日照的基本原理

一、日照的作用与建筑物对日照的要求
阳光直接照射到物体表面的现象，称为日照。阳光直接照射到建筑地段、建筑物外围护结构表面和房间内部的现象称为建筑日照。建筑日照主要是研究太阳直射辐射对建筑物的作用和建筑物对日照的要求。
由于阳光照射，引起动植物的各种光生物学反应，因而促进生物机体的新陈代谢。阳光中所含紫外线能预防和治疗一些疾病，如感冒、支气管炎、扁桃腺炎和佝偻病等。因此，建筑物具有适宜的日照有着重要的卫生意义；其次，阳光中含有大量红外线和可见光，若冬季能直射入室内，所产生的热效应能提高室内温度，有良好的取暖和干燥作用；此外，日照对建筑物造型艺术有不可替代的作用与影响，直射阳光不仅能增强建筑物的立体感，不同角度变化的阴影使建筑物更具艺术风采。
过量的日照，特别是在我国南方炎热地区的夏季，容易造成室内过热，恶化室内热环境；若阳光直射到工作面上，可能产生眩光，不仅会影响视力、降低工作效率，甚至造成严重事故；此外，直射阳光对许多物品有褪色、变质等损坏作用，有时还有导致爆炸的危险。
建筑工作者之所以要掌握日照知识，概括起来，就是要根据建筑物的性质、使用功能要求和建筑条件，通过必要的建筑措施争取日照或者避免日照。
建筑日照设计的任务，主要解决以下一些问题。
(1)按地理纬度、地形与环境条件，合理地确定城乡规划的道路网方位、道路宽度、居住区位置、居住区布置形式和建筑物的体形；
(2)根据建筑物对日照的要求及相邻建筑的遮挡情况，合理地选择和确定建筑物的朝向和间距；
(3)根据阳光通过采光口进入室内的时间、面积和太阳辐射照度等的变化情况，确定采光口及建筑构件的位置、形状及大小；
(4)正确设计遮阳构件的形式、尺寸与构造。
建筑日照设计是城乡规划和建筑设计中必须考虑的重要因素，且随着城市化进程和建筑事业的发展、人们对环境质量要求的提高，其意义将更为广泛和深远。

二、地球绕太阳运行的规律
地球属于太阳系的一个行星，除绕地轴自转外，还绕太阳公转。自转一周为一天，公转一周为一年。地球公转的轨道平面称为黄道面。地球在自转与公转的运动中，其地轴始终与黄道面保持66°33'的夹角。这样，太阳光线直射在地球南、北纬度23º27'之间的范围内，并且年复一年、周而复始地变动着，从而形成了地球上春、夏、秋、冬四季的更替。

通过地心并与地轴垂直的平面与地球表面相交而成的圆，即是地球的赤道，太阳光线与地球赤道面所夹的圆心角，即所谓太阳赤纬角d。赤纬角从赤道面起算，向北为正，向南为负。显然，赤纬角变化于±23º27'范围内。
春分时，阳光直射地球赤道，赤纬角为0º，阳光正好切过两极，因此，南北半球昼夜等长；
夏至日，阳光直射北纬23º27'，且切过北极圈，即北纬66º33'线，这时的赤纬角为23º27'。赤纬亦可看作是阳光直射的地理纬度。在北半球从夏至到秋分为夏季，北极圈内都在向阳的一侧，故为“永昼”；南极圈内却在背阳的一侧，故为“长夜”；北半球昼长夜短，南半球则昼短夜长。
夏至以后，太阳不再向北移动，而是逐日南移返回赤道，所以北纬23º27'处称为北回归线。当阳光又直射到地球赤道时，赤纬角为0º，称为秋分。这时，南北半球昼夜又是等长。
阳光继续向南半球移动，达南纬23º27'时，即赤纬角为-23º27'，称为冬至。此时，阳光切过南极圈，南极圈内为“永昼”，北极圈内背阳为“长夜”；南半球昼长夜短，北半球则昼短夜长。
冬至以后，阳光又向北移动返回赤道，当回到赤道时，又是春分了。如此周期性变化，年复一年。































由上所述可以看出，地球在绕太阳公转的行程中，太阳赤纬角的变化反映了地球的不同季节。或者说，地球上的季节可用太阳赤纬角代表。全年主要季节的太阳赤纬角占值列于表1．5·1。

地球绕太阳运行，相对来说，我们在地球上见到的却是太阳在天空中移动。为了确切地描述太阳在天空中的移动与位置，必须要选定一套合适的坐标系统，正如为了确定地球表面某点的位置，采用经度和纬度来表示一样。为了说明太阳在天空中与地球的相对运动，假定地球不动，以地球为中心，以任意长为半径作一假想球面，天空中包括太阳在内的一切星体，均在这个球面上绕地轴转动，这个假想的球体，称为天球。延长地轴线与天球相交的两点称为天极，PN为北天极；PS为南天极，PNPS即为天轴。扩展地球赤道面与天球相交所成的圆QQ’称为天球赤道，如图1．5—3所示。由于黄道面与天轴的夹角为66º33'，则黄道面与天球赤道面夹角为23º27'，这就是黄赤交角。天球赤道与黄道相交的两点即为春分与秋分。就是说，太阳沿着天球黄道周而复始地绕地球运行。

三、太阳位置的确定，太阳高度角和太阳方位角的计算
太阳在天球上的位置每日、每时都有变化。为了确定其位置，常用赤道坐标系和地平坐标系来共同表示。

赤道坐标系是把地球上的经、纬度坐标系扩展至天球，在地球上与赤道面子行的纬度圈，在天球上则叫赤纬圈；在地球上通过南北极的经度圈，在天球上则称时圈。以赤纬和时角(W)表示太阳的位置。所谓时角，是指太阳所在的时圈与通过南点的时圈构成的夹角，单位为度。自天球北极看，顺时针方向为正，逆时针方向为负。时角表示太阳的方位，因为天球在一天24小时内旋转360º，所以每小时为15º。在观察时刻大阳所处位置之时角的值 W 51 =（t-12）。

地平坐标系是以地平圈为基圈，用太阳高度角hs和方位角As来确定 太阳在天球中的位置。
所谓太阳高度角是指太阳直射光线与地平面间的夹角。
太阳方位角是指太阳直射光线在地平面上的投影线与地平面正南向所夹的角，通常以南点S为0º，向西为正值，向东为负值。
任何一个地区，在日出、日没时，太阳高度角hs=0º；一天中的正午，即当地太阳时12时，太阳高度角最大，此时太阳位于正南(或正北)，即太阳方位角As=0º(或180º)。
任何一天内，按当地太阳时，上、下午太阳的位置对称于正午。例如下午3h15min对称于上午8h45min，二者太阳高度角和方位角的数值相同，只是方位角的符号相反，表示上午偏东，方位角为负值；下午偏西，方位角为正值。

我们总是从地球某一地点的地平面上观察太阳的运行，因此观察点的地理纬度是确定的。假如以北纬30º地区为例，选定春分、夏至、秋分和冬至四个代表日来观察太阳运行的规律，便能从图1．5-7中看到：
(1)春分日和秋分日，太阳从正东方升起，12时到达子午线，方位正南，然后从正西日投，且昼夜时段平分；
(2)夏至日，太阳从东北方升起，绕过东南向，12时到达子午线上，方位正南，然后经西南向到西北向日没。在一年之中的昼间时段最长、夜间时段最短；正午太阳高度角最大；
(3)冬至日，太阳从东南方升起，12时到达子午线，方位正南，然后在西南向日没，且在一年之中昼间时段最短、夜间时段最长；就正午而言，一年中该日的太阳高度角最小。

由于地理纬度的不同，从地平面观察到的太阳视轨迹亦不一样，因此，太阳的准确位置应按太阳高度角与太阳方位角来确定。

太阳高度角和太阳方位角的计算：

特殊时刻的太阳高度角和太阳方位角：
（1）日出、日落时刻（hs=0)：

（2）正午时刻（As=0)：

四、地方时与标准时
一天时间的测定，是以地球自转为依据的。日照设计所用的时间，均为当地平均太阳时，它与日常钟表所指示的标准时之间往往有一差值，故需加以换算。
所谓平均太阳时，是以太阳通过该地子午线为正午12h来计算一天的时间。这样，经度不同的地方，正午时间都不同，使用很不方便。因此规定在一定经度范围内统一使用一种标准时，在该范围内同一时刻的钟点均相同。
经国际协议，以本初子午线处的平均太阳时为世界时间的标准，叫“世界时”。将整个地球按地理经度划分为24个时区，每个时区包含地理经度15º。以本初子午线东西各7.5º为零时区，向东分12个时区，向西亦分12个时区。每个时区都按它的中央子午线的平均太阳时为计时标准，称为该时区的标准时，相邻两个时区的时差为1h。

我国地域辽阔，从东五时区到东九时区，横跨5个时区。为了方便起见，统一采用东八时区的时间，即以东经120º的平均太阳时为全国标准时，称为“北京时间”。北京时间和世界时相差8h，即北京时间等于世界时加上8h。

根据天文学有关公式，地方平均太阳时与标准时之间的转换关系为:
T0 = Tm + 4(L0 - Lm) + Ep
式中 T0——标准时间(h：min)；
Tm--—地方平均太阳时(h：min)；
L0——标准时间子午线的经度(deg)；
Lm——当地时间子午线的经度(deg)；
Ep——均时差(min)。
Ep是一个修正系数，这是因为地球绕太阳公转的轨道是一个椭圆，且地轴倾斜于黄道面，致使一年中太阳时的量值不断变化，故需加以修正。Ep值的变化范围是从-16min到+14min之间。考虑到日照设计中所用的时间不需要那样精确，Ep值一般可忽略不计，而近似地按下式换算：
T0 = Tm + 4(L0 - Lm)