浅谈建筑空调能耗与城市热岛效应

刘义坤

（中国汽车工业工程有限公司天津300113）

浅谈建筑空调能耗与城市热岛效应

刘义坤

（中国汽车工业工程有限公司天津300113）

建筑空调能耗对城市热岛效应的加剧起到了极大的作用，阐述了建筑空调能耗与城市热岛效应的关系。利用建筑节能技术对缓解城市热岛效应有着重要的意义。

城市热岛效应；建筑空调能耗；冷凝热；节能技术

改革开放至今，中国的城市化已经持续了近40年。2015年，我国的城镇化率已达56.1%，这个数字还在以每年近2%左右的速度增长。随着城市的建设和发展，城市面积越来越大，城市人口越来越多，地面上一座座水泥森林的热岛也正在慢慢生成并逐步扩大。城市给人们提供了很多便利和机会，也带来了不容忽视的问题，热岛效应就是其中之一。

1 城市热岛效应

城市热岛，从气象学近地面大气等温线图上看，城市郊外的广阔地区气温变化很小，如同一个平静的海面,而城市中心区则是一个明显的高温区，就象突出海面的岛屿[1]，见图1。而城市热岛效应是指是指城市发展过程中，因大量的人工发热、建筑物和道路等高蓄热体及绿地减少等因素，造成城市地表的局部温度、湿度、空气对流等因素的改变，城市中的气温明显高于外围郊区的现象。城市热岛效应是城市气候中典型的特征之一，早在20世纪初，英国的气候学家就提出了这一概念。

图1 近地面大气等温线图

城市热岛效应可以说是全球气候变暖“元凶”之一，在热岛效应的作用下，城市中每个地方的温度并不一样，而是呈现出一个个闭合的高温中心。在这些高温区内，空气密度小，气压低，容易产生气旋式上升气流，使得周围各种废气和化学有害气体不断对高温区进行补充。在这些有害作用下，高温区的居民极易患上消化系统或神经系统疾病，且神经系统患病率达30%，主要表现为神经官能症、失眠、烦躁不安、记忆力下降、忧郁压抑感等[2]。

2 城市热岛效应的主要成因

城市热岛效应的形成是由多种因素综合作用的结果，气候变化是其形成的外部因素，内因才是形成热岛的根本原因，造成热岛效应的原因主要有以下三种：

2.1 城市下垫面属性的变化

最直接的影响就是城市下垫面属性的变化，城市化的过程中，使用大量的人工构筑物，如混凝土、沥青、柏油路面，侵占了原有的水、土、植被组成的自然表面，这改变了城市下垫面的热力属性。而人造表面的反照率小、热容性高，蒸发和蒸腾作用弱，在相同的太阳辐射条件下，其表面温度明显高于绿地和水面，其中柏油马路上的温度要比土地上高18℃，而水泥屋顶要比草地上高20℃，此时地面上的热气流就会上升形成“涌泉风”，使城市大气温度升高。

2.2 人为排热的增加

城市及城市周边，日益增加的工厂、汽车、空调、冰箱等人工排热器在消耗大量能源的同时，还在不停地向外倾泻着热量，使城市的温度一再升高。据统计，城市里各种人为的散热源中，来自工厂、家庭燃气灶、空调、采暖等固定热源的热量约占75%，而机动车、电动车等移动热源散发的热量约占25%。另外，城市里商业街众多，这些地方人员、空调、机动车密集，发热量巨大，但是因为高楼大厦林立，形成了一定屏障，从而使得热量无法散发，只能越积越多，城市规模越大、现代化程度越高（高楼、大厦、柏油路和水泥路越多），热岛效应就会愈发明显。

2.3 城市大气污染

在城市建设过程中，工业生产、交通运输以及日常生活中产生了大气污染物，使得城市空气中的粉尘、二氧化碳、氮氧化物和气溶胶微粒等有害物的浓度增加，改变了城市中大气的成分，加剧了城市大气污染。二氧化碳和氮氧化物这些物质都是红外辐射的良好吸收者，这些物质浓度的增加致使城市大气吸收了更多的红外辐射而升温。二氧化碳和氮氧化物等又是典型的温室气体,它们在大量吸收地面长波辐射的同时，又以逆辐射的形式将很大一部分长波辐射反射回大地，这样一来，地面上的热量就很难散发出去，致使城市温度进一步升高。

3 空调能耗与城市热岛效应的关系

随着科学技术的发展以及人们生活水平的不断提高，中央空调的应用日益普及，空调的应用必须消耗大量的能源。据统计在发达国家中，暖通空调能耗占建筑能耗的65%，以建筑能耗占总能耗的35%计算，暖通空调能耗占总能耗的比例竟高达22.75%[4]。中央空调为人们创造了舒适的室内环境，但是空调并不消除热量，而是转移热量，而且转移的过程中消耗能量自身也在产生热量，不论是风冷式空调还是水冷式空调，空调冷凝热最终都要排放到大气当中，室内环境温度越低，空调冷凝热就越多。

2016年8月12日北京地区用电最大负荷创历史记录，达到2.0768×107kW,其中空调用电占用电量的一半左右，约为在1.0× 107kW左右。按保守的推算，北京地区用电峰值时，由于空调冷凝所排放的冷凝热就达3×107kW之多，若按标准煤的热值为29306k J/kg计算，这相当于每小时燃烧3690tce产生的热量，把这些热量同时排放到大气当中，结果可想而知。

另外，空调冷凝热的排放使建筑物周围空气温度升高，周围空气温度的升高相当于提高了空调的冷凝温度，冷凝温度的提高会使空调制冷效率下降，于是人类为了维持舒适的室内冷热环境，就需要更长时间、更大负荷的空调运行，能耗自然也就会越高了。有研究表明，热岛效应每增高1℃，办公类建筑空调能耗平均增加16.73%，住宅类建筑空调能耗平均增加13.82%，可见，大气温度升高与城市热岛效应，这两者之间已经形成了恶性循环的关系。

4 缓解城市热岛效应的节能措施

4.1 增加城市绿化和水体

从城市规划和设计入手，增加城市绿化和水体面积，可以增加城市区域的蒸发散热，增加遮阳减少热量吸收。建筑外立面采用反射率较高的浅色外表面材料，再做好隔热层，可以减少建筑吸收和储存的太阳辐射热。合理设置城市风道，就可以增加空气对流帮助散热。

大力推广在建筑物屋顶上种植绿色植物，增加城市绿地面积，由于建筑物外表的植物可将绝大部分太阳能转化为生物能，建筑物披上绿色植物，在白天太阳照射下，照射到建筑物被吸收贮存的热量较少，建筑物室内温度会相应降低，由于空调冷负荷减少，排放到大气中的空调冷凝热量也会减少，大大削弱太阳辐射对城市热岛的影响[5]。

4.2 开发应用太阳能技术

诸如太阳能热水器、太阳能空调、太阳能发电等太阳能利用技术，把太阳能转换为人们日常生活中所需的能源，不仅减少了人们日常生活中不可再生能源的消耗，而且也减少了太阳辐射对城市热岛的影响。减少不可再生能源消耗反过来就减少了对城市大气的污染，对缓解城市热岛效应有着显著的作用。

4.3 建筑方案的合理设计

城市建设过程中，公共建筑方案设计时可以多选用“门”形建筑，减少“屏风楼”的建设，加强城市上空空气流通；住宅设计时，多设计为通透性布局，这样的房间具有良好的对流通风，也就是俗话说的“穿堂风”。在温度没那么高的日子里，大开窗门自然通风足矣。这样，在节省电能的同时，也减少了人为的空调冷凝排热。

5 结语

城市热岛效应正在加剧这一总的趋势已是不可否认的事实，已经并将继续影响人类赖以生存的环境，作为暖通专业的从业人员，在从事工程设计的时候，应从节能、环保等各方面综合考虑，选择最佳设计方案，尽可能不使用大型制冷取暖设备手段来维持室内的舒适性。从建筑节能角度出发，充分利用现有节能技术，开发应用新的节能技术，对缓解城市热岛效应及能源节约具有双重的作用。

[1]刘晓东,侯萍.青藏高原及其邻近地区近30年气候变暖于海报高度的关系[J].高原气象,17(3):245-249.

[2]王绍武.近百年我国及全球气温变化趋势[J].气象,1990，16(2): 1-10.

[3]龚道溢,王绍武.1998年：中国进一个世纪以来最暖的一年[J].气象，25（8）：3-5.

[4]Huang Datian.GlobalWarming,Heat Island Effect,Urban Planning And Design[J].City Planning Review，2002,26(9):77-79.

[5]翟晓燕.城市热岛现象与建筑节能[J].湘潭师范学院学报:自然科学版,29（1）：106-109.

刘义坤（1987—），男，河南新乡，硕士研究生，暖通中级工程师，从事工程设计方面工作。