第1讲：补充：建筑物理概述与室外气候 2.ppt

河南城建学院河南城建学院 张秀欣张秀欣电话：电话：15003901375Email:echo_ echo_祝同学们新学期学习进步祝同学们新学期学习进步、生活愉快！、生活愉快！1建建 筑筑 物物 理理（Architectural PhysicsArchitectural Physics）建筑热环境建筑光环境建筑声环境2绪 论l1、什么是建筑物理是研究建筑与环境中的声、光、热等物理现象以及这些物理现象与建筑相互作用的一门学科是建筑环境科学的重要组成部分物理环境的特点在于对人体的影响是潜在的、渐变的，对人体的伤害是可恢复的噪声的影响气候的影响光污染的影响其它环境的影响：水环境、空气污染等建筑物理课程与其它物理课程的区别3绪 论l2、建筑物理研究的内容主要包括建筑声学、建筑光学和建筑热工学三篇研究建筑与环境中的声、光、热等物理现象及其影响因素研究符合可持续发展的建筑物理环境要求或标准研究材料的声学、光学、热工性能研究为获得良好的物理环境的建筑设计原理和方法建筑节能与可持续发展新能源技术在建筑中的应用交叉学科，涉及的方面较为广泛：建筑学、环境学、物理学、美学、材料学等等4可持续建筑可持续建筑的含义的含义建筑及其环境若能做到有利于：建筑及其环境若能做到有利于：综合用能；多能转换；三向发展（以地球表面为基准综合用能；多能转换；三向发展（以地球表面为基准面，向天空、海洋、地下发展）；面，向天空、海洋、地下发展）；自然空调；立体绿化；自然空调；立体绿化；生态平衡；智能运行；弘扬文脉；素质培养生态平衡；智能运行；弘扬文脉；素质培养;持续发展；持续发展；美感、卫生、安全。美感、卫生、安全。那么，在那么，在永久的将来永久的将来就可能做到有就可能做到有效的效的发挥其正确的物质功能和精神功能的作用发挥其正确的物质功能和精神功能的作用，而不会，而不会受到关键性资源（含物质和精神两方面）的耗尽或过荷受到关键性资源（含物质和精神两方面）的耗尽或过荷的强迫而衰退。这种建筑称为可持续建筑。的强迫而衰退。这种建筑称为可持续建筑。5绪 论l3、为什么要学习建筑物理建筑建筑物理环境因素物理环境因素对对建筑的形式建筑的形式有着重要作用有着重要作用传统民居的形式：传统民居的形式：四合院四合院、窑洞窑洞、干阑、干阑、中东民居中东民居、爱斯基摩小屋爱斯基摩小屋、北欧建筑北欧建筑等；等；厅堂类建筑：厅堂类建筑：其它建筑：其它建筑：节能建筑节能建筑、太阳房、冷库、实验建筑等、太阳房、冷库、实验建筑等良好的物理环境是生态建筑、绿色建筑、健康建筑的良好的物理环境是生态建筑、绿色建筑、健康建筑的基础基础注册建筑考试科目之一注册建筑考试科目之一必修课必修课6绪 论l4、如何学习建筑物理课程注重基本物理概念和基本原理的掌握注重基本物理概念和基本原理的掌握探求建筑设计方法的本质探求建筑设计方法的本质对对建筑范例建筑范例作深度思考，去皮抽筋作深度思考，去皮抽筋结合实际工程、课程设计，有意识地考虑设计中的建结合实际工程、课程设计，有意识地考虑设计中的建筑物理要求，把学到的知识融入作品。筑物理要求，把学到的知识融入作品。7绪 论l5、主要参考书目柳孝图主编，建筑物理（第二版）柳孝图主编，建筑物理（第二版）刘加平主编，建筑物理（第三版）（俗称刘加平主编，建筑物理（第三版）（俗称“五校五校合编建筑物理合编建筑物理”）清华大学编，建筑声环境、建筑光环境、清华大学编，建筑声环境、建筑光环境、建筑热环境建筑热环境民用建筑热工设计规范民用建筑热工设计规范、建筑气候区划标准建筑气候区划标准、建筑采光设计标准建筑采光设计标准GB/T 500332001 等各类等各类国家标准国家标准各类设计指南和生态建筑案例分析。各类设计指南和生态建筑案例分析。8第一篇第一篇 建筑热环境建筑热环境我对于建筑的定义，一是为了宗教仪式的我对于建筑的定义，一是为了宗教仪式的需要，另一方面是为了保持体温的需要。需要，另一方面是为了保持体温的需要。汉斯汉斯.霍莱茵霍莱茵9 汉斯霍莱茵是维也纳建筑师中在当今国际建坛上最有影响的人物。他对维也纳建筑传统的“敏感”比同时代的任何人都强烈。这可以从他著名的奥地利交通部办公楼设计中看出。1965出生的他设计的哈斯购物中心，集商店、餐厅与办公为一体的商业建筑。该建筑连接两个街区，跨座于地铁之上，建筑立面细腻的融合了石材与玻璃。此建筑的对面是近八百年历史的斯蒂芬大教堂。1986年规划之时，备受争议，1990年完成之后好评如潮，都赞许Hans Hollein将新旧不同时代的建筑活化了。可以说是当今社会多元化建筑思潮的一个反映。在历史地段建筑创作中对人文传统的敬重和他的自信。汉斯汉斯.霍莱茵霍莱茵:10建筑热工学概述（一）l建筑物外围护结构将人们的生活与工作空间分为室内和室外两部分，因而，建筑热环境分为室内热环境和室外热环境。q属于室外的因素：太阳辐射、空气的温、湿度、风、雨雪等室外热湿作用。q属于室内的因素：空气温湿度、生产和生活散发的热量、水分等室内热湿作用。11建筑热工学概述（二）l建筑热环境设计包括：建筑保温设计、防潮设计、隔热设计、建筑节能设计等。l建筑热环境设计目标：舒服 健康 高效。从生态建筑开始。12努美亚的东部，让.马里.吉芭欧文化中心：一面暴露在南太平洋强风中，另一面则沐浴在柔和的微风中，双层的外壳结构由木质的肋和梁支撑着。文化中心通过兢兢业业的努力，在面对不同的因素，如空间、时间、文化和气候等，寻求达到人工与自然、传统与技术、回忆与创新的临界平衡的具体效果。13不同的展厅展示了不同文化相关的艺术作品外立面结构使用的木条可以让光和视线通过141516光线，通风和自然空调：国会大厦的痕迹“一个完全可持续的，从环境的角度来看是负责任的，事实上也完全无污染的公共建筑”17覆盖着各种角度镜子的锥体，反射水平射入建筑内的光线。18建筑热工学概述（三）l全篇共分7讲l第1讲：补充：建筑物理概述与室外气候l第2、3讲：建筑热环境基础知识l第4讲：建筑围护结构保温l第5讲：建筑围护结构防热l第6讲：建筑围护结构与自然通风l第7讲：建筑日照与 遮阳19第一讲：建筑与室外气候第一讲：建筑与室外气候1.11.1、室外热环境、室外热环境1.2 1.2、多姿多彩的全球气候、多姿多彩的全球气候1.31.3、影响建筑设计的气候因素、影响建筑设计的气候因素1.4 1.4、气候分区、气候分区20第一讲：建筑与气候第一讲：建筑与气候l室外热环境是室外气候的组成部分，是建筑设计的依据；建筑外围护结构的主要功能即在于抵御或利用室外热环境的作用。l做好建筑设计，必须掌握室外气候学的基本知识，熟悉建筑与气候的关系。1.1 室外热环境室外热环境21气候与地方特征q气候与其它相关因素共同影响建筑。例如气候条件决定了一个地区的水源、植被状况，对地质土壤也有一定程度的影响，从而大体上限定了该地区的建筑材料。q气候还会影响人、社会审美等方面的差异性，最终间接而又鲜明的影响到建筑本身q气候因素（日照、降水、温度、湿度等）直接影响建筑的功能、形式、围护结构。是紧凑的还是疏松的？是封闭的还是开敞的？是厚重的还是轻盈的？是平屋顶还是坡屋顶所有这些构成了乡土建筑乡土建筑的最基本特征。22气候与地方特征的技术策略：1.适应地域气候。2.使用本地材料3.利用本地廉价劳动力，采取一种手工式、劳动密集型的作业方式。4.多采取低层高密度的模式。5.采用一种可逐渐增长的模式，便于改建和扩建。6.注重地方文化和民俗习惯。231.2 多姿多彩的全球气候全球气候分区图24建筑与气候建筑与气候25多姿多彩的全球气候26建筑与气候中东大部分地处干旱和半干旱荒漠地区，地处炎热的沙漠气候与地中海型气候的过渡地带，伊拉克的夏季炎热干燥，冬季却寒冷多雨。27建筑与气候封闭的厚重的建筑28建筑与气候紧凑的封闭的建筑29建筑与气候30建筑与气候31建筑与气候32屋顶和自然通风33屋顶和自然通风拱顶和穹顶的优点在于：q室内高度有所增加，人们头顶富裕的空间，可以保证热空气的上升和聚集在远离人体的位置；q屋顶的表面积有所增加，太阳辐射作用在扩大的面积上，平均的辐射强度相对降低，屋顶吸收的平均热量下降，因此对室内的辐射强度有所减少；q在一天的多数时间内，一部分屋顶处于阴影区，可以吸收室内和相对较热的屋顶部分的热量，将其辐射到阴影区内温度较低的空气中。34极地气候圆顶雪屋-爱斯基摩小屋35极地气候圆顶雪屋36热带雨林气候萨摩亚人的“伞”形草屋疏松的开敞的轻盈的建筑形式：物理环境因素对建筑的形式有着重要作用37热带季风气候干季和湿季38沙漠气候安纳沙兹人的“悬崖宫殿”39沙漠气候沼泽阿拉伯人的芦苇屋 伊拉克40大陆性气候山西绥德靠山窑41l中国传统民居形式陕西窑洞424344大陆性气候圆顶毡房 蒙古包45大陆性气候圆顶毡房 蒙古包46地中海气候突利石屋 意大利47海洋性西海岸气候印第安人的“长屋”夏洛特女王岛“长屋”48山地气候卡帕多西亚地区的岩居49建筑地方特色与全球一体化q“全球一体化”在促进社会发展和经济繁荣的同时，也对地方文化产生了毁灭性的影响。q随着科学技术的进步，气候对建筑的影响也在逐渐递减。建筑究竟采用坡屋顶还是平屋顶已经基本上与降水量毫无关系，而是由社会文化和审美意识所决定。机械空调装置为创造理想舒适的室内环境提供了必要条件，无论是在冰雪飘扬的北极还是闷热潮湿的赤道，人们都可以获得春天般的感觉。而这些在工业社会之前是无法想象的。501.3影响建筑设计的气候因素影响建筑设计的气候因素结合气候设计的五大要素：结合气候设计的五大要素：1.太阳辐射太阳辐射2.空气温度空气温度3.气压与风气压与风4.大气湿度大气湿度5.凝结与降水凝结与降水51a）太阳辐射太阳辐射结合气候设计的五大要素结合气候设计的五大要素q太阳辐射是来自太阳的电磁波辐射太阳辐射是来自太阳的电磁波辐射在地球表面上，太阳光谱的波长范围约在在地球表面上，太阳光谱的波长范围约在0.283.0微米之间。微米之间。太阳光谱可大致划分为三个区段：紫外线、可见光、红外线。太阳光谱可大致划分为三个区段：紫外线、可见光、红外线。可见光的波长：可见光的波长：0.38至至 0.78微微米。米。52太阳辐射太阳辐射53（a）太阳辐射太阳辐射结合气候设计的五大要素结合气候设计的五大要素太阳常数：太阳常数：在地球大气层外，太阳与地球的平在地球大气层外，太阳与地球的平均距离处，与太阳光线相垂直的表均距离处，与太阳光线相垂直的表面上、单位面积、单位时间里所接面上、单位面积、单位时间里所接收到的太阳辐射能称为太阳常数。收到的太阳辐射能称为太阳常数。太阳常数值约为太阳常数值约为1367w/m254太阳辐射太阳辐射结合气候设计的五大要素结合气候设计的五大要素直射辐射与散射辐射直射辐射与散射辐射太阳辐射在透过大气层太阳辐射在透过大气层到地面的过程中又受到大到地面的过程中又受到大气层中气层中臭氧、水蒸气、二臭氧、水蒸气、二氧化碳等的吸收和反射氧化碳等的吸收和反射而而减弱。其中一部分穿过大减弱。其中一部分穿过大气层直接辐射到地面的称气层直接辐射到地面的称为为直射辐射直射辐射；被大气层吸；被大气层吸收后，再辐射到地面的称收后，再辐射到地面的称为为散射辐射散射辐射55太阳辐射56太阳辐射太阳辐射长波辐射与短波辐射长波辐射与短波辐射凡是起源于太阳的辐射凡是起源于太阳的辐射，包括地球上水面、，包括地球上水面、玻璃和混凝土对太阳辐射的反射以及天空和玻璃和混凝土对太阳辐射的反射以及天空和云层的散射均属云层的散射均属短波辐射短波辐射。建筑物这一部分和另一部分之间通常传递的建筑物这一部分和另一部分之间通常传递的辐射能以及最后辐射输出的能都是辐射能以及最后辐射输出的能都是长波辐射长波辐射57b）室外温度室外温度室外空气温度取决于地球表面温度室外空气温度取决于地球表面温度58室外温度室外气温室外气温室外气温通常指距地面室外气温通常指距地面1.5m高、背阴处的空气温高、背阴处的空气温度。度。影响室外气温的主要因素影响室外气温的主要因素有有太阳辐射照度、气流状太阳辐射照度、气流状况、地面覆盖情况以及地况、地面覆盖情况以及地形等等。形等等。空气温度取决于地球表面空气温度取决于地球表面温度温度温度的年变化和日变化温度的年变化和日变化59室外气温与城市热岛现象60室外气温与城市热岛现象l在建筑物与人口密集的大城市，由于在建筑物与人口密集的大城市，由于地面覆盖地面覆盖物吸收的辐射热多，发热体也多物吸收的辐射热多，发热体也多，形成市中心，形成市中心的温度高于郊区，的温度高于郊区，即即”城市热岛城市热岛”现象现象。热岛。热岛现象也有明显的日变化和年变化，现象也有明显的日变化和年变化，一般冬季强一般冬季强夏季弱，夜晚强白天弱。夏季弱，夜晚强白天弱。l热岛现象的存在，使市中心温度较高的空气由热岛现象的存在，使市中心温度较高的空气由于质量轻而向上升，郊区地面的较冷空气则从于质量轻而向上升，郊区地面的较冷空气则从四面八方流向城市。四面八方流向城市。市区热空气携带的一部分市区热空气携带的一部分烟尘滞留在城市上空烟尘滞留在城市上空，一部分较重的在郊区沉，一部分较重的在郊区沉降，污染地面，因此在城市规划中应减弱或避降，污染地面，因此在城市规划中应减弱或避免产生热岛现象。免产生热岛现象。61室外气温与城市热岛现象62l避免或减弱热岛现象的措施：避免或减弱热岛现象的措施：l在城市中增加水面设置、扩大绿化面积在城市中增加水面设置、扩大绿化面积。由于。由于水的热容量大，并且可以通过蒸发吸收热量。水的热容量大，并且可以通过蒸发吸收热量。绿化则除蒸发吸热外，对日辐射还有一定的反绿化则除蒸发吸热外，对日辐射还有一定的反射作用，尤其在夏季日辐射照度很大时，可以射作用，尤其在夏季日辐射照度很大时，可以显著降低周围的空气温度显著降低周围的空气温度-绿化可以改善建绿化可以改善建筑周围小气候。筑周围小气候。l避免方形、圆形城市面积的设计，多采用带形避免方形、圆形城市面积的设计，多采用带形城市设计。城市设计。室外气温与城市热岛现象63c）气压与风气压与风三个全球性的风带：三个全球性的风带：信风、西风和极风。信风、西风和极风。季风系季风系，是由于海、是由于海、陆加热量的陆加热量的年差年差所造所造成的。成的。海陆风海陆风，发生于，发生于沿海沿海山谷之处；沿海一带山谷之处；沿海一带又有日风和夜风又有日风和夜风城市高楼风和街道风城市高楼风和街道风64气压与风气压与风风向和风速风向和风速风主要是由于地球表面接受风主要是由于地球表面接受的日辐射不均匀所引起的空的日辐射不均匀所引起的空气流动造成的气流动造成的,同时受到地形、同时受到地形、地势、地表覆盖、水陆分布地势、地表覆盖、水陆分布等局部分布的影响，对一个等局部分布的影响，对一个地区来说风的变化有一定规地区来说风的变化有一定规律。律。地区的风向频率图地区的风向频率图（又称又称风玫瑰图风玫瑰图）表示当地的风向规律表示当地的风向规律65海陆风海陆风海陆风海陆风在白天，陆上的空气温度在白天，陆上的空气温度较同一纬度海上的空气温较同一纬度海上的空气温度为高，热气上升，度为高，热气上升，海上海上的冷气流即吹向内陆的冷气流即吹向内陆。在。在夜间夜间,此过程相反此过程相反.66山谷风山谷风l在山区，局部的温差在山区，局部的温差会造成局部地风型会造成局部地风型67风在遇到障碍物而绕行时产生速度和方向的转变，风在遇到障碍物而绕行时产生速度和方向的转变，形成街巷风、高楼风形成街巷风、高楼风街道风、高楼风街道风、高楼风高度与风速的关系高度与风速的关系按经验公式估算按经验公式估算68l湿空气湿空气：指的是干空气与水蒸气的混合物，室内外的空气：指的是干空气与水蒸气的混合物，室内外的空气都是含有一定水分的湿空气。都是含有一定水分的湿空气。l空气湿度：指空气中水蒸气的含量。空气湿度：指空气中水蒸气的含量。水蒸气主要来自于水水蒸气主要来自于水面、植物的蒸发面、植物的蒸发 和其它潮湿表面，经风的携带遍布于空气和其它潮湿表面，经风的携带遍布于空气中。中。la）饱和水蒸气分压力饱和水蒸气分压力(ps)：在一定：在一定温度和气压下温度和气压下空气中所空气中所能容纳的水蒸气量有一定的限度，水蒸气量达到最高限度能容纳的水蒸气量有一定的限度，水蒸气量达到最高限度的空气称饱和空气，这时的水蒸气分压力称饱和水蒸气分的空气称饱和空气，这时的水蒸气分压力称饱和水蒸气分压力。用压力。用 ps表示，未饱和的水蒸气分压力用表示，未饱和的水蒸气分压力用p表示。表示。l标准大气压下（气压相同时），空气温度愈高它所能容纳标准大气压下（气压相同时），空气温度愈高它所能容纳的水蒸气量也愈多。的水蒸气量也愈多。不同温度时的不同温度时的ps见书后附录见书后附录2d)空气湿度空气湿度:描述湿空气的物理量描述湿空气的物理量 （五个量）（五个量）69描述湿空气的物理量lb）空气的实际水蒸气分压力）空气的实际水蒸气分压力：在整个大气压：在整个大气压力中有水蒸气所造成的那部分压力，单位为力中有水蒸气所造成的那部分压力，单位为pa(帕）帕）.水蒸气压力水蒸气压力主要随季节而变，通常主要随季节而变，通常夏季夏季高于冬季高于冬季。c）绝对湿度（）绝对湿度（f）：每立方米湿空气中所含水蒸：每立方米湿空气中所含水蒸气的量。单位为气的量。单位为 g/m3ld）相对湿度）相对湿度（）（）：在一定的温度和气压在一定的温度和气压下空气中实际水蒸气分压力量与饱和水蒸气分下空气中实际水蒸气分压力量与饱和水蒸气分压力量之比。压力量之比。l =p/ps100 70温度温度的日变化和年变化影响空气湿度的日变化和年变化影响空气湿度 如下图如下图水蒸气压力在水蒸气压力在竖向高度上的递减量较气压的递减更快竖向高度上的递减量较气压的递减更快，因，因此，此，水蒸气的浓度随着海拔高度而降低。水蒸气的浓度随着海拔高度而降低。水蒸气压力最大的水蒸气压力最大的年变化发生在季风影响的区域内；这些季风从海洋上带来了年变化发生在季风影响的区域内；这些季风从海洋上带来了热的湿空气，又从内陆带来了干燥的空气。热的湿空气，又从内陆带来了干燥的空气。71描述湿空气的物理量le）露点温度（）露点温度（td）：在一定的：在一定的气压和温度下气压和温度下，空气中所能容纳的水蒸气量有一饱和值；超过空气中所能容纳的水蒸气量有一饱和值；超过这个饱和值（饱和水蒸气分压力），水蒸气就这个饱和值（饱和水蒸气分压力），水蒸气就开始凝结，变为液态水。开始凝结，变为液态水。饱和水蒸气分压力随饱和水蒸气分压力随空气温度的增减而加大或减小，当空气中实际空气温度的增减而加大或减小，当空气中实际含湿量不变，即实际水蒸气分压力含湿量不变，即实际水蒸气分压力p p不变，而不变，而空气温度降低时，相对湿度将逐渐增高，当相空气温度降低时，相对湿度将逐渐增高，当相对湿度达到对湿度达到100100后，如温度继续下降，则空后，如温度继续下降，则空气中的水蒸气将凝结析出气中的水蒸气将凝结析出。l相对湿度达到相对湿度达到100，即空气达到饱和状态时，即空气达到饱和状态时所对应的温度，成为露点温度。所对应的温度，成为露点温度。72露点温度l:查附录查附录2得得18.5时的饱和水蒸气得分压力时的饱和水蒸气得分压力为为2129.2pa，相对湿度，相对湿度（）（）=70 有有公式公式（）（）=p/ps可得可得lP=（）（）ps=2129.2 0.7=1490.44pal再查附录再查附录2得出得出1490.44pa成为饱和水蒸气份成为饱和水蒸气份压力时所对应的温度为压力时所对应的温度为12.1.即该环境下即该环境下的空气露点温度为的空气露点温度为12.1。例题例题 求室内温度求室内温度18.5、相对湿度、相对湿度70时的空时的空气露点温度。气露点温度。73e）凝结与降水凝结与降水露和雾露和雾降雨降雨当当含有一定量水汽的空气冷却时含有一定量水汽的空气冷却时，容湿能力容湿能力就降低就降低，相对湿度渐渐增值饱和。，相对湿度渐渐增值饱和。对应于饱对应于饱和状态时的空气温度称为露点和状态时的空气温度称为露点。当空气因受。当空气因受冷而冷而温度低于露点时温度低于露点时，水蒸气含量就超过了，水蒸气含量就超过了空气的湿容量，过剩的水蒸气即发生凝结。空气的湿容量，过剩的水蒸气即发生凝结。741.4 气候分区气候分区我国的气候分为五大区我国的气候分为五大区：严寒地区严寒地区寒冷地区寒冷地区夏热冬冷地区夏热冬冷地区夏热冬暖地区夏热冬暖地区温和地区温和地区75我国气候和世界气候分区我国气候和世界气候分区我国气候有三大特点：我国气候有三大特点：明显的季风特色明显的季风特色明显的大陆性气候明显的大陆性气候多样的气候类型多样的气候类型英国人斯欧克莱（英国人斯欧克莱（Szokoay)在建筑环境科学手册中在建筑环境科学手册中根据根据空气温度、湿度、太阳辐射等项因素空气温度、湿度、太阳辐射等项因素，将世界各地划分为，将世界各地划分为4个个气候区：气候区：湿热气候区、干热气候区、温和气候区和寒冷气候区湿热气候区、干热气候区、温和气候区和寒冷气候区世界气候分区：世界气候分区：76世界气候分区世界气候分区77全球气候全球气候以气温和降水气温和降水两个气候要素为基础，并参照自然植被的分布，把全球气候分为五个气候区：赤道潮热性气候区（A）干热性气候区（B）湿润性温和性气候区（C）湿润性冷温型气候区（D）极地气候（E）山地气候（H）其中A、C、D、E为湿润气候，B为干旱气候78全球气候全球气候79思考问答题：思考问答题：1 1、建筑热环境分为室内热环境和室外热环境。属、建筑热环境分为室内热环境和室外热环境。属于室内和室外的因素分别有哪些？于室内和室外的因素分别有哪些？2 2、建筑热环境设计包括哪些？建筑热环境设计目、建筑热环境设计包括哪些？建筑热环境设计目标是什么？标是什么？3 3、拱顶和穹顶的优点有哪些？、拱顶和穹顶的优点有哪些？4 4、结合气候设计的五大要素？、结合气候设计的五大要素？5 5、什么是、什么是“城市热岛城市热岛”现象？避免或减弱热岛现现象？避免或减弱热岛现象的措施？象的措施？80