城市熱島效應(yīng)研究現(xiàn)狀

郭海豐 張朝 曹石

(沈陽(yáng)建筑大學(xué)市政與環(huán)境工程學(xué)院,遼寧 沈陽(yáng) 110168)

引言

城市化進(jìn)程的不斷加快，使城市的環(huán)境問(wèn)題日益嚴(yán)重[1]。圖1顯示了全球主要地區(qū)城市化率。城市的快速發(fā)展使城市的溫度明顯高于周圍農(nóng)村的溫度，這種現(xiàn)象被稱作熱島效應(yīng)。熱島效應(yīng)的形成與很多因素有關(guān)，包括城市下墊面性質(zhì)的改變、人為熱以及不合理的城市規(guī)劃等因素[2]。城市熱島效應(yīng)作為城市環(huán)境面臨的主要問(wèn)題，不僅惡化了室內(nèi)熱環(huán)境，也增加了城市能耗。熱島效應(yīng)的產(chǎn)生使環(huán)境整體溫度升高，造成夏季供冷能耗增大。雖然會(huì)對(duì)冬季供暖帶來(lái)積極的影響，但是夏季的高溫造成的經(jīng)濟(jì)損失和人體健康風(fēng)險(xiǎn)是無(wú)法估計(jì)的[3]。針對(duì)熱島效應(yīng)帶來(lái)的負(fù)面影響，國(guó)內(nèi)外學(xué)者紛紛提出不同的措施緩解熱島效應(yīng)。“冷材料”、垂直綠化以及冷卻塔逆用都是緩解熱島效應(yīng)的有效方法，本文對(duì)不同的緩解熱島效應(yīng)的措施進(jìn)行綜述。

圖1 全球主要地區(qū)城市化率

1 熱島效應(yīng)的成因及負(fù)面影響

1.1 熱島效應(yīng)的成因

在快速的城市化進(jìn)程中，熱島效應(yīng)是必將面臨的問(wèn)題。關(guān)于熱島效應(yīng)的形成因素主要如下。

1.1.1 城市下墊面性質(zhì)的改變

城市化的發(fā)展和工業(yè)活動(dòng)的增長(zhǎng)使土地物理特征發(fā)生了變化。由于人類發(fā)展的需求，建筑和道路覆蓋了城市原有的植被。下墊面的性質(zhì)由自然的土壤、水面和植被變?yōu)闉r青、水泥和混凝土。這一改變導(dǎo)致地表水分蒸騰作用減少、徑流加速、顯熱的儲(chǔ)存和傳輸增加等一系列問(wèn)題，從而影響了城市熱量平衡[4]。

1.1.2 人為熱和大氣污染

城市作為人類的聚集區(qū)，人類的生產(chǎn)生活都會(huì)產(chǎn)生熱量。人為熱包括驅(qū)動(dòng)汽車運(yùn)行的化石燃料燃燒排放的熱量、空調(diào)的使用以及工廠排出的廢氣余熱等。同時(shí)，人類的烹飪行為和工廠產(chǎn)生的污染物氣體覆蓋在城市上空，污染物中包含N2O、CO2和CH4等溫室氣體會(huì)使城市溫度處于較高水平[5]。

1.1.3 城市不合理的規(guī)劃布局

大多數(shù)理想化的城市幾何學(xué)研究表明，氣流對(duì)城市形態(tài)極為敏感，如建筑物的尺寸、幾何形狀和方向，街道的長(zhǎng)寬比、長(zhǎng)高比和方向，以及街區(qū)的建筑包裝密度。合理的城市規(guī)劃和設(shè)計(jì)可以使冷風(fēng)穿透，有助于緩解熱島效應(yīng)，然而城市的規(guī)劃者在城市發(fā)展初期并沒(méi)有意識(shí)到這個(gè)問(wèn)題。不合理的城市布局會(huì)造成城市的空氣流通受阻，從而導(dǎo)致城市中熱量的聚集。

1.2 熱島效應(yīng)的負(fù)面影響

全球許多城市都被發(fā)現(xiàn)存在熱島效應(yīng)或存在城市過(guò)熱風(fēng)險(xiǎn)。關(guān)于熱島效應(yīng)所帶來(lái)的負(fù)面影響主要體現(xiàn)在制冷能耗的增加、居民健康風(fēng)險(xiǎn)的增加以及對(duì)氣候的不良影響。環(huán)境溫度的升高導(dǎo)致室內(nèi)外溫差增大，也就意味著空調(diào)維持室內(nèi)的舒適度需要消耗更多的能源和功率。同時(shí)，室外溫度的升高給處在室外空間的居民帶來(lái)不良的健康影響，老齡化人口對(duì)溫度的變化尤為敏感。環(huán)境溫度的升高不僅會(huì)給人體帶來(lái)極大的不舒適感，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)引發(fā)心臟和呼吸系統(tǒng)疾病。熱島效應(yīng)使城市局部氣候發(fā)生改變，從而影響了當(dāng)?shù)氐纳鷳B(tài)系統(tǒng)并可能造成極端天氣的發(fā)生。

2 熱島效應(yīng)的緩解措施

2.1 “冷材料”對(duì)熱島效應(yīng)的緩解

低反照率的城市地表和建筑是導(dǎo)致熱島效應(yīng)發(fā)生的重要因素。城市中建筑和道路吸收太陽(yáng)輻射的熱量，再以對(duì)流和輻射的方式將熱量傳遞到周圍環(huán)境中，造成環(huán)境溫度的升高。所以，提高建筑對(duì)太陽(yáng)輻射的反射率是緩解城市熱島效應(yīng)有效方法。

“冷材料”是指具有高太陽(yáng)反射率和高熱發(fā)射率的特性，將其用作建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的材料，提高對(duì)太陽(yáng)的反射率，從而降低城市環(huán)境溫度。具有高反照率的建筑外表面或是道路自身吸收的來(lái)自太陽(yáng)的熱量減少，向環(huán)境中傳遞的熱量也相應(yīng)地減少。同時(shí)，低溫的建筑外表面向室內(nèi)環(huán)境傳遞的熱量較小，夏季的冷負(fù)荷也有所降低，有助于節(jié)約能源。Synnefa等[6]通過(guò)模擬研究大規(guī)模增加地表反照率對(duì)環(huán)境溫度的影響，以評(píng)估人口稠密的希臘雅典的城市熱島效應(yīng)。結(jié)果表明，實(shí)施高照射率策略使熱島強(qiáng)度平均降低1～2℃。如果道路和人行道的反照率也增加的話，影響會(huì)更大。Santamouris等[7]研究各項(xiàng)措施對(duì)緩解悉尼熱島效應(yīng)的影響。結(jié)果表明，增加城市的反照率是各項(xiàng)措施中最為有效的方法，可使悉尼環(huán)境溫度峰值降低3℃。Doulos等[8]研究了93種戶外常用路面材料的適用性，發(fā)現(xiàn)粗糙和深色的表面往往比光滑、淺色和平整的表面吸收更多的太陽(yáng)輻射。

研發(fā)新型“冷材料”用作圍護(hù)結(jié)構(gòu)的材料是緩解熱島效應(yīng)的主流方法，但仍存在一些不只是造價(jià)成本高的問(wèn)題。高反射率可能會(huì)造成眩光、對(duì)比度等問(wèn)題，甚至在街道層面的極端熱舒適條件下會(huì)惡化。冬季需要將熱量傳遞給室內(nèi)環(huán)境，“冷材料”的使用會(huì)導(dǎo)致能源消耗的增加和溫室氣體的排放，使熱島效應(yīng)更加劇烈。

2.2 綠化對(duì)熱島效應(yīng)的緩解

植被是有效緩解熱島效應(yīng)的措施之一，植物可以通過(guò)蒸發(fā)蒸騰、遮擋太陽(yáng)輻射以及利用葉子的高反照率反射太陽(yáng)的輻射這3種方式降低環(huán)境溫度。植物的蒸發(fā)會(huì)將很大一部分太陽(yáng)輻射被轉(zhuǎn)化為潛熱，而潛熱不會(huì)增加溫度。Srivanit等[9]采用現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量和數(shù)值模擬的方法對(duì)大學(xué)校園內(nèi)綠化緩解高溫的效果進(jìn)行研究。研究結(jié)果表明，增加20%的綠化能夠使夏季溫度的峰值降低2.29℃。

然而，快速的城市化發(fā)展使建筑和道路替代了原有的植被，導(dǎo)致在本就擁擠的城市中種植綠化存在一些困難。城市設(shè)計(jì)師們尋找額外的空間種植綠化，于是垂直綠化被應(yīng)用到房屋的建設(shè)當(dāng)中以增加綠化的面積。在夏天，一堵被植物完全覆蓋的墻壁可以防止密集的太陽(yáng)輻射，并可以反射或吸收40%～80%接收到的輻射。綠色墻壁會(huì)在自身范圍內(nèi)形成適宜的小氣候，這種調(diào)節(jié)溫度的效果在靠近墻壁時(shí)最為顯著，在離墻壁0.5m以上的距離時(shí)就沒(méi)有明顯的效果。Shafiee等[10]研究發(fā)現(xiàn)綠色墻壁通過(guò)降低環(huán)境空氣的最高溫度和提高最低溫度來(lái)減少溫度波動(dòng)。綠色墻壁使日照時(shí)間平均溫度降低了2.59℃，在高溫高峰期溫度降低了8.7℃。Afshari等[11]的研究表明，將垂直綠化應(yīng)用到城市研究范圍內(nèi)的所有建筑，可以使城市氣溫大幅下降約0.7～0.9℃，并減少5%～8%的冷負(fù)荷。近年來(lái)，綠色屋頂已經(jīng)被證明在緩解熱島效應(yīng)方面具有良好的作用并被很多國(guó)家推廣使用。綠色屋頂在個(gè)體建筑層面能夠降低短波輻射的吸收，在城市層面增加了蒸發(fā)量和城市自然通風(fēng)[12]。

采用綠色墻壁或是綠色屋頂增加城市綠化面積可以有效改善城市熱島效應(yīng)，也對(duì)城市具有美化的作用。但是，在建筑上增加綠化容易帶來(lái)生物群落，破壞建筑物周圍的生態(tài)系統(tǒng)。

2.3 冷卻塔逆用對(duì)熱島效應(yīng)的緩解

夏季在熱島效應(yīng)的作用下，人們處在室外空間時(shí)會(huì)感到極大的不舒適。冷卻塔的逆用可以有效緩解熱島效應(yīng)，冷卻塔示逆用原理圖如圖2所示。在冷卻塔運(yùn)行過(guò)程中，較高溫度的室外空氣與較低溫度的地下水進(jìn)行熱濕交換，得到降低溫度的空氣，達(dá)到降低室外溫度的目的。地下土壤得到來(lái)源于空氣的熱量可以用于冬季供暖，減少供暖能耗[13]。同時(shí)也緩解了地源熱泵長(zhǎng)期運(yùn)行造成的“冷堆積”問(wèn)題[14]，使土壤溫度恢復(fù)平衡，提升地源熱泵系統(tǒng)效率。

圖2 冷卻塔逆用原理示意圖

冷卻塔內(nèi)部設(shè)有的填料可以促進(jìn)空氣與地下水的熱濕交換，提升冷卻塔的效率。冷卻塔的效率主要由塔高、空氣速度和液滴速度等因素影響，其中水流量與空氣流量的比值是冷卻塔效率高低的主要因素[15]。在冷卻塔內(nèi)部發(fā)生的換熱有潛熱換熱和顯熱換熱2種方式，潛熱換熱量遠(yuǎn)大于顯熱換熱量。潛熱傳遞占總熱傳遞的比例隨著進(jìn)氣干球溫度的升高而降低。鄧鈞予[5]等利用冷卻塔的逆用使空氣溫度從11.8℃降低到9.8℃，有效降低了空氣溫度。

雖然針對(duì)局部熱島效應(yīng)明顯的地區(qū)放置冷卻塔具有明顯降低空氣溫度的效果，但這種辦法只適用于冬夏溫度差異較大和使用地源熱泵的地區(qū)。在中國(guó)南方地區(qū)使用冷卻塔會(huì)破壞土壤的熱平衡。

3 結(jié)語(yǔ)

目前所提出的各項(xiàng)緩解措施都能夠很好緩解熱島效應(yīng)，但都存在著不足。“冷材料”是未來(lái)主流的緩解熱島效應(yīng)的措施，造價(jià)成本使其并不能大范圍地推廣。綠色墻壁和綠色屋頂能夠解決“冷材料”所造成的冬季建筑熱量泄露問(wèn)題，在植被對(duì)建筑的負(fù)面影響還需進(jìn)一步研究和改善。冷卻塔逆用能夠有效降低環(huán)境溫度，但適用的地區(qū)有限。城市管理者在采取緩解熱島效應(yīng)的措施時(shí)應(yīng)先對(duì)城市進(jìn)行分析，以提出合理的措施用于緩解熱島效應(yīng)，甚至在城市不同地區(qū)采取不同措施。