很明显气压的日变化在热带表现得很明显（（如图如图,,,一昼夜有两个最高值一昼夜有两个最高值一昼夜有两个最高值（（9~10时及21~22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温带地区气压的日变化平缓一些。

。

气压的年变化由地理状况而定气压的年变化由地理状况而定。

。

赤道区年变化不大赤道区年变化不大,,高纬区年变化较大高纬区年变化较大。

。

大陆和海洋也有显著的差别和海洋也有显著的差别,,大陆冬季气压高大陆冬季气压高,,夏季最低夏季最低,,而海洋恰好相反而海洋恰好相反。

。

2015/3/24132.1.2室外气候:

风与大气边界层

风的分类

风是指由于大气压差所引起的大气水平方向的运动风是指由于大气压差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

力差的主要原因力差的主要原因,,也是风的主要成因也是风的主要成因。

。

风可分为大气环流与地方风两大类。

大气环流由于照射在地球的上的太阳辐射不均匀由于照射在地球的上的太阳辐射不均匀,,造成赤道和两极间的温差造成赤道和两极间的温差,,由此引发大

气从赤道到两极和从两极到赤道的经常性活动气从赤道到两极和从两极到赤道的经常性活动,,叫做大气环流叫做大气环流。

。

它是造成各地气候差异的主要原因之一候差异的主要原因之一,,如图所示如图所示。

。

地球的自转和公转也影响了大气环流的走向地球的自转和公转也影响了大气环流的走向。

。

2015/3/2414

2.1.2室外气候:

风与大气边界层

地方风

地方风是由于地表水陆分布地方风是由于地表水陆分布、、地势起伏地势起伏、、表面覆盖等地方性条件不同所引起

的,如海陆风如海陆风、、季风季风、、山谷风山谷风、、庭院风及巷道风等庭院风及巷道风等。

。

海陆风与山谷风是由于局部地方昼夜受热不均匀而引起的海陆风与山谷风是由于局部地方昼夜受热不均匀而引起的,,所以其变化以一昼夜为周期昼夜为周期,,风向产生日夜交替的变化风向产生日夜交替的变化。

。

季风是因为海陆间季节温差而引起的季风是因为海陆间季节温差而引起的:

:

冬季大陆被强烈冷却冬季大陆被强烈冷却,,气压增高气压增高,,季风从大陆吹向海洋风从大陆吹向海洋;;夏季大陆强烈增温夏季大陆强烈增温,,气压降低气压降低,,季风由海洋吹向大陆季风由海洋吹向大陆。

。

因此因此,,季风的变化是以年为周期的季风的变化是以年为周期的。

。

我国的东部地区我国的东部地区,,夏季湿润多雨而冬季干燥夏季湿润多雨而冬季干燥,,就是受强大季风的影响就是受强大季风的影响。

。

我国的季风大部分来自热带海洋的季风大部分来自热带海洋,,影响区域基本是东南和东北的大部分区域影响区域基本是东南和东北的大部分区域,,夏季多为南和东南风季多为南和东南风,,冬季多为北风和西北风冬季多为北风和西北风。

。

2015/3/24152.1.2室外气候:

风与大气边界层

从地球表面到500~1000m高的这层空气叫做大气边界层高的这层空气叫做大气边界层,,其厚度主要取决于地

表的粗糙度表的粗糙度。

。

在平原地区边界层薄在平原地区边界层薄,,在城市和山区边界层厚在城市和山区边界层厚,,如图所示如图所示。

。

边界层内风速沿垂直方向存在梯度边界层内风速沿垂直方向存在梯度,,其形成的原因是下垫面对气流有摩擦作用对气流有摩擦作用。

。

在摩擦力的作用下在摩擦力的作用下,,贴近地面处的风速为0,沿高度风速递增沿高度风速递增,,因为因为地面摩擦力地面摩擦力的影响越往上越小的影响越往上越小。

。

到达一定高度以后到达一定高度以后,,风速不再增大风速不再增大,,人们往往把这个高度称为边界层高度为边界层高度。

。

图2-16不同下垫面区域的风速分布

2015/3/2416

2.1.2室外气候:

风与大气边界层

下垫面

下垫面（underlyingsurface是指与大气下层直接接触的地球表面是指与大气下层直接接触的地球表面。

。

大气圈以地球的水陆表面为其下界以地球的水陆表面为其下界,,称为大气层的下垫面称为大气层的下垫面。

。

它包括地形它包括地形、、地质地质、、土壤和植被等壤和植被等,,是影响气候的重要因素之一是影响气候的重要因素之一。

。

2015/3/2417

2.1.2室外气候:

风与大气边界层

下垫面对大气的影响主要表现在两个方面:

一是对气温的影响一是对气温的影响。

。

由于气温是气候最主要的要素由于气温是气候最主要的要素,,故这也是下垫面对大气的影响主要方面的影响主要方面。

。

对于低层大气而言对于低层大气而言,,由于几乎不能吸收太阳辐射由于几乎不能吸收太阳辐射,,而能强烈吸收地面辐射烈吸收地面辐射,,地面辐射成为它的主要直接热源地面辐射成为它的主要直接热源。

。

此外此外,,下垫面还以潜热输送输送、、湍流输送等方式影响大气热量湍流输送等方式影响大气热量。

。

二是对大气水分的影响二是对大气水分的影响。

。

大气中的水气也是来自下垫面大气中的水气也是来自下垫面。

。

在相同气象条件下不同下垫面表面温度有很大差异在相同气象条件下不同下垫面表面温度有很大差异,,下垫面的绿化能够有效改善了局部微气候改善了局部微气候;;当地正午太阳高度角对于下垫面表面温度来说起主导作用。

2015/3/2418

2.1.2室外气候:

风与大气边界层

下垫面也是影响气候的主要因素之一,主要表现在以下几个方面:

1、海陆差异的影响海陆差异的影响:

:

主要表现在两方面主要表现在两方面:

:

1因热力性质不同因热力性质不同,,陆地比海洋气温的年较差和日较差都要大陆地比海洋气温的年较差和日较差都要大;;

2海陆位置不同的地区水热状况存在差异;

2、洋流的影响洋流的影响:

:

暖流对大气底部有加热作用暖流对大气底部有加热作用,,形成降水形成降水;;寒流有冷却作用寒流有冷却作用,,降水偏少降水偏少,,但易形成雾但易形成雾。

。

3、地形的影响地形的影响:

:

海拔高的地区比海拔低的地区温度低海拔高的地区比海拔低的地区温度低;;坡向对降水也有很大影响大影响、、

4、其他因素的影响其他因素的影响:

:

例如例如,,地表物质组成地表物质组成（（岩石岩石、、土壤土壤、、水面水面、、冰雪和植被不同不同,,对太阳辐射的放射率也不同对太阳辐射的放射率也不同,,从而直接影响到地表对太阳辐射能的吸收的吸收,,进而导致地区间热量状况出现差异进而导致地区间热量状况出现差异。

。

2015/3/2419

2.1.2室外气候:

风与大气边界层

风向和风速

风向和风速是描述风特征的两个要素风向和风速是描述风特征的两个要素。

。

通常通常,,人们把风吹来的地平方向确定为风的方向为风的方向,,如风来自西北方称为西北风如风来自西北方称为西北风,,如风来自东南方称为东南风如风来自东南方称为东南风,,在陆地上常用16个方位表示个方位表示。

。

风速为单位时间风所行进的距离风速为单位时间风所行进的距离,,用m/s来表示来表示。

。

气象台一般以距平坦地面10m高处所测得的风向和风速作为当地的观察数据高处所测得的风向和风速作为当地的观察数据。

。

风力的等级用蒲福（FrancisBeaufort风力等级来描述风力等级来描述。

。

2015/3/24212.1.2室外气候:

风与大气边界层

在接近地面的大气层中在接近地面的大气层中,,正常情况下正常情况下,,日间空气温度随高度的增加而降低日间空气温度随高度的增加而降低,,

即由于日间太阳辐射的作用即由于日间太阳辐射的作用,,靠近地面的空气温度高靠近地面的空气温度高,,远离地面空气温度低远离地面空气温度低。

。

在这种条件下在这种条件下,,由于自然对流的作用由于自然对流的作用,,热空气上升热空气上升,,冷空气下降冷空气下降,,空气很容易产生垂直和水平的流动易产生垂直和水平的流动,,因此这个空气层处于不稳定状态因此这个空气层处于不稳定状态,,这种不稳定状态有利于地面附近的污染物向外部空间扩散态有利于地面附近的污染物向外部空间扩散。

。

但有时在某个高度范围内但有时在某个高度范围内,,空气的温度随高度的增加而增加空气的温度随高度的增加而增加,,因为它对自然对流有很强的抑止作用对流有很强的抑止作用,,这时空气层就处于相对稳定的状态这时空气层就处于相对稳定的状态。

。

这种空气层也称为称为““逆温层逆温层””。

逆温层极不利于地面附近空气层中的污染物扩散逆温层极不利于地面附近空气层中的污染物扩散,,对城市的大气污染有加剧作用作用。

。

2015/3/24222.1.2室外气候:

风与大气边界层

逆温层形成的机理有多种逆温层形成的机理有多种:

:

由于夜间长波辐射的作用使地面冷却由于夜间长波辐射的作用使地面冷却,,从而使得接近地面的空气被地面所冷却所冷却,,温度低于远离地面的空气层温度低于远离地面的空气层,,就会形成辐射逆温就会形成辐射逆温。

。

在白天晴朗无风的情况下在白天晴朗无风的情况下,,大气层被接收太阳辐射的地面加热升温较多大气层被接收太阳辐射的地面加热升温较多,,夜间就越容易形成自地面向上的逆温层夜间就越容易形成自地面向上的逆温层;;如果城市排热量大如果城市排热量大,,状况就更严重严重。

。

如果有大量人为散热的工业大城市座落在海滨如果有大量人为散热的工业大城市座落在海滨,,其上空的空气层被大量的城市排热加热的城市排热加热,,而较低温的海风贴近地面吹入城市使得地面附近的空气层温度低于上部的空气层气层温度低于上部的空气层,,也会形成逆温层也会形成逆温层。

。

2015/3/24

232.1.3室外气候:

室外气温

室外气温

室外气温一般是指距地面1.5m高、背阴处的空气温度背阴处的空气温度。

。

大气中的气体分子在吸收和放射辐射能时具有选择性大气中的气体分子在吸收和放射辐射能时具有选择性,,它对太阳辐射几乎是

透明体透明体,,直接接受太阳辐射的增温是非常微弱的直接接受太阳辐射的增温是非常微弱的,,主要靠吸收地面的长波辐射（波长在3~120µm范围范围而升温而升温。

。

地面与空气的热量交换是气温升降的直接原因地面与空气的热量交换是气温升降的直接原因。

。

与温暖的地表直接接触的空气层气层,,由于导热的作用而被加热由于导热的作用而被加热,,热量又靠对流作用而转移到上层空气热量又靠对流作用而转移到上层空气。

。

因此,气流或者风带着空气团不断地与地表接触而被加热气流或者风带着空气团不断地与地表接触而被加热。

。

日较差日较差:

:

一日内气温的最高值和最低值之差一日内气温的最高值和最低值之差。

。

年较差年较差:

:

一年内最冷月和最热月的月平均气温差一年内最冷月和最热月的月平均气温差。

。

年平均温度年平均温度:

:

向高纬度地区每移动200~300km降低1℃。

2015/3/24242.1.3室外气候:

室外气温

影响地面附近气温的主要因素:

第一第一,,入射到地面上的太阳辐射热量入射到地面上的太阳辐射热量,,它起着决定性的作用它起着决定性的作用;;例如气温有四

季的变化季的变化、、日变化以及随着地理纬度的变化日变化以及随着地理纬度的变化,,都是由于太阳辐射热量的变化而引起的而引起的。

。

第二第二,,地面的覆盖面地面的覆盖面,,例如草原例如草原、、森林森林、、沙漠和河流等及地形对气温的影响沙漠和河流等及地形对气温的影响;;不同的地形及地表覆盖面对太阳辐射的吸收和反射的性质均不同不同的地形及地表覆盖面对太阳辐射的吸收和反射的性质均不同,,所以地面的增温也不同的增温也不同。

。

第三第三,,大气的对流作用以最强的方式影响气温大气的对流作用以最强的方式影响气温;;无论是水平方向或垂直方向的空气流动的空气流动,,都会使两地的空气进行混合都会使两地的空气进行混合,,减少两地的气温差异减少两地的气温差异。

。

2015/3/24252.1.3室外气候:

室外气温

气温有年变化和日变化气温有年变化和日变化。

。

一般在晴朗天气下一般在晴朗天气下,,气温一昼夜的变化是有规律的气温一昼夜的变化是有规律的,,

气温日变化中有一个最高值和最低值气温日变化中有一个最高值和最低值。

。

最高值通常出现在下午二时左右最高值通常出现在下午二时左右,,而不是正午太阳高度角最大的时刻而不是正午太阳高度角最大的时刻;;最低气温一般出现在日出前后最低气温一般出现在日出前后,,而不是在午夜而不是在午夜。

。

原因原因:

:

空气与地面间因辐射换热而增温或降温空气与地面间因辐射换热而增温或降温,,都需要经历一段时间都需要经历一段时间。

。

由于海陆分布与地形起伏的影响由于海陆分布与地形起伏的影响,,我国各地气温的日较差一般从东南向西北递增递增。

。

我国多数地区的夏季计算日较差在5~10℃的范围内的范围内。

。

2015/3/24262.1.3室外气候:

室外气温

空气温度的局部效应

受地面反射率受地面反射率、、夜间辐射夜间辐射、、气流气流、、遮阳等影响遮阳等影响,,离建筑物越远离建筑物越远,,温度越

低

2015/3/24272.1.3室外气候:

室外气温

空气温度的局部效应

霜洞效应霜洞效应:

:

洼地冷空气聚集造成气温低于地面上的空气温度

2015/3/24

282.1.5室外气候:

有效天空温度

有效天空温度大气层的辐射主要是由二氧化碳大气层的辐射主要是由二氧化碳、、水蒸气等气体分子所造成水蒸气等气体分子所造成,,它们吸收一部

分透过大气层的太阳辐射分透过大气层的太阳辐射（（约占10%%和来自地面的反射辐射和来自地面的反射辐射和来自地面的反射辐射,,从而具有一定的温度定的温度,,因此会向地面进行长波辐射,波长范围主要集中在5~8µm及13µm以上以上。

。

经常采用所谓的经常采用所谓的““有效天空温度有效天空温度””Tsky来计算Qsky。

2015/3/2429

2.1.4室外气候:

有效天空温度

有效天空温度

有效天空温度不仅与气温有关有效天空温度不仅与气温有关,,而且与大气中的水汽含量而且与大气中的水汽含量、、云量以及地表温

度等因素有关度等因素有关。

。

云层云层、、雾会使有效天空温度升高雾会使有效天空温度升高。

。

在沙漠中由于天气晴朗以及空气中的水汽量稀少在沙漠中由于天气晴朗以及空气中的水汽量稀少,,所以有效天空温度很低所以有效天空温度很低。

。

随着高度的