為“火爐”城市“滅火”

魯長國

自上世紀90年代以來，我國城市建設規模大幅擴大。隨著城市規模的不斷擴大，城市居住區熱環境問題越來越突出，夏季時全國多地氣溫居高不下，人民的生活環境“如火益熱”，越來越多的城市變成“火爐城市”。城市居住區熱環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，將會出現很多社會問題。

華南理工大學建筑學院副院長，華南理工大學建筑節能研究中心主任，亞熱帶建筑科學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、宜居的城市環境，即建立綠色環保建筑社區，使城市能夠應對氣候變化等。如何才能做到這一點？孟慶林希望通過“現代城市熱環境調控關鍵技術創新與應用”項目來做出回答。

該項目由孟慶林領銜，項目組成員來自華南理工大學、清華大學、中國建筑科學研究院、廣東省建筑科學研究院集團股份有限公司、北京工業大學、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境調控過程理論、創新設計原理、研發仿真平臺、開發測試技術裝備等方面突破關鍵技術瓶頸，實現創新性的進步。

經過調研，項目組發現，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。該系列成果完全經得起實驗驗證，被鑒定為達到國際領先水平，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，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，系統地解決了植物冠層對太陽輻射和周圍環境輻射的換熱模擬問題。基于該成果發表的論文被ESI科學指標數據庫高被引論文收錄，被引次數進入工程學領域前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方法等，這一系列共同構建出現代城市熱環境調控過程的計算理論，為后續研究打下了基礎。

當然了，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控原理缺乏的問題，孟慶林帶領項目組構建了我國城市熱環境調控技術的設計原理和標準體系。其中，較為突出的是創新了熱島強度模型設計計算理論。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。熱島強度量化設計計算模型在國際上尚屬首例，填補了我國相關技術的空白。

對項目組來說，創新已經成為了他們的慣性思維。當國內外均限于經典的CTTC模型時，他們已經通過擴展CTTC模型，去尋找適合我國城市熱環境溫度指標設計的計算新方法了。他們建立完善的熱環境氣溫設計計算模型，具有可以計算蒸發換熱、遮陽降溫作用等優勢，對解決熱島強度量化設計計算難題有奇效。

“我們還建立了熱環境對組團設計因子的響應關系，提出了設計因子模型”，孟慶林說。在這一環節上，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、遮陽和水體蒸發等對熱環境指標的影響關系，解決了城市設計因子影響熱環境的量化設計計算難題；同時，提出的熱環境安全性評價指標的簡化計算公式，也突破了熱環境設計質量評價的技術障礙。

開發模擬平臺，進行仿真實踐

清除調控過程中的技術障礙，只是孟慶林團隊工作的一部分。這個有著產學研構成的團隊，從一開始的目標就是實踐應用。

當研究進入到仿真模擬環節，孟慶林注意到，我國原有的城市熱環境模擬仿真工具太過落后，從而決定開發城市熱環境三維可視化模擬仿真優化平臺。“我們開發的基于CAD和CTTC的城市熱環境設計軟件，目前，國內外均未見同類軟件。”提及此，孟慶林為團隊感到自豪。這里所說的軟件，能夠實現熱環境物理模型CTTC與城市設計輔助工具CAD平臺的鏈接，在解決熱環境模擬設計可視化問題的同時，已經取得了軟件著作權。現在，該軟件在大量的綠色建筑室外熱環境設計評價項目中得到應用，極具口碑。

基于GIS的熱環境性能綜合評價平臺，是他們取得軟件著作權的另一個優化平臺。該平臺在地理信息系統GIS中實現了建筑圖形導入和三維顯示的方法，可以充分解決室外熱環境模擬中的人機交互難題。同時，他們以計算流體動力學CFD求解器為計算核心，建立了多項先進技術，研制完成了“建筑風環境仿真系統WindCFD”。該軟件能夠方便快速、精確高效地進行建筑風環境模擬計算，填補了該領域的國內空白，在風環境專業模擬軟件領域處于國際先進水平。這一軟件工具在我國綠色建筑熱環境設計、風環境試驗中廣泛應用，北京奧運會場館、上海世博會場館、廣州亞運城、廣州機場、中國建筑科學研究院新辦公大樓等在內的大型工程熱環境設計中均有它的影子。

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，研究也要環環相扣。前期研究做好了，城市熱環境測試成套技術也必不可少。“我國在這方面的研究上也是空白的”，孟慶林感慨道。

為了填補這個空白，他們做了不少工作。孟慶林帶領團隊首次建立了周期性動態標準實驗氣候風洞，解決了城市單元界面周期性換熱性能測試不能復現的重大難題，為全國城市地表熱濕耦合換熱設計提供了關鍵熱物性參數。經國家計量認證，他們研發的城市單元界面換熱的動態熱濕氣候風洞測試技術和裝備，整體上達到了國際先進水平。然而，風洞測試上的“Bug”至此并沒有補完，在進一步的研究中，他們還研發了熱環境的風場縮尺模型風洞測試和現場測試技術和裝備，使之更加完善。

熱環境地表溫度場的飛艇遙感測試技術和裝備，也是他們的一大特色。“在城市熱環境傳統測試技術中，存在很多難題，比如衛星遙感不靈活、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，帶領團隊完成了從飛艇系統、自動控制系統、任務系統、通訊系統到地面站等一條龍的測試技術，建立了城市熱環境遙感觀測用的飛艇遙感航拍系統。這是國內外首次開發低空無人飛艇紅外航拍系統，被應用于中國新加坡廣州知識城、廣州大學城、亞運城等重大項目。

這一枝一葉，都關乎孟慶林對于城市熱環境的思考。以這些項目為基礎，他取得7項發明專利，5項著作權，發表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境設計，主編了包括我國第一部城市熱環境設計標準——《城市居住區熱環境設計標準》在內的7項標準，并參編了3項標準，為我國城市熱環境的調控事業做出了突出的貢獻。“如果我的工作能夠對我國城市熱環境設計的失控狀態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。endprint