城市气候在线视频

下面介绍第四节

城市气候

在城市建筑物的表面及周围

气候条件都有较大的变化

这种变化的影响

会大大地改变建筑物的能耗及热反应

城市气候主要有以下特点

一 城市的风场与远郊不同

除了风向改变之外

平均风速也要低于远郊的来流风速

第二 气温较高

形成热岛现象

第三 城市中的云量

特别是低云量比郊区要多

大气透明度低

太阳总辐射照度也比郊区弱

因此呢

这一节主要介绍这三方面的内容

小区风场 城市热岛

建筑布局与日照

风场 是指风向 风速的分布情况

如左图所示

由于建筑物的增多 增密和增高之后

会导致下垫面的粗糙度增大

消耗空气水平运动的动能

使得区域内的平均风速减小

边界层的高度加大

产生了与大区域空气不同的流动特征

而对于居住区而言

它的风场是因为建筑物对来流风的

阻碍和聚集作用

以及小区内太阳辐射

导致各表面存在着温差

而形成的自然对流作用所致

城市和建筑群内的风场

对城市气候和建筑群局部小气候

有显著的影响

城市风环境更多的影响

是城市的污染情况

因此在进行城市规划的时候

需要考虑城市的主导风向

对污染程度不同的企业 建筑进行布局

目的是把大量产生污染物的建筑

布置在城市风向的下游位置

而建筑群内的风场主要影响的是热环境

包括小区外环境的热舒适性

夏季建筑通风

以及由于冬季渗透风附加的采暖负荷

建筑群内风场的形成取决于建筑的布局

不好的规划设计会产生风场

具体的问题有

一 冬季住区内高速风场增加

会导致建筑物的冷风渗透增加

使得采暖负荷升高

二 由于建筑物的遮挡作用

造成建筑在夏季的自然通风不良

第三 室外局部的高风速会影响行人的活动

并影响行人的热舒适

第四 建筑群内的风速太低

导致建筑群内散发的气体污染物

无法有效的排除

而在建筑小区里聚集

第五 建筑群内会出现旋风地区

容易积聚落叶 废纸 塑料袋等废弃物

风对建筑的影响包括6方面的效应

如图所示

首先我们来看一下冲刷

它比较好理解

就是高层建筑的迎风面会形成下行气流

第二是边角增强效应

指的是当风吹至高层建筑的侧墙面

向下偏转时

将与水平方向的气流一起

在建筑物侧面形成高速的风和湍流

在迎风面上冲刷而形成下行气流

而在背面

则会实现气流上升

前低后高

指的是前排建筑的背面风

会意外加强

并使得方向翻转

穿越指的是建筑的平面上大下小

会在底部或者是架空区域

出现风速明显增大的效果

此外 建筑排列如果成为巷道

会形成巷道风或风漏斗效应

即靠近两面墙面的风汇集在一起

造成近地面的高速风

对于室外热舒适和行人的行动来说

距地面2米以下高度空间的风速分布

是最需要关心的

尽管与郊区比

市区和建筑群内的风速较低

但会在建筑群特别是高层建筑群内

产生局部的高速流动

即人们俗称的“风洞效应”

一些高层建筑中

与冬季主导风向一致的“峡谷”

或者是过街楼

均有在冬季变成“风洞”的危险

下图给出了在北方某城市的一个高层小区

距地1.5m高处

通过计算机流体动力学

模拟得到的风场分布图

可以看出

在冬季北风来流风速为7.6米每秒时

小区内部绝大部分区域的风速

低于局部3米每秒

但在偏西侧的南北主要干道上

出现了10米每秒的高风速

直接影响该处行人的行走

并会造成极度寒冷的不舒适感

从三维模拟图可以清晰看出

小区里面哪些区域

包括人行高度上

在冬天的风速是适宜的

或者说是过高 可能存在风险的

那么如何获得良好的

冬夏季节的室外通风环境呢

这里有一些评价指标或措施

衡量冬季风洞效应的评价指标包括

风速放大系数应该小于等于2

行人高度的风速应该小于等于5米每秒

此外还有建筑前后压差的控制等指标

为此可能需要在设计阶段

就采取针对性的措施

包括优化建筑布局

合理设置防风墙 防风树带等

同样的

这里也有一些可以用于衡量

夏季通风效果的评价指标

包括建筑前后的压差

低风速区的比例等

相应的可能的改进措施包括

建筑布局架空 错位 风影区的控制等

这里给出了一个通过计算流体动力学工具

合理的优化建筑布局

改善小区风场的例子

这个图右侧指的是北向

对于这么一个小区来说

在冬天以北风为主导风向

夏季以南风为主导风向

我们要求达到冬季有效抑止小区内的风速

而夏季又能够保证不影响

小区内的自然通风

其效果就是

按照如图的一种布置方式

即通过不断的调整

得到最终的图中的建筑布局

可以看出

北侧的连排小高层建筑

有效地阻档了冬季北风的侵入

抑止了小区内的风速

而在夏季 非连续的低层建筑

为南风的通过预留了空间

尽可能地保证了后排建筑的自然通风

下面介绍一下城市热岛的概念

由于城市地面覆盖物多 发热体多

加上密集的城市人口的生活和生产中

产生大量的人为热

造成了市中心的温度高于郊区温度

且市内各区的温度分布也不一样

如果绘制出等温曲线

就会看到与岛屿的等高线极为相似

人们把这种气温分布的现象称为“热岛现象”

城市热岛可以用热岛强度表征

指的是热岛中心气温减去同时间同高度

也就是距离地面1.5米高处

附近远郊的气温的差值

城市热岛强度具有以下特征

城市规模越大 人口越多

热岛现象越强

因地理纬度不同 热岛强度有所不同

对于高中纬度区

冬强 夏弱

例如北京 71年1月的热岛强度是1.8℃

7月的热岛强度是0.8℃

而上海 55年的11月的热岛强度是2.4℃

5月份的热岛强度是 0.1℃

另外一个特征是 白天弱 夜间强

晴天没有风的时候热岛强度越强

阴天风大的时候热岛强度就会弱

风速越大 热岛强度就越弱

风速越小 热岛强度就越强

当城市风速大到一定数值

就存在着一个热岛的临界风速

指的是当风速超过这个值的时候

城郊的气温差别就会消除

而这个风速我们称之为热岛临界风速

这是伦敦冬季的城市热岛强度分布图

可以看出

伦敦地区冬季的月均热岛强度

可以达到6.7℃

这里给出了80年代初

以北京天安门为中心的气温的实测结果

可以看到

北京80年代初城市热岛强度

夏季为1.5℃ 冬季可以达到5℃

7月份的天安门

附近的平均气温是27℃

随着向市区外的扩展

温度也依次的向外递减

到达郊区海淀附近的时候

气温已经为25.5℃

下降了1.5℃

当然 近年来随着家用空调的普及

和车辆的剧增

北京的夏季热岛强度也越来越大

城市下垫面特殊的热物理性质

城市内的低风速

城市内有较大的人为热等原因

是造成城市的空气温度

要高于郊区温度的主要原因

也就是产生城市热岛的主要因素

具体的影响城市热岛的因素包括

自然条件有

市内的风速 对天空长波辐射的系数

及建筑布局影响

对天空角系数和风场的影响

第三是云量

我们以前说过市区内的云量大于郊区

也会导致热岛强度的产生

第四是太阳辐射

由于城市内的大气透明度比较低

会带来对热岛强度的影响不同

第五是下垫面的吸收和反射特性 蓄热特性等

也就是说你的地面材料是混凝土

还是其他的

有没有植被 有没有水体

都会带来影响

最后一个呢

就是人为的影响

包括各种“人为热”

例如交通 家用电器 炊事排出的产热

空调采暖产生的热量等等

这里给出了各种不同性质的下垫面

对热岛强度的影响

可以看出 不同的下垫面的表面温度

差别可能达到8℃以上

进而使得上面的空气温度的差别

也在1-2℃左右

下面的几张图给出了不同下垫面的

反射率 吸收率的对比情况

这也是导致下垫面表面温度差别的原因

城市人为的立体下垫面

对太阳辐射的反射率

和地面的长波净辐射都比郊区小

其热容量和蓄热能力都比郊区大

但因为植被面积小

不透水的地面大

储藏水分的能力却比郊区低

蒸发量比郊区小

通过潜热形式带走的太阳辐射量

与郊区相比 就小得多了

这样热岛效应就愈发明显

前面我们提到过逆温层

根据逆温层形成的机理

热岛效应对逆温层的出现

事实上有很大的促进作用

热岛影响

它所能够影响的高度

称之为混合高度

这个高度在小城市 可以达到50米

而在大城市 可以达到500米以上

在城市的混合高度内

空气易于对流混合

但在其上部的逆温层的大气

则呈稳定状态 而且不扩散

这就像是在上面盖了一个热盖子一样

使得发生在热岛范围内的各种污染物

都被封闭在热岛中

这样的话

热岛现象对大范围内的大气污染

就会产生很大的影响

城市热岛强度的评价方法

有现场测试和计算机模拟方法

所谓计算机模拟方法

还包括分布参数模拟和集总参数模型两种

分布参数模型比较复杂 计算量大

往往需要和计算流体动力学方法相结合

以色列有学者提出了CTTC集总模型

及其改进模型

就是应用了比较广泛的集总参数模型

所谓CTTC模型是在热平衡的基础上

使用建筑群热时间常数的方法

来计算局部建筑环境的空气温度

随外界热量扰动变化的一种方法

CTTC是建筑群热时间常数

Cluster Thermal Time Constant的缩写

CTTC的集总参数模型

对建筑采取了二维的简化

将建筑群简化为

周期性起伏的“城市的峡谷”

把特定地点的空气温度Ta(t)视为基准温度

在此基础上考虑太阳辐射造成的温升

夜间长波辐射造成的温降

等几个独立过程温度效应迭加

就可以得到热岛效应对应的温度

在这样的一个公式里面

Tb是局部空气温度变化的基准(背景)温度

它并不是一个实际的温度

但是能够反映当地当日的基本的温度状况

ΔTa,sol(t)指的是太阳辐射造成的空气温升

而ΔTlw(t)指的是夜间对天空长波辐射

造成的空气的温度下降

应用改进的CTTC模型

城市建筑群空气温度Ta(t)

就可以用气象站温度

加上气象站和建筑群两地

因为太阳辐射和长波辐射

造成的温差的差值来表示

利用CTTC改进模型

我们可以预测

通过调整区域平均绿化覆盖率等参数

来研究绿化等方式对调节气候的作用

如图所示

它可以反映建筑几何位置 建筑材料

对近地层热环境的影响

但是气流组织对室外热环境的影响

没法进行评价

其特点是

网格尺寸较大 计算比较简单

结果比较粗略

难以刻画并评价不同绿化方式

对小区热环境改善的影响

这是利用CTTC改进模型

预测得到的某个居住小区内不同区域的

空气温度的变化情况

模拟结果表明

如图所示的S2区临马路

S3区绿化好

而老区建筑布局通风不好

因此相对而言空气温度

也就是热岛强度比较高

同样地

这张图给出了利用CTTC改进模型

研究设置了水景

对居住区内不同区域的空气温度

24小时变化的影响

我们可以看出

水景的设置可以把附近的热岛强度

降低1.5℃左右

如何缓解城市热岛呢

不同的尺度下 有不同的解决方案

在城市尺度

我们需要合理的控制建筑的覆盖率

建筑的容积率 建筑的高度差

增强下垫面的遮阳效果和透水性

合理的布局江河湖泊

设计有遮阳效果和增湿降温的

大型景观绿地等

而在建筑群 或者说是住区的尺度

我们可以通过合理改善下垫面

布置植物和可透水的路面

增加遮阳 强化通风

提升绿地率

优化室外空调机排热位置等

来进行一个调整

下面介绍一下建筑布局与日照

日照是指物体表面

被太阳光直接照射的现象

日照具有三方面的作用

一是充分利用太阳能

有利于冬季采暖

二是适当的散射辐射

符合自然采光的需要

三是心理需要

因为冬日室内的光斑

可以对人的心理产生积极的作用

影响日照的因素包括纬度和建筑布局

其中纬度决定太阳高度角和日射强度

建筑布局决定遮挡情况

从节能的角度看

冬天日照应该尽量多

但是存在太阳高度角低

容易被遮挡的问题

夏天应该尽量少

但是太阳高度角比较高

相对比较难被遮挡

怎么解决上面的这些问题呢

由于建筑物的配置 间距或者形状

造成的日影形状是不同的

与建筑物平面体形

建筑物高度和建筑朝向有关

常见的建筑平面体形有正方形 长方形 L形

以及凹形等

它们会在周围各朝向场地内

产生冬季终日的阴影和永久的阴影

这是由于设计不当造成的

由于设计不当

建筑可能出现终日日影

即一天中都没有日照

或者说是永久日影

即终年没有日照的情况

而影响建筑日照和日影的因素

一个是建筑的互遮挡

即不同建筑物相互遮挡

另外一个是建筑的自遮挡

即建筑物一部分被另一部分遮挡

这张ppt给大家展示了

建筑互遮挡形成某个建筑局部

产生了终日日影的情况

它是一个北京的高层的点式建筑

我们通过冬至日的 全天的日照模拟发现

这样的一个住宅小区的布局

会导致终日日阴影区的存在

原因是 早上8-10点的时候

它被东南面的建筑日影遮挡

11点之后 它被自身的阴影遮挡

就样的话 就会导致整个冬至日它都没有日照

是不满足国家日照设计规范的要求的

需要进行调整

这张图给大家展示的是永久日影的情况

建筑立面上不同颜色的连线

代表的是建筑可能获得的

冬至日的日照小时数的情况

地面上也是如此

如果建筑区域同时位于立面红色线以下

或地面红线区域内

代表这个建筑可能永久都获得不了日照

也就是存在永久的阴影区

日照的作用包括

可以有紫外线杀菌

可见光心理作用和保暖等方面

日照里的紫外线具有强大的杀菌作用

此外还能帮助人体合成维生素D

只有日照时间和日照面积都得到保证

才能充分发挥阳光中紫外线的杀菌作用

阳光中的可见光照射

对建筑的自然采光

和居住者的心理影响具有重要意义

冬日居室内的大片光斑

会给人带来温暖愉悦的感觉

改善室内的热舒适感

而阳光中波长在0.76-4.0微米左右的红外线

可造成热效果

冬季保证了足够的日照

还可以充分利用太阳能采暖

能够减少建筑的采暖负荷

达到建筑节能的目的

日照强度大小和时间长短

还会对人类的行为产生影响

研究表明

高纬度地区

忧郁症患者连续数次接受光照治疗

包括红外线 紫外线等模拟阳光治疗

他的忧郁症可获得明显缓解

对于行列式或组团式的建筑

为了得到充分的日照

南北方向相邻的楼间距

不得低于一定限制

这个限制距离就是日照间距

根据我国

《城市居住区规划设计规范GB50180》的规定

在我国一般的民用住宅中

要求冬至日的满窗日照小时时间

不得低于1小时

最低限度日照要求的不同

也跟建筑所在地理位置

即纬度的不同有关系

进而影响

不同地区建筑物日照间距的要求

这张表里面给出了日照标准日 日照时间

有效日照时间段

和日照时间计算起点的要求

大家可以对比看看不同地区的要求

《城市居住区规划设计规范GB50180》的规定中

有一个很重要的指标就是日照间距

它指的是冬至日的满窗日照时间

不低于1小时的时候

南北方向相邻的建筑的楼间距

不得小于的一个数值

这张图给出了冬至日日照时间

南北方向相邻楼间距

和纬度之间的关系

楼间距与前面遮挡的楼高比值d/h

称作之为日照间距系数

从图中可以看出

对于需要同一日照时间的建筑

由于其所在纬度不同

南北方向的相邻楼间距是不同的

纬度越高 需要的日照间距也越大

以长春 北京和上海为例

如果要求大寒日的日照小时数为2小时

在上海地区的日照间距系数为1.42

北京地区的日照间距系数约为2

而最北的长春则需要2.5左右

需要说明的是

日照间距系数主要适用于

南北行列式排列的板式建筑

对于点式建筑

或者东西方向特别长的板式建筑

可能会存在偏差

具体大家可以查阅有关研究文献了解一下

这里给出了主要城市

不同日照标准的间距系数

是基于六层住宅板楼

模拟计算得到的结果

其中正午影长率

指的是中午12点影子的长度除以建筑的高度

从这个表可以看出这么几条重要的信息

一 不同城市的日照间距系数不同

越往南 日照间距系数越小

第二 同一城市

冬至日1小时的日照要求

和大寒日2小时的日照要求不同

总体看

大寒日2小时日照要求

对应的日照间距系数变小了

甚至在广州

大寒日3小时的日照要求

对应的日照间距系数

只有0.97

还小于冬至日1小时日照要求

对应的间距系数 即0.99

这意味着什么呢

对了

就是限制或者说是要求放宽了

也就是说在同样的建筑用地条件下

我们可以规划更多的住宅建筑

体现对土地资源的更高效的利用

下面介绍一下第五节

我国气候分区的特点

目前一共有三种气候分区方法

一是 民用建筑设计规范（GB50176－93）中的

五个建筑热工设计分区

二是 建筑气候区划标准（GB50178－93）的

七个建筑气候区划分区

此外 新的居住建筑和公共建筑节能设计标准

和新的建筑热工区划标准（GB50176-2016)中

细分了二级热工区划

共11个分区

主要是基于供暖（空调度日数）作为依据

这是1993年的《民用建筑设计规范》

给出的五个建筑热工设计分区

主要是从建筑热工设计的角度出发

用累年最冷月 也就是一月

和最热月 七月 平均温度作为分区主要指标

累年日平均温度≤5℃和≥25℃的天数

作为辅助指标

进而将全国划分为五个区

即严寒 寒冷 夏热冬冷 夏热冬暖和温和地区

目的是为了满足炎热地区的通风 遮阳 隔热

以及寒冷地区的采暖 防冻和保温的需要

明确了建筑和气候两者的科学联系

这是1993年的建筑气候区划标准（GB50178）的

七个建筑气候区的划分

是以累年一月和七月的平均气温

七月平均相对湿度等作为主要指标

以年降水量

年日平均气温≤5℃和≥25℃的天数等

作为辅助指标

将全国划分为了七个一级区

在一级区内

又以一月 七月平均气温

冻土性质 最大风速 年降水量等指标

划分为若干二级区

并提出了相应的建筑基本要求

建筑热工设计分区

和建筑气候区划（一级区划）

它们的划分主要指标基本是一致的

因此两者的区划是互相兼容和基本一致的

最近10年

由于新的建筑节能标准

和热工设计标准不断改进

进一步地细化了气候分区的要求

这里第一张表是93年的热工分区表

另外一张表是2016年新的热工设计标准

给出的细化的分区要求

总体的思路是

在各一级区划内

采用HDD18、 CDD26作为二级区划指标

将各一级区划进一步细分

其中HDD18、 CDD26

分别对应的是采暖（空调）度日数

指的是每年中

当室外日平均温度低于冬季采暖

或夏季空调室内计算温度

18℃或26℃的时候

将日平均温度与夏季空调或冬季采暖的

室内计算温度26℃和18℃的差值累加

进而得到了该年的年采暖或空调的度日数

然后 计算以往连续多年（通常为10年以上）

每一年的采暖（空调）度日数的平均值

最后得到了我们现在看到的

采暖（空调）度日数HDD或CDD

当然外国学者还有一些不同的气候分区法

这里也给大家简单介绍一下

例如 西方学者柯本提出的

全球气候分区法

是以气温和降水两个气候要素为基础

并参照自然植被的分布来进行划分的

他把全球气候分为六个气候区

分别是 赤道潮湿性气候区（A）

干燥性气候区（B）

湿润性温和型气候区（C）

湿润性冷温型气候区（D）和极地气候区（E）

其中的A、C、D、E为湿润气候

B为干旱气候

根据柯本的理论和气候分区图

我们国家被分为 C、D、B、H 四个气候区

和我国的热工设计分区有部分是重叠

也是一致的

以上就是本节课的内容

下面对本节课的知识做一个总结

总体来看 本节课涉及的内容比较多

但是关键的知识点包括

太阳辐射光谱特点与能量分布

太阳辐射对地球气候的作用机理

气候 有效天空温度 地温 湿度的变化特点

气温变化的原因

长波辐射的概念与作用

来流风的速度分布

影响城市微气候的要素

影响小区微气候的要素

以及我国的气候分区特点

谢谢大家