第二章 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，会通过围护结构，直接影响室内的环境 了解室外环境以控制室内环境

为什么要考虑建筑外环境 ?

气候与天气是两个不同的概念 天气是指该地区时刻变化的冷、热、干、湿、风、雨

等大气状况 气候是指某地区平均的大气状况，是该地区多年天气

状况的统计结果。 与建筑密切相关的气候要素包括：　　　太阳辐射量、　　　室外干球温度、　　　湿度　　　风速、风向　　　降雨量

本章主要内容 第一节 地球绕日运动的规律 第二节 太阳辐射 第三节 室外气候 第四节 我国气候分区特点

第一节 地球绕日运动的规律 气候的变化随着年周期和日周期而变化 而这种变化的根本原因则在于地球按一

定规律进行的绕日运动

第一节 地球绕日运动的规律 1. 经度和纬度

经线或子午线经线或子午线

纬线纬线

东经西经

北纬

南纬

180° 90°

0°

0°

一切通过通过地轴的平面与地球表面相交而成的圆圆—经度圈经度圈 半圆半圆—经经

线线

一切垂直于垂直于地轴的平面与地球表面相交而成的圆圆—纬线纬线

2. 时间（一天时间的确定是以地球自转为依据）地球每转 1° 需要 4 分钟

平均太阳时—太阳通过该地的子午线时为正午，“地方”　　　　　　钟表指示的时间是均匀的，“平均”标准时 T0— 世界时、“北京时间” 地方平均太阳时 Tm 与标准时T0=Tm +4(L0 - Lm)

问题：西安的地方平均太阳时和北京时间差多少 ?

第一节 地球绕日运动的规律

0°

0°

+23.5°

-23.5°

第一节 地球绕日运动的规律 3. 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 全年的赤纬角 +23.5º~-23.5º之间变化 春分（ 0）夏至（ +23.5º —） 直射北回归线 秋分（ 0）冬至（ -23.5º —） 直射南回归线

太阳高度角太阳高度角

太阳方位角太阳方位角

太阳的位置通常用两个角度来表示

太阳高度角—太阳方向与水平面的夹角

太阳方位角—太阳方向的水平投影偏离南向的角度

第二节 太阳辐射 1. 太阳常数与太阳辐射的电磁波 2. 大气层对太阳辐射的吸收 3. 在建筑中日照的作用与效果

1. 太阳常数与太阳辐射的电磁波

太阳辐射能是地球上热量的基本来源 是决定气候的主要因素 也是建筑物外部最主要的气候条件之一 太阳常数——大气层外与太阳光线垂直

的表面上的辐射强度 1353W/m2

可见光可见光紫外线紫外线 近红外线近红外线 长波长波红外线红外线

通常把波长为 0.1~100µ m 的电磁波称为热射线，其中包括可见光、部分紫外线和红外线，他们投射到物体上能产生热效应

单原子气体和某些对称型双原子气体如 O2 ，N2 ， H2 等，它们的吸收和辐射很微弱，可以认为是透热体，即不辐射也不吸收

对多原子气体， CO2 ， SO2 ，水蒸气则不能认为是透热体，特别是在高温条件下有较大的辐射力和吸收率，

太阳辐射能量比例 转化为热能的主要是可见光和红外线

可见光45. 6%

紫外线7. 0%

近红外线45. 2%

长波红外线

2. 2%

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：阳光经过大气层时，被气体分子、液体或固体颗粒反射或折射，达到地球表面时无特定方向，形成一个由整个天穹所照射的散乱光 ，为可见光和近红外线。

大气长波辐射：大气（水蒸汽和 CO2 ）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。

所谓太阳总辐射强度一般仅包括前两部分

2. 大气层对太阳辐射的吸收

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 大气对太阳辐射的削弱强度取决于射线

在大气射程中的长短及大气质量

太阳高度角太阳高度角

太阳方位角太阳方位角

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，中午太阳高度角高 高纬度地区太阳高度角低，低纬度地区太阳高度角高

射程长短与太阳高度角和海拔高度有关

海拔 (米 )北京 31.2; 上海 4.5;西安 396.9; 西宁 2261.2拉萨 3658; 日喀则 3836

大气质量： 大气透明度定义： I1/I0 = P = exp (-kL) ， P＝ 1

最透明 变化范围： 0.65~0.75 ，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

我国的大气透明度分区

66

55

44

44

33

33

22

影响大气透明度的天气现象 

扬沙 （ 沙尘暴）扬沙 （ 沙尘暴） 本地或附近尘沙被风吹起，使能见度显著下降 1.0-10.0千米以内小于 1.0千米

天色混浊 一片黄色 风较大

冷空气过境或雷雨影响时，北方春季易出现

浮尘浮尘 远地或本地产生沙尘暴或扬沙后尘沙等细粒浮游空中而形成。

俗称“落荒沙” 小于 10.0千米 垂直能见度也较差

建筑布局与日照 我国民用住宅设计规范要求每户至少有一

间房间冬至日满窗日照时间不低于 1小时。 日影

终日日影：一天中都没有日照 永久日影：终年没有日照

建筑布局与日照 建筑的互遮挡：不同建筑物相互遮挡 建筑的自遮挡：建筑物一部分被另一部分遮挡

建筑布局与日照 日照的作用

冬季采暖：充分利用太阳能 自然采光需要：适当的散射辐射 心理需要：冬日室内光斑对人的心理有积极作

用 影响因素

纬度：决定太阳高度角和日射强度 建筑布局：决定遮挡情况

目标 冬天尽量多 (但太阳高度角低易被遮挡 ) 夏天尽量少 (但太阳高度角高不易被遮挡 )

第三节 室外气候 微气候的概念： 限于高度为 100米以下的 1公里水平范围 建筑形式、布局及下垫面的状况起着重要的

影响作用。 大气压力 空气温度 空气湿度 风 太阳辐射强度 有效天空温度 地层温度 降水

1. 大气压力

-1

0

1

2

3

4

5

6

7

40 50 60 70 80 90 100 110

大气压力(kPa)

海拔高度

(km

)

北京太原

拉萨

昆明

玛多

兰州

格尔木

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，为 101325 Pa 或 760 mmHg

2.空气温度

主要指距地面 1.5m 高，背阴处的空气温度。 对短波辐射几乎是透明体—直接接受太阳辐射

的增温是非常微弱的。 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。

可见光可见光紫外线紫外线 近红外线近红外线 长波长波红外线红外线

（ 1 ）影响地面附近空气温度的因素

入射到地面上的太阳辐射热 ——空气不能直接吸收太阳辐射热 ——但入射到地面上的太阳辐射热对地面附近空气温度起着决定作用

下垫面 大气对流 ( 例 : 西伯利亚寒流 )

（ 2 ）空气温度的规律 日较差日较差：

—— 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。

年平均温度年平均温度：

向高纬度地区每移动 200~300 km 降低 1℃。

日较差受海陆分布和地形起伏的影响年较差与海陆分布有关与纬度有关

18

20

22

24

26

28

30

32

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24

时间 (小时 )

温度( ℃)

空气温度的年变化 一年中最热月一般在 7 、 8 月份，最冷月一般在 1 、 2

月份。

-10

0

10

20

30

40

0 730 1460 2190 2920 3650 4380 5110 5840 6570 7300 8030 8760

时间(小时)

温度

( ℃)

（ 3 ）空气温度的局部效应 受地面反射率、气流、遮阳、夜间辐射等影响 不透水下垫面温度较透水下垫面温度高 建筑物密集处空气温度较开阔处高 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. 湿度 来源

水体蒸发 植物蒸发

影响因素 地面性质 水体分布 季节 阴晴

绝对湿度 相对湿度 水蒸气分压力

日变化 相对湿度与气温变化反相

年变化 内陆和沿海地区差别较大 气流的影响

3. 风——大气压差引起的大气的运动 风的成因（地表增温不同是引起大气压差的主

要原因） 大气环流：

太阳辐射不均匀造成赤道和两极间极大的温差 ,引发大气在此间的经常性活动

从而造成对各地气候的影响造成局部差异， 地方风：

地方性地貌条件不同造成，如海陆风 ( 地表水陆分布 ) 、山谷风 ( 地势 ) 、庭院风、巷道风等

以一昼夜为周期 季风：

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

造成季节差异，以年为周期

海陆风

在白天，陆上的空气温度比同一纬度海上的空气温度高，热气上升，海上的冷气流就吹向内陆。

在夜间，此过程相反。这样形成的风称为海陆风。

山谷风 在山区，局部的温差会造成局地风型。此类风是一种很薄的表面气流

是由于向阳坡面上的气温与谷地上方等高处的气温差而造成的。

白天靠近山坡表面的空气较同等高度的自由大气所受的热量多，热气即上升，空气流向在白天为沿山坡向上

在夜间此过程相反，风向则沿山坡向下。故大的山谷会产生强烈的山谷风，白天向上吹，夜间吹向谷底。

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

风向 —— 风吹来的方向 通常用 16 个方位来表示 风速 —— 单位时间风所行进的距离

v

人们把风吹来的地平方向确定为风 方向

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

北京地区的风玫瑰图

粗线：全年 细实线： 冬季， 12~2月份 虚线： 夏季， 6~8月份

蒲福风力等级表自由海面状况

浪高

距地 10 米高处的相当风速

风力等级 一般(m) 最高(m)

陆地地面征象

米/秒0 － － 静，烟直上 0~0.21 0.1 0.1 烟能表示方向，但方向标不能转动 0.3~1.52 0.2 0.3 人面感觉有风，树叶微响，方向标能转动 1.6~3.33 0.6 1.0 树叶及微枝摇动不息，旌旗展开 3.4~5.44 1.0 1.5 能吹起地面灰尘和纸张，树的小枝摇动 5.5~7.95 2.0 2.5 有叶的小树摇摆，内陆的水面有小波 8.0~10.76 3.0 4.0 大树枝摇动，举伞困难 10.8~13.87 4.0 5.5 全树摇动，迎风步行感觉不便 13.9~17.18 5.5 7.5 树枝折毁，人向前行，感觉阻力甚大 17.2~20.79 7.0 10.0 建筑物有小损，烟囱顶部及平屋摇动 20.8~24.4

10 9.0 12.5 可使树木拔起或使建筑物损坏较重。陆上少见。 24.5~28.411 11.5 16.0 陆上很少见，有则必有广泛破坏 28.5~32.612 14.0 － 陆上绝少见，摧毁力极大 32.7~36.9

28.0)(ref

refh h

hVV

风速有梯度，地面为 0 m/s ，可认为按幂函数规律分布，如：

4. 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 降水量 : 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，以毫米为单位

降水强度： 24小时的降水总量的等级来划分 影响因素

气温 地形 大气环流 海陆分布

4.城市气候

小区风场 城市热岛 建筑布局与日照

　　（１）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 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

（２）城市热岛 热岛强度：热岛中心气温减去同时间同高度（距地 1.5 m

高处）附件远郊的气温的差值。单位：℃ 热岛的成因很多。城市具有特殊性质的立体化下垫面，局部大气成分发生变化，城市热量收支平衡关系与郊区农村显著不同，造成城市的气温比周围郊区和农村要高。

城市热岛的成因 自然条件

市内风速、对天空长波辐射：建筑布局影响对天空角系数和风场

云量：市区内云量大于郊区 太阳辐射：市内大气透明度低 下垫面的吸收和反射特性、蓄热特性：

地面材料、植被、水体的设置 人为影响：“人为热”

交通、家用电器、炊事产热 空调采暖产热

第四节 我国气候分区特点 两个分区标准

“民用建筑设计规范”（ GB50176－93 ）的五个建筑热工设计分区

建筑热工区划标准（ GB50176－ 93 ）

的七个建筑气候区划分区

民用建筑设计分区 考虑建筑采暖、防冻、保温、隔热、

通风、遮阳的不同需要进行气候分区 在相应的设计标准、节能规范中，按不

同的气候区提出要求

建筑热工设计分区

严寒地区

寒冷地区

夏热冬冷区

夏热冬暖夏热冬暖区区

温和地区

寒冷地区

严寒地区

寒冷地区

严寒地区

寒冷地区 分区主要指标：最冷月平均温度 0~-10℃ 分区辅助指标：日平均温度≤ 5℃的天数≥ 90至 145天

设计要求：必须满足夏季防热要求，适当兼顾冬季保温

建筑气候区划标准的分区法

I区

II区

III区

IVIV 区区

V区

VIIVII 区区

VIVI 区区