为“火炉”城市“灭火”

本刊记者 鲁长国

为“火炉”城市“灭火”

本刊记者 鲁长国

自上世纪90年代以来，我国城市建设规模大幅扩大。随着城市规模的不断扩大，城市居住区热环境问题越来越突出，夏季时全国多地气温居高不下，人民的生活环境“如火益热”，越来越多的城市变成“火炉城市”。城市居住区热环境问题直接影响到了人们户外活动的热安全性和热舒适度，如果一个城市的高温得不到缓解，将会出现很多社会问题。

华南理工大学建筑学院副院长，华南理工大学建筑节能研究中心主任，亚热带建筑科学国家重点实验室副主任孟庆林指出：“目前完全避免热岛效应是不可能的，该做的是寻找缓解的办法。”他呼吁给城市“灭火”，为城市人为降温。

突破原理瓶颈，建立理论体系

所谓的“给城市灭火”，其实就是要打造一个生态、宜居的城市环境，即建立绿色环保建筑社区，使城市能够应对气候变化等。如何才能做到这一点？孟庆林希望通过“现代城市热环境调控关键技术创新与应用”项目来做出回答。

该项目由孟庆林领衔，项目组成员来自华南理工大学、清华大学、中国建筑科学研究院、广东省建筑科学研究院集团股份有限公司、北京工业大学、洛阳众智软件有限公司。在十余项国家、省、市科研计划项目的支撑下，他们力求从建立城市热环境调控过程理论、创新设计原理、研发仿真平台、开发测试技术装备等方面突破关键技术瓶颈，实现创新性的进步。

孟庆林教授荣获中国建筑学会科技进步奖一等奖

经过调研，项目组发现，城市界面热湿交换机理不完善是一大难题。为此，他们提出被动蒸发冷却模型计算理论，并建立了热湿气候边界条件下含湿多孔材料的热湿耦合迁移模型，离散求解了砂层含水热湿耦合迁移方程。该系列成果完全经得起实验验证，被鉴定为达到国际领先水平，并被授予第七届城市气候国际会议（ICUC-7）特别论文奖——“Japan Prize”。

“树冠换热模型计算理论”也是他们做出的一大突破。以此为基础，他们建立了非透明体和半透明体同时存在情况下的通用辐射计算体系，系统地解决了植物冠层对太阳辐射和周围环境辐射的换热模拟问题。基于该成果发表的论文被ESI科学指标数据库高被引论文收录，被引次数进入工程学领域前1%，并获第11届国际建筑性能模拟大会Best Poster Paper奖。再加上完善了植被层换热模型计算理论、提出了逐时降雨模型的建构方法等，这一系列共同构建出现代城市热环境调控过程的计算理论，为后续研究打下了基础。

当然了，他们要面对的原理性问题不止于此。为了解决我国城市热岛强度计算理论和调控原理缺乏的问题，孟庆林带领项目组构建了我国城市热环境调控技术的设计原理和标准体系。其中，较为突出的是创新了热岛强度模型设计计算理论。孟庆林首次提出了以城市典型气象日气象参数为参照量的热岛强度计算方法，建立了城市热岛强度量化设计计算模型，从而解决了长期以来热岛强度参照量不唯一的重大难点。热岛强度量化设计计算模型在国际上尚属首例，填补了我国相关技术的空白。

对项目组来说，创新已经成为了他们的惯性思维。当国内外均限于经典的CTTC模型时，他们已经通过扩展CTTC模型，去寻找适合我国城市热环境温度指标设计的计算新方法了。他们建立完善的热环境气温设计计算模型，具有可以计算蒸发换热、遮阳降温作用等优势，对解决热岛强度量化设计计算难题有奇效。

“我们还建立了热环境对组团设计因子的响应关系，提出了设计因子模型”，孟庆林说。在这一环节上，他们有针对性地提出的城市组团类型、硬化地表、绿化和绿地、遮阳和水体蒸发等对热环境指标的影响关系，解决了城市设计因子影响热环境的量化设计计算难题；同时，提出的热环境安全性评价指标的简化计算公式，也突破了热环境设计质量评价的技术障碍。

开发模拟平台，进行仿真实践

清除调控过程中的技术障碍，只是孟庆林团队工作的一部分。这个有着产学研构成的团队，从一开始的目标就是实践应用。

当研究进入到仿真模拟环节，孟庆林注意到，我国原有的城市热环境模拟仿真工具太过落后，从而决定开发城市热环境三维可视化模拟仿真优化平台。“我们开发的基于CAD和CTTC的城市热环境设计软件，目前，国内外均未见同类软件。”提及此，孟庆林为团队感到自豪。这里所说的软件，能够实现热环境物理模型CTTC与城市设计辅助工具CAD平台的链接，在解决热环境模拟设计可视化问题的同时，已经取得了软件著作权。现在，该软件在大量的绿色建筑室外热环境设计评价项目中得到应用，极具口碑。

基于GIS的热环境性能综合评价平台，是他们取得软件著作权的另一个优化平台。该平台在地理信息系统GIS中实现了建筑图形导入和三维显示的方法，可以充分解决室外热环境模拟中的人机交互难题。同时，他们以计算流体动力学CFD求解器为计算核心，建立了多项先进技术，研制完成了“建筑风环境仿真系统WindCFD”。该软件能够方便快速、精确高效地进行建筑风环境模拟计算，填补了该领域的国内空白，在风环境专业模拟软件领域处于国际先进水平。这一软件工具在我国绿色建筑热环境设计、风环境试验中广泛应用，北京奥运会场馆、上海世博会场馆、广州亚运城、广州机场、中国建筑科学研究院新办公大楼等在内的大型工程热环境设计中均有它的影子。

从原理的突破到仿真模拟平台的建立，孟庆林团队脚踏实地地探索着，对他们来说，路要一步步走，研究也要环环相扣。前期研究做好了，城市热环境测试成套技术也必不可少。“我国在这方面的研究上也是空白的”，孟庆林感慨道。

孟庆林教授应邀率团参加英国生态建筑2012展览会

为了填补这个空白，他们做了不少工作。孟庆林带领团队首次建立了周期性动态标准实验气候风洞，解决了城市单元界面周期性换热性能测试不能复现的重大难题，为全国城市地表热湿耦合换热设计提供了关键热物性参数。经国家计量认证，他们研发的城市单元界面换热的动态热湿气候风洞测试技术和装备，整体上达到了国际先进水平。然而，风洞测试上的“Bug”至此并没有补完，在进一步的研究中，他们还研发了热环境的风场缩尺模型风洞测试和现场测试技术和装备，使之更加完善。

热环境地表温度场的飞艇遥感测试技术和装备，也是他们的一大特色。“在城市热环境传统测试技术中，存在很多难题，比如卫星遥感不灵活、无人机航拍炸机率高、载人飞机航拍成本高等。”孟庆林想要改变这一状况，带领团队完成了从飞艇系统、自动控制系统、任务系统、通讯系统到地面站等一条龙的测试技术，建立了城市热环境遥感观测用的飞艇遥感航拍系统。这是国内外首次开发低空无人飞艇红外航拍系统，被应用于中国新加坡广州知识城、广州大学城、亚运城等重大项目。

这一枝一叶，都关乎孟庆林对于城市热环境的思考。以这些项目为基础，他取得7项发明专利，5项著作权，发表SCI、EI论文36篇、专著3部，获2项国际论文奖。成绩卓然，他心底却更惦记做出行之有效的城市热环境设计，主编了包括我国第一部城市热环境设计标准——《城市居住区热环境设计标准》在内的7项标准，并参编了3项标准，为我国城市热环境的调控事业做出了突出的贡献。“如果我的工作能够对我国城市热环境设计的失控状态起到一定的缓解作用，能够有利于改善居民的实际居住体验，就是对我最大的肯定。”孟庆林表示。