建筑环境学 Built 清华大学 建筑学院建筑技术科学系1 第一章绪论2 建筑的功能  根本的功能：创造一个微环境 安全与健康 生产过程需要3 建筑的功能  安全、健康、舒适，维持高劳动生产率 住宅、影剧院、商场等 办公楼、体育场馆等  生产工艺要求 生物实验室、制药厂、集成电路车间等 舞台、演播室、体育赛场、手术室等 二者兼而有之各种有人员的生产场所 手术室、体育赛场、舞台等4 建筑物必须满足的要求  安全性：避免 由于地震、台风、暴雨等各种自然灾害所引起的危害或人为 的侵害  功能性：满足建筑的居住、办公、营业、生产等功能  居住者在建筑内的健康，舒适性  美观性：有亲和感，社会文化的体现5 人类活动的发展  越是高纬度地区，人类遗址的时间就越晚  热带雨林：不需要建筑  建筑的出现：逐渐向两极移动  现代技术的发展：人类活动遍布全球6 人类最早的居住方式： 树居和岩洞居  在热带雨林、热带草原等湿热地区的人类主要栖息在树上，可避免外界的侵害，是人类祖先南方古猿生活方式的延续  随着人类向温带迁移，人类住所过渡到了冬暖夏凉的岩洞居，适合年温差和日温差都较大的地区。

7 人类最早的居住方式： 巢居和穴居  炎热或高海拔地区的穴居方式，可获得相对稳定的室内热环境，顶部的天窗既可采光又可排烟。河南偃师汤泉沟穴居遗址巢居8 古文明的发源地：20 －40°纬度为创造适宜居住环境而建造的建筑与人类文明的发展与进步密切相关。9爱斯基摩雪屋的外观和室内布置用干雪沏成，厚度500ｍｍ的墙 体可以提供较好的保温性能。当室外 平均温度－30℃时可维持室内温度－ 5℃以上。10因纽特人(爱斯基摩人) 的雪屋 将兽皮衬在雪屋内表面，通过鲸油灯采暖，可使室内温度达到15℃ 年较差30.5 ℃月份11 埃及的民居：干热地区建筑12 巴格达地区的传统建筑  墙厚340-450mm ，屋面厚度460mm ，利用土坯热惯性。室外日夜温差24℃ ，室内波动不到 6℃ 。屋顶表面温度室外空气温度室内空气温度13 沙 漠 地 区 民 居14 大陆气候的中国民居土窑洞借助土壤 大热惯性，达到冬 暖夏凉的目的。四合院建筑冬季有效地利用了太阳能采暖和抵御北风侵袭，屋顶设计避免了夏季室内过热。15 中国四合院：座北朝南的典范  利用太阳高度角的特点，仅在北方出现16 窑洞建筑突尼斯窑洞陕北地坑窑17稀树草原的建筑—— 蒙古包要求可移动，能 够抵御寒风，采用 可拆卸轻型结构和 保温材料建成。

18安徽民居利用天井遮阳、采光，进 行夜间通风，轻薄的内隔断热 容小，保证夏季夜间室内温度 能够迅速接近室外温度，使得 炎热的夏季室内保持凉爽。19湿热地区的中国民居云南西双版纳 的干栏式竹楼：防 雨、防湿、 防晒、 通风好。20 布依族石屋 （贵州）以石块砌墙，以石瓦盖顶。就地取材，造价 低廉，冬暖夏凉，不怕火灾，隔音性能好。21 不严格要求物理环境的建筑  为宗教、政治服务，有的对采光有神秘性要求每年在拉美西斯二世法老的登基日和生日（2月21和10月21 日），太阳光线会穿过神庙的大门，直达65m深处的法老像和太阳神像的脸上。意大利狄奥多理陵墓埃及阿布辛贝神庙玛雅文明22 中国人对建筑环境的认识过程风水？  玄学： 前人的经验＋神秘主义 ⇒ 迷信 原因：缺乏科学的认识和分析手段，加上商业行为的需要  科学： 环境因素影响人体的身体与心理健康 现代科学的发展提供了研究手段23 关于风水(堪舆) 的一些说法  以八卦五行、河图 洛书等易学文化为基础；  注意建筑布局、空间分割、方位调整、色彩运用： “背山、面水、向阳”为最佳方位，宅院地势应适当前低后高， “水口”、 “气口”方位要重视……  认为不好的住宅物理环境对人的心理有影响，导致影响人的命运；  涉及环境心理学、地理学、气象学、生态学、规划学、建筑学等；  对自然现象解释不清的地方，陷入巫术，如消除不利因素的 “符镇法”、相 “阴宅”等。

光、电、磁等波动均称之为 “气”，且无所不在，无所不包。24 地球环境还可持续发展吗？空调采暖的普及使人们不再关心建筑的性能香港遍布全球的玻璃和钢筋盒子，与地域气候无关芝加哥25世界各国能耗份额(2005年)其他国家美国20% 澳大利亚22%非洲1%3% 巴西 2%韩国2% 印度3%经合欧洲∇各国建筑一次能耗比例17% 加拿大日本 3%5% 俄罗斯中国其他国家7%澳大利亚非洲 11%2%美国1% ∆各国社会一次能耗比例巴西30%2% 韩国2% 印度2%加拿大 来源： .4%日本 2008, USA: EIA 7%经合欧洲 , %俄罗斯 中国4%26世界能耗统计数据 (1980-2003) ) E 1,600 O T n 1,400美国建筑能耗中国建筑能耗 o i占34% l i占20.4% M 1,200 （ n 1,000 o i t p 800 m u s n 600 o cy 400 g r e n 200 el a n i0 F0 0 3 0 0 3 0 0 3 0 0 3 0 0 3 0 0 3 0 0 3 0 0 3 0 0 3 0 0 3 0 0 38 9 0 8 9 0 8 9 0 8 9 0 8 9 0 8 9 0 8 9 0 8 9 0 8 9 0 8 9 0 8 9 09 9 0 9 9 0 9 9 0 9 9 0 9 9 0 9 9 0 9 9 0 9 9 0 9 9 0 9 9 0 9 9 01 1 2 1 1 2 1 1 2 1 1 2 1 1 2 1 1 2 1 1 2 1 1 2 1 1 2 1 1 2 1 1 2USA Japan South China India and /: IEA" OECD " , IEA " Non-OECD " ( and Waste )27美国5000 4714世界各国人均建筑能耗来源：国际能源便览2007人均建筑能耗4500[kg标煤/( 人年)] 2007 , n (EIA), )a. 3000a日本c(/ 欧盟 俄罗斯ec 1500中国平均中国城镇其他国家 世界平均 印度美国日本 经合欧洲 俄罗斯中国 中国城镇 印度其它 世界平均其他 世界平均世界各国单位面积建筑能耗比较60.00 美国单位面积建筑能耗世界建筑能50.35 日本[kg标煤/(m2 年)]耗份额50.0046.62 商用建筑 ) 40.00 .欧盟俄罗斯 33％2 33%m中国城镇( 30.0025.69 25.49/e21.83c中国平均gk 20.0013.29印度住宅. 10.0067%67％0.00美国日本经合欧洲俄罗斯中国中国城镇印度28中国能源构成：煤>60％美国消耗世界能 源的22% ，中国的 现代化过程应该步 美国的后尘吗？大量耗能＝污染环境29 全球温室效应的发展趋势30各国人类发展与生态足迹Human and 超过生物圈人均承载力，高度发展线美国界家国达发 More than ~ ~ ~ Less than 澳大利亚 1 ~1 100 30 10 5 超过生物圈人均承载力，低度发展韩国匈牙利意大利南非巴西世界人均生物圈承载力，忽略野生物种的需要中国印度 来源：世界自然基金会, 2006年/ : World Fund, WWF, 面临的问题：  “人定胜天”还是 “天人合一”？西方传统哲学思想与东方传统哲学的对立32《建筑环境学》 的任务  任务一：了解人和生产过程需要什么样的建筑室内环境  任务二：了解各种内外部因素是如何影响建筑环境的  任务三：掌握改变或控制建筑环境的基本方法和手段33 课程内容气流与通风人体对热空气质 热湿湿环境的量环境 环境反应声环境光环境34 建筑与自然环境资源的关系－10～0℃天5700 ℃－5～35℃－5～35℃20－28℃水 0～30℃地 10～15℃35 人体热反应研究对建筑节能的意义 以北京地区的一间普室内环通朝南的办公室为例，境标准当室内设定温度从24℃ 上升到28℃ 时24℃28℃室内最大冷负荷降低15%自然 常规能源 能源整个供冷时间缩短22%常规自然 室内环境标准决定了能源能源自然（可再生）能源利用的可能性36 《建筑环境学》课程的地位  专业基础平台之一 传热学 流体力学 工程热力学 建筑环境学37《建筑环境学》课程的特点  跨学科的边缘科学，包括： 热学 流体力学人的感觉 建筑物理 房屋建筑学 心理学不太舒服的环境 生理学自然环境 劳动卫生学 城市气象学38 进度  绪论1次  建筑外环境2 次  热湿环境3次  人体热湿反应3次  空气质量环境1.5次  气流与通风1.5次  声环境1.5次  光环境1.5次  讨论课（课外）1次39 考核  自选两个大作业，类型为： 实验论文或报告（至少选一个） 论述型论文或文献综述 提交成果形式：书面报告两份 考核方式与成绩比例 口头报告，自选一个大作业，30％ 书面报告（另一个大作业），20％ 基本问题开卷笔试，30％ 小作业，20％40 建议的大作业题目  做一些热湿环境实验并加以分析，例如： 挂窗帘的影响 墙体的热响应（注意采暖期和非采暖期的不同） 室外空气综合温度和辐射在建筑热环境中的作用 不同朝向房间的自然室温的区别 攀藤植物对墙体热过程的影响 不同下垫面对微气候的影响 不同小区布局对小区风场的影响 不同建筑设计的自然通风效果41 建议的大作业题目  总结不同地域建筑特征与气候条件的关系  做一些场所的CO 浓度的现场实测和IAQ 问2卷调查分析。

 做一些 光环境的现场实测和分析调查  做一些噪声环境的现场实测和分析调查 交通噪声对不同楼层的影响 不同窗类型、建筑构件对环境噪声的衰减作用 试试不同隔音或减噪措施的效果42 建议的大作业题目  做一些与热感觉有关的实验并进行分析  对一些有亲身体验的与热感觉有关的现象进行分析  对一些有亲身体验的与光环境有关的现象进行分析  分析光环境控制与建筑节能之间的关系或对现有的研究成果进行一些检索和综述  协助研究生做一些有关建筑环境模拟或实验研究的工作并写出工作报告43 建议的大作业题目  对劳动卫生保护方面的问题进行总结综述  对“风水”学的初步分析  文献综述与分析：目前IAQ 问题的研究焦点有哪些？有哪些问题还有待解决？  对研究长期在空调环境中逗留人员的健康问题的文献进行综述（SBS 问题、IAQ 或热环境的影响）  任何你感兴趣的有关建筑环境的话题44 师生交流（可匿名或署名）  本周作业： 请写出（二选一）1. 你对本学科的看法2. 谈谈你家乡民居的气候适应性  联系方式 朱颖心： zhuyx@ ，，O) ，系馆219房间 林波荣：linbr@ 黄莉（助教）: @ ， 专用讨论板：/ 课件：11/本课程主要参考文献  － （49上有）  D. A. 麦金太尔, 《室内气候》 ，上海科技出版社  P.O. , , R.E. 出版社  彦启森等， 《建筑热过程》 ，建筑工业出版社  詹庆旋， 《建筑光环境》，建筑工业出版社  秦佑国， 《建筑声环境》，建筑工业出版社  学术杂志：  学术杂志： Air  学术杂志：暖通空调  王鹏, 《建筑适应气候》, 清华大学博士论文， 第2 章 建筑外环境清华大学建筑学院建筑技术科学系1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。2 建筑与自然环境资源的关系－10～0℃天5700 ℃－5～35℃－5～35℃20－28℃水0～30℃地10～15℃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 地球绕日运动的规律  经度和纬度伦敦格林威治天文台180°90 °北纬西经东经0°0°南纬经线或子午线纬线5第一节 地球绕日运动的规律某地的真太阳时T北京时间太阳与地球距离经度变化造成的偏差L L −e90°W90°E T T +m +m1560时区当地标准时 当地的钟表时间T 就是伦敦时间0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?6第一节 地球绕日运动的规律  太阳的位置与日北回归线照的关系赤纬d 赤纬 ：太阳光线南回归线与地球赤道平面之间的夹角0°+23°27′-23°27′0°7 南北回归线北极圈66°33′北回归线23°27′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？sinβ= cosϕ cos h cosδ+ sinϕ sinδ sin A = cosδsin h /cos βδ太阳高度角ϕ太阳方位角9 第 二 节太 阳 辐 射紫外线 可见光近红外线长波红外线10 太阳总辐射能量比例  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。长波红外线2.2%可见光45.6% 近红外线 45.2%紫外线7.0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O 、 N22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CO 和水蒸气等温室气体所吸收2  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CO ）吸收后2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 I 016 大气层质量 m ( mass )大气层质量＝1大大气层质量＝2为什么太阳大 高度角接近0º 和90º时垂直面β＝30 ° 的日射量都小？ 地球表面处法向太阳 直射辐射照度： I = I P m N0 m = L’/L = 1/sinβ17 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太阳高度角低太阳高度角高冬季夏季清晨和傍晚中午高纬度地区低纬度地区19 太阳高 度角冬 夏不同20 大气透明度大气层消光系数  定义：I /I= P = exp (-kL) ，P ＝1 最透明1 0  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级最透明东京晴天的大 气透明度逐月值21 我国的大气透明度分区 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，为 Pa 或 大气压力变化 平均气压随纬度分布气压日变化（2‰）25 大气压力对人体的影响  机理：人体内脏和血液系统维持一个与外部大气压力抗衡的压力以保护人体的安全。

一旦平衡被打破，可能影响人体的生理机能甚至导致死亡。  人体可以忍受的极限范围：0.303~15 atm  低压缺氧环境：胸闷、呼吸急促、恶心呕吐，神经系统发生障碍 3000 m 高度，7天~3个月适应高山反应 3000~5000m 高度，重症高山反应 8500m 高度，生理极限  高压环境：人体组织被氮饱和 恢复正常必须缓慢减压，否则脂肪中积蓄的氮有部分就会停留在人的机体内，并膨胀形成小的气泡阻滞血液、液体和组织，形成气栓而引起病症，甚至危及人的生命。26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，夏季海洋吹向大陆27主导风向区-西主导风向区-冬西夏东南无主导风向区季风变化区准静风区-东主导风向区-西南准静风区-西 I区：季风变化区； II区：主导风向区。IIa区，全年以西风为主；IIb区，全年以西南风为主； IIc区，冬季盛行偏西风，夏季盛行偏东南风。

III区：无主导风向区； IV区：准静风区。IVa区，静稳偏东风区；IVb区，静稳偏西风区。28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。净获得辐射获得区过渡区净损失随纬度基盈余区域本不变损失区占地面占地面积占地面积36％40％积36％短缺区域2930 蒲福风力等级表31风玫瑰图 某地的风向频率分布某地一年的风速频率分布 实线为全年，虚线为7月份32 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3334 海陆风和山谷风35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？36 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月平均气温差。

 年平均温度：向高纬度地区每移动 200~300 km 降低1℃。年较差与纬度的关系太阳辐射和日气温变化37 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2~3时，最低 气温一般出现在凌晨4~5时 ) ℃ 26 ( 度 24 温 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24时间(小时)38 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。4030 ) ℃ 20 ( 度 温 100-100 730 1460 2 4380 5 7300 8030 8760时间(小时)39逆温层正常的温度梯度：地表热，高空冷 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40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41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42有效天空温度 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（5～8µm及13µm以上） 地表有效辐射：地面与大气层之间的辐射换热Q地表的黑度R  QR ＝Qg －Qsky ＝σ (ε Tg4 －Tsky4 )波尔兹曼常数地表温度有效天空温度43有效天空温度日照百分率441/ 4−−+ [0.9T(0.32T 0.0260.30 0.70 ) )(]S 地表温度水蒸汽分压力空气温度 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