城市局地?zé)釟夂蝾A(yù)測(cè)及熱島效應(yīng)緩解策略

宋曉程，劉 京，2，林姚宇，劉 琳，王 丹

(1.哈爾濱工業(yè)大學(xué)市政環(huán)境工程學(xué)院，150090哈爾濱;2.城市水資源與水環(huán)境國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(哈爾濱工業(yè)大學(xué))，150090哈爾濱;3.哈爾濱工業(yè)大學(xué)深圳研究生院深圳市城市規(guī)劃與決策仿真重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，518055廣東深圳)

一直以來(lái)城市熱島問(wèn)題備受人們關(guān)注.大量研究分析表明，城市熱島效應(yīng)的分布特征與城市下墊面的結(jié)構(gòu)形態(tài)密切相關(guān)［1］，是熱島效應(yīng)問(wèn)題研究的重點(diǎn)和難點(diǎn).研究方法也由過(guò)去單一的實(shí)地觀測(cè)［2］發(fā)展到遙感成像［3］、數(shù)值模擬［4］等結(jié)合的多樣化研究.

目前國(guó)內(nèi)局地城市熱島效應(yīng)問(wèn)題中涉及空間風(fēng)場(chǎng)和溫度場(chǎng)的數(shù)值模擬以CFD模擬的應(yīng)用尤為廣泛.但是CFD模擬在局地城市熱氣候問(wèn)題研究方面存在計(jì)算容量要求高，長(zhǎng)期動(dòng)態(tài)模擬計(jì)算周期較長(zhǎng)等問(wèn)題.針對(duì)長(zhǎng)期動(dòng)態(tài)熱島效應(yīng)問(wèn)題，CFD模擬較難發(fā)揮其精確捕捉計(jì)算域內(nèi)三維空間場(chǎng)分布的優(yōu)勢(shì).而城市冠層模型不拘泥于城市內(nèi)復(fù)雜的布局，彌補(bǔ)了CFD模擬的缺陷，通過(guò)對(duì)冠層內(nèi)的熱質(zhì)交換計(jì)算研究城市高溫化的成因，得到越來(lái)越多的推廣和應(yīng)用［5］.然而國(guó)內(nèi)采用冠層模型研究局地城市熱島效應(yīng)的相關(guān)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(fā)的多用途建筑區(qū)域熱氣候預(yù)測(cè)模型和軟件，以深圳國(guó)際低碳城核心啟動(dòng)區(qū)為對(duì)象，在夏季最熱月情況下對(duì)該區(qū)域的夏季熱環(huán)境進(jìn)行了長(zhǎng)期動(dòng)態(tài)模擬，研究其局地城市熱島效應(yīng)及改善策略.

1 研究方法

1.1 多用途建筑區(qū)域熱氣候預(yù)測(cè)模型

多用途建筑區(qū)域熱氣候預(yù)測(cè)模型由多個(gè)模塊互相耦合構(gòu)成，考慮了城市大氣熱力、動(dòng)力特性和各種城市下墊面熱物性對(duì)城市熱氣候的影響.模型還可根據(jù)需要，模擬實(shí)際城市區(qū)域尤其是大型城市綜合體(由居住、辦公、商業(yè)金融、文化娛樂(lè)、學(xué)校等各用途類(lèi)型建筑共同構(gòu)成的多功能建筑群落)中不同建筑負(fù)荷、設(shè)備性能并存以及和城市熱氣候之間相互作用的復(fù)雜情況.為維持這些建筑的室內(nèi)環(huán)境，需要將內(nèi)部負(fù)荷通過(guò)空調(diào)制冷系統(tǒng)排至室外.而人工排熱量影響室外熱氣候，從而反過(guò)來(lái)又影響建筑內(nèi)部負(fù)荷.因此本模型考慮了多用途類(lèi)型建筑并存的城市區(qū)域?qū)嶋H情況，針對(duì)各用途類(lèi)型建筑采用不同的內(nèi)部負(fù)荷逐時(shí)變化規(guī)律、空調(diào)制冷系統(tǒng)的形式和安裝位置等機(jī)制，考慮不同用途建筑排熱對(duì)區(qū)域內(nèi)部熱氣候的影響差異.

多用途建筑區(qū)域熱氣候預(yù)測(cè)模型和軟件的主要結(jié)構(gòu)示意見(jiàn)圖1.

圖1 多用途建筑區(qū)域熱氣候預(yù)測(cè)模型軟件結(jié)構(gòu)示意

相應(yīng)計(jì)算模塊簡(jiǎn)介如下:

局地氣候計(jì)算模塊基本方程式參照近藤等提出的城市冠層理論并進(jìn)行了適當(dāng)修改［6］，對(duì)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(fēng)速和含濕量分布變化.

室內(nèi)外熱濕負(fù)荷模塊 包含了居住、辦公、商業(yè)金融、文化娛樂(lè)、學(xué)校等各種類(lèi)型的建筑，要注意的是，不同類(lèi)型建筑內(nèi)部的負(fù)荷逐時(shí)變化規(guī)律、空調(diào)制冷系統(tǒng)的形式、安裝位置等都存在明顯差異，對(duì)區(qū)域內(nèi)部熱氣候的影響也就不同.本模式中考慮了多功能類(lèi)型建筑并存的城市區(qū)域?qū)嶋H情況［7］.

下墊面-大氣間熱過(guò)程模塊實(shí)際的城市區(qū)域內(nèi)除建筑表面外，還存在大量各類(lèi)型下墊面.這些下墊面通過(guò)不同形式與大氣間進(jìn)行熱量和水分等物質(zhì)能量交換，從而極大影響了城市區(qū)域內(nèi)的熱氣候和風(fēng)環(huán)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(shù)木)以及自由水面等常見(jiàn)的下墊面形式［8］.

太陽(yáng)輻射計(jì)算模塊本模型利用的是光線(xiàn)追蹤法(ray tracing method).當(dāng)區(qū)域內(nèi)存在樹(shù)木時(shí)，樹(shù)木對(duì)太陽(yáng)輻射具有衰減作用.本研究中假設(shè)這種衰減作用與輻射波長(zhǎng)以及入射角大小無(wú)關(guān)，則衰減程度將只是光波通過(guò)樹(shù)冠距離的函數(shù).

熱舒適性計(jì)算模塊本研究采用新標(biāo)準(zhǔn)有效溫度SET*作為室外舒適性指標(biāo)［9］.該指標(biāo)不同于其他根據(jù)主觀評(píng)價(jià)統(tǒng)計(jì)得到的舒適性計(jì)算方法，而是以人體生理反應(yīng)模型為基礎(chǔ)，通過(guò)分析人體與周?chē)諝忾g的傳熱過(guò)程導(dǎo)出的.通過(guò)冬夏季室外實(shí)測(cè)和問(wèn)卷調(diào)查方法對(duì)各種現(xiàn)有舒適性指標(biāo)的適用性進(jìn)行了比較，SET*被認(rèn)為是最為合理科學(xué)的室外動(dòng)態(tài)舒適性指標(biāo)之一［10］.具體建模時(shí)，利用Gagge的二節(jié)點(diǎn)模型來(lái)描述人體在非穩(wěn)態(tài)溫度或風(fēng)速環(huán)境中的熱反應(yīng).同時(shí)認(rèn)為人體與周?chē)h(huán)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(huán)境之間的輻射換熱加上太陽(yáng)直射輻射被吸收的部分.后者通過(guò)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(shù)后進(jìn)行太陽(yáng)輻射計(jì)算［9］.室內(nèi)SET*溫度區(qū)間劃分及其與人體熱舒適的對(duì)應(yīng)關(guān)系見(jiàn)表1.

模型中各模塊的具體計(jì)算方法、設(shè)定依據(jù)及驗(yàn)證詳見(jiàn)文獻(xiàn)［7-9］.在該計(jì)算模型基礎(chǔ)之上，課題組開(kāi)發(fā)出方便用戶(hù)操作使用的多用途建筑區(qū)域熱氣候預(yù)測(cè)軟件，從而進(jìn)行城市區(qū)域熱氣候的長(zhǎng)期動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)與評(píng)價(jià).

表1 SET*和熱感覺(jué)對(duì)應(yīng)關(guān)系［11］

1.2 城市熱島強(qiáng)度評(píng)價(jià)

城市熱島強(qiáng)度是指城市與其附近郊區(qū)之間的空間平均溫度差值.但這個(gè)籠統(tǒng)的概念根據(jù)研究者的關(guān)注點(diǎn)不同而涵蓋了多樣化理解和認(rèn)知.其結(jié)果也因“附近郊區(qū)”、“天氣狀況”和“時(shí)間軸”等因素的選取而各異.在“附近郊區(qū)”地理位置確定情況下，通常在晴朗無(wú)風(fēng)天氣條件下，針對(duì)研究對(duì)象比較不同時(shí)間段，如天、月、季和年等熱島效應(yīng).熱島強(qiáng)度通常采用最大熱島強(qiáng)度和平均熱島強(qiáng)度進(jìn)行對(duì)比分析.如《國(guó)家生態(tài)園林城市標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定城市熱島效應(yīng)程度采用城市市區(qū)6～8月日最高氣溫的平均值和對(duì)應(yīng)時(shí)期區(qū)域腹地(郊區(qū)、農(nóng)村)日最高氣溫平均值的差值表示，相當(dāng)于最大熱島強(qiáng)度的定義思路;而《綠色建筑評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》則采用住區(qū)室外日平均氣溫差值表示熱島效應(yīng)程度，相當(dāng)于平均熱島強(qiáng)度的定義思路.基于上述研究理念，本研究中以計(jì)算區(qū)域1.2 m處空氣溫度作為不同區(qū)域的空氣代表溫度，采用以下兩種熱島強(qiáng)度的評(píng)價(jià)方法［12］:

1)最大局地?zé)釐u強(qiáng)度

式中:Tu1.2max為城市內(nèi)部計(jì)算區(qū)域日空氣溫度最大值，Tr1.2max為對(duì)應(yīng)時(shí)期區(qū)域腹地(郊區(qū)、農(nóng)村)內(nèi)1.2 m處日空氣溫度最大值，t0為計(jì)算初始時(shí)刻，t1為計(jì)算終了時(shí)刻．

2)平均局地?zé)釐u強(qiáng)度

式中:Tu1.2為城市內(nèi)部計(jì)算區(qū)域1.2 m處空氣溫度逐時(shí)值，Tr1.2為對(duì)應(yīng)時(shí)期區(qū)域腹地(郊區(qū)、農(nóng)村)內(nèi)1.2 m處空氣溫度逐時(shí)值，t0為計(jì)算初始時(shí)刻，t1為計(jì)算終了時(shí)刻．

2 局地?zé)釐u效應(yīng)現(xiàn)狀模擬

2.1 計(jì)算條件

本研究以深圳市國(guó)際低碳城核心啟動(dòng)區(qū)為研究對(duì)象，該區(qū)域占地面積約1平方公里，建筑類(lèi)型各異，區(qū)域建筑面積規(guī)劃包含了工業(yè)建筑(76.3%)、居住建筑(8.4%)、商業(yè)建筑(2.5%)和學(xué)校類(lèi)文化建筑(15.5%)等四類(lèi)，具體土地利用現(xiàn)狀圖見(jiàn)圖2.根據(jù)地方相關(guān)建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)［13-14］，設(shè)定上述類(lèi)型建筑的用能和人為熱排放情況具體內(nèi)容.屋頂綠化暫時(shí)未考慮.除建筑排熱外，城市交通產(chǎn)生的汽車(chē)廢熱排放也必須考慮.本研究選擇深圳地區(qū)全年最熱的7～8月的4周時(shí)間作為計(jì)算期間.逐時(shí)氣象數(shù)據(jù)來(lái)源于中國(guó)氣象局信息中心與清華大學(xué)建筑技術(shù)科學(xué)系聯(lián)合開(kāi)發(fā)的氣象數(shù)據(jù)庫(kù)［15］.

圖2 啟動(dòng)區(qū)土地利用現(xiàn)狀

為研究現(xiàn)狀條件下炎熱夏季該區(qū)域的熱島強(qiáng)度，設(shè)定兩個(gè)算例:

1)工況1——實(shí)際工況，對(duì)應(yīng)于啟動(dòng)區(qū)目前實(shí)際的下墊面構(gòu)成和城市人為排熱情況，反映該區(qū)域熱氣候現(xiàn)狀，具體下墊面構(gòu)成見(jiàn)表2.

2)工況0——基準(zhǔn)工況，以深圳市周邊郊區(qū)現(xiàn)狀作為實(shí)際工況的對(duì)比算例.具體下墊面構(gòu)成見(jiàn)表3.

表2 工況1下墊面構(gòu)成

表3 工況0下墊面構(gòu)成

2.2 計(jì)算結(jié)果分析

圖3為計(jì)算期間工況1與工況0對(duì)應(yīng)日最高氣溫及最大局地?zé)釐u強(qiáng)度變化圖.按照計(jì)算的典型月結(jié)果推算，計(jì)算期間內(nèi)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(qū)域最大局地?zé)釐u強(qiáng)度值約為1.27℃，低于《國(guó)家生態(tài)園林城市標(biāo)準(zhǔn)》給出的2.5℃限值.

圖3 工況1與工況0對(duì)應(yīng)日最高氣溫及差值

圖4為計(jì)算期間內(nèi)工況1與工況0對(duì)應(yīng)日平均氣溫及平均局地?zé)釐u強(qiáng)度變化圖，按照計(jì)算的典型月結(jié)果推算，計(jì)算期間內(nèi)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(qū)域平均局地?zé)釐u強(qiáng)度為1.24℃.深圳市氣象局采用同樣的指標(biāo)(僅郊外氣象站的位置選擇有所不同)實(shí)測(cè)發(fā)布的夏季平均城市熱島強(qiáng)度為1.17℃［16］.這說(shuō)明:1)數(shù)值模型預(yù)測(cè)結(jié)果可信;2)總體上該區(qū)域的熱島強(qiáng)度處于深圳市的平均偏高水平.對(duì)比圖3可以看出，最大局地?zé)釐u強(qiáng)度值更多體現(xiàn)氣溫在最熱的極端情況下的城郊?xì)夂虿町?而局地?zé)釐u強(qiáng)度值則反映的是全天氣溫城郊?xì)夂虻钠骄町?二者有聯(lián)系但又有區(qū)別，對(duì)本研究對(duì)象來(lái)說(shuō)，平均局地?zé)釐u強(qiáng)度值低于最大局地?zé)釐u強(qiáng)度值.

圖4 工況1與工況0對(duì)應(yīng)日平均氣溫及差值

3 緩解熱島強(qiáng)度策略分析

3.1 緩解策略

本研究擬通過(guò)調(diào)節(jié)城市下墊面構(gòu)成，以增加“良性下墊面”(如水體、樹(shù)木、草地等)覆蓋率，減少人工不透水下墊面的方法探討進(jìn)一步降低局地?zé)釐u強(qiáng)度的方法.具體調(diào)節(jié)工況計(jì)算條件見(jiàn)表4.

表4 調(diào)節(jié)工況計(jì)算條件

與表1中給出的工況1相比，工況2首先有意識(shí)地減少了不透水人工表面覆蓋率，在可能范圍內(nèi)分別提高了樹(shù)木、草地和水體覆蓋率;工況3在工況2基礎(chǔ)上進(jìn)一步降低不透水人工表面覆蓋率，提高樹(shù)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(yīng)結(jié)果與分析

圖5為各調(diào)節(jié)工況對(duì)應(yīng)的最大局地?zé)釐u強(qiáng)度值.與實(shí)際工況(工況1)相比，各調(diào)節(jié)工況對(duì)應(yīng)的熱島強(qiáng)度值均有所下降，其中工況3對(duì)應(yīng)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(guī)模，0.17℃已經(jīng)是非常明顯的效果.可以看出，對(duì)下墊面構(gòu)成進(jìn)行有效規(guī)劃和合理配置，可在一定程度上降低熱島強(qiáng)度.工況4的熱島效應(yīng)值略高于工況3，說(shuō)明在白天氣溫較高的時(shí)段，相對(duì)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(duì)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(qiáng)的特點(diǎn)，其面積的增加對(duì)抑制白天最高氣溫效果最為明顯.

圖6為各調(diào)節(jié)工況對(duì)應(yīng)的平均局地?zé)釐u強(qiáng)度值.可以看出3個(gè)調(diào)節(jié)工況同樣起到了緩解熱島現(xiàn)象的作用.與上述最大局地?zé)釐u強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果相似，工況3的平均局地?zé)釐u強(qiáng)度數(shù)值最低(約為1.12℃)，比工況1降低了0.12℃.進(jìn)一步分析白天和夜間不同時(shí)段，可以發(fā)現(xiàn)對(duì)應(yīng)于3個(gè)調(diào)節(jié)工況，白天平均熱島強(qiáng)度和夜間平均熱島強(qiáng)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(shù)值也是最多的;可見(jiàn)，良性下墊面比率的增加對(duì)緩解平均局地?zé)釐u強(qiáng)度同樣起到明顯的效果.

圖5 各工況最大局地?zé)釐u強(qiáng)度值對(duì)比

圖6 各工況平均局地?zé)釐u強(qiáng)度值對(duì)比

同時(shí)，對(duì)比白天和夜間的平均局地?zé)釐u強(qiáng)度，發(fā)現(xiàn)夜間熱島強(qiáng)度值要高于白天熱島強(qiáng)度值，主要原因在于城市內(nèi)部下墊面白天積蓄的熱量在夜晚擴(kuò)散，使得夜間的氣溫比郊區(qū)要高，進(jìn)而導(dǎo)致夜間的平均局地?zé)釐u強(qiáng)度高于白天.該結(jié)果得到了大量現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)的印證.

圖7給出了各工況對(duì)應(yīng)的SET*區(qū)間的時(shí)間長(zhǎng)度比率．其中橫坐標(biāo)對(duì)應(yīng)表1中SET* 區(qū)間的劃分，每個(gè)區(qū)間對(duì)應(yīng)不同的人體熱感覺(jué)，縱坐標(biāo)為計(jì)算周期內(nèi)各SET*溫度區(qū)間所對(duì)應(yīng)的時(shí)間累計(jì)值占總時(shí)間長(zhǎng)度的比率．4個(gè)工況的SET*值都集中在25.6～37.5℃;并且相對(duì)于工況1，3種調(diào)節(jié)工況在超過(guò)30℃(感覺(jué)熱不適)的時(shí)間長(zhǎng)度比率均有不同程度下降;工況2、3、4相比于工況1超過(guò)30℃的時(shí)間長(zhǎng)度比率分別下降了2.2%、3.7%和4.6%.而感覺(jué)相對(duì)舒適的比率區(qū)間(25.6～30.0℃)相對(duì)于工況 1則分別升高了 2.2%、3.7%和4.6%;由此可見(jiàn)，與前文局地?zé)釐u強(qiáng)度的結(jié)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(dāng)增加更能有效地提高室外環(huán)境舒適度.其原因主要在于，熱島強(qiáng)度反映的是城郊空氣溫度的差異，而人體的熱感覺(jué)與熱舒適則與太陽(yáng)輻射、溫度、相對(duì)濕度、風(fēng)速等多種室外環(huán)境因素相關(guān).本研究中，工況4相比于工況3對(duì)于室外局地?zé)崾孢m的綜合調(diào)節(jié)作用更加明顯.

4 結(jié)論

1)以深圳市國(guó)際低碳城核心啟動(dòng)區(qū)為對(duì)象，利用多用途建筑區(qū)域熱氣候預(yù)測(cè)模型預(yù)測(cè)的區(qū)域最大局地?zé)釐u強(qiáng)度值約為1.27℃，平均局地?zé)釐u強(qiáng)度為1.24℃，略高于深圳市氣象局實(shí)測(cè)發(fā)布的2012年夏季平均城市熱島強(qiáng)度1.17℃.

2)最大局地?zé)釐u強(qiáng)度值體現(xiàn)白天最熱極端情況下的城郊?xì)夂虿町?，平均局地?zé)釐u強(qiáng)度值則反映城郊全天氣溫平均差異.按照這兩種指標(biāo)衡量的研究區(qū)域熱島強(qiáng)度值均處于適中水平.對(duì)比白天和夜間不同時(shí)段的平均局地?zé)釐u強(qiáng)度，夜間熱島強(qiáng)度值高于白天熱島強(qiáng)度值.

3)無(wú)論采用最大局地?zé)釐u強(qiáng)度值或者平均局地?zé)釐u強(qiáng)度值，均可發(fā)現(xiàn)增加“良性”下墊面覆蓋率可不同程度地降低熱島強(qiáng)度，其中水體和樹(shù)木覆蓋率的作用最為明顯，其次為草地.另外，適當(dāng)增加草地覆蓋率能更有效地提高室外環(huán)境舒適度.

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