气候分析工具与方法─生态建筑第三版

附录A　棒影图与太阳轨迹图

棒影图和太阳轨迹图是进行建筑日照与遮阳设计、阴影分析等的重要工具，它们都是根据太阳在天空中的运行规律而绘制的。因此，太阳在天空中的位置描述是学习棒影图和太阳轨迹图首先要了解的。可以用赤道坐标系和地平坐标系来描述太阳在天空中的位置（见图A-1）。赤道坐标系是基于赤道平面用赤纬角δ和时角Ω来描述的。赤纬角是太阳入射光线与地球赤道面的夹角，时角是太阳所在的时圈与基地子午圈的夹角。地平坐标系是基于基地的地平面用太阳高度角hs和方位角As来描述的。太阳的高度角是指太阳光线与基地地平面的夹角，太阳方位角是指太阳光线在基地地平面上的投影与基地正南线之间的夹角。对于建筑环境设计及规划而言，利用地平坐标系是最合适的。太阳的高度角和方位角可用式（A-1）和式（A-2）来准确确定。

图A-1　赤道坐标与地平坐标关系

式中，φ为某地纬度，时角Ω与当地太阳时t有关，按Ω=15（t-12）（单位为度）计算。一年中任何一天的赤纬角可以用式（A-3）计算，

单位是度，N是从元旦开始计算的天数。

棒影图的绘制如图A-2所示。在某地地面上O点立一高度为H的垂直棒，当某时刻太阳光线照射到棒上时，棒会在地面形成一个棒影。记棒的顶端在地面上的投影为a'，当太阳在天空中运行时，投影点a'也在地平面上运动形成一轨迹线，这条轨迹线就是棒高为H的棒影线。棒影Oa'的长度L与棒高H和太阳的高度角hs有关，表示为L=Hcoths，因此，在同一时刻，棒高增加一倍则影长也按比例增加一倍。棒影的方位角A's与太阳的方位角As有关系，A's=As-180°。因此，如果要绘制某地某日的棒影图，先根据日期按式（A-3）确定太阳赤纬角，再根据纬度用式（A-1）和式（A-2）确定不同时刻太阳的高度角和方位角，进而得到不同时刻棒影长度和棒影方位。将不同时刻的棒影端点连接起来，就得到棒影端点在平面上的运动轨迹线。棒高变化，其影长在同一时刻按比例变化，这样就可绘制不同棒高的多条轨迹线且形成棒影图。图A-3是北纬40°地区冬至日的棒影图。用棒影图可以求出物体在某一时刻的阴影面积、满足日照要求的建筑间距，可分析窗口的遮挡状况和日照时间，还可以用来求室内某时刻的日照面积和遮阳设施的尺寸。图A-4是用棒影图确定建筑在上午10∶00的阴影。

图A-2　棒影图绘制原理

图A-3　北纬40°冬至日棒影图

太阳轨迹图有两种，一种是将太阳在天球上的轨迹直接垂直投影到地平面上，如图A-5（a）所示，称为正投影图，水平面上高度圈半径与天球上高度圈半径相同。这种图的不足之处是圆心附近表示高度角等间隔的圆圈太疏，而接近圆周的太密。另一种称为平行投影图（见图A-5（b）），是连接天底与高度圈上的点得到一连线，该连线与地平面相交得到一交点，以交点半径为半径在地平面上表示高度圈。平行投影图由于克服了正投影图的不足，使用较为广泛。

图A-6是北纬35°地区的太阳轨迹图。太阳轨迹图中，圆圈表示高度角，射线表示方位角，竖弧线表示太阳时，通常是以1h为间隔，凹弧线表示太阳轨迹，通常是以每月的22日为代表。由于太阳一年在夏至日（6月22日）和冬至日（12月22日）之间来回运动，故在夏至日与冬至日之间，太阳的任一轨迹对应不同季节的两日，例如，在4月22日和8月22日具有相同的太阳轨迹。利用太阳轨迹图，可以设计遮阳构件的尺寸，确定垂直和水平方向的遮挡角度，分析窗户在一年中受日照或遮挡的时间，还可用于对室外环境的遮蔽或日照分析。

图A-4　用棒影图确定建筑阴影

图A-5　正投影和平行投影太阳轨迹的绘制原理

图A-6　北纬35°地区的太阳轨迹图

附录B　人体热舒适与生物气候图

用生物气候图可以分析基地一年之中各月份的热冷变化，并通过这种分析确立气候适应性设计策略，进而提出相应的主动式或被动式措施。生物气候图是以人体热舒适为基础建立起来的。学习生物气候图首先要了解人体热感觉的相关知识。

人是恒温动物，体内每时每刻都存在着新陈代谢以维持生命运动，并同时产生热量以维持36.5℃左右的体温。体内新陈代谢产热如果不以某种方式散发到周围环境中去，势必导致体温升高，引起热的感觉；反之，如果人体向外散热太多，体内产热供应不上这种向外散热，人体温度必将下降，引起冷的感觉。研究表明，影响人体这种热冷感觉的因素很多，主要有空气温度、空气湿度、空气流动速度、周围壁面的辐射温度，以及人体衣着状况和活动状况。各种因素对人体热感觉的影响是综合的、可相互补偿的，但存在着一定的限制范围。人体也可以通过自身的生理调节和着衣多少来适应一定的气候变化范围。

科学家们首先对办公室人员（活动等级MET为1.3）的热舒适进行了研究，发现当室内静风（＜0.25m/s）、着装为0.8 clo（相当于冬季办公的典型衣着）时，人体的热舒适感觉存在一定范围：气温下限为20℃，上限为26.7℃；相对湿度下限为20%，上限为80%。在这一范围内，绝大多数人既不会出汗，也不会感觉冷，称这一范围为热舒适区，如图B-1所示。

图B-1　直角坐标生物气候图［54］

科学家们后来又研究了风速大小以及周围壁面辐射多少对人体热舒适的影响。发现热舒适区随着风速的增加向上扩展，而随着周围辐射的增加向下扩展，科学家们将这些研究成果绘在了湿空气图表中，形成了用于气候分析的生物气候图。图B-1是将空气的温度与相对湿度以直角坐标的形式呈现，称为直角坐标生物气候图。值得说明的是，生物气候图中的热舒适区是在周围辐射温度与空气温度相等的情况下得到的，因风速增加向上扩展时，视周围辐射温度仍然等于空气温度，而因周围辐射增加向下扩展时，视风速为零。因此，生物气候图中热舒适区的上线成了需要通风和避风的分界线，称为“静风线”，而热舒适区的下线成了需要日照与遮阳的分界线，称为“遮阳线”，意即下面的区域需要日照，上面的区域需要遮阳。

生物气候图用于室外气候分析，发展至今，已包含了“两线”和“六区”的内容。两线指“静风线”和“遮阳线”，六区指“热舒适区”“自然通风区”“蓄热体区”“蓄热体+夜间通风区”“蒸发冷却区”“辐射采暖区”，每一个区的名称说明了在该区气候状态下可采取的使人体达到舒适的相应的策略措施，如图B-2所示。

热舒适区：是指人穿着一般服装（0.8 clo）坐着休息或办公感到舒适的区域。当气候状态点落在该区域时，表示不需要日照、不需要通风就能使人体达到热舒适，也就是气候本身是舒适的，建筑环境设计与规划时只需考虑遮阳和挡风，无须考虑采取其他采暖和制冷措施。

自然通风区：是指当气候状态点落在该区域时，本身是不舒适的，但依靠遮阳和通风可使人体达到热舒适。风速提高，舒适区域增大。建筑环境设计和规划时，需要考虑遮阳和利用基地的自然通风。如果室外风速较小或不具备自然通风条件，就需要采取其他降温措施。

蓄热体区：是指当气候状态点落在该区域时，依靠蓄热体来调节室内气温可达到热舒适。设计时在室内采用蓄热能力大的材料，利用蓄热体吸热、放热抑制气温升高或降低。

图B-2　生物气候图上的六个区域表示

（来源：编者自绘）

蒸发冷却区：包括直接蒸发冷却和间接蒸发冷却。直接蒸发冷却是让液态水直接在空气中蒸发对空气进行增湿降温，降温后的空气可以达到人体热舒适要求，直接用于室内。因此，设计时可以考虑用水池、喷泉或用直接蒸发冷却器创造舒适的室内热环境。间接蒸发冷却是指水分在某一建筑元素上蒸发，比如通过在屋面或墙体外部蒸发水分来使其表面降温，从而使建筑元素成为吸热源，冷却相邻空间。

蓄热体+夜间通风区：是指当气候状态点落在该区域时，可依靠蓄热体白天吸热降温维持室内热舒适；夜间利用室外较冷空气冷却蓄热体，以供下一个白天使用。

辐射采暖区：是指遮阳线以下的区域，当气候状态点落在该区时，虽然温度较低，但若有相应的太阳辐射量照在人身上，人体也可感到舒适。由图可知，随着温度的降低，人体需要的太阳辐射量逐渐增加，而相对湿度影响甚微。

如何应用生物气候图分析当地的气候状况，进而得出相应的气候适应性策略，请参阅附录C“基于生物气候图的气候适应性策略分析”。

附录C　基于生物气候图的气候适应性策略分析

建筑的基本功能是抵御气候的冷热侵袭，以求得相对稳定的室内热环境。那么，在一定的气候条件下，怎样分析气候资料以找到具有适应性的设计策略呢？本附录介绍基于生物气候图的气候适应性设计策略分析方法。

第一步，收集气象资料。为了得到某一地区的气候适应性设计策略，必须找到该地区的气象资料，包括空气温度和相对湿度的月平均、月最高平均、月最小平均值及月太阳辐射和风速风向状况，进而进行生物气候分析，得出对应的设计策略。例如，图5-3、图5-4、图5-5分别是北京地区的风速风向、空气温度、相对湿度年变化图。从风速风向玫瑰图可知，北京一年之中，夏季盛行西南风，冬季盛行北风，平均风速除了西北向可达4.5m/s外，其他方向在3.0m/s左右。

第二步，气候状态点绘制。从气象资料中，找到每月温度的最高平均值和最小平均值，它们分别对应于相对湿度最低平均值和最高平均值。将这两点绘于生物气候图中，并用线段连接起来，该线段就代表该月份的气候状态变化情况。线段是从左上向右下倾斜的，左上部分代表白天气候状况，右下部分代表夜间气候状况。线段的位置代表了气候的热冷程度，长短代表了气候变化幅度。例如，对于北京地区，1月份最低平均气温为-7.4℃，出现在凌晨6∶00—7∶00时段，最高平均气温为0.7℃，出现在下午14∶00—15∶00时段，它们分别对应相对湿度最高平均57%和最低平均33%（见图5-4、图5-5）。在生物气候图中找到（57%，-7.4）和（33%，0.7）两点，将两点用直线连接起来，就表示1月份北京气候在直线端点之间变化。用相同的方法将其他月份的空气状态变化表示在生物气候图上。

第三步，气候适应性策略分析。从各月份线段所处位置和长短，可知气温的高低和波动大小，进而结合生物气候各区进行分析，得出相应的气候适应性设计策略。例如，从图C-1可知，北京地区6月大部分时间是舒适的，7—8月偏热，但由于风速在3m/s左右，且盛行西南风，因此，建筑在这三个月若能组织自然通风并做好遮阳，是可以不用空调就实现人体热舒适的。9月和5月，线段左上部进入舒适区，说明白天气候基本上处于舒适区，夜间偏冷。如果白天能在室内蓄存一部分太阳能供夜间采暖，夜间做好避风，是可以实现热舒适的。3月、4月、10月、11月，气候状态点在遮阳线以下，处于冷不舒适区。建筑设计和建筑使用时，要注意积极避风，并争取最大程度的太阳能采暖。12月、1月和2月，气候极其寒冷，必须使用人工采暖设备才能达到热舒适，但这并不意味着利用太阳能采暖没有意义，相反，最大程度使用太阳能可大大节省人工采暖能耗。这寒冷的三个月，要求建筑必须避风，有良好的保温性能，并在白天最大限度争取日照和太阳热蓄存。

图C-1　北京地区生物气候图［151］

值得一提的是，上述生物气候分析方法最初是基于人工空调舒适试验结果而建立起来的。有研究表明，对于自然通风的情况，人体热舒适感觉与人工空调状态下的试验结果并不一致，人体感到热舒适的温度受室外平均气温的影响，随室外平均气温升高而提高［46］。有关这方面的进一步知识，请参阅相关的文献。

附录D　基于平衡点温度确定日照/遮阳的时段和日期

建筑物何时需要日照，何时需要遮阳，是日照与遮阳设计首先要解决的问题。正确确定建筑所需的日照/遮阳时段和日期，关系到日照与遮阳设计的适宜性和经济性，对于选择日照与遮阳策略以及设计遮阳设施的形式和尺寸都有重要意义。日照/遮阳时段和日期的确定不能根据主观臆想，应根据生物气候图和气候状况来定。通常用平衡点温度来作为建筑需要的日照与遮阳的依据。平衡点温度包括采暖平衡点温度和制冷平衡点温度。采暖平衡点温度是指人体在室内感到冷，需要开启设备采暖时对应的室外温度；制冷平衡点温度是指人体在室内感到热，需要开启设备制冷时对应的室外温度。

建筑物从需要采暖转向需要制冷，抑或是从制冷转向采暖，其间通常存在一个过渡时段，在这一时段内，建筑物内部既不用采暖也不用制冷，建筑得热与向外的散热自然相平衡，并维持室内人体所需的舒适温度。人们通常会无意识地采取措施来延长这一过渡时段，例如，感到气候变热了，会开启门窗通风、减少着装，推迟制冷设备的启动时间；感到气候变冷了，会关闭门窗、增加着装，以推迟采暖设备的启动时间。由此推知，在启动制冷设备之前，房间或建筑通常是通风的，室内温度与室外温度相差不会很大。一旦制冷设备启动，为了减少制冷能耗，则要求房间或建筑密闭，此时房间或建筑必须遮阳。因此，制冷平衡点温度决定了必须遮阳的起止时间。同样可知，在启动采暖设备之前，房间或建筑通常是不通风的，室内温度较室外温度高；采暖平衡点温度决定了房间或建筑争取日照的起止时间。

由于使人体热舒适的室内温度是一个范围，人们一般是在范围的低限启动采暖设备，在高限启动制冷设备，这使得两种平衡点温度并不相等。一般情况下，制冷平衡点温度总是高于采暖平衡点温度。两种平衡点温度都与建筑物内的人、照明等设备发热和太阳辐射的得热，以及通风和外围护结构的传热状况有关。与内部产热多的建筑相比，内部产热少的建筑，其采暖平衡点温度较高，即采暖设备的启动时间较早、停止的时间较迟，也就是采暖时间段相对较长；而制冷平衡点温度相对较高、内部产热大的建筑，如观演建筑、教学楼等，平衡点温度较低。对于通风良好或室内产热较少的建筑物，通常以26 ℃作为制冷平衡点温度，以18 ℃作为采暖平衡点温度。对于通风差或室内产热多的建筑物，必须根据建筑物的热量平衡确定其采暖与制冷平衡点温度。下面以厦门地区通风良好的建筑为例说明日照与遮阳的时段和日期的确定方法。

第一步，查找气象资料，将资料表格化。从气象资料中找到典型气象年或标准气象年每月逐时空气温度变化，将其整理成表格。例如，表D-1为厦门地区月逐时空气温度变化表，表中时段1指从0∶00到1∶00时间段，时段2指从1∶00到2∶00时间段，依次类推。表中温度值是在该时段一个月内的平均值。

第二步，将表格色区化，确定日照/遮阳时段。将表中高于制冷平衡温度点的区域用深色表示，处于采暖平行点温度与制冷平行点温度之间的区域用浅色表示。这样，没有颜色的区域为需要日照的区域，浅色区域既不需要日照也不需要遮阳，为过渡季节区域，深色区域为需要遮阳的区域。从表中色区可以明确看出月份的遮阳时段。例如，从表D-1中的深色区域可知，厦门需要遮阳的时间段为：6月从上午9∶00到下午19∶00，7月从上午7∶00到夜间2∶00，8月从上午7∶00到夜间23∶00，9月从上午9∶00到下午19∶00，10月从中午12∶00到下午16∶00。厦门地区5月、6月、7月、8月、9月、10月不需要日照，4月和11月白天不需要日照，而夜间和早晨需要日照，1月、2月、3月和12月无论是白天或是夜间都需要日照。由此可知，厦门5月、6月、7月、8月、9月、10月为热季，4月和11月为过渡季节，1月、2月、3月和12月为冷季。但由于其中温度值是一个月在该时段的平均值，所以，表D-1不能确定具体的日照/遮阳起止日期。

表D-1　厦门地区月逐时空气温度变化表（单位：℃）

第三步，利用线性插值，确定日照/遮阳起止日期。为了利用温度逐时变化表确定日照/遮阳起止日期，有必要作如下假定：气候状态在同一时段的一个月内是线性变化的。也就是说，对于某一月份从月初到月末同一时段温度是线性变化的，从某月份的15日到下一月份15日同一时段的温度也是线性变化的。因此，表中的逐时温度变化近似表达了对应月份15日的气候状态变化。用线性插值的方法可以得出任意一天的温度逐时变化。这样，可以推出一年中需要日照/遮阳的起止日期。例如，对于厦门地区，5月15日下午14∶00—15∶00时段温度最高为25.3℃，6月15日下午14∶00—15∶00时段温度最高为28.4℃，那么在这30天中，此时段温度每天上升（28.4-25.3）/30=0.1033℃。经过（26-25.3）/0.1033=7天后，即5月22日下午14∶00—15∶00时段室外空气温度达到26℃，因此，5月22日是厦门地区一年中遮阳的起始时间。10月15日15∶00温度最高为27.3℃，11月15日15∶00温度最高为23℃，在这30天中，此时段温度每天下降（27.3-23）/30=0.1433℃，经过（27.3-26）/0.1433=9天后，即10月24日最高温度下降到26℃，由此可知，10月24日为厦门地区一年中最后遮阳的日期。同理推之，厦门地区需要日照的起始日期是11月6日，终止日期是下一年4月25日。

从上述分析结果还知道，厦门地区从制冷结束到采暖开始之间的过渡季节时间短，为12天左右，而从采暖结束到制冷开始之间的过渡季节时间相对较长，为27天左右。值得说明的是，本附录主要是介绍确定日照与遮阳时段的方法，对于具体的建筑物，如果要精确确定其日照/遮阳的时段和日期，应根据热量平衡得出其制冷与遮阳的平衡点温度值后，再用此处介绍的方法确定其日照与遮阳的时段和日期。

附录E　基于阳光与风的生态选址分析

阳光和风表征着基址的可再生能源利用潜力，它们不仅影响建筑的朝向与布局，还与建筑物被动采暖与降温措施有关，并直接影响建筑设备的能耗。阳光和风还是室外热环境最重要的组成部分，直接影响室外热环境的设计和创造。基于阳光和风的生态选址分析方法，为我们提供了一种具体的从气候角度分析选择基址的可操作途径。

第一步，建立评判分值。由于阳光和风在不同的气候区所起的作用是不同的，而在同一气候区，不同的建筑对阳光与风的要求也不一样。例如，在冬季，内部发热少的住宅要求有较早的或较多的日照进入，而内部发热多的办公楼则要求较晚或较少的日照。根据不同的气候区和不同的建筑类型，建立对阳光和风的评判分值，是该分析方法首先要做的事情。通常采用0～3分制，0分表示最不希望的最坏的条件，3分表示最希望的最好的条件。表E-1示出了一种常用的评分表。

表E-1　用于评估阳光和风对基地选择影响的评分表

第二步，对地形图的阴影状况进行分析。阴影分析一般取最热月（7月）和最冷月（1月）的代表日进行。分析前，将地形图进行网格划分。利用地形图所在的纬度和代表日的棒影图或其他方法，例如，计算机显现，可在地形图上绘出某时刻的所有阴影区，得出一张带有阴影标记的图层。对多个时刻进行同样处理，可得出多张图层。一般分析选取上午9∶00、中午12∶00和下午15∶00三个时刻即可。参阅表E-1，在各图层的格子中填入对应的分值，然后将相同格子的分值相加，就可得到一张阴影总积分图层。图E-1是温和气候地区的某地形图，上面有一凹形平面建筑物，该建筑西边有一小山丘，小山丘上长有树木，西北面有较高的山丘，而正北面有一洼地。图E-2是1月份的阴影分析及其总积分图层。

图E-1　某温和气候地区地形图

第三步，对地形图的风状况进行分析。从地形图所在的城市和气候区，找到最热月（7月）和最冷月（1月）的风玫瑰图，可以确定风的大小和方向，由此，可在地形图上绘制出风的流动状况，得出一张带有风流动状况的图层。参阅表E-1，在风流动状况的图层格子中填上相应的分值。风流动图也可以用计算机模拟得到。上述地形冬季（1月）风向为西北偏西风，7月盛行南风，图E-3示出了1月和7月的风流动状况以及相应的分值。

图E-2　冬季（1月份）的阴影分析及总积分图层

第四步，季节和年的综合评价。将同一季节风况分析图与阴影分析图叠加，同一格子中各层的数值加起来，就得到相应季节综合评价图层。综合评价图层中，总数值越大的地方说明对于该季节来讲越适合作为建筑基址，反之，则说明是不适宜的。值得说明的是，在这种叠层计算方法中，风况分析图要与所有时刻的阴影图各重叠一次，这样才能使风与阳光的作用并重。对于此处的分析案例，风况分析图要用3次。将不同季节的综合评价图层再次叠加，就可得出年综合评价图层。年综合评价图层中，总数值大的地方说明对于年来讲适合作为建筑基址。图E-4示出了上述地形的季节综合评价结果。如果考虑冬季的阳光和风，那么有三块地适于建造，一是在已有建筑物南侧，二是在已有建筑物的北侧南坡，三是在已有建筑物东北侧，就是冬季1月份图中标注15分的三块涂黑区域。如果出于夏季防热考虑，那么应将建筑物建在树木的东侧或西侧，就是标注13分的黑色区域。图E-5示出了全年综合评价结果，图中分值为27的区域构成了可选的区域，一共有4块。一是现有建筑物北侧南坡地，在那里，不仅冬季有良好的日照和因西侧山丘的阻挡避开了寒风，而且夏季通风良好，它的面积最大，为后续发展提供了较大的可能性，应是最值得推荐之地，缺点是地势不平坦。二是已有建筑物的东北侧，这里冬季日照良好，风速较小，夏季能获得良好的自然通风，且地势平坦，也是值得考虑的地方。另外，就是已有建筑物的东南和西南角，夏季通风良好，冬季分别受到建筑物和树木的挡风作用。考虑到地势问题，东南角较好一些。由此可见，“冬季避风，争取日照，夏季遮阴，争取通风”是基于阳光与风的选址原则。

值得说明的是，这种方法为我们提供了可操作的分析途径，它随着网格的细化而不断精确。在实际工程中，遇到的情况可能比上述例子复杂得多，规划师、建筑师以及从事景观的工程人员可借助于计算机实现阴影和风况的精细分析，从而更真实地再现空气的流动状况，对各种选择方案进行方便的预测和比较。

图E-3　夏季（7月）和冬季（1月）风的流动状况

图E-4　基址选择的季节综合评价图层(www.xing528.com)

图E-5　基址选择的全年综合评价图层

附录F　采光系数的确定方法

在建筑环境中充分利用天然光，不仅能体现建筑利用自然资源的有效性，而且可以保护视力、提高生产和学习效率，满足人们对天然光的喜爱和需要，还能够大大减少人工灯具的耗电发热量，对于建筑节能和环保有双重意义。采光系数是指在全阴天室外光气候条件下，某点照度与同一时刻室外无遮挡水平照度之比，即

采光系数是衡量采光好坏的一个指标，为了满足人们从事某种活动的视觉需要，规范标准对各种工种所需的最小采光系数或平均采光系数做了规定。采光系数的确定，按下列三个步骤进行。

第一步，确定各种活动所需的天然光照度。按活动或视觉要求，从表F-1查出各种活动所需的天然光照度要求。

表F-1　各种活动所需的天然光照度Ei

第二步，确定光气候区的采光修正系数。从相关资料中查到建筑所在的光气候区［152］，得出采光修正系数Ki值：KⅠ=0.85，KⅡ=0.9，KⅢ=1.0，KⅣ=1.1，KⅤ=1.2。

第三步，计算采光系数。我国规定以第皿光气候区的采光系数为标准，其室外临界照度（室内不需要开灯的最小室外照度）取5000 lx，其他光气候区的采光系数在其上进行修正，由此得出计算采光系数的公式为

对于室内植物光合作用所需的采光系数，可用同样的方法确定。

附录G　不同高度风速的确定

由于下垫面物体对风速的阻挡和摩擦，致使风速随离地高度增加而增加。单位高度上风速的增加称为风速梯度。不同的下垫面对风速的阻挡和摩擦是不一样的。在大城市的中心，由于建筑物密集且高低不一，高层建筑较多，导致风速梯度在近地面不及在乡村和海滩明显。风速随高度的变化并非无止尽的增加，当高度达到一定程度后，风速不再随高度增加而增加。这种变化可以近似用指数函数来表示。

如果所求风速点的高度≤10m，且已知当地机场10m高处的风速，可以直接在图G-1纵坐标中代入高度值，水平向右与对应的曲线相交，由交点垂直向下可得一比值，将该值乘以机场10m高处风速值即得所求风速。

图G-1　从机场风速确定某高度风速

如果是已知当地机场或气象站的测点高度以及风速值，就将气象站（或机场）测点高度h0、风速值V0和所求风速点高度h代入式（G-1）中，从表G-1中找到对应的n值，求出风速V。

表G-1　不同地点的n取值

附录H　建筑物得失热量的估算

要利用自然通风和蒸发冷却技术使建筑物室内在夏季达到热舒适，一方面，必须估算建筑物在夏季的净得热量，从而设计自然通风口的尺寸和确定蒸发冷却措施，以带走这些热量；另一方面，在冬季要利用太阳能来采暖或利用覆土保温，又要估计建筑物的失热量。建筑物得失热量的估算，要考虑室内人员、照明设备和其他运行设备的产热，以及通过围护结构的热交换量，包括透过门窗的太阳辐射、空气渗透和导热传热。估算建筑物得失热量，必须分别估算各相关项。

第一，估算室内人体产热Q1。室内人体产热与人体活动量有关，根据人体活动或典型的建筑类型，从表H-1估算单个人体发出的显热和潜热，将显热和潜热相加就可得到单个人体的总产热量。根据建筑类型从表H-2估算人口密度（人/100m2）。

表H-1　活动程度与人体产热量

表H-2　建筑类型与人口密度

将表H-2的人口密度与表H-1的单人发热量相乘，就得到每100m2人体发热量，从而得到每平方米的人体产热量（W/m2）。值得说明的是，表H-2中带*栏对应的是整栋建筑的人口密度，而不带*的是某一空间的人口密度。在没有详细资料时，可用上表估算，而有详细资料时，按实际情况进行估算更为准确。

第二，估算室内照明产热Q2。照明产热与室内照度要求、灯具的类型和效率有关。根据活动要求从表H-3找到照度要求或根据图H-1找到相应的推荐照度值，然后结合图H-2中的灯具类型和效率，可得出每平方米的灯具发热量（W/m2）。

表H-3　工作种类与照度要求

图H-1　用推荐照度值和灯具类型求灯具的发热量

值得说明的是，同种类型的灯具，如果发光效率高，取区域靠左的值，反之，取区域靠右的值；另外，在建筑照明系统设计中，当灯具选择后，就可以知道其具体热效率，从而对其进行准确计算。

第三，估算室内设备产热Q3。如果没有详细的资料，可根据建筑类型从表H-4估算建筑物室内设备产热量。表中“低”值意味着设备新、效率高和设备少，“高”值意味着设备旧、效率低和设备多。如果有详细资料，则按详细资料计算。

图H-2　灯具类型及其热效率（W/（m2·lx））

表H-4　建筑物室内设备产热量

第四，估算围护结构传热量Q4。如果窗是双层玻璃窗，从图H-3左边横坐标找到围护结构不透明部分的传热系数，对应到双层玻璃占围护结构面积的百分比线，得到一个交点；由交点向右与右图斜线相交，由交点向上在横坐标上得出温差为1℃的热流值，用该值乘以室内外温差就得到对应于每平方米地板的散热量，用该散热量乘以地板总面积即可得出建筑物总散热量。如果窗不是双层玻璃，就应该折算为双层玻璃，例如单层玻璃窗的传热系数为6.4W/（m2·℃），大概是双层玻璃窗的2倍，因此40%的单层玻璃窗就可以视为80%的双层窗估算。如果这种折算超过了100%，那么就先用超过的百分数来查，得出围护结构的传热系数后，再加上对应的整数值。例如，有一建筑外围护结构，不透明部分传热系数为0.15W/（m2·℃），60%的单层玻璃窗，求内外温差为1℃时的散热量。60%的单层玻璃窗折算为120%的双层窗，就先用20%双层窗查出对应的围护结构传热系数值为1.27W/（m2·℃），再加上1W/（m2·℃）就得出总传热系数为2.27W/（m2·℃）。该图也可按相反的顺序来使用，即从热流强度开始，确定不透明外围护结构所需的传热系数K值。

第五，估算太阳辐射得热量Q5。从表H-5找到相应玻璃或窗的遮阳系数SC1，再从表H-6找到内遮阳或外遮阳系数SC2，就可计算窗口的综合遮阳系数值（SC1×SC2）。从文献［153］附录中找到相应的日射得热因子，代入图H-4中左图横坐标对应到窗面积百分线得一交点，由该交点向右与综合遮阳系数相交，再从该交点对应到右图水平轴，就得到单位外表面积的日射得热量。用该值乘以建筑外表面积就得到总的日射得热量。

图H-3　围护结构本身传热量的估算

表H-5　玻璃或窗的遮阳系数Sc1

表H-6　内遮阳或外遮阳系数SC2

注：*位于窗口上方的上一楼层的阳台也作为遮阳板考虑。

图H-4　利用太阳日射得热因子和遮阳系数估算太阳辐射得热量

第六，估算通风换气与空气渗透得失热量Q6。对于商业建筑或集合住宅，可以根据通风换气次数的要求，从表H-7中查出相对于每平方米地板每1 ℃温差下的通风换气得失热量值；如果知道了住宅建筑的构造状况，则可从表H-8查出相对于每平方米地板每1 ℃温差下因空气渗透的得失热量值。将查出的值乘上室内外温差，再乘以地板面积，就得到相应的得失热量。

表H-7　商业建筑和集合住宅单位地板面积单位温差下的通风换气得失热量值

表H-8　住宅建筑单位地板面积单位温差下空气渗透得失热量

第七，将所求的各项热量代入式（H-1），估算建筑物的得失热量。式中“±”表示该项热量可从室外传向室内（取正号），也可从室内传向室外（取负号）。

附录I　风压、热压、混合通风冷却能力的估算

建筑的自然通风按照空气流动的动力不同，分为风压通风、热压通风以及二者兼有的混合通风，它们主要是靠建筑物的一些开口（门、窗等）和空间组织（过道、中庭、天井等）来实现的。空气绕建筑物流动时，会在建筑物外围产生空气压力Pv=kρv2/2（其中k为空气动力系数，v为空气流速；ρ为空气的密度）。如果在建筑物的开口两侧存在空气压力差ΔPv，空气就会在这个压力差的作用下从高压区流向低压区，这种流动通风称为风压通风，其驱动力可表示为ΔPv=ξρu2/2（其中ξ为洞口的局部阻力系数，u为空气流过洞口的速度）。风速越大产生的抽吸力越强，这就是伯努利效应；气流流动时会因为空间的收缩而引起加速，这就是文丘里效应。由于温度高的空气轻，温度低的空气重，因此，相同高度的热冷空气就会因温度不同而形成重力差（其中h为进出口高差，g为重力加速度，Δt为进出口空气温差（℃）为进出口空气绝对温度平均值（K）），驱使空气流动，称为热压通风。混合通风冷却能力的估算，必须首先分别估算风压通风冷却能力和热压通风冷却能力。

第一，风压通风冷却能力的估算。找到建筑物的迎风速度即“设计”风速和进出风口的面积大小，从图I-1中横纵坐标出发在图中找到交点，从交点可读出风向入射角为0°～40°、室内外温差为1.7℃时的冷却能力，然后再进行温差和风向的修正，如果实际室内外温差为ΔT，则将所得冷却能力乘以比值ΔT/1.7；如果风向入射角为40°～60°，就乘以系数0.714；如果风向入射角为60°～80°，就乘以系数0.4。值得说明的是，风向可以用风玫瑰图确定，而实际风速的大小要考虑具体条件。关于风速沿高度的变化，请参阅附录G“不同高度风速的确定”；关于高层建筑引起的各种风效应，请参阅5.3.4“注意高层建筑形状引起的各种风效应”；关于建筑物间隔和密度对风速的影响，请参阅5.3.7“安排建筑疏密控制空气流动”；关于防风物或建筑对风速的影响，请参阅5.3.12“利用防风物或建筑围合抵御寒风”；关于风速大小对人体热舒适的影响，请参阅附录B“人体热舒适与生物气候图”。在缺乏详细资料的情况下，可用0.5的衰减因子对当地机场或气象风速大小进行修正。

另外，图I-1也可以反过来用，即知道了风速大小和方向以及建筑物的得热量，可以确定进风口或出风口的面积大小。在这种情况下，如果室内外温差低于或高于1.7℃，开口需要按比例修正，乘以1.7/ΔT；如果风向入射角为40°～60°，开口就乘以系数1.4；如果风向入射角为60°～80°，开口就乘以系数2.5。

第二，热压通风冷却能力的确定。首先按均匀断面来估算热压通风冷却能力：找到热压通风进出风口高度差及其断面积大小，从图I-2横纵坐标出发在图中找到交点，从交点可读出均匀断面、室内外温差为1.7℃时的热压通风冷却能力。然后，再进行温差和断面修正：如果实际室内外温差为ΔT，则将所得冷却能力乘以　如果断面不均匀，就从图I-3的横坐标找到进风口相对于出风口的比值，查出相对的冷却量或风量增加的百分数。将增加量加到均匀断面条件下估算的冷却量就是热压通风的冷却能力。

另外，图I-2也可以反过来用，即知道了烟囱高度和建筑物得热量，可以确定烟囱的断面面积，同样，知道了烟囱断面面积和建筑物得热量，可以确定烟囱的高度。

图I-1　风压通风冷却能力的估算

图I-2　热压通风冷却能力的估算

图I-3　热压通风冷却能力的修正

第三，混合通风冷却能力的确定。求得风压通风的冷却能力和热压通风的冷却能力后，将风压通风冷却量代入图I-4纵坐标，水平移动到与热压通风冷却能力曲线相交，从交点向下与横坐标的交点值即为混合通风的冷却能力。混合通风的冷却能力是以单位地板面积表示的，用该值乘以地板总面积，就得出总的混合通风冷却能力。

图I-4　混合通风冷却能力的估算