城市局地熱氣候預測及熱島效應緩解策略

宋曉程，劉 京，2，林姚宇，劉 琳，王 丹

(1.哈爾濱工業大學市政環境工程學院，150090哈爾濱;2.城市水資源與水環境國家重點實驗室(哈爾濱工業大學)，150090哈爾濱;3.哈爾濱工業大學深圳研究生院深圳市城市規劃與決策仿真重點實驗室，518055廣東深圳)

一直以來城市熱島問題備受人們關注.大量研究分析表明，城市熱島效應的分布特征與城市下墊面的結構形態密切相關［1］，是熱島效應問題研究的重點和難點.研究方法也由過去單一的實地觀測［2］發展到遙感成像［3］、數值模擬［4］等結合的多樣化研究.

目前國內局地城市熱島效應問題中涉及空間風場和溫度場的數值模擬以CFD模擬的應用尤為廣泛.但是CFD模擬在局地城市熱氣候問題研究方面存在計算容量要求高，長期動態模擬計算周期較長等問題.針對長期動態熱島效應問題，CFD模擬較難發揮其精確捕捉計算域內三維空間場分布的優勢.而城市冠層模型不拘泥于城市內復雜的布局，彌補了CFD模擬的缺陷，通過對冠層內的熱質交換計算研究城市高溫化的成因，得到越來越多的推廣和應用［5］.然而國內采用冠層模型研究局地城市熱島效應的相關研究較少，且缺少具體定量分析.

基于以上背景，本文采用課題組研發的多用途建筑區域熱氣候預測模型和軟件，以深圳國際低碳城核心啟動區為對象，在夏季最熱月情況下對該區域的夏季熱環境進行了長期動態模擬，研究其局地城市熱島效應及改善策略.

1 研究方法

1.1 多用途建筑區域熱氣候預測模型

多用途建筑區域熱氣候預測模型由多個模塊互相耦合構成，考慮了城市大氣熱力、動力特性和各種城市下墊面熱物性對城市熱氣候的影響.模型還可根據需要，模擬實際城市區域尤其是大型城市綜合體(由居住、辦公、商業金融、文化娛樂、學校等各用途類型建筑共同構成的多功能建筑群落)中不同建筑負荷、設備性能并存以及和城市熱氣候之間相互作用的復雜情況.為維持這些建筑的室內環境，需要將內部負荷通過空調制冷系統排至室外.而人工排熱量影響室外熱氣候，從而反過來又影響建筑內部負荷.因此本模型考慮了多用途類型建筑并存的城市區域實際情況，針對各用途類型建筑采用不同的內部負荷逐時變化規律、空調制冷系統的形式和安裝位置等機制，考慮不同用途建筑排熱對區域內部熱氣候的影響差異.

多用途建筑區域熱氣候預測模型和軟件的主要結構示意見圖1.

圖1 多用途建筑區域熱氣候預測模型軟件結構示意

相應計算模塊簡介如下:

局地氣候計算模塊基本方程式參照近藤等提出的城市冠層理論并進行了適當修改［6］，對于建筑群之間及其上部的空氣塊，只考慮垂直方向的溫度、風速和含濕量分布變化.

室內外熱濕負荷模塊 包含了居住、辦公、商業金融、文化娛樂、學校等各種類型的建筑，要注意的是，不同類型建筑內部的負荷逐時變化規律、空調制冷系統的形式、安裝位置等都存在明顯差異，對區域內部熱氣候的影響也就不同.本模式中考慮了多功能類型建筑并存的城市區域實際情況［7］.

下墊面-大氣間熱過程模塊實際的城市區域內除建筑表面外，還存在大量各類型下墊面.這些下墊面通過不同形式與大氣間進行熱量和水分等物質能量交換，從而極大影響了城市區域內的熱氣候和風環境.本模型中考慮了不透水人工表面(如建筑外表面、混凝土路面等)、土壤、綠地(草地及樹木)以及自由水面等常見的下墊面形式［8］.

太陽輻射計算模塊本模型利用的是光線追蹤法(ray tracing method).當區域內存在樹木時，樹木對太陽輻射具有衰減作用.本研究中假設這種衰減作用與輻射波長以及入射角大小無關，則衰減程度將只是光波通過樹冠距離的函數.

熱舒適性計算模塊本研究采用新標準有效溫度SET*作為室外舒適性指標［9］.該指標不同于其他根據主觀評價統計得到的舒適性計算方法，而是以人體生理反應模型為基礎，通過分析人體與周圍空氣間的傳熱過程導出的.通過冬夏季室外實測和問卷調查方法對各種現有舒適性指標的適用性進行了比較，SET*被認為是最為合理科學的室外動態舒適性指標之一［10］.具體建模時，利用Gagge的二節點模型來描述人體在非穩態溫度或風速環境中的熱反應.同時認為人體與周圍環境之間的輻射換熱(用室外平均輻射溫度表示)由兩部分組成:人體與不考慮日射輻射的室外環境之間的輻射換熱加上太陽直射輻射被吸收的部分.后者通過采用蒙特卡洛法求得人體與室外建筑、路面以及天空之間的角系數后進行太陽輻射計算［9］.室內SET*溫度區間劃分及其與人體熱舒適的對應關系見表1.

模型中各模塊的具體計算方法、設定依據及驗證詳見文獻［7-9］.在該計算模型基礎之上，課題組開發出方便用戶操作使用的多用途建筑區域熱氣候預測軟件，從而進行城市區域熱氣候的長期動態預測與評價.

表1 SET*和熱感覺對應關系［11］

1.2 城市熱島強度評價

城市熱島強度是指城市與其附近郊區之間的空間平均溫度差值.但這個籠統的概念根據研究者的關注點不同而涵蓋了多樣化理解和認知.其結果也因“附近郊區”、“天氣狀況”和“時間軸”等因素的選取而各異.在“附近郊區”地理位置確定情況下，通常在晴朗無風天氣條件下，針對研究對象比較不同時間段，如天、月、季和年等熱島效應.熱島強度通常采用最大熱島強度和平均熱島強度進行對比分析.如《國家生態園林城市標準》規定城市熱島效應程度采用城市市區6～8月日最高氣溫的平均值和對應時期區域腹地(郊區、農村)日最高氣溫平均值的差值表示，相當于最大熱島強度的定義思路;而《綠色建筑評價標準》則采用住區室外日平均氣溫差值表示熱島效應程度，相當于平均熱島強度的定義思路.基于上述研究理念，本研究中以計算區域1.2 m處空氣溫度作為不同區域的空氣代表溫度，采用以下兩種熱島強度的評價方法［12］:

1)最大局地熱島強度

式中:Tu1.2max為城市內部計算區域日空氣溫度最大值，Tr1.2max為對應時期區域腹地(郊區、農村)內1.2 m處日空氣溫度最大值，t0為計算初始時刻，t1為計算終了時刻．

2)平均局地熱島強度

式中:Tu1.2為城市內部計算區域1.2 m處空氣溫度逐時值，Tr1.2為對應時期區域腹地(郊區、農村)內1.2 m處空氣溫度逐時值，t0為計算初始時刻，t1為計算終了時刻．

2 局地熱島效應現狀模擬

2.1 計算條件

本研究以深圳市國際低碳城核心啟動區為研究對象，該區域占地面積約1平方公里，建筑類型各異，區域建筑面積規劃包含了工業建筑(76.3%)、居住建筑(8.4%)、商業建筑(2.5%)和學校類文化建筑(15.5%)等四類，具體土地利用現狀圖見圖2.根據地方相關建筑節能設計標準［13-14］，設定上述類型建筑的用能和人為熱排放情況具體內容.屋頂綠化暫時未考慮.除建筑排熱外，城市交通產生的汽車廢熱排放也必須考慮.本研究選擇深圳地區全年最熱的7～8月的4周時間作為計算期間.逐時氣象數據來源于中國氣象局信息中心與清華大學建筑技術科學系聯合開發的氣象數據庫［15］.

圖2 啟動區土地利用現狀

為研究現狀條件下炎熱夏季該區域的熱島強度，設定兩個算例:

1)工況1——實際工況，對應于啟動區目前實際的下墊面構成和城市人為排熱情況，反映該區域熱氣候現狀，具體下墊面構成見表2.

2)工況0——基準工況，以深圳市周邊郊區現狀作為實際工況的對比算例.具體下墊面構成見表3.

表2 工況1下墊面構成

表3 工況0下墊面構成

2.2 計算結果分析

圖3為計算期間工況1與工況0對應日最高氣溫及最大局地熱島強度變化圖.按照計算的典型月結果推算，計算期間內工況1的日最高氣溫平均值為31.51℃，工況0的日最高氣溫平均值為30.24℃.按照式(1)可得該區域最大局地熱島強度值約為1.27℃，低于《國家生態園林城市標準》給出的2.5℃限值.

圖3 工況1與工況0對應日最高氣溫及差值

圖4為計算期間內工況1與工況0對應日平均氣溫及平均局地熱島強度變化圖，按照計算的典型月結果推算，計算期間內工況1全天平均氣溫為28.43℃，工況0全天平均氣溫為27.19℃.按照式(2)可得該區域平均局地熱島強度為1.24℃.深圳市氣象局采用同樣的指標(僅郊外氣象站的位置選擇有所不同)實測發布的夏季平均城市熱島強度為1.17℃［16］.這說明:1)數值模型預測結果可信;2)總體上該區域的熱島強度處于深圳市的平均偏高水平.對比圖3可以看出，最大局地熱島強度值更多體現氣溫在最熱的極端情況下的城郊氣候差異;而局地熱島強度值則反映的是全天氣溫城郊氣候的平均差異.二者有聯系但又有區別，對本研究對象來說，平均局地熱島強度值低于最大局地熱島強度值.

圖4 工況1與工況0對應日平均氣溫及差值

3 緩解熱島強度策略分析

3.1 緩解策略

本研究擬通過調節城市下墊面構成，以增加“良性下墊面”(如水體、樹木、草地等)覆蓋率，減少人工不透水下墊面的方法探討進一步降低局地熱島強度的方法.具體調節工況計算條件見表4.

表4 調節工況計算條件

與表1中給出的工況1相比，工況2首先有意識地減少了不透水人工表面覆蓋率，在可能范圍內分別提高了樹木、草地和水體覆蓋率;工況3在工況2基礎上進一步降低不透水人工表面覆蓋率，提高樹木覆蓋率;工況4采用與工況3同樣的不透水人工表面覆蓋率，但減少水體表面覆蓋率，提高草地覆蓋率.

3.2 緩解效應結果與分析

圖5為各調節工況對應的最大局地熱島強度值.與實際工況(工況1)相比，各調節工況對應的熱島強度值均有所下降，其中工況3對應值最低(約為1.10℃)，比工況1降低0.17℃左右.考慮到宏觀尺度的氣候規模，0.17℃已經是非常明顯的效果.可以看出，對下墊面構成進行有效規劃和合理配置，可在一定程度上降低熱島強度.工況4的熱島效應值略高于工況3，說明在白天氣溫較高的時段，相對于草地而言，利用水體降溫的效果更好.其主要原因在于，研究對象中的“良性下墊面”，尤其是水體部分具有熱容量大，蓄熱能力強的特點，其面積的增加對抑制白天最高氣溫效果最為明顯.

圖6為各調節工況對應的平均局地熱島強度值.可以看出3個調節工況同樣起到了緩解熱島現象的作用.與上述最大局地熱島強度計算結果相似，工況3的平均局地熱島強度數值最低(約為1.12℃)，比工況1降低了0.12℃.進一步分析白天和夜間不同時段，可以發現對應于3個調節工況，白天平均熱島強度和夜間平均熱島強度相比于工況1也都有不同程度的降低，且工況3降低的數值也是最多的;可見，良性下墊面比率的增加對緩解平均局地熱島強度同樣起到明顯的效果.

圖5 各工況最大局地熱島強度值對比

圖6 各工況平均局地熱島強度值對比

同時，對比白天和夜間的平均局地熱島強度，發現夜間熱島強度值要高于白天熱島強度值，主要原因在于城市內部下墊面白天積蓄的熱量在夜晚擴散，使得夜間的氣溫比郊區要高，進而導致夜間的平均局地熱島強度高于白天.該結果得到了大量現場實測的印證.

圖7給出了各工況對應的SET*區間的時間長度比率．其中橫坐標對應表1中SET* 區間的劃分，每個區間對應不同的人體熱感覺，縱坐標為計算周期內各SET*溫度區間所對應的時間累計值占總時間長度的比率．4個工況的SET*值都集中在25.6～37.5℃;并且相對于工況1，3種調節工況在超過30℃(感覺熱不適)的時間長度比率均有不同程度下降;工況2、3、4相比于工況1超過30℃的時間長度比率分別下降了2.2%、3.7%和4.6%.而感覺相對舒適的比率區間(25.6～30.0℃)相對于工況 1則分別升高了 2.2%、3.7%和4.6%;由此可見，與前文局地熱島強度的結論有所不同，工況4在改善熱舒適性方面具有更好效果，即草地覆蓋率的適當增加更能有效地提高室外環境舒適度.其原因主要在于，熱島強度反映的是城郊空氣溫度的差異，而人體的熱感覺與熱舒適則與太陽輻射、溫度、相對濕度、風速等多種室外環境因素相關.本研究中，工況4相比于工況3對于室外局地熱舒適的綜合調節作用更加明顯.

4 結論

1)以深圳市國際低碳城核心啟動區為對象，利用多用途建筑區域熱氣候預測模型預測的區域最大局地熱島強度值約為1.27℃，平均局地熱島強度為1.24℃，略高于深圳市氣象局實測發布的2012年夏季平均城市熱島強度1.17℃.

2)最大局地熱島強度值體現白天最熱極端情況下的城郊氣候差異，平均局地熱島強度值則反映城郊全天氣溫平均差異.按照這兩種指標衡量的研究區域熱島強度值均處于適中水平.對比白天和夜間不同時段的平均局地熱島強度，夜間熱島強度值高于白天熱島強度值.

3)無論采用最大局地熱島強度值或者平均局地熱島強度值，均可發現增加“良性”下墊面覆蓋率可不同程度地降低熱島強度，其中水體和樹木覆蓋率的作用最為明顯，其次為草地.另外，適當增加草地覆蓋率能更有效地提高室外環境舒適度.

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