為“火爐”城市“滅火”

本刊記者 魯長國

為“火爐”城市“滅火”

本刊記者 魯長國

自上世紀(jì)90年代以來，我國城市建設(shè)規(guī)模大幅擴大。隨著城市規(guī)模的不斷擴大，城市居住區(qū)熱環(huán)境問題越來越突出，夏季時全國多地氣溫居高不下，人民的生活環(huán)境“如火益熱”，越來越多的城市變成“火爐城市”。城市居住區(qū)熱環(huán)境問題直接影響到了人們戶外活動的熱安全性和熱舒適度，如果一個城市的高溫得不到緩解，將會出現(xiàn)很多社會問題。

華南理工大學(xué)建筑學(xué)院副院長，華南理工大學(xué)建筑節(jié)能研究中心主任，亞熱帶建筑科學(xué)國家重點實驗室副主任孟慶林指出：“目前完全避免熱島效應(yīng)是不可能的，該做的是尋找緩解的辦法。”他呼吁給城市“滅火”，為城市人為降溫。

突破原理瓶頸，建立理論體系

所謂的“給城市滅火”，其實就是要打造一個生態(tài)、宜居的城市環(huán)境，即建立綠色環(huán)保建筑社區(qū)，使城市能夠應(yīng)對氣候變化等。如何才能做到這一點？孟慶林希望通過“現(xiàn)代城市熱環(huán)境調(diào)控關(guān)鍵技術(shù)創(chuàng)新與應(yīng)用”項目來做出回答。

該項目由孟慶林領(lǐng)銜，項目組成員來自華南理工大學(xué)、清華大學(xué)、中國建筑科學(xué)研究院、廣東省建筑科學(xué)研究院集團股份有限公司、北京工業(yè)大學(xué)、洛陽眾智軟件有限公司。在十余項國家、省、市科研計劃項目的支撐下，他們力求從建立城市熱環(huán)境調(diào)控過程理論、創(chuàng)新設(shè)計原理、研發(fā)仿真平臺、開發(fā)測試技術(shù)裝備等方面突破關(guān)鍵技術(shù)瓶頸，實現(xiàn)創(chuàng)新性的進(jìn)步。

孟慶林教授榮獲中國建筑學(xué)會科技進(jìn)步獎一等獎

經(jīng)過調(diào)研，項目組發(fā)現(xiàn)，城市界面熱濕交換機理不完善是一大難題。為此，他們提出被動蒸發(fā)冷卻模型計算理論，并建立了熱濕氣候邊界條件下含濕多孔材料的熱濕耦合遷移模型，離散求解了砂層含水熱濕耦合遷移方程。該系列成果完全經(jīng)得起實驗驗證，被鑒定為達(dá)到國際領(lǐng)先水平，并被授予第七屆城市氣候國際會議（ICUC-7）特別論文獎——“Japan Prize”。

“樹冠換熱模型計算理論”也是他們做出的一大突破。以此為基礎(chǔ)，他們建立了非透明體和半透明體同時存在情況下的通用輻射計算體系，系統(tǒng)地解決了植物冠層對太陽輻射和周圍環(huán)境輻射的換熱模擬問題。基于該成果發(fā)表的論文被ESI科學(xué)指標(biāo)數(shù)據(jù)庫高被引論文收錄，被引次數(shù)進(jìn)入工程學(xué)領(lǐng)域前1%，并獲第11屆國際建筑性能模擬大會Best Poster Paper獎。再加上完善了植被層換熱模型計算理論、提出了逐時降雨模型的建構(gòu)方法等，這一系列共同構(gòu)建出現(xiàn)代城市熱環(huán)境調(diào)控過程的計算理論，為后續(xù)研究打下了基礎(chǔ)。

當(dāng)然了，他們要面對的原理性問題不止于此。為了解決我國城市熱島強度計算理論和調(diào)控原理缺乏的問題，孟慶林帶領(lǐng)項目組構(gòu)建了我國城市熱環(huán)境調(diào)控技術(shù)的設(shè)計原理和標(biāo)準(zhǔn)體系。其中，較為突出的是創(chuàng)新了熱島強度模型設(shè)計計算理論。孟慶林首次提出了以城市典型氣象日氣象參數(shù)為參照量的熱島強度計算方法，建立了城市熱島強度量化設(shè)計計算模型，從而解決了長期以來熱島強度參照量不唯一的重大難點。熱島強度量化設(shè)計計算模型在國際上尚屬首例，填補了我國相關(guān)技術(shù)的空白。

對項目組來說，創(chuàng)新已經(jīng)成為了他們的慣性思維。當(dāng)國內(nèi)外均限于經(jīng)典的CTTC模型時，他們已經(jīng)通過擴展CTTC模型，去尋找適合我國城市熱環(huán)境溫度指標(biāo)設(shè)計的計算新方法了。他們建立完善的熱環(huán)境氣溫設(shè)計計算模型，具有可以計算蒸發(fā)換熱、遮陽降溫作用等優(yōu)勢，對解決熱島強度量化設(shè)計計算難題有奇效。

“我們還建立了熱環(huán)境對組團設(shè)計因子的響應(yīng)關(guān)系，提出了設(shè)計因子模型”，孟慶林說。在這一環(huán)節(jié)上，他們有針對性地提出的城市組團類型、硬化地表、綠化和綠地、遮陽和水體蒸發(fā)等對熱環(huán)境指標(biāo)的影響關(guān)系，解決了城市設(shè)計因子影響熱環(huán)境的量化設(shè)計計算難題；同時，提出的熱環(huán)境安全性評價指標(biāo)的簡化計算公式，也突破了熱環(huán)境設(shè)計質(zhì)量評價的技術(shù)障礙。

開發(fā)模擬平臺，進(jìn)行仿真實踐

清除調(diào)控過程中的技術(shù)障礙，只是孟慶林團隊工作的一部分。這個有著產(chǎn)學(xué)研構(gòu)成的團隊，從一開始的目標(biāo)就是實踐應(yīng)用。

當(dāng)研究進(jìn)入到仿真模擬環(huán)節(jié)，孟慶林注意到，我國原有的城市熱環(huán)境模擬仿真工具太過落后，從而決定開發(fā)城市熱環(huán)境三維可視化模擬仿真優(yōu)化平臺。“我們開發(fā)的基于CAD和CTTC的城市熱環(huán)境設(shè)計軟件，目前，國內(nèi)外均未見同類軟件。”提及此，孟慶林為團隊感到自豪。這里所說的軟件，能夠?qū)崿F(xiàn)熱環(huán)境物理模型CTTC與城市設(shè)計輔助工具CAD平臺的鏈接，在解決熱環(huán)境模擬設(shè)計可視化問題的同時，已經(jīng)取得了軟件著作權(quán)。現(xiàn)在，該軟件在大量的綠色建筑室外熱環(huán)境設(shè)計評價項目中得到應(yīng)用，極具口碑。

基于GIS的熱環(huán)境性能綜合評價平臺，是他們?nèi)〉密浖鳈?quán)的另一個優(yōu)化平臺。該平臺在地理信息系統(tǒng)GIS中實現(xiàn)了建筑圖形導(dǎo)入和三維顯示的方法，可以充分解決室外熱環(huán)境模擬中的人機交互難題。同時，他們以計算流體動力學(xué)CFD求解器為計算核心，建立了多項先進(jìn)技術(shù)，研制完成了“建筑風(fēng)環(huán)境仿真系統(tǒng)WindCFD”。該軟件能夠方便快速、精確高效地進(jìn)行建筑風(fēng)環(huán)境模擬計算，填補了該領(lǐng)域的國內(nèi)空白，在風(fēng)環(huán)境專業(yè)模擬軟件領(lǐng)域處于國際先進(jìn)水平。這一軟件工具在我國綠色建筑熱環(huán)境設(shè)計、風(fēng)環(huán)境試驗中廣泛應(yīng)用，北京奧運會場館、上海世博會場館、廣州亞運城、廣州機場、中國建筑科學(xué)研究院新辦公大樓等在內(nèi)的大型工程熱環(huán)境設(shè)計中均有它的影子。

從原理的突破到仿真模擬平臺的建立，孟慶林團隊腳踏實地地探索著，對他們來說，路要一步步走，研究也要環(huán)環(huán)相扣。前期研究做好了，城市熱環(huán)境測試成套技術(shù)也必不可少。“我國在這方面的研究上也是空白的”，孟慶林感慨道。

孟慶林教授應(yīng)邀率團參加英國生態(tài)建筑2012展覽會

為了填補這個空白，他們做了不少工作。孟慶林帶領(lǐng)團隊首次建立了周期性動態(tài)標(biāo)準(zhǔn)實驗氣候風(fēng)洞，解決了城市單元界面周期性換熱性能測試不能復(fù)現(xiàn)的重大難題，為全國城市地表熱濕耦合換熱設(shè)計提供了關(guān)鍵熱物性參數(shù)。經(jīng)國家計量認(rèn)證，他們研發(fā)的城市單元界面換熱的動態(tài)熱濕氣候風(fēng)洞測試技術(shù)和裝備，整體上達(dá)到了國際先進(jìn)水平。然而，風(fēng)洞測試上的“Bug”至此并沒有補完，在進(jìn)一步的研究中，他們還研發(fā)了熱環(huán)境的風(fēng)場縮尺模型風(fēng)洞測試和現(xiàn)場測試技術(shù)和裝備，使之更加完善。

熱環(huán)境地表溫度場的飛艇遙感測試技術(shù)和裝備，也是他們的一大特色。“在城市熱環(huán)境傳統(tǒng)測試技術(shù)中，存在很多難題，比如衛(wèi)星遙感不靈活、無人機航拍炸機率高、載人飛機航拍成本高等。”孟慶林想要改變這一狀況，帶領(lǐng)團隊完成了從飛艇系統(tǒng)、自動控制系統(tǒng)、任務(wù)系統(tǒng)、通訊系統(tǒng)到地面站等一條龍的測試技術(shù)，建立了城市熱環(huán)境遙感觀測用的飛艇遙感航拍系統(tǒng)。這是國內(nèi)外首次開發(fā)低空無人飛艇紅外航拍系統(tǒng)，被應(yīng)用于中國新加坡廣州知識城、廣州大學(xué)城、亞運城等重大項目。

這一枝一葉，都關(guān)乎孟慶林對于城市熱環(huán)境的思考。以這些項目為基礎(chǔ)，他取得7項發(fā)明專利，5項著作權(quán)，發(fā)表SCI、EI論文36篇、專著3部，獲2項國際論文獎。成績卓然，他心底卻更惦記做出行之有效的城市熱環(huán)境設(shè)計，主編了包括我國第一部城市熱環(huán)境設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)——《城市居住區(qū)熱環(huán)境設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》在內(nèi)的7項標(biāo)準(zhǔn)，并參編了3項標(biāo)準(zhǔn)，為我國城市熱環(huán)境的調(diào)控事業(yè)做出了突出的貢獻(xiàn)。“如果我的工作能夠?qū)ξ覈鞘袩岘h(huán)境設(shè)計的失控狀態(tài)起到一定的緩解作用，能夠有利于改善居民的實際居住體驗，就是對我最大的肯定。”孟慶林表示。