第二章建筑工程与气象★城市规划与气候★建筑环境与气候★气象与施工★结构风压★采暖通风和空调设计所用的气象参数是指研究如何设计建筑物使其适应当地气候又能创造舒适的室内小气候环境,以及为建筑设计提供科学依据和研究建筑物对环境产生气象效应的一门边缘科学。就是研究建筑的设计,结构和施工如何适应天气特征,创造舒适的室内小气候以及建筑物群体的气象效应学科。建筑工程气象学:建筑气候学:建筑环境与气候分区名称分区指标设计要求主要指标辅助指标严寒地区最冷月平均温度≤-10℃日平均温度≤5℃的天效≥145d必须充分满足冬季保温要求,一般可不考虑夏季防热寒冷地区最冷月平均温度0~-10℃日平均温度≤5℃的天数90~145d应满足冬季保温要求,部分地区兼顾夏季防热夏热冬冷地区最冷月平均温度0~10℃最热月平均温度25~30℃日平均温度≤5℃的天数0~90d日平均温度≥25℃的天数40~110d必须满足夏季防热要求,适当兼顾冬季保温夏热冬暖地区最冷月平均温度10℃最热月平均温度25~29℃日平均温度≥25℃的天数100~200d必须充分满足夏季防热要求,一般可不考虑冬季保温温和地区最冷月平均温度0~13℃最热月平均温度18~25℃日平均温度≤5℃的天数0~90d部分地区考虑冬季保温,一般可不考虑夏季防热建筑热工设计分区及设计要求蒙古包北京的四合院吊脚楼或竹楼★建筑物适应气候与调节小气候全球各地的气候千差万别。即使在某一给定的地点,气候要素还具有日变化、季节变化和年季变化特征,建筑设计师应当按照人们生理卫生的要求和考虑多种气候要素变化的组合情况设计适宜人们居住的建筑物。建筑适应气候的例子,在世界各地都能看见,在我国已经存留数千年,我国南北、东西气候差异显著,因而民间建筑各有特色,以适应当地的气候特点。图1我国民间建筑外形的分布在室内,影响人们舒适感觉的气象要素主要有:气温、空气湿度、风速根据美国采暖、制冷和空调工程学会在堪萨斯州立大学所做的调查表明,当室内风速设定为0.35m/s时,人们反应舒适的空气水汽压和室温的范围大致分别为:水汽压:5~14mmHg(1mmHg=1.3332hPa)气温:冬季:20~24℃夏季:23~27℃室内微气象学和人体工程学的研究指出:在稳定状态下,大多数人的冷热感觉,由4种环境气象因素:空气温度、空气湿度、空气流速、辐射量以及单位个人的活动量和衣着有关。D.A.Mclutyre:“没有不舒适就作为舒适”ASHRAE(美国采暖、制冷和空气调节工程师学会):“令人满意的热感觉是一种自我感觉状态,它表现为对周围环境温度的满意感”,即人在心理状态上感到满意的热环境。不同气候区的人们和不同健康状况的人群,甚至不同种族,对室内舒适程度的反应和要求是有差异的。寻找专门的建筑气候指标标准有效温度(SET):普遍应用于世界各地建筑工程界,可以对人体的生理反应和感觉反应进行综合评价。该指标定义在某一标准环境中的温度。标准环境是指室内均匀的环境条件,空气温度等于平均辐射温度(一般为黑体辐射源的温度,是辐射量的一种温度当量),相对湿度为50%,静风状态(因人体温度可产生的气流速度约0.125m/s)。在此标准环境中穿着标准热阻服装(0.6Clo)的人员,其活动量对应于新陈代谢率为58W/m2(相对于伏案工作),此时人体的皮肤温度、皮肤湿润度和热损失均与标准环境相同,该标准环境温度即为标准有效温度。城市规划与气候★风与城市规划★日照与城市总体布局★城市建设对局地气候的影响★风与城市规划大气污染物的扩散首先与风向、风速有密切关系,风向决定了污染物输送方向,风速大小决定了对污染物的稀释能力,根据一地的风向及其风速特点能进行正确的功能分区。A.Schmauss(1941)在1941年提出,工业区应布置在主导风向的下风方向,居住区在其上风方向的原则,以被世界很多国家所采用,我国过去也采用了这一原则。近年来,发现这一原则在季风气候国家里不够恰当,因为冬季风和夏季风一般是风频相当风向相反的,在冬季是上风侧,夏季则变为下风侧。同时对全年有两个主导风向(如山谷风,海陆风影响的地区)和静风频率50%以上及各风向频率基本相当的地区,也都不适用。根据我国600多台站的1,7月和年的各地风向频率玫瑰图,大致可以分为:★季节变化型(双主导风向型)★主导风向型★无主导风向型★准静止风型南昌风向频率玫瑰图图中每格频率为5%;图中心为年静止风频率;点线为1月频率;断线为7月频率;实线为年。这一区域盛行风向随季节的变化而变化,根据高由禧的季风定义,季风现象必须是风向或气压系统有明显的季节变化。我们将1,7月风向变化大于135°,小于等于180°者称为季节变化型。大致分布在我国东部,从大兴安岭,经过内蒙古穿河套,绕四川盆地到云贵高原。★季节变化型在季节变化型里,冬季风和夏季风一般是风频相当风向相反的,所以在城市规划时,应选择最小风向频率,因为从该方向吹来的风次数最少,污染机会最小。故我国工业企业设计卫生标准规定:“向大气排放有害物质的工业企业,应按当地最小频率的风向,位于居住区的上风侧”。最小风频原则★主导风向型即一年中基本吹一个方向的风,这种类型在我国分布在三个地区:(1)黑龙江,内蒙古和新疆北部,常年在西北带控制下,风向偏西;(2)云贵高原西部,常年吹西南风,这一区受西南季风的影响,冬季风(11-4月),夏季风(5-10月),风向均偏南;(3)青藏高原,这里的风向很复杂,最低层为山谷风,山谷风之上为一冬季盛行偏西,夏季盛行偏东风的交替高原季风,在高原季风之上的为终年不变的西风层。城市都在地面层,所以只考虑山谷风。但这里的山谷风不像其它地区的山谷风那样昼夜转换,因为在高原的山风和谷风得不到充分的发展,所以是整天吹一个方向的风(一年主要吹偏南风)。在城市规划时,将向大气排放有害物质的工业企业布置在常年主导风向的下风方向,居住区布置在常年主导风向的上风方向。例:北方化工厂集中在西南方,那里最多风向是西北风,故对市区居民的影响最小;纺织厂放在城东,西郊是文化区。主导风原则★无主导风向型全年风向不定,没有一个较为突出的盛行方向的风,各风向频率相当,分布在宁夏、甘肃的河西走廊和陇东以及内蒙古的阿拉善左旗。这是着重考虑风速,一般风速愈大,大气污染浓度愈低。其污染浓度与风速成反比。为了将风向和风速的影响同时考虑,常用污染系数(烟污系数,卫生防护系数等)表示,即:该向的平均风速某一方向风向频率污染系数修订:uVVf2污染系数f为定向风频,V为全年平均风速,u平均为定向平均风速城市规划时,应将向大气排放有害物质的工业企业布置在污染系数最小方位或最大风速的下风方向,居住区在污染系数最大方位或最大风速的上风方向。将年静止频率全年在50%以上,年平均风速在1.0m/s以下者称为准静止风。分布在两个地区:(1)以四川为中心,包括陇南,陕西,鄂西,湘西和贵北等;(2)在西双版纳地区。必须将向大气排放有害物质的工业企业布置在居住区的卫生防护距离之外。★准静止风型可以参考十二类工业企业卫生防护距离规定焦化厂、钢冶炼厂、氮肥厂(1.5*104吨/年、1.5*104吨/年)、黄磷厂、硫酸盐厂、聚氯乙烯树脂厂中小型和大型、铅蓄电池厂大中型和小型、氯丁橡胶厂、硫酸厂、普通过磷酸钙厂、钙镁磷肥厂十二类工业企业考虑年平均风速小于2m/s,2~4m/s,大于4m/s三种情况。工业企业卫生防护距离年平均风速(m/s)标准卫生防护距离(m)22200钢冶炼厂2-418004140021600氮肥厂(2.5万吨/年)2-410004800★日照与城市总体布局太阳光是天然的光源,也是地球上最主要的能源。阳光里的紫外线有杀菌抗病的能力。例如那些威胁很大的白色葡萄球菌和甲型链球菌。它们都是引起人体上呼吸道感染的病毒菌。另外,阳光对结核杆菌,伤寒菌等都有杀菌的功能。阳光的照射还可以防止佝偻病的发生,给人类健康带来很大的好处,所以有“谁家阳光多,没有病人乐呵呵”的谚语。建筑物被遮挡的阳光不仅与建筑物高度有关,还与建筑物的长度、方位以及朝向有关,建筑日照环境中的日照时间不同于气象上的日照时数,它是指建筑物相互遮挡而不考虑天气状况,也不是一年,一月或一日的累计时间,而是在某地点要求可能得到的日照时间,必须确定一哪一天作为日照时间的标准日,并且日照时间最少要求多少小时。建筑日照时间的标准日,是考察最不利的情况,即冬至左右,这时太阳高度角在一年中最低,只要这一天能达到建筑日照时间的要求,其它所有时间都能满足要求。但若以冬至为标准日,则要求建筑间距太大,而且使文化,卫生,商业等的服务半径增大,各国大都不以冬至日作为标准,如英国70年代初规定的标准日为每年的3月1日。1986年北京城市规划管理局进行大量的工作,认为北京居住建筑采用大寒日为日照时间的标准日,日照2小时的间距系数为设计依据是合理的(对佝偻病降低有明显作用,起到促进机体免疫力的作用)。北京日照时间和间距系数冬至大寒雨水春分2小时1.891.641.180.783小时1.961.711.200.78建筑间距系数:指遮挡阳光的建筑与被遮挡阳光的建筑的间距为遮挡阳光的建筑高度的倍数。在建筑群体间安排缺口,不仅有利于内外交通联系,有利于小区内部通风,而且还可以大大的改善日照时间。有人研究得出,一南北平行布置的两幢住宅,若其间距系数较小,且建筑物长度又很大,则后排住宅层有些冬至前后会全天都见不到太阳光。如图,若在中间打开一个缺口15米宽的缺口,则后排建筑物前正面90米面宽内的日照可得到改善。建筑物布局形式对日照的影响南北平行两幢住宅日照示意两幢楼间日照轨迹高层塔式住宅不仅有加大建筑的南北进深,增加电梯服务户数,减少交通面等优点,而且充分保证采光日照条件下,可以大大缩小建筑物间距系数,以达到节约用地的目的。如:北京20层60米高塔楼,南北楼间排列距离30米,其间距系数仅0.5,冬至日后排每日仍有5h的日照。街道走向对日照的影响偏东南或偏西南平行布置的居住建筑较正南北向布置的居住建筑有利于日照。如北京正南北向的建筑,在冬至日后排见不到阳光,若将正南北朝向的建筑扭转30°时,可得到日照时间约5h。这样又造成夏季的东西日晒之弊,但在东半年却能适当改善日照条件。这适合高纬度地区,它可使冬季得到更多的日照。城市建设对局地气候的影响★城市的动力效应★城市的热岛效应建筑群对风力削弱效应高层建筑物的动力效应★建筑群对风力削弱效应大自然的风,由于受城市建筑的影响,使地面粗糙度增加,风速减弱。如图例:北京市区6个点,郊区10个气象站的资料对比分析得出,城区年平均风速为1.3m/s,郊区为2.2m/s,城区风速约比郊区小41%,冬季比夏季见效的更多。上海市区比郊区年平均风速减少40%左右,广州37%,西安30%等。另外,从城区风速与郊区风速相比,郊区大得多,所以也说明城市的削风作用。一个城市的下垫面是不规则、不对称的,所以从各个方向上吹来的风受到削弱也不相同。如北京当吹西风或者东风时,城区风速比上风向郊区减少29%-40%,当吹南风或者北风时,城区风速比上风向郊区减少35%-50%。这主要是由于北京城区的街道是东西向,房屋主轴走向是南北,所有东西风减弱少,南北风减弱多。城区风速日变化比郊区要小,如北京1月城区日较差1.5m/s,而郊区1.9m/s;7月城区0.8m/s,郊区1.1m/s。这是因为自然风白天大,城市对风速产生的摩擦作用强,使城区白天风速比郊区减弱的多,而夜间城、郊的风速都较小,差别不大,结果使城区日较差比郊区为小。★高层建筑物的动力效应高层建筑物风效应高层建筑物气流特征高层建筑物造成的高风速★高层建筑物风效应气流遇见高层建筑物会引起气流方向的改变,形成了几个性质不同的气流区域。有稳定气流区(Ⅰ)、正压区(Ⅱ)、空气动力风影(Ⅲ)和尾流区(Ⅳ)。1-距建筑物高度5倍以外的地区3-以稳定气流速度95%的等速曲线,其为尾流区边界尾流的长度约为建筑物高度的17倍★高层建筑物气流特征当风垂直吹向建筑物时,靠近建筑物的平均风速随着高度的增加而增大。迎风面速度场及湍流强度将影响气流流型和表面压