本刊記者 魯長國

為“火爐”城市“滅火”

本刊記者 魯長國

自上世紀(jì)90年代以來，我國城市建設(shè)規(guī)模大幅擴(kuò)大。隨著城市規(guī)模的不斷擴(kuò)大，城市居住區(qū)熱環(huán)境問題越來越突出，夏季時(shí)全國多地氣溫居高不下，人民的生活環(huán)境“如火益熱”，越來越多的城市變成“火爐城市”。城市居住區(qū)熱環(huán)境問題直接影響到了人們戶外活動(dòng)的熱安全性和熱舒適度，如果一個(gè)城市的高溫得不到緩解，將會(huì)出現(xiàn)很多社會(huì)問題。

華南理工大學(xué)建筑學(xué)院副院長，華南理工大學(xué)建筑節(jié)能研究中心主任，亞熱帶建筑科學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室副主任孟慶林指出：“目前完全避免熱島效應(yīng)是不可能的，該做的是尋找緩解的辦法?！彼粲踅o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(shí)就是要打造一個(gè)生態(tài)、宜居的城市環(huán)境，即建立綠色環(huán)保建筑社區(qū)，使城市能夠應(yīng)對氣候變化等。如何才能做到這一點(diǎn)？孟慶林希望通過“現(xiàn)代城市熱環(huán)境調(diào)控關(guān)鍵技術(shù)創(chuàng)新與應(yīng)用”項(xiàng)目來做出回答。

該項(xiàng)目由孟慶林領(lǐng)銜，項(xiàng)目組成員來自華南理工大學(xué)、清華大學(xué)、中國建筑科學(xué)研究院、廣東省建筑科學(xué)研究院集團(tuán)股份有限公司、北京工業(yè)大學(xué)、洛陽眾智軟件有限公司。在十余項(xiàng)國家、省、市科研計(jì)劃項(xiàng)目的支撐下，他們力求從建立城市熱環(huán)境調(diào)控過程理論、創(chuàng)新設(shè)計(jì)原理、研發(fā)仿真平臺(tái)、開發(fā)測試技術(shù)裝備等方面突破關(guān)鍵技術(shù)瓶頸，實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新性的進(jìn)步。

孟慶林教授榮獲中國建筑學(xué)會(huì)科技進(jìn)步獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)

經(jīng)過調(diào)研，項(xiàng)目組發(fā)現(xiàn)，城市界面熱濕交換機(jī)理不完善是一大難題。為此，他們提出被動(dòng)蒸發(fā)冷卻模型計(jì)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(jīng)得起實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，被鑒定為達(dá)到國際領(lǐng)先水平，并被授予第七屆城市氣候國際會(huì)議（ICUC-7）特別論文獎(jiǎng)——“Japan Prize”。

“樹冠換熱模型計(jì)算理論”也是他們做出的一大突破。以此為基礎(chǔ)，他們建立了非透明體和半透明體同時(shí)存在情況下的通用輻射計(jì)算體系，系統(tǒng)地解決了植物冠層對太陽輻射和周圍環(huán)境輻射的換熱模擬問題。基于該成果發(fā)表的論文被ESI科學(xué)指標(biāo)數(shù)據(jù)庫高被引論文收錄，被引次數(shù)進(jìn)入工程學(xué)領(lǐng)域前1%，并獲第11屆國際建筑性能模擬大會(huì)Best Poster Paper獎(jiǎng)。再加上完善了植被層換熱模型計(jì)算理論、提出了逐時(shí)降雨模型的建構(gòu)方法等，這一系列共同構(gòu)建出現(xiàn)代城市熱環(huán)境調(diào)控過程的計(jì)算理論，為后續(xù)研究打下了基礎(chǔ)。

當(dāng)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(qiáng)度計(jì)算理論和調(diào)控原理缺乏的問題，孟慶林帶領(lǐng)項(xiàng)目組構(gòu)建了我國城市熱環(huán)境調(diào)控技術(shù)的設(shè)計(jì)原理和標(biāo)準(zhǔn)體系。其中，較為突出的是創(chuàng)新了熱島強(qiáng)度模型設(shè)計(jì)計(jì)算理論。孟慶林首次提出了以城市典型氣象日氣象參數(shù)為參照量的熱島強(qiáng)度計(jì)算方法，建立了城市熱島強(qiáng)度量化設(shè)計(jì)計(jì)算模型，從而解決了長期以來熱島強(qiáng)度參照量不唯一的重大難點(diǎn)。熱島強(qiáng)度量化設(shè)計(jì)計(jì)算模型在國際上尚屬首例，填補(bǔ)了我國相關(guān)技術(shù)的空白。

對項(xiàng)目組來說，創(chuàng)新已經(jīng)成為了他們的慣性思維。當(dāng)國內(nèi)外均限于經(jīng)典的CTTC模型時(shí)，他們已經(jīng)通過擴(kuò)展CTTC模型，去尋找適合我國城市熱環(huán)境溫度指標(biāo)設(shè)計(jì)的計(jì)算新方法了。他們建立完善的熱環(huán)境氣溫設(shè)計(jì)計(jì)算模型，具有可以計(jì)算蒸發(fā)換熱、遮陽降溫作用等優(yōu)勢，對解決熱島強(qiáng)度量化設(shè)計(jì)計(jì)算難題有奇效。

“我們還建立了熱環(huán)境對組團(tuán)設(shè)計(jì)因子的響應(yīng)關(guān)系，提出了設(shè)計(jì)因子模型”，孟慶林說。在這一環(huán)節(jié)上，他們有針對性地提出的城市組團(tuán)類型、硬化地表、綠化和綠地、遮陽和水體蒸發(fā)等對熱環(huán)境指標(biāo)的影響關(guān)系，解決了城市設(shè)計(jì)因子影響熱環(huán)境的量化設(shè)計(jì)計(jì)算難題；同時(shí)，提出的熱環(huán)境安全性評價(jià)指標(biāo)的簡化計(jì)算公式，也突破了熱環(huán)境設(shè)計(jì)質(zhì)量評價(jià)的技術(shù)障礙。

開發(fā)模擬平臺(tái)，進(jìn)行仿真實(shí)踐

清除調(diào)控過程中的技術(shù)障礙，只是孟慶林團(tuán)隊(duì)工作的一部分。這個(gè)有著產(chǎn)學(xué)研構(gòu)成的團(tuán)隊(duì)，從一開始的目標(biāo)就是實(shí)踐應(yīng)用。

當(dāng)研究進(jìn)入到仿真模擬環(huán)節(jié)，孟慶林注意到，我國原有的城市熱環(huán)境模擬仿真工具太過落后，從而決定開發(fā)城市熱環(huán)境三維可視化模擬仿真優(yōu)化平臺(tái)?！拔覀冮_發(fā)的基于CAD和CTTC的城市熱環(huán)境設(shè)計(jì)軟件，目前，國內(nèi)外均未見同類軟件?！碧峒按?，孟慶林為團(tuán)隊(duì)感到自豪。這里所說的軟件，能夠?qū)崿F(xiàn)熱環(huán)境物理模型CTTC與城市設(shè)計(jì)輔助工具CAD平臺(tái)的鏈接，在解決熱環(huán)境模擬設(shè)計(jì)可視化問題的同時(shí)，已經(jīng)取得了軟件著作權(quán)。現(xiàn)在，該軟件在大量的綠色建筑室外熱環(huán)境設(shè)計(jì)評價(jià)項(xiàng)目中得到應(yīng)用，極具口碑。

基于GIS的熱環(huán)境性能綜合評價(jià)平臺(tái)，是他們?nèi)〉密浖鳈?quán)的另一個(gè)優(yōu)化平臺(tái)。該平臺(tái)在地理信息系統(tǒng)GIS中實(shí)現(xiàn)了建筑圖形導(dǎo)入和三維顯示的方法，可以充分解決室外熱環(huán)境模擬中的人機(jī)交互難題。同時(shí)，他們以計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)CFD求解器為計(jì)算核心，建立了多項(xiàng)先進(jìn)技術(shù)，研制完成了“建筑風(fēng)環(huán)境仿真系統(tǒng)WindCFD”。該軟件能夠方便快速、精確高效地進(jìn)行建筑風(fēng)環(huán)境模擬計(jì)算，填補(bǔ)了該領(lǐng)域的國內(nèi)空白，在風(fēng)環(huán)境專業(yè)模擬軟件領(lǐng)域處于國際先進(jìn)水平。這一軟件工具在我國綠色建筑熱環(huán)境設(shè)計(jì)、風(fēng)環(huán)境試驗(yàn)中廣泛應(yīng)用，北京奧運(yùn)會(huì)場館、上海世博會(huì)場館、廣州亞運(yùn)城、廣州機(jī)場、中國建筑科學(xué)研究院新辦公大樓等在內(nèi)的大型工程熱環(huán)境設(shè)計(jì)中均有它的影子。

從原理的突破到仿真模擬平臺(tái)的建立，孟慶林團(tuán)隊(duì)腳踏實(shí)地地探索著，對他們來說，路要一步步走，研究也要環(huán)環(huán)相扣。前期研究做好了，城市熱環(huán)境測試成套技術(shù)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。

孟慶林教授應(yīng)邀率團(tuán)參加英國生態(tài)建筑2012展覽會(huì)

為了填補(bǔ)這個(gè)空白，他們做了不少工作。孟慶林帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)首次建立了周期性動(dòng)態(tài)標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)氣候風(fēng)洞，解決了城市單元界面周期性換熱性能測試不能復(fù)現(xiàn)的重大難題，為全國城市地表熱濕耦合換熱設(shè)計(jì)提供了關(guān)鍵熱物性參數(shù)。經(jīng)國家計(jì)量認(rèn)證，他們研發(fā)的城市單元界面換熱的動(dòng)態(tài)熱濕氣候風(fēng)洞測試技術(shù)和裝備，整體上達(dá)到了國際先進(jìn)水平。然而，風(fēng)洞測試上的“Bug”至此并沒有補(bǔ)完，在進(jìn)一步的研究中，他們還研發(fā)了熱環(huán)境的風(fēng)場縮尺模型風(fēng)洞測試和現(xiàn)場測試技術(shù)和裝備，使之更加完善。

熱環(huán)境地表溫度場的飛艇遙感測試技術(shù)和裝備，也是他們的一大特色?！霸诔鞘袩岘h(huán)境傳統(tǒng)測試技術(shù)中，存在很多難題，比如衛(wèi)星遙感不靈活、無人機(jī)航拍炸機(jī)率高、載人飛機(jī)航拍成本高等。”孟慶林想要改變這一狀況，帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)完成了從飛艇系統(tǒng)、自動(dòng)控制系統(tǒng)、任務(wù)系統(tǒng)、通訊系統(tǒng)到地面站等一條龍的測試技術(shù)，建立了城市熱環(huán)境遙感觀測用的飛艇遙感航拍系統(tǒng)。這是國內(nèi)外首次開發(fā)低空無人飛艇紅外航拍系統(tǒng)，被應(yīng)用于中國新加坡廣州知識城、廣州大學(xué)城、亞運(yùn)城等重大項(xiàng)目。

這一枝一葉，都關(guān)乎孟慶林對于城市熱環(huán)境的思考。以這些項(xiàng)目為基礎(chǔ)，他取得7項(xiàng)發(fā)明專利，5項(xiàng)著作權(quán)，發(fā)表SCI、EI論文36篇、專著3部，獲2項(xiàng)國際論文獎(jiǎng)。成績卓然，他心底卻更惦記做出行之有效的城市熱環(huán)境設(shè)計(jì)，主編了包括我國第一部城市熱環(huán)境設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)——《城市居住區(qū)熱環(huán)境設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》在內(nèi)的7項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)，并參編了3項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)，為我國城市熱環(huán)境的調(diào)控事業(yè)做出了突出的貢獻(xiàn)。“如果我的工作能夠?qū)ξ覈鞘袩岘h(huán)境設(shè)計(jì)的失控狀態(tài)起到一定的緩解作用，能夠有利于改善居民的實(shí)際居住體驗(yàn)，就是對我最大的肯定。”孟慶林表示。