第二章建筑外环境课程教案

第二章建筑外环境课程教案第二讲太阳辐射基本信息主讲教师：吴延鹏所在单位：土木与环境工程学院课程教材：朱颖心主编.建筑环境学.北京：中国建筑工业出版社，2006听课班级：设备04开课学期：第5学期总学时数：36学时1教学安排1.1教学内容教学课时：1学时课后自习及作业学时：3学时本节内容：太阳常数和太阳辐射电磁波构成、大气层对太阳辐射的吸收教材章节：第二节太阳辐射教具准备：教学多媒体PPT、板书1.2教学要点1.2.1教学目的本节教学目的：1、理解太阳常数和太阳辐射电磁波构成；2、大气层对太阳辐射的吸收；3、掌握利用太阳辐射的基本知识分析工程实际问题的思路和方法。1.2.2教学重点（1）太阳辐射波谱；（2）大气层对太阳辐射的吸收；（3）有效天空温度的概念；（4）太阳辐射能量的去向；（5）玻璃对辐射的反射、吸收和透射。1.2.3教学难点（1）太阳辐射能量的去向；（2）玻璃对辐射的反射、吸收和透射；（3）空气温度与太阳、大地辐射的关系；（4）利用太阳辐射分析实际工程问题。1.3课堂提问（1）晴朗天空为什么是蓝色的？（2）是空气温度的改变导致地面温度改变，还是地面温度的改变导致空气温度的改变？1.4课后思考题（1）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？（2）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？（3）为什么晴朗天气的凌晨树叶表面容易结露或结霜？（4）采用高反射率的地面对住区微气候是改善了还是恶化了？为什么？（5）为保证日照时间满足规范要求，南方地区和北方地区要求的最小住宅楼间距是否相同？为什么？2．教学过程2．1时间安排引言2分钟教学内容：45分钟总结：3分钟2．2教学内容辐射照度用于表示太阳辐射能量大小的量，指1m2黑体表面在太阳辐射下所获得的辐射能通量，单位W/m2。地球大气层外与太阳光线垂直表面上的太阳辐射照度几乎全年不变。在太阳与地球的年平均距离处，与太阳光线垂直的表面上，太阳辐射照度I0＝1353W/m2。太阳辐射的构成太阳辐射主要由如下四个部分的射线构成：紫外线可见光线近红外线长波红外线未经过大气层7%45.60%45.20%2.20%经过大气层3%47%50%0%未通过大气层太阳辐射分布辐射波谱见教材第11页或PPT。未通过大气层时的辐射能量分布紫外线,7%可见光,45.60%近红外线,45.20%远红外线,2.20%紫外线可见光近红外线远红外线大气层对太阳辐射的吸收大气中对太阳辐射起作用的部分分别有温室气体（CO2、H2O、包括云）、臭氧层、空气中的微小质点。各部分作用如下。少量辐射少量短波辐射X射线与超短波辐射大部分紫外线大部分长波红外线可见光与近红外线射回宇宙空间空气中质点散射（“蓝”天的成因）大气成分吸收臭氧层吸收CO2与水蒸气吸收到达地面大气中的粉尘、颗粒相当于一个幕，日间其对太阳辐射射线的散射过程可以有效减少到达地面的直射辐射，降低地面的温度，而夜间的温室效应则可以为大地保温。到底地面的太阳辐射能＝直射（直接照到地面）＋散射（经大气散射）+大气长波辐射（温室气体吸收长波辐射升温后再向地面辐射，是极为微小的一部分，可忽略）.水平面上太阳直接辐射照度正比于太阳高度角与大气透明度。低纬地区太阳高度角高阳光透过的大气层薄直射辐射照度大高纬地区太阳高度角低阳光透过的大气层厚直射辐射照度小中午太阳高度角大透射射程短直射辐射照度大早晚太阳高度角低透射射程长直射辐射照度小穿过大气层后紫外线,3%可见光,47.00%近红外线,50.00%远红外线,紫外线可见光近红外线远红外线大气消光系数与大气透明度大气层对辐射的衰减效应xxkIdxdI式中Ix——距大气层上边界x处的法向表面太阳直射辐射照度，W/m2k——比例常数，m-1x——太阳光线的行进路程，m0exp()XIIkx消光系数akLI0——太阳常数L——日射垂直于地面时太阳的辐射行程k——单位厚度消光系数太阳位于天顶时，0exp()LIIa大气透明度0/exp()LPIIa有效天空温度大气层辐射（主要指较高空的大气，未与地面进行对流换热）与地面进行辐射换热。大气层中的温室气体、臭氧、尘埃、水汽等等，通过吸收太阳辐射中的远红外线（长波辐射）与来自地面的反射辐射，从而具有一定的温度。于是可以与地面进行长波辐射换热。定义有效天空温度skyT来计算大气与地面之间辐射换热的能力。地面与大气层之间的辐射换热量RQ（又称有效辐射）即为地面向大气层的辐射能量gQ与大气向地面的逆辐射skyQ之差：44()RgskygskyQQQTT注：定义有效天空温度时，已经假定大气的长波发射率为1。——地面长波发射率，平均0.9；——玻尔兹曼常数，5.67×10-8；gT——地表温度，K。RQ即为大地通过长波辐射换热而散失的热量，多数情况下是正值。有效天空温度的经验计算公式：441/4[0.9(0.320.026)(0.30.7)]skygaaTTPSTgT——地表温度；aT——距地面1.5～2m处的空气温度；aP——地面附近空气水蒸气分压力；S——日照率，即白天实际日照与可能日照时数之比，和云量有关，完全的晴天可设定为1。太阳辐射能量的去向从总体的太阳辐射能量去向角度，分析辐射经过大气层时的各个过程。如下图所示：总能量中，有50%的能量到达地面，其中47%被吸收，3%被反射；47%被吸收的能量中，有27%是直射辐射，20%是散射辐射；太阳总能量中的28%是被空气中的微粒散射的，有20%散射至地面（上文提及），8%射回空间；太阳总能量中的26%是经历过反射作用的，其中23%通过云层反射回空间，3%通过地表反射回空间，即此26%的能量完全被射回空间；太阳总能量中的19%是被大气以及云层所吸收的，包括紫外线、长波红外线等；由此可见，100%的太阳辐射能中，真正到达地面被利用的有47%，为大气及云层利用的有19%，通过各种形式射回空间的，有34%。图错误！文档中没有指定样式的文字。-1太阳辐射能量分配表地面吸收辐射能量的去向47%的被地面吸收的能量，通过以下几种方式进行传播，从而达到热平衡（参考上图）1.导热和显热对流：地面吸收的辐射能量通过导热向地下传播，通过显热对流换热与地表空气进行传热，这部分能量占47%中的10%，日间地表附近空气的温度就是由这部分能量所影响的。2.潜热对流换热：47%中的23%是通过潜热对流换热散失的，这部分主要通过植物的蒸腾作用（光合作用？）来进行的。3.除去导热和对流，47%中的14%是通过地面的长波辐射进行的。由于地面温度至多不超过100℃，因此地面向外的辐射必然是通过长波辐射进行的。如果没有大气层和云层遮挡，14%会全部射向宇宙空间，正因为大气层和云层含有温室气体（CO2、H2O），14%的能量中，会有8%为大气和云吸收，余下6%是射回宇宙空间的。有关天空背景温度和有效天空温度天空背景温度，即宇宙背景温度，是计算地球与宇宙空间之间辐射交换的温度参数，为0K，即地球只会向宇宙辐射长波红外线，而宇宙空间不会向地球发射辐射射线。在晴朗无云、空气中不含灰尘、水蒸气等物质的夜间这一理想条件下，天空背景温度可认为是0K。有效天空温度，考虑了云层、空气中灰尘等前提条件下，计算地球辐射散热量的一个温度参数，是人为设定的，相当于将大气层考虑成一个温度为“有效天空温度”的黑体（发射率为1），与地表进行辐射换热。有效辐射=大地对空间（包括太空和大气层）的辐射-大气向大地的逆辐射，表示大地的净辐射热损失。日间，大气层吸收了太阳辐射19%的能量，以及地表长波辐射的能量（8%），从而以日间的“有效天空温度”与地面进行长波辐射换热，净辐射换热量（有效辐射）为8%。夜间，大气同样吸收来自地面的长波辐射，有效天空温度升高，天空向大地逆辐射，从而减少了大地向空间的有效辐射，起到了为大地保温的作用。逆辐射越大，保温效果越好，有效辐射越少，即温室效果越明显，有效天空温度越高，相应的，大气中的温室气体和云量也就要越多。有效天空温度的计算公式，推荐441/4[0.9(0.320.026)(0.30.7)]skygaaTTPST而不用书p23的公式2-23.有关空气温度与太阳、大地辐射的关系空气温度（距地面1.5m高，背阴处的空气温度），主要受太阳与大地辐射换热过程的影响，而太阳对大气的直接辐射作用，相对影响较小。日间，太阳辐射使地表温度升高，地面与其附近空气通过对流进行换热，此时地面附近温度梯度分布为空气低，地表高，自地面向上递减。夜间，地表及地面上的物体向空间进行长波辐射，损失能量，空气对其进行能量补充，此时空气高，地表低，地表附近有逆温层出现。时间越长，辐射散热量越大，地表及其附近空气的温度越低，夜间辐射散热直至黎明结束，此时地表与地表附近空气处于24h中的最低温度，有结露、起雾等现象产生。温室气体、玻璃对辐射的吸收、反射、透射温室气体（大气层）对短波辐射、可见光等波长较低的射线，几乎是透明的，而对于地表、建筑物表面发射的长波辐射，其透过率很低，存在很高的吸收率和反射率，而且吸收率占更主要的部分。因此温室气体可透过大部分太阳辐射，但能够有效地吸收、反射的长波辐射。可以起到保温作用。空气中灰尘、水蒸汽、二氧化碳越多，吸收率越高。这也就是为什么晴朗的夜间，往往空气温度很低的原因。因为“保温”性能差。玻璃暖房，又叫“温室”，由此可见玻璃也具有温室气体同样的性质——对太阳发出的可见光、短波辐射以及“近红外线”（注意近红外线也高透过）有极高的透过率，对长波辐射有很高的反射率和吸收率。玻璃可以放太阳辐射进入室内，同时阻止室内能量通过辐射释放至室外。Low-e玻璃的特性玻璃对长波辐射透射率低，只意味着透过玻璃的长波红外能量少，但对长波红外的吸收与反射比，是随玻璃特性而异的，吸收率高的玻璃，尽管辐射不会透过，但会将大量辐射吸收至玻璃自身，再通过对流与导热的形式散失，同样不利于保温与隔热。因此低透过、低吸收、高反射的玻璃才是理想的玻璃形式。Low-e玻璃就是上述的低透过、低吸收、高反射（都是对长波红外来说的）性质的玻璃。对可见光与短波辐射来说，所有无色的玻璃（无论low-e与否）都有很高的透过率，除非玻璃是有色的。对长波红外来说，如下表：透过率吸收率反射率普通玻璃低高低low-e低低高二者的主要区别在于玻璃对辐射的吸收以及接下来这部分能量籍由室内外空气与玻璃的对流换热进行的传递。玻璃日间太阳辐射中的长波红外夜间室内对外辐射普通玻璃吸收，进而对流传入室内玻璃吸收，进而对流传出low-e玻璃反射，阻止进入室内玻璃反射回室内，阻止能量散失对波长于0.76～3μm的近红外线：高透low-e，性能稍差，透射率较高（普通玻璃0.9左右，高透玻璃0.6左右），相比普通玻璃，能有效阻止这部分能量；低透low-e，性能最好，透过率低，对比普通、高透玻璃，很大程度上能够有效阻止这部分能量，同时也能够有效阻隔可见光，相比普通玻璃可大量阻止辐射能量（长波红外、近红外、一些可见光）。总结：日间和夜间各种玻璃对辐射射线的三种效应：日间短波与可见光近红外线远红外线（长波辐射）总能量普通玻璃全透过全透过高吸收低反射，自身温度高很高高透过low-e玻璃全透过透过率0.6低吸收高反射，射回天空较高低透过low-e玻璃全透过透过率0.3低吸收高反射，射回天空很低夜间室内长波辐射普通玻璃吸收，导热对流至室外，不保温高透过low-e玻璃反射回室内，保温低透过low-e玻璃反射回室内，保温日间low-e玻璃的效果体现在其低近红外透射率上，夜间保温效果体现在其低远红外发射率上。2．3板书设计太阳光的路程长度计算公式的推导，在黑板上详细推导，加深学生的理解。2.4案例教学关于汽车low-e玻璃的实验这是一个真实的故事，某次车展，某汽车玻璃厂商为了宣传其镀low-e膜玻璃的隔热特性，选用普通玻璃与其生产的low-e玻璃各一块，分别置于2盏白炽灯下，用温度计测量玻璃背后温度，会有怎样的效果