城市規劃實踐中的熱氣候評價

朱岳梅，劉 京，李炳熙，葉祖達，饒 紅，王靜懿

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

在過去的城市規劃實踐中，比較注重社會和經濟因素對城市的影響，不太重視城市生態環境和氣候問題.實際上，在城市或城市區域的規劃過程中正確了解城市氣候的特點，從可持續城市發展角度提出有針對性的規劃方案，對于改善城市化對氣候環境的影響，緩解城市熱島效應，有效降低城區溫度，提高城市環境舒適度，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，關于城市規劃方案對城市區域熱氣候影響的相關研究還非常缺乏，且以定性分析為主［3］，缺乏有說服力的計算模型和計算數據作為理論支撐.

1 下墊面傳熱傳質計算與城市區域熱氣候預測模型

利用開發的城市區域熱氣候預測模型，對城市規劃前與實施后熱氣候變化進行預測評價.

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簡化處理，在大氣流動計算中導入了建筑群的拖曳力影響.結合我國的實際情況，給出了建筑系統設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各形體表面之間復雜的形態系數.此模型涵蓋了城市與建筑熱氣候問題的所有主要相關因素.該模型的基本框架參見文獻［4］.通過與實測結果的比較，證明該模型可以較好地反映城市冠層內各物理量的變化趨勢.同時計算方法簡易，可用于城市內特定區域熱氣候的定量評估［5］.為更好地計算城市規劃過程中不同下墊面形式的傳熱、蓄熱和蒸發量計算方法，進而評價不同規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 下墊面傳熱基本計算

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，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(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(下墊面的水分蒸發和凝結引起的熱量吸收或釋放部分)和向下墊面內部傳遞的導熱通量(下墊面的蓄熱部分，W·m－2);根據Stefan-Boltzman定律，式(1)中的εiσT4j部分實質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成比例，根據各下墊面表面溫度與大氣側空氣溫度之差來求得.其中土壤、人工表面的對流換熱系數根據開發者實測獲得的經驗式［6］.

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

對于綠地表面的對流換熱系數，則采用實測得到的經驗式［7］.

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

式中:CH為熱輸送系數，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，為統一算法便于編程，式(4)改寫為式(2)或式(3)傳統傳熱學對流換熱形式.

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律將會使問題變得極端復雜，同時沒有實際意義.引入針對樹冠的平均對流換熱系數αf，根據經驗式(5)［9］計算.

由于本研究中樹木是像建筑物一樣的立體結構，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成比例，根據各下墊面表面含濕量與大氣側空氣含濕量之差來求得.對于土壤表面的水分蒸發量計算，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，甚至產生計算不穩定.本模型采用簡化方法［10］，引入了蒸發比re的概念，它表示實際土壤蒸發量相對于完全濕潤土壤蒸發量的比值.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;.αx為傳質系數，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)可根據實測得到的經驗式概算［12］

式中:αw為樹冠散濕系數，kg·m－2·s－1(kg·kg－1)，等于7.0×10－6αf;βf為構成樹冠的樹葉群蒸發效率，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，取2.07×10－3;Xw為水面含濕量，kg·kg－1，一般認為對應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于土壤和草地散熱散濕的計算方法.

2 應用案例

2.1 規劃項目概要

圖1為北京某大型生態城規劃項目區域總體規劃圖.該區域以居住、休閑、服務型建筑等為主，約131.92公頃.整個區域的建筑布局和朝向考慮了城市通風作用，設置了通風廊道.由于實際規劃中建筑物的形狀、體積、間距均不盡相同，本文通過統計方法按照城市區域熱氣候預測模型的要求進行了簡化，同時嚴格保持實際規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、公共服務設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，根據北京地區的林木情況設定為櫟屬、樺屬、楊屬為主的闊葉林，樹冠高度設定為10 m.

圖1 項目區域總體規劃圖

根據地方建筑節能標準等［13］，規劃區域內居住建筑圍護結構構成和熱物性參數分別為:墻體，外保溫(裝飾面磚聚氨酯復合板70 mm)+現澆混凝土180 mm，傳熱系數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1.70 W/(m2·K).另外，從降低氣溫的角度，設定30%的屋頂綠化，外墻反射率提高至0.2.根據相關調查文獻［14］，居住類建筑夏季供冷以分散式房間空調器為主，保有率在2002年已達到96.8%.使用時間設在晚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，考慮到具體區域交通性質的差異，本對象區域的交通廢熱峰值按文獻給值的2/3取值.

2.2 評價指標

涉及的城市規劃區域大致對應于城市氣象學分類中的中尺度－γ(水平距離1～25 km以內)問題，而熱島效應及熱島強度在理論上更適用于更宏觀的尺度規模(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“城市區域局部溫升值”.ΔC作為評價指標，該指標反映特定的城市區域規劃前與實施后對大氣溫度的影響，計算式為

式中:Turban為該對象區域在夏季典型日內白天(8時—18時)及夜間(19時—翌日7時)冠層高度內大氣溫度的時均值，反映建成后該區域的實際熱氣候狀況.根據北京地區氣象數據［16］，選擇北京地區全年最熱的7月—8月的4周時間作為計算期間.然后參考文獻［17］，選擇出計算期間內的典型日(該日平均氣象參數最接近計算期間內氣象參數的平均值)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計算;T0為該對象區域在相同的夏季代表月內白天(8時—18時)及夜間(19時—翌日7時)冠層高度內大氣溫度的時均值，該值作為規劃前后比較的基準值.對本文的規劃對象來說，規劃前該區域為未開發荒地，以土壤和植被為主.

2.3 結果與分析

2.3.1 典型日城市區域局部溫升

圖2所示為規劃實施后的典型日下墊面熱平衡關系.其中，進入地表面的得熱部分設為正，離開地表面的熱損失部分設為負.進入白天后，凈輻射得熱量Rn逐漸增加，相應地感熱H和散濕通量E也增加.但總體上看，由于規劃用地的土地構成比較合理，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節該區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 規劃實施后夏季典型日下墊面熱平衡關系

圖3給出了規劃前與規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域局部溫升值ΔC.由結果看，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，導致區域內部熱量聚集、溫度升高，與規劃前的狀態相比，局部溫度大致上升0.82℃;而夜晚主要是考慮了建筑空調排熱因素，導致與規劃前狀態相比，局部溫度大致上升0.81℃.

圖3 規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域高溫化方面的作用，還進行了常規方案的模擬.常規方案的基本設定條件(建筑容積率等)與規劃方案相同，區別點主要體現在:1)綠地率設為規范下限的30%，不考慮樹木.相應的人工不透水表面面積增加;2)采用常規的建筑圍護結構和空調制冷方式與設備;3)未考慮針對區域熱氣候問題的專門措施，未考慮地塊內氣流流動和熱量的有效擴散、未考慮屋頂綠化作用、采用常規的外墻反射率0.1等.其計算結果見表1.可以看出，常規方案下ΔC值在白天和夜晚都超過了1.5℃.

表1 規劃區域內夏季典型日白天及夜晚的城市區域局部溫升值 ℃

3 結語

利用城市區域熱氣候預測模型以及本文提出的城市區域局部溫升值指標，可以用于評價不同城市規劃方案在改變城市熱氣候方面的作用，為可持續發展生態城市建設提供了一種定量的評價方法.從給出的實例可以看出，通過有效的規劃設計(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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