周 文 倩, 李 祥 立*, 端 木 琳, 高 進

(1.大連理工大學 建筑環(huán)境與設備研究所，遼寧 大連 116024；2.大連理工大學 土木建筑設計研究院有限公司，遼寧 大連 116023)

0 引 言

近年來，氣候問題受到越來越多的關(guān)注，如溫室效應、城市熱島(UHI)、霧霾等問題，嚴重影響了城市空間品質(zhì)和居民生活質(zhì)量[1].

城市作為人類生產(chǎn)生活的集中地，在21世紀進入了快速發(fā)展期，聯(lián)合國發(fā)布聲明稱“預計到2050年，城市人口比例將由55%增加至68%，其中近90%的增長發(fā)生在亞洲和非洲”[2].由于人員的大量涌入，土地利用類型及市內(nèi)水體面積的變化，城市區(qū)域環(huán)境也隨之改變[3].連婧慧等分析了1986年和2011年土地利用數(shù)據(jù)變化情況及其對深圳市氣溫的影響，發(fā)現(xiàn)自然植被覆蓋轉(zhuǎn)為城鎮(zhèn)建設用地導致城市升溫0.70～1.57 ℃[4].曹崢等[5]研究得出各土地利用類型對城市熱島的貢獻率大小排序為城鎮(zhèn)建設用地>農(nóng)田>林地>未利用地>草地>水體.由此可見，土地覆蓋類型能夠明顯影響城市氣候，所以區(qū)域環(huán)境的研究需要保證土地利用數(shù)據(jù)的精度和時效性.

在全球氣候持續(xù)變暖的背景下，世界各地積極推行節(jié)能減排的綠色可持續(xù)發(fā)展理念，建筑節(jié)能工作逐步開展.由于建筑環(huán)境與周圍環(huán)境相輔相成，不斷通過對流和輻射進行著熱交換，建筑特征對區(qū)域環(huán)境的作用不容忽視.隨著建筑節(jié)能工作的推進，建筑圍護結(jié)構(gòu)的熱工性能逐步提升，高性能圍護結(jié)構(gòu)成為建筑節(jié)能設計的關(guān)鍵技術(shù)之一.且隨著大面積節(jié)能減排工作的開展，建筑墻體、屋頂?shù)刃阅艿靡愿纳疲ㄖo結(jié)構(gòu)變化對周圍熱環(huán)境的直接影響情況有待進一步探究.除了高性能建筑圍護結(jié)構(gòu)設計之外，冷卻屋頂也是降低建筑能耗的一種手段，比如常見的屋頂綠化、增加屋面反照率等[6]，且光伏建筑集成技術(shù)不僅可以改變建筑表面反照率，也可實現(xiàn)太陽能的充分利用，勢必會成為未來低碳城市發(fā)展的一大趨勢，因此分析建筑冷卻屋頂對當?shù)貧夂虻挠绊懸部梢愿玫刂笇нm應當?shù)貧夂蛱卣鞯慕ㄖ?jié)能設計.

本文首先根據(jù)氣象站多點實測數(shù)據(jù)完成中尺度數(shù)值模擬工具WRF模擬結(jié)果的驗證，然后結(jié)合不同時期建筑節(jié)能設計標準和不同類型建筑表面材料特性，分析建筑圍護結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)、屋面反照率對城市氣溫、熱島效應的影響及改善情況，為打造氣候適應型城市建筑提供設計依據(jù).

1 研究方法

1.1 中尺度數(shù)值模擬工具WRF

WRF(weather research and forecasting model)不但能夠模擬預測區(qū)域尺度的氣象條件，也能夠充分考慮城市冠層部分的影響，被廣泛應用于科學研究和氣象預報領域[7].其中WRF模式的城市冠層模型(urban canopy model，UCM)可以呈現(xiàn)冠層與大氣環(huán)境之間熱量、動量和能量的交換過程，包括單層冠層模型(SLUCM)[8]、多層冠層模型(MLUCM)[9]和建筑能耗模型(BEM)[10].由圖1可知，MLUCM考慮了動量沿建筑高度(垂直方向上)的分布以及街道峽谷對輻射遮蔽和接收的影響，其物理機制更為完善.其中，BEM通常結(jié)合MLUCM用于評估建筑物內(nèi)空調(diào)系統(tǒng)對能量平衡的影響.

城市冠層模型的存在使得WRF可以用于分析建筑設計特征與城市環(huán)境、大氣環(huán)境間的相互作用.在保證土地覆被數(shù)據(jù)和氣象數(shù)據(jù)準確的前提下，WRF模擬結(jié)果與實測數(shù)據(jù)具有較好的一致性[7].

1.2 城市冠層模型參數(shù)的確定

1.2.1 建筑形態(tài)特征 WRF中城市冠層模型涉及的建筑形態(tài)特征參數(shù)主要包括建筑高度、建筑密度等，結(jié)合大連市建筑設計現(xiàn)狀[11]，選取了5個主要城區(qū)(見圖2)的建筑特征參數(shù)的平均值作為輸入?yún)?shù)，如表1所示.

1.2.2 建筑熱工參數(shù) 我國的建筑節(jié)能工作從20世紀80年代至今取得了階段性的成果，并以1980～1981年的建筑能耗為基準，制定了30%、50%、65%、75%甚至是85%的節(jié)能規(guī)劃[12].為了分析建筑熱工參數(shù)對區(qū)域氣候的影響，選取了《民用建筑節(jié)能設計標準(采暖居住建筑部分)》(JGJ 26—95，節(jié)能30%)[13]、《嚴寒和寒冷地區(qū)居住建筑節(jié)能設計標準》(JGJ 26—2010，節(jié)能65%)[14]和《近零能耗建筑技術(shù)標準》(GB/T 51350—2019，節(jié)能85%)[15](依次簡稱為標準1、標準2、標準3)中圍護結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)的設計值(表1).

表1 城市冠層模型相關(guān)參數(shù)

此外，反照率表征了建筑表面對太陽輻射的反射能力，對建筑室內(nèi)外環(huán)境均有影響.研究表明建筑外墻面材料由水泥光滑裸露面變?yōu)榘咨苛蠒r，反照率從0.21提高到0.86.當屋面鋪設光伏板時，建筑表面有效反照率會因光伏組件材料和表面材料的不同在0.15～0.65變化[16]，因此設置不同的屋面反照率來模擬分析建筑表面材料特性對城區(qū)微氣候的影響.

根據(jù)上述參數(shù)的選取依據(jù)，本文設置的研究模擬工況如表2所示.

表2 模擬工況

1.2.3 土地覆蓋和土地利用數(shù)據(jù) 土地覆蓋和土地利用數(shù)據(jù)(LULC)是準確模擬城市效應的重要指標.為了提高城市區(qū)域氣候模擬的準確性，采取500 m分辨率的2018年大連市的土地覆蓋和土地利用數(shù)據(jù)，如圖3所示.由圖可得，2018年LULC基本上可以呈現(xiàn)當前大連市主城區(qū)的土地覆被情況，可以作為模擬分析的輸入?yún)?shù).

1.2.4 模擬條件設置 WRF模型的初始條件和邊界條件取自國家環(huán)境預測中心全球預報系統(tǒng)最終分析數(shù)據(jù)(FNL)，0.25°×0.25°的6 h數(shù)據(jù)，模擬時段為2020-08-22T00至2020-08-25T00(文中均為世界時UTC，北京時間為UTC+8 h).模擬區(qū)域采用二重雙向嵌套(如圖4所示)，中心點地理坐標為38.37°N、123.5°E，水平格距設為4.5 km、1.5 km，物理參數(shù)化方案如表3所示.

表3 物理參數(shù)化方案

2 結(jié)果分析

2.1 模擬結(jié)果檢驗

驗證WRF模擬的可靠性時，采取表3的物理參數(shù)化方案，且不考慮城市冠層模型，檢驗參數(shù)有平均絕對誤差(Ema)、均方根誤差(Erms)，計算方法如下：

(1)

(2)

選取的4個氣象站站點分別位于大連市主城區(qū)和北三市(普蘭店市、瓦房店市、莊河市)，不同地點溫度T和風速v的實測數(shù)據(jù)與模擬結(jié)果對比情況如圖5所示.模擬結(jié)果顯示W(wǎng)RF可以較好地呈現(xiàn)當?shù)氐奈夂蜃兓?，其中溫度變化的吻合度較高，平均絕對誤差為0.97 K.WRF對大連市主城區(qū)的氣溫預測效果最理想，原因是主城區(qū)的LULC和地形要素與實際情況差別不大，而北三市的土地利用分布特征在2018年LULC數(shù)據(jù)中未能完整呈現(xiàn).表4中風速的均方根誤差平均值為1.90 m/s，說明WRF可較為準確地模擬出風速大小，模擬結(jié)果與實測數(shù)據(jù)出現(xiàn)差值的原因是站點的氣象站設置高度和模擬得到的風速的高度不完全一致，且大連臨海的地理特征使得氣象站容易受到來自海面氣流的影響，加之實際風速風向復雜多變，預測難度較大.研究發(fā)現(xiàn)可以調(diào)整城市地表粗糙度大小來提高WRF對當?shù)仫L速的預測精度.

表4 模擬溫度和風速檢驗結(jié)果

2.2 大連市區(qū)域熱環(huán)境影響因素分析

2.2.1 建筑圍護結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)的影響 氣溫是反映城市氣候變化的最直接因素，以2 m高度處溫度Ta表示城市氣溫，比較分析了不同建筑圍護結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)下大連市主城區(qū)的氣溫變化.以圖2中高新區(qū)和西安路區(qū)域的氣溫變化為例，當建筑圍護結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)減小時，室外氣溫也會相應地降低，尤其在夜間(18：00～次日6：00)最為明顯.相較于TP-1995工況，兩區(qū)域在TP-2019工況下的夜間溫度最大可降低0.38 K和0.84 K.而不同建筑圍護結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)下，日間的溫度差異沒有特別明顯，兩地區(qū)的最大變化量約為0.12 K和0.19 K，且從圖6中也可以看出TP-2019工況下的室外氣溫始終最低，因此良好的建筑熱工性能有利于城市區(qū)域熱環(huán)境的健康穩(wěn)定發(fā)展.一方面，建筑圍護結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)的優(yōu)化，減少了建筑空調(diào)用能，因而降低了空調(diào)熱排放對周圍熱環(huán)境的不利影響，同時也可以進一步緩解城市熱島效應.另一方面，室外熱環(huán)境的改善可以提升夜間通風等節(jié)能技術(shù)的節(jié)能潛力，在較低的建筑能耗下保證室內(nèi)熱環(huán)境的舒適性.

結(jié)合當前大連市建筑的熱工設計特點，以TP-2010模擬結(jié)果為例分析城市熱島現(xiàn)象更為合適，城市的熱島強度可以通過城郊氣溫差法來確定，如式(3)所示.其中以圖2中標注的5個主要城區(qū)的溫度作為城區(qū)氣溫，郊區(qū)氣溫以長?？h的氣溫為代表.

ΔT=Tu-Tc

(3)

式中：ΔT為城市熱島強度，K；Tu為城區(qū)氣溫，K；Tc為郊區(qū)氣溫，K.

圖7為5個典型區(qū)域熱島強度的變化情況，由圖可得熱島強度變化規(guī)律符合白天強夜晚弱的規(guī)律，最大熱島強度出現(xiàn)在UTC 5：00左右，日平均熱島強度由強到弱依次為西安路區(qū)域(ΔT2=0.65 K)、中山區(qū)(ΔT3=0.46 K)、高新區(qū)(ΔT1=0.35 K)、旅順老城區(qū)(ΔT4=0.32 K)、金州開發(fā)區(qū)(ΔT5=0.29 K).由此可得，熱島強度和城區(qū)內(nèi)的建筑密度緊密相關(guān).其中西安路區(qū)域商業(yè)化發(fā)展成熟，建筑密集程度大，所以熱島效應最明顯.中山區(qū)建筑密度和建筑高度普遍低于西安路區(qū)域，因此氣溫變化相對緩和.高新區(qū)是主城區(qū)中發(fā)展時間較短的區(qū)域，城市化水平相較于前兩個區(qū)域不高，且具有多山地、離海近等特點，熱島強度得以緩解.旅順老城區(qū)的發(fā)展建設雖然較為成熟，但是發(fā)展空間不大，且周圍有小山圍擋，所以熱島強度水平和高新區(qū)相近.金州開發(fā)區(qū)作為大連市區(qū)域規(guī)劃的重點關(guān)注對象之一，在近幾年得到了較快發(fā)展，目前仍處于發(fā)掘階段，所以城市熱效應最低.

2.2.2 建筑屋面反照率的影響 建筑屋面反照率反映建筑接受太陽輻射熱量的多少.圖8選取了2020-08-23不同屋面反照率下屋面溫度(Tr)和室外氣溫(Ta)的變化情況，兩者均與反照率呈現(xiàn)出較強相關(guān)性，尤其是屋面溫度.由圖可得反照率的影響主要是在日間太陽輻射強的時候，在UTC 5：00左右效果最明顯，不同工況間屋面溫差可達5.50 K左右，較高的反照率極大地降低了建筑表面溫度，有利于夏季空調(diào)系統(tǒng)在低能耗條件下營造良好的室內(nèi)環(huán)境.由于屋面溫度較低，屋頂傳熱量減少，夏季室內(nèi)冷需求減少，進而空調(diào)系統(tǒng)耗能量也相應地降低，空調(diào)排向大氣的熱量減少，區(qū)域熱環(huán)境得以改善，由圖可知反照率升高0.2室外氣溫可下降0.15 K，相應地城市熱島強度也會降低.以西安路區(qū)域為例(如圖9)，屋面反照率增大0.2，熱島強度可降低約0.16 K，說明采用反照率較高的建筑材料作為飾面層，有利于室內(nèi)外良好環(huán)境的營造和建筑節(jié)能發(fā)展，建議該參數(shù)在建筑節(jié)能設計規(guī)范中能夠有所體現(xiàn).

3 結(jié) 語

WRF作為中尺度區(qū)域的模擬工具，在保證土地利用數(shù)據(jù)精度的前提下，能夠很好地呈現(xiàn)城區(qū)微氣候的變化情況.

建筑熱工參數(shù)作為暖通空調(diào)系統(tǒng)的重要設計參數(shù)之一，對區(qū)域熱環(huán)境有影響.建筑圍護結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)由標準1的設定減小至標準3的設定時，夜間氣溫(18：00～次日6：00)出現(xiàn)明顯降低，最大可降低0.38 K和0.84 K，而日間氣溫的最大變化量約為0.12 K和0.19K，由此可見建筑熱工性能的改善可以促進城市區(qū)域熱環(huán)境的健康穩(wěn)定發(fā)展，在降低建筑能耗的同時，緩解了城市熱島效應，也提升了夜間通風等節(jié)能技術(shù)的節(jié)能潛力.

大連市熱島強度變化規(guī)律符合白天強夜晚弱的規(guī)律，最大熱島強度出現(xiàn)在UTC 5：00前后，主城區(qū)日平均熱島強度由強到弱依次為西安路區(qū)域(0.65 K)、中山區(qū)(0.46 K)、高新區(qū)(0.35 K)、旅順老城區(qū)(0.32 K)、金州開發(fā)區(qū)(0.29 K)，這是因為熱島強度與區(qū)域建成度密切相關(guān)，同時也不能忽視海陸風對城市微氣候的積極作用，在同等城市化水平下內(nèi)陸區(qū)域要比臨海區(qū)域的熱島強度更為明顯，因此可以考慮在內(nèi)陸區(qū)域增加水體來改善城區(qū)熱環(huán)境.

高反照率的建筑材料能夠顯著降低建筑表面溫度，當屋面反照率由0.2增大到0.6時，屋面溫度可降低5.50 K左右，且區(qū)域熱島強度可降低約0.32 K，有利于減少夏季空調(diào)能耗，營造良好的室外環(huán)境.由此可見，建筑節(jié)能標準中除了圍護結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)等參數(shù)的規(guī)定，也應考慮建筑材料的反照率、發(fā)射率等參數(shù)，推動節(jié)能建筑與城市微氣候的協(xié)調(diào)發(fā)展.

本文研究考慮的區(qū)域氣候影響因素主要與建筑熱工參數(shù)和建筑材料相關(guān)，且均為單獨影響效果.后續(xù)研究可根據(jù)不同參數(shù)間的關(guān)聯(lián)性，綜合分析其對城市微氣候的作用效果，為發(fā)展氣候適應型建筑節(jié)能設計提供更為科學的指導.