第二章 建筑外环境
建筑环境学-建筑外环境
精选课件
太阳高度角
太阳时角
太阳方1位1 角
太阳在空间的位置
影响太阳高度角和方位角的因素
有三：赤纬(δ)，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
赤纬d
0°
6
-23.5°
地球绕日的运动
南北回归线
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7
地球绕日的运动
• 昼夜
—地方平均太阳时
—世界时
—标准时
90
—真太阳时
—时角
北京时间
E
问题：上海的地方平均太阳时和北京时间差多少?
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8
地球绕日的运动
经度
太阳与地球 距离变化造 成的偏差
90
时区当地 标准时
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北京时间
E
9
太阳在空间的位置
气压力高，变化范 围5％以内
1
太原 • 海平面大气压力称
0
北京 作标准大气压，为
-1
101325 Pa 或 760
40 50 60 70 80 90 100 110
精选课件
大气压力(kPa)
mmHg
28
大气压力与人体健康
人体可以忍受的大气压力的范围从 0.303-15atm。
低气压导致的缺氧对人体的威胁极 大。
所谓太阳总辐射照度一般仅包括前两部分
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18
太阳辐射能的去向
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19
太阳辐射能与太阳高度角
精选课件
20
大气质量 m
为什么太
第二章建筑外环境(103)
• 以累年一月和七月的平均气温、七月的平均相 对湿度等作为主指标；以年降水量、年日平均 气温大于、等于5 °C和小于、等于25°C的 天数等作为辅助指标，将全国划为七个一级区。
• 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，将全国划为20个二级 区，并提出相应的建筑基本要求。
• 为满足人们生活和生产、工作对良好室内环境 的需要，必须理解建筑所在地外环境各主要影 响因素的特征、变化规律及其作用。
建筑外环境构成
• 由太阳辐射对地球的作用和地球本身物性所决定的地 球气候条件（热平衡）：长期稳定、适宜生存。 与建筑内部环境（热湿、空气）密切相关的室外气 候要素：太阳辐射、气温、气压、湿度、风、降水等。 • 本地区的空气质量； • 当地的光气候（室外照度状况和影响其变化的气象因 素之和） • 区域的环境噪声 • 地质环境（地壳层~土质、水文地质条件、开采情况） • 水环境（地表水、地下水环境） • 植被（自然和人工的所有植物总合）
2、大气压力 （1）地球表面的气压不同，变化是复杂的。
• 大体上，是随海拔高度按照指数降低的。
• 多年平均值随纬度分布：赤道低压带、极地高压带、 副热带高气压带、副极地低气压带。 • 在同一位置，冬季大气压力比夏季大气压力高，但变 化范围在5％以内。
（2）对人体的影响主要是对体内的氧气供应。
• 气压降低，人体会发生一系列生理反应。如高山反应、 甚至生命危险。
2、设计规范：
• 规定计算用室外空气参数都有一定的“不保证率” • “不保证时间”：全年不保证室内设计要求的累计时 间 • 室内温湿度必须全年保证时，应另行确定空调室外计 算温度
2-3 城市和建筑微气候
建筑外环境ppt课件教学教程
❖ 永久阴影：指一年当中都没有日照的现 象。
建筑物的外形与阴影的形成
日照时间、南北方向相邻楼间距与纬度之间 的关系
§2-4 室外气候
❖ 一.基本概念 ❖ 二.影响地面附近气温的因素 ❖ 三.微气候范围内空气层温度随时间与空间
b）地面的覆盖面，如草原森林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。
c）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，减少两地的气温差别。
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
三.微气候范围内空气层温度随时间与空间的 变化规律
一.基本概念 ❖ 1.太阳常数：指太阳与地球之间为年平均
距离时，地球大气层上边界处，垂直于阳 光射线的表面上，单位面积单位时间内来 自太阳的辐射能量。I0=1353 W/㎡。
❖ 2.太阳光谱： 在各种波长的辐射中，能转 化 为 热 能 的 主 要 是 可 见 光 部 分 （ 52% ） 0.38～0.76mm；0.76～3.0 mm的近红外线。
力比郊区大，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 ❖ 2.气温较高，形成热岛现象 ❖ 3.城市中的云量
最低日照标准： 冬至日底层住宅内满窗日照时间 ≮1h；
1.紫外线: (0.2～0.4 mm)
作用：杀菌；促进人体合成维生素；
危害：过度的照射会危害人体健康；由于氯氟碳 化合物对臭氧层的破坏，导致紫外线辐射 增强；是黑瘤的致病因素；
2.可见光(0.4～0.77mm)：在照明学上有重要意义；
3.红外线(0.77～4.0 mm)：造成热效果的主要因素； 日照强度大小和时间长短对人类行为的影 响；
建筑环境学复习重点
第二章建筑外环境1.建筑环境学的课程内容：由建筑外环境、建筑热湿环境、人体对热湿环境的反应、室内空气品质、气流环境、声环境、光环境七个主要部分组成2.时差：真太阳时与当地平均太阳时的差值3.真太阳时：太阳在当地正南时为12点，地球自转一周又回到正南时为一天4.太阳时角：将真太阳时用角度表示，称太阳时角。
指当时太阳入射的日地中心连线在地球赤道平面上的投影与当地真太阳时12点时，日地中心连线在赤道平面上的投影之间的夹角。
5.太阳方位角：太阳至地面上某给定点连线在地面上的投影在当地子午线（南向）的夹角。
太阳高度角：太阳光线与水平面间的夹角。
6.太阳常数：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强度为i0= 1353W/m²。
7.大气压力定义：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。
气压随高度按指数降低。
海平面大气压力称作标准大气压8.气象站所记录的风速为当地10m高处的风速。
9.风玫瑰图：包括风向频率分布图、风速频率分布图①直观地反映出一个地方的风向和风速②除圆心以外每个圆环间隔代表频率为5%类型：季节变化、主导风向、双主导风向、无主导风向、准静止风10.霜洞：在某个范围内，温度变化出现局地导致现象，其极端形式称为...11.降水：从大地蒸发出来的水进入大气层，经过凝结之后又降到地面上的液态或固态水分。
降水性质：①降水量：指降落到地面的雨、雪、冰雹等融化后，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；②降水时间③降水强度：指单位时间内的降水量。
降水强度的低等级以24小时的总量来划分。
小雨<10，中雨10-25，大雨25-50，暴雨50-100。
12.城市气候特点：①.城市风场与远郊不同。
除风向改变以外，平均风速低于远郊的来流风速；②.气温较高，形成热岛现象；③.城市中的云量，特别是低云量比郊区多，大气透明度低，太阳总辐射照度也比郊区弱。
室外环境作业答案1
第二章建筑外环境为什么我国北方住宅严格遵守座北朝南的原则，而南方（尤其是华南地区）住宅并不严格遵守此原则？1． 鉴于日照对人居的重要作用，住宅应获得尽量多的日照，而对于独立建筑，影响日照的因素为太阳高度和日照强度。
北方地区位于北回归线以北，一年四季太阳都处于南部天空，夏天太阳高度角高，冬季太阳高度角低，坐北朝南的住宅在冬季可以获得最大日照，降低建筑物的采暖负荷；夏季可以利用房檐遮阳，保持室内较凉爽的环境。
南方（华南地区）位于北回归线以南，全年太阳高度角变化并不明显，各面墙得到的太阳辐射差别不大，且由于冬季并不寒冷，因而房子的朝向不是特别重要。
2． 南方多山地、丘陵、河流，建筑物严格的朝向要求不能合理的利用有限的地面。
是空气温度改变导致地面温度改变，还是地面温度改变导致空气温度改变？1． 地面温度导致空气温度改变。
2． 大气中的气体分子在吸收太阳辐射时具有选择性，对短波辐射几乎是透明体。
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。
晴朗的夏夜，气温25℃，有效天空温度能达到多少？ 如果没有大气层，有效天空温度应该是多少？1．4/144])70.030.0)(026.032.0(9.0[a a g sky T S P T T +--=其中： T g −− 地表温度，K ；取23℃T a −− 地面1.5-2.0m 高处的气温，K ；取25℃P a −− 地面附近空气的水蒸气分压力，mbar 取相对湿度75％，23℃，20mbar S −− 日照百分率，即全天实际日照时数与可能日照时数之比，是一个与云量密切相关的量。
天气晴朗，取1441/4[0.9*(23273)(0.320.70*1)(25273)]sky T =+--++Tsky ＝270K ＝-3℃结果会因假设的气象参数值不同而不同，注意地表温度的值会略低于空气温度2．如果没有大气层，由于有效天空温度T sky 的定义为：Q sky ＝σT sky 4 ，Q sky 为大气层向地面的辐射，此时Q sky ＝0，所以T sky 也为0K为什么晴朗天气的凌晨树叶表面容易结露或结霜？1．晴朗的夜间，天空中云量、尘粒、水汽较少，大气透明度高，吸收地面长波辐射的能力差，所以大气逆辐射Q sky 小，天空背景温度很低。
《建筑环境学》习题部分参考答案
《建筑环境学》习题部分参考解答第二章 建筑外环境1. 为什么我国北方住宅严格遵守坐北朝南的原则，而南方并不严格遵守？答：太阳光在垂直面上的直射强度为θβcos cos ,⋅⋅=N z c I I ，对于地理位置的地区βcos ⋅N I 是不能人为改变的。
所以要使I c,z 取最佳值，只有使θ尽可能小。
在冬季，太阳是从东南方向升起，从西南方向落下，而坐北朝南的布局就保证了在冬季能最大限度的接收太阳辐射。
北方气候寒冷、冬夏太阳高度角差别大，坐北朝南的布局可以使建筑物冬季获得尽可能多的太阳辐射，夏季获得的太阳辐射较小。
但在南方尤其是北回归线以南，冬夏太阳高度角差不多，所以建筑物是否坐北朝南影响不太大。
2. 是空气温度改变导致地面温度改变，还是地面温度改变导致空气温度改变？答：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，直接接受太阳辐射的增温是非常微弱。
主要靠吸收地面的长波辐射而升温。
而地面温度的变化取决于太阳辐射和对大气的长波辐射。
因此，地面与空气的热量交换是气温升降的直接原因，地面温度决定了空气温度。
3. 晴朗的夏夜，气温25℃，有效天空温度能达到多少？ 如果没有大气层，有效天空温度应该是多少？答：有效天空温度的计算公式为：4144])70.030.0)(026.032.0(9.0[o d d sky T S e T T +--=查空气水蒸气表，可知：t =25℃时，e d =31.67mbar查表2-2，T d =32.2+273.15=305.35 K ，另外，T 0=25+273.15=298.15 K∴ 计算得：T sky ＝100×(74.2－9.4S)1/4如果没有大气层，可以认为S ＝1，则计算求得：T sky ＝283.7 K4. 为什么晴朗天气的凌晨树叶表面容易结露或结霜？答：由于晴朗夜空的天空有效温度低，树叶表面与天空进行长波辐射，使得叶片表面温度低于空气的露点温度，所以出现结露或结霜现象。
111531_建筑环境学(第二版)课后习题解答ppt版解析
各种得热进入空气的途径
• 潜热得热、渗透空气得热
– 得热立刻成为瞬时冷负荷
• 通过围护结构导热、通过玻璃窗日射得热、室 内显热源散热
– 对流得热部分立刻成为瞬时冷负荷 – 辐射得热部分先传到各内表面，再以对流形式进入
空气成为瞬时冷负荷，因此负荷与得热在时间上存
在延迟。
如果一个空调房间，只有一面外墙，室 内热源为一个大功率灯，把灯光投射到 外墙内表面上和把灯光投射在内墙表面 上对房间的冷负荷有何影响？
玻璃系列
• 透过玻璃窗的太阳辐射中是否只有可见光，没有 红外线和紫外线？
可见光
近红外 线
长波红外线
0. 8
普通玻璃的光谱透过率
玻璃系列
• 夜间可以通过窗户长波辐射把热量散出去吗 ？
室内空气、表面对流换热、长波辐射 玻璃窗内表面被加热 ... ...玻璃窗 长波辐射 外界环境
得热： １、假定除所考察的围护结构内表面外，其他 各室内表面的温度均与室内空气温度一致
２、假定室内没有其他短波辐射热量落在所考 察围护结构内表面上”时
综合
• 如果有两套户型设计一模一样的公寓，但一个主 要窗户朝东，另一个朝西。两套公寓夏季的热环 境条件有何区别？
–朝东公寓，传热的峰值在下午，太阳辐射得热的峰值 在上午，峰值错开使得负荷峰值较小 –朝西公寓，传热和太阳辐射的峰值均在下午，峰值叠 加后使得总负荷偏大 ，不空调的话房间温度会特别高
其他
• 室外空气综合温度是单独由气象参数决定的吗？ • 什么情况下建筑物与环境之间的长波辐射可以忽略？ • 为什么冬季往往可以采用稳态算法计算采暖负荷而夏天却一定要采用 动态算法计算空调负荷？ • 围护结构内表面上的长波辐射对负荷有何影响？
建筑环境学复习要点
普通玻璃：对 3μm 以下的近红外线来说几乎是透明的。长波红外线辐射会被玻璃反射和吸
收
Low-e 玻璃：可见光透过率 70%~80%,较低的长波红外线发射率和吸收率，反射率很高
普通玻璃和 Low-e 玻璃区别 见上。此外，low-e 玻璃对波长为 0.76~3μm 的近红外线的透射率比普通玻璃低得多 室外空气综合温度 考虑了太阳辐射的作用对表面换热量的增强，相当于在室外气温上增加了一个太阳辐射的等 效温度值。是为了计算方便推出的一个当量的室外温度。 夜间辐射 夜间无太阳辐射，而天空背景温度远远低于空气温度，因此建筑向天空辐射的辐射放热量是 不可以忽略的。故长波辐射 Qlw 也称为夜间辐射或有效辐射 地表有效辐射：地面与大气层之间的辐射换热 QR 内遮阳和外遮阳区别 内遮阳遮阳设施吸收和透过部分全部为得热，外遮阳只有透过和吸收中的一部分成为得热 围护结构的湿传递
第四章 人体对热湿环境的反应
热舒适 ASHRAE Standard 55-2010：人体对热环境表示满意的意识状态 Thermal comfort is defined in the ASHRAE Standard(ASHRAE,2010)as “that condition of mind which expresses satisfaction with the thermal environment”.
※一般计算中不考虑时差。所求的就是当地的地方平均太阳时，即钟表时间 T0
太阳时角 h:用角度表示的真太阳时，正午为 0°，每小时为 15°，
上午为负，下午为正
太阳高度角β：太阳光线与水平面的夹角（影响太阳高度角和方位
角的因素：赤纬角，时角，地理纬度）
太阳方位角 A:太阳至地面上某给定的点连线在地面上的投影与当
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2－ 28
2.2 建筑外环境中的气候环境 2.2.1 室外气象参数 大气压力
£º ΰ߸ ȶ (km)
7
海平面大气压力称作
6
标准大气压，为
5
玛多
4
拉萨
101325 Pa 或 760 mmHg
3
格尔木 昆明
大气压力随海拔高度 而变
2
兰州
1
太原
在同一位置，冬季大
北京 气压力比夏季大气压
2.2 建筑外环境中的气候环境 2.2.1 室外气象参数 湿度——2. 日变化
相对湿度与气温变化反向 条件？
2－ 27
2.2 建筑外环境中的气候环境 2.2.1 室外气象参数 湿度——3. 年变化
年变化—— 内陆和沿海地区差别较大
临海＞大陆
临海＜大陆
广州
北京
年平均78% 年平均56%
争取日照：病房、幼儿活动室，住宅要求日照 以得到良好的卫生条件，使房间冬季能得到太 阳辐射以提高室温；
2－ 16
2.1 建筑环境中的太阳辐射 2.1.4 日照间距 日照保证
日照率：实际日照时数与可照时数之比。我国各地全年 的日照率大小排序：西北、华北、东北为第一，华南及 长江中下游居次，四川盆地、贵州东部和两湖盆地最 少。——反映什么特性？
日照时间 日照面积 遮阳计算 室内日照设计
2－ 19
日射得热 太阳能利用
建筑环境工程设计
2.2 建筑外环境中的气候环境
2.2.1 室外气象参数
自然微气候的形成
–空气温度、有效天空温度 –空气湿度 –大气压力 –风 –降水
城市气候
2－ 20
中国气候分区
2.2.1 室外气象参数
气温——1. 基本常识
紫外线
– 杀菌，促进合成维生素D（可促进钙质吸收）
– 导致皮肤癌 可见光
– 获得照明 红外线
– 带来辐射热能
2－ 14
力单 色 辐 射
太阳辐
0.38～0.76 m
射构成
紫外线 可见光 7.0% 45.6%
近红外线 45.2%
长波红外线 2.2%
2.1.3 太阳辐射能与日照
紫外线与红外线的主要作用
2－ 17
窗户面积保证
2.1.4 日照间距
日照间距计算
栋后
b 栋前 ' H0
m
Aα
ab
a'墙面 法线
D00
S
日照间距：即：计算日 正午时前栋建筑的阴影：
D0 H0 ctg cos( A )
D0:H0：一般与纬度及建筑 方位等有关 日照时间与日照面积均
栋后 m
A
D0
b前 a 栋 a'墙面
ATR: Annual Temperature Range
太阳辐射和气温变化
峰值延迟
2－ 23
年较差
年较差与纬度的关系
30N
海口：20N, ～9.2℃ 上海：31N, ～24.2℃ 北京：40N, ～28.8℃ 爱辉：50N, ～41.6℃
2.2.1 室外气象参数
气温——3. 外微气温
正午时太阳高度角
㈩
天顶
夏至
2327’
d=－2327～ 2327
春秋分
半天球
2327’
PN 北天极
冬至
㈠
地轴
E
日出
N
地平面
A
太阳轨 迹
S
地平圈
太阳 参照系
定位参数
公转参数
纬度 赤纬d
计算起点 赤道面 春秋分
2－方8向性 北/南纬 ≤|±2327’|
日落 W
自转参数
地球参照系 太阳运动定位参数
H
Hs
L Ls 15
e
式2－1
式2－2
赤纬的存在，导致了四季的不同——赤纬表示季节
不同纬度，夏(冬)至日白昼时数不同 表2－1
地球上存在某一天终日见不到太阳的地方吗？ 2－经7 度决定了什么？纬度决定了什么？
2.1 建筑环境中的太阳辐射
2.1.2 太阳位置的表示方法 几个重要角度
法线
α
S
可通过上式计算。
D0:H0
南 北 相 邻 间 距
取决于β，A
2－ 1垂8 直面日影计算
深圳：23.5 上海
纬度 北京
长春
2.1 建筑环境中的太阳辐射
2.1.4 日照间距
日照在建筑设计中的作用
建筑日照设计：
防火间距 采光间距 交通间距
……
建筑间距
日照间距
日照
卫生要求
冬季获取日照 夏季避免日照
日照时间：太阳日出至太阳日落照射到建筑物窗口的时间， 一般采用冬至日或大寒日日照时间作为设计条件。
一般住宅（每户至少有一间）
大寒日 2h
幼儿园、疗养院、中小学、老年人居住建筑等 冬至日 2h
哪个要求严？为什么？
朝向设计
日照面积：是指日射直接射到室内地面的面积，但更接
近于室内日照实际情况一般应满足：0.40m2/人。
太阳辐射定位与辐射量
室外气候：
空气温度和湿度 有效天空温度 大气压力 风 地温*
城市微气候：日照、热岛、风场、…——特征
我国气候分区
2－ 3
180°
西经
东经
经线
0°
地轴
2－ 4
纬线
地球每自转1° 需要4分钟
经度
北京时间 东经120
★
伦敦格林威 治天文台
90°
北纬
纬度
2.1 建筑环境 中的太阳辐射
时角h 太阳高度角β 太阳方位角A
正午
地平面
正南
≤|±180|
≤90
≤|±180|
2.1 建筑环境中的太阳辐射
2.1.2 太阳位置的表示方法
太阳位置计算式：
太阳高度角：
太阳辐射计算定位
sin sin sind cos cos d cos h f1(纬度、赤纬、时角）
太阳方位角：
DTR: Diurnal temperature range 相对湿度 温度
气温：
日较差
距1.5m高处的空气温度
湿球温度
垂直递减率：平均为：0.6℃/100m
0
12 14～15
逆温现象： t(H2)> t(H1), H2 > H1
温度变化可用多 阶谐波叠加表示
发生逆温现象的大气层称 逆温层
最冷月
最热月
No.2
第2章 建筑外环境
为什么要了解外环境？
虽然我们的研究对象以室 内环境为主，但由于室内 环境，尤其是热湿环境受 室外的影响非常大，所以 有必要了解外环境。
外环境是怎样影响室内环境的？
2－ 1
第2章 建筑外环境 建筑外环境知识框架
建筑外环境
太阳辐射
地 球 运 行 基 本 知 识
太 阳 位 置 表 示 方 法
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
海陆风：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
天(N)
S
S
秋分：9月22日 自转轴（日/转） 90º(d =0º) S
～1.53×108 km
～1.47×108 km
式2-1
地球与太阳之间的关系
公转轴（年/转）
2－黄5道面等分24段，每段15天左右，即为1个节气，全年有24个节气
2.1 建筑环境中的太阳辐射
2.1.1 地球运行的基本知识
当地太阳时（真太阳时）：太阳在当地正南时为12点，
等含湿量过程
影响因素 季节 阴晴 地面性质mmer＞winter
dsummer＞dwinter
fine＜cloudy 临海＞大陆
(日变化）
summer＞winter , fine＞cloudy 临海＜大陆
morning＞ afternoon 分析原则：有无蒸腾 低海拔＞高海拔 作用（d的分析）
cosA
sin sin sinh cos cos
f 2 (纬 度 、 赤 纬 、 时 角 ）
太阳位置= f（地理位置、季节、时间、……）
2－ 9
2.1.3 太阳辐射能与日照
辐射路径距离的影响1
2－ 10
I0
I0
L
IN
L’=L/sinβ
I1
β
正午和傍晚地面受照情况图
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
2－ 24微气候
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，相对湿 度越高。
气温——4. 天空有效温度Tsky及其影响因素
——将天空当做黑体所具有温度
Tsky [0.9Td4 (0.32 0.026 Pa )(0.30 0.70S)Ta4 ]1/4
12:00
当地太阳时 11:33 12:06
2－ 6 计算某时刻日照时应按标准时还是当地太阳时？
2.1 建筑环境中的太阳辐射
2.1.1 地球运行的基本知识
地球绕太阳为一偏心率很小的椭圆轨迹运行，这一偏心
椭圆引起的实际太阳时与理论计算的差值，对每一节气 则用平均时差，对于每日采用e，实际太阳时可采用：
CFCs、Cl原子等
反应消耗O3 臭氧浓度↓
氯、氟元素的 紫外线进入地球表面
碳氢化学物质
红外线：0.78-4 m范围的红外线（热
2－效1果5 强）是左右气温的主要原因。