朱岳梅，劉 京，李炳熙，葉祖達，饒 紅，王靜懿

(1.哈爾濱工業(yè)大學(xué)市政環(huán)境工程學(xué)院，150090哈爾濱，zhuyuemei@hit.edu.cn;2.哈爾濱工業(yè)大學(xué)能源科學(xué)與工程學(xué)院，150090哈爾濱;3.哈爾濱工業(yè)大學(xué)城市水資源與水環(huán)境國家重點實驗室，150090哈爾濱; 4.奧雅納(上海)工程咨詢有限公司，200031上海)

在過去的城市規(guī)劃實踐中，比較注重社會和經(jīng)濟因素對城市的影響，不太重視城市生態(tài)環(huán)境和氣候問題.實際上，在城市或城市區(qū)域的規(guī)劃過程中正確了解城市氣候的特點，從可持續(xù)城市發(fā)展角度提出有針對性的規(guī)劃方案，對于改善城市化對氣候環(huán)境的影響，緩解城市熱島效應(yīng)，有效降低城區(qū)溫度，提高城市環(huán)境舒適度，降低城市及建筑耗能具有非常重要的意義［1－2］.但到目前為止，關(guān)于城市規(guī)劃方案對城市區(qū)域熱氣候影響的相關(guān)研究還非常缺乏，且以定性分析為主［3］，缺乏有說服力的計算模型和計算數(shù)據(jù)作為理論支撐.

1 下墊面?zhèn)鳠醾髻|(zhì)計算與城市區(qū)域熱氣候預(yù)測模型

利用開發(fā)的城市區(qū)域熱氣候預(yù)測模型，對城市規(guī)劃前與實施后熱氣候變化進行預(yù)測評價.

該模型由局地氣候模塊、建筑熱濕負荷計算模塊、太陽輻射計算模塊和熱舒適性模塊等部分組成，將實際城市中的建筑群落分布進行了適當(dāng)簡化處理，在大氣流動計算中導(dǎo)入了建筑群的拖曳力影響.結(jié)合我國的實際情況，給出了建筑系統(tǒng)設(shè)備排熱的較為詳細的計算方法.另外，模型中利用光子追蹤法、蒙特卡洛法等計算城市冠層內(nèi)各形體表面之間復(fù)雜的形態(tài)系數(shù).此模型涵蓋了城市與建筑熱氣候問題的所有主要相關(guān)因素.該模型的基本框架參見文獻［4］.通過與實測結(jié)果的比較，證明該模型可以較好地反映城市冠層內(nèi)各物理量的變化趨勢.同時計算方法簡易，可用于城市內(nèi)特定區(qū)域熱氣候的定量評估［5］.為更好地計算城市規(guī)劃過程中不同下墊面形式的傳熱、蓄熱和蒸發(fā)量計算方法，進而評價不同規(guī)劃方案對城市熱氣候的影響，對該模型進行了進一步的改進和完善.

1.1 下墊面?zhèn)鳠峄居嬎?/h3>

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、植被(以樹木為代表)以及自由水面5種不同的下墊面形式.其中傳熱計算按照一維傳熱計算方法，將深度0.5 m處的溫度設(shè)為下邊界條件.下墊面的熱量平衡方程為

式中:Rn，i、Rs、Rl為作用在建筑表面或其他下墊面微元面積i上的輻射凈通量、向下短波(太陽)輻射通量和向下長波漫射紅外輻射通量，W·m－2;εi為建筑表面或其他下墊面微元面積i的長波紅外輻射率;σ為Stefan-Boltzman常數(shù)，取5.67×10－8W·m－2·K－4;Fij為微元面i對另一微元面j的角系數(shù)(i≠j);Ti為微元面i的絕對溫度，K;Hi、Ei、Gi分別為由微元面i的感熱通量(下墊面與大氣之間溫度差形成的對流換熱部分)、散濕通量(下墊面的水分蒸發(fā)和凝結(jié)引起的熱量吸收或釋放部分)和向下墊面內(nèi)部傳遞的導(dǎo)熱通量(下墊面的蓄熱部分，W·m－2);根據(jù)Stefan-Boltzman定律，式(1)中的εiσT4j部分實質(zhì)為向上的長波紅外輻射量.

1.2 不同下墊面感熱通量計算

計算感熱通量時，考慮各種下墊面的土地構(gòu)成比例，根據(jù)各下墊面表面溫度與大氣側(cè)空氣溫度之差來求得.其中土壤、人工表面的對流換熱系數(shù)根據(jù)開發(fā)者實測獲得的經(jīng)驗式［6］.

式中:α為對流換熱系數(shù)，W·m－2·℃－1;U為下墊面附近處風(fēng)速，m·s－1;Iu為室外風(fēng)速湍動強度.時均風(fēng)速U與包含湍動強度Iu的風(fēng)速之間的相關(guān)關(guān)系根據(jù)實測可知大致呈指數(shù)正比關(guān)系.

對于綠地表面的對流換熱系數(shù)，則采用實測得到的經(jīng)驗式［7］.

對于水面的感熱通量Hw(W·m－2)，在水文學(xué)中一般利用拖曳系數(shù)法進行實測研究，相關(guān)成果很多.本文采用式(4)［8］計算.

式中:CH為熱輸送系數(shù)，本文取1.82×10－3;θs和θa分別為水面和大氣溫度，℃.實際計算時，為統(tǒng)一算法便于編程，式(4)改寫為式(2)或式(3)傳統(tǒng)傳熱學(xué)對流換熱形式.

對于樹木來說，考慮組成樹冠的每一片樹葉表面的對流換熱規(guī)律將會使問題變得極端復(fù)雜，同時沒有實際意義.引入針對樹冠的平均對流換熱系數(shù)αf，根據(jù)經(jīng)驗式(5)［9］計算.

由于本研究中樹木是像建筑物一樣的立體結(jié)構(gòu)，故對流換熱表面面積Af的計算方法與其他下墊面也有所不同，計算式為

式中:Vf為樹木樹冠部分體積，m3.

1.3 不同下墊面散濕通量計算

與計算感熱通量類似，計算散濕通量時考慮各種下墊面的土地構(gòu)成比例，根據(jù)各下墊面表面含濕量與大氣側(cè)空氣含濕量之差來求得.對于土壤表面的水分蒸發(fā)量計算，一般采用熱濕同時傳遞的計算方法，但計算量較大，特別是與前述大氣計算部分耦合求解時，甚至產(chǎn)生計算不穩(wěn)定.本模型采用簡化方法［10］，引入了蒸發(fā)比re的概念，它表示實際土壤蒸發(fā)量相對于完全濕潤土壤蒸發(fā)量的比值.該方法可以分離熱、濕計算，散濕計算只需考慮地面上一點即可，極大地簡化了計算過程.土壤散濕通量Es(kg·m－2·s－1)的計算式為

式中:re為蒸發(fā)比，是土壤的重量含水率 Φ (kg·kg－1)與飽和含水率 Φsat(kg·kg－1)的函數(shù);.αx為傳質(zhì)系數(shù)，kg·m－2·s－1(kg·kg－1)－1，其中cv為濕空氣容積比熱，J·m－·3K－1; Xsat、Xa分別為對應(yīng)于土壤表面溫度的飽和含濕量和空氣中的含濕量，kg·kg－1.

綠地散濕通量和建筑或人工路面等不透水表面的散濕量計算方法與土壤類似，參考文獻［11］.

樹冠部的散濕量Ef(kg·m－2·s－1)可根據(jù)實測得到的經(jīng)驗式概算［12］

式中:αw為樹冠散濕系數(shù)，kg·m－2·s－1(kg·kg－1)，等于7.0×10－6αf;βf為構(gòu)成樹冠的樹葉群蒸發(fā)效率，一般可取0.3;Xf為葉面平均含濕量，kg·kg－1，一般可認為對應(yīng)于樹葉表面溫度的飽和含濕量.

湖泊、河流等自然大水體水面散熱與蒸發(fā)問題的研究由來已久.考慮到各計算方法的精度，以及嵌入計算模型的便利性等因素，本文采用簡化計算方法

式中:Ew為水面散濕通量，kg·m－2·s－1;CE為水氣輸送系數(shù)，取2.07×10－3;Xw為水面含濕量，kg·kg－1，一般認為對應(yīng)水表面溫度的飽和含濕量.

近年來屋頂綠化作為一項改善城市氣候的措施正越來越受到重視［12］.其計算方法包括了前文中關(guān)于土壤和草地散熱散濕的計算方法.

2 應(yīng)用案例

2.1 規(guī)劃項目概要

圖1為北京某大型生態(tài)城規(guī)劃項目區(qū)域總體規(guī)劃圖.該區(qū)域以居住、休閑、服務(wù)型建筑等為主，約131.92公頃.整個區(qū)域的建筑布局和朝向考慮了城市通風(fēng)作用，設(shè)置了通風(fēng)廊道.由于實際規(guī)劃中建筑物的形狀、體積、間距均不盡相同，本文通過統(tǒng)計方法按照城市區(qū)域熱氣候預(yù)測模型的要求進行了簡化，同時嚴格保持實際規(guī)劃方案中的重要信息:如地塊的容積率約0.89、綠地率(指公共綠地、宅旁綠地、公共服務(wù)設(shè)施所屬綠地和道路綠地)約33.2%、道路、廣場、空地用地率約18.1%、樹木用地面積率約28.1%、水域面積率約5.2%等.另外，根據(jù)北京地區(qū)的林木情況設(shè)定為櫟屬、樺屬、楊屬為主的闊葉林，樹冠高度設(shè)定為10 m.

圖1 項目區(qū)域總體規(guī)劃圖

根據(jù)地方建筑節(jié)能標(biāo)準等［13］，規(guī)劃區(qū)域內(nèi)居住建筑圍護結(jié)構(gòu)構(gòu)成和熱物性參數(shù)分別為:墻體，外保溫(裝飾面磚聚氨酯復(fù)合板70 mm)+現(xiàn)澆混凝土180 mm，傳熱系數(shù)0.36 W/(m2·K);窗體，輻射率≤0.25 Low-E中空玻璃(12 mm)+鋁合金窗框，傳熱系數(shù)1.70 W/(m2·K).另外，從降低氣溫的角度，設(shè)定30%的屋頂綠化，外墻反射率提高至0.2.根據(jù)相關(guān)調(diào)查文獻［14］，居住類建筑夏季供冷以分散式房間空調(diào)器為主，保有率在2002年已達到96.8%.使用時間設(shè)在晚9點至翌日凌晨3點之間.另外，文獻［15］給出了北京地區(qū)崇文門等繁忙路段機動車尾氣排放的廢熱量和日變動比率，考慮到具體區(qū)域交通性質(zhì)的差異，本對象區(qū)域的交通廢熱峰值按文獻給值的2/3取值.

2.2 評價指標(biāo)

涉及的城市規(guī)劃區(qū)域大致對應(yīng)于城市氣象學(xué)分類中的中尺度－γ(水平距離1～25 km以內(nèi))問題，而熱島效應(yīng)及熱島強度在理論上更適用于更宏觀的尺度規(guī)模(如針對城市尺度的中尺度－β，即水平距離在25 km以上).為明確概念起見，本文提出“城市區(qū)域局部溫升值”.ΔC作為評價指標(biāo)，該指標(biāo)反映特定的城市區(qū)域規(guī)劃前與實施后對大氣溫度的影響，計算式為

式中:Turban為該對象區(qū)域在夏季典型日內(nèi)白天(8時—18時)及夜間(19時—翌日7時)冠層高度內(nèi)大氣溫度的時均值，反映建成后該區(qū)域的實際熱氣候狀況.根據(jù)北京地區(qū)氣象數(shù)據(jù)［16］，選擇北京地區(qū)全年最熱的7月—8月的4周時間作為計算期間.然后參考文獻［17］，選擇出計算期間內(nèi)的典型日(該日平均氣象參數(shù)最接近計算期間內(nèi)氣象參數(shù)的平均值)來計算ΔC值.為消除初始條件影響，取計算期間前一周作為預(yù)計算;T0為該對象區(qū)域在相同的夏季代表月內(nèi)白天(8時—18時)及夜間(19時—翌日7時)冠層高度內(nèi)大氣溫度的時均值，該值作為規(guī)劃前后比較的基準值.對本文的規(guī)劃對象來說，規(guī)劃前該區(qū)域為未開發(fā)荒地，以土壤和植被為主.

2.3 結(jié)果與分析

2.3.1 典型日城市區(qū)域局部溫升

圖2所示為規(guī)劃實施后的典型日下墊面熱平衡關(guān)系.其中，進入地表面的得熱部分設(shè)為正，離開地表面的熱損失部分設(shè)為負.進入白天后，凈輻射得熱量Rn逐漸增加，相應(yīng)地感熱H和散濕通量E也增加.但總體上看，由于規(guī)劃用地的土地構(gòu)成比較合理，綠地和樹木所占面積比率較大，故散濕通量很大，白天H/Rn和E/Rn的最大值分別為37%和43%.這部分潛熱散熱對調(diào)節(jié)該區(qū)域的熱氣候起著很大的作用.同時在此期間剩余的近20%的凈輻射得熱量通過傳熱形式進入地中，在夜間以長波輻射的形式釋放出來.

圖2 規(guī)劃實施后夏季典型日下墊面熱平衡關(guān)系

圖3給出了規(guī)劃前與規(guī)劃實施后夏季典型日溫度變化，表1給出了計算出的白天與夜晚城市區(qū)域局部溫升值ΔC.由結(jié)果看，由于不透水人工表面(建筑外表面、道路等)對太陽輻射的反射率比其他下墊面小，同時凸凹不平的建筑形狀又不利于太陽輻射的反射，導(dǎo)致區(qū)域內(nèi)部熱量聚集、溫度升高，與規(guī)劃前的狀態(tài)相比，局部溫度大致上升0.82℃;而夜晚主要是考慮了建筑空調(diào)排熱因素，導(dǎo)致與規(guī)劃前狀態(tài)相比，局部溫度大致上升0.81℃.

圖3 規(guī)劃前與實施后夏季典型日溫度變化

2.3.2 本文方案與常規(guī)方案的局部溫升值對比

為進一步分析本文方案對減緩城市區(qū)域高溫化方面的作用，還進行了常規(guī)方案的模擬.常規(guī)方案的基本設(shè)定條件(建筑容積率等)與規(guī)劃方案相同，區(qū)別點主要體現(xiàn)在:1)綠地率設(shè)為規(guī)范下限的30%，不考慮樹木.相應(yīng)的人工不透水表面面積增加;2)采用常規(guī)的建筑圍護結(jié)構(gòu)和空調(diào)制冷方式與設(shè)備;3)未考慮針對區(qū)域熱氣候問題的專門措施，未考慮地塊內(nèi)氣流流動和熱量的有效擴散、未考慮屋頂綠化作用、采用常規(guī)的外墻反射率0.1等.其計算結(jié)果見表1.可以看出，常規(guī)方案下ΔC值在白天和夜晚都超過了1.5℃.

表1 規(guī)劃區(qū)域內(nèi)夏季典型日白天及夜晚的城市區(qū)域局部溫升值 ℃

3 結(jié)語

利用城市區(qū)域熱氣候預(yù)測模型以及本文提出的城市區(qū)域局部溫升值指標(biāo)，可以用于評價不同城市規(guī)劃方案在改變城市熱氣候方面的作用，為可持續(xù)發(fā)展生態(tài)城市建設(shè)提供了一種定量的評價方法.從給出的實例可以看出，通過有效的規(guī)劃設(shè)計(提高綠地和樹木面積率、降低建筑能耗和減少建筑排熱、提高建筑群之間的通透性、增加屋頂綠化和提高外墻反射率等)，可以顯著緩解城市化過程對熱氣候的影響.

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