城市热岛效应研究现状

郭海丰 张朝 曹石

(沈阳建筑大学市政与环境工程学院,辽宁 沈阳 110168)

引言

城市化进程的不断加快，使城市的环境问题日益严重[1]。图1显示了全球主要地区城市化率。城市的快速发展使城市的温度明显高于周围农村的温度，这种现象被称作热岛效应。热岛效应的形成与很多因素有关，包括城市下垫面性质的改变、人为热以及不合理的城市规划等因素[2]。城市热岛效应作为城市环境面临的主要问题，不仅恶化了室内热环境，也增加了城市能耗。热岛效应的产生使环境整体温度升高，造成夏季供冷能耗增大。虽然会对冬季供暖带来积极的影响，但是夏季的高温造成的经济损失和人体健康风险是无法估计的[3]。针对热岛效应带来的负面影响，国内外学者纷纷提出不同的措施缓解热岛效应。“冷材料”、垂直绿化以及冷却塔逆用都是缓解热岛效应的有效方法，本文对不同的缓解热岛效应的措施进行综述。

图1 全球主要地区城市化率

1 热岛效应的成因及负面影响

1.1 热岛效应的成因

在快速的城市化进程中，热岛效应是必将面临的问题。关于热岛效应的形成因素主要如下。

1.1.1 城市下垫面性质的改变

城市化的发展和工业活动的增长使土地物理特征发生了变化。由于人类发展的需求，建筑和道路覆盖了城市原有的植被。下垫面的性质由自然的土壤、水面和植被变为沥青、水泥和混凝土。这一改变导致地表水分蒸腾作用减少、径流加速、显热的储存和传输增加等一系列问题，从而影响了城市热量平衡[4]。

1.1.2 人为热和大气污染

城市作为人类的聚集区，人类的生产生活都会产生热量。人为热包括驱动汽车运行的化石燃料燃烧排放的热量、空调的使用以及工厂排出的废气余热等。同时，人类的烹饪行为和工厂产生的污染物气体覆盖在城市上空，污染物中包含N2O、CO2和CH4等温室气体会使城市温度处于较高水平[5]。

1.1.3 城市不合理的规划布局

大多数理想化的城市几何学研究表明，气流对城市形态极为敏感，如建筑物的尺寸、几何形状和方向，街道的长宽比、长高比和方向，以及街区的建筑包装密度。合理的城市规划和设计可以使冷风穿透，有助于缓解热岛效应，然而城市的规划者在城市发展初期并没有意识到这个问题。不合理的城市布局会造成城市的空气流通受阻，从而导致城市中热量的聚集。

1.2 热岛效应的负面影响

全球许多城市都被发现存在热岛效应或存在城市过热风险。关于热岛效应所带来的负面影响主要体现在制冷能耗的增加、居民健康风险的增加以及对气候的不良影响。环境温度的升高导致室内外温差增大，也就意味着空调维持室内的舒适度需要消耗更多的能源和功率。同时，室外温度的升高给处在室外空间的居民带来不良的健康影响，老龄化人口对温度的变化尤为敏感。环境温度的升高不仅会给人体带来极大的不舒适感，严重时还会引发心脏和呼吸系统疾病。热岛效应使城市局部气候发生改变，从而影响了当地的生态系统并可能造成极端天气的发生。

2 热岛效应的缓解措施

2.1 “冷材料”对热岛效应的缓解

低反照率的城市地表和建筑是导致热岛效应发生的重要因素。城市中建筑和道路吸收太阳辐射的热量，再以对流和辐射的方式将热量传递到周围环境中，造成环境温度的升高。所以，提高建筑对太阳辐射的反射率是缓解城市热岛效应有效方法。

“冷材料”是指具有高太阳反射率和高热发射率的特性，将其用作建筑围护结构的材料，提高对太阳的反射率，从而降低城市环境温度。具有高反照率的建筑外表面或是道路自身吸收的来自太阳的热量减少，向环境中传递的热量也相应地减少。同时，低温的建筑外表面向室内环境传递的热量较小，夏季的冷负荷也有所降低，有助于节约能源。Synnefa等[6]通过模拟研究大规模增加地表反照率对环境温度的影响，以评估人口稠密的希腊雅典的城市热岛效应。结果表明，实施高照射率策略使热岛强度平均降低1～2℃。如果道路和人行道的反照率也增加的话，影响会更大。Santamouris等[7]研究各项措施对缓解悉尼热岛效应的影响。结果表明，增加城市的反照率是各项措施中最为有效的方法，可使悉尼环境温度峰值降低3℃。Doulos等[8]研究了93种户外常用路面材料的适用性，发现粗糙和深色的表面往往比光滑、浅色和平整的表面吸收更多的太阳辐射。

研发新型“冷材料”用作围护结构的材料是缓解热岛效应的主流方法，但仍存在一些不只是造价成本高的问题。高反射率可能会造成眩光、对比度等问题，甚至在街道层面的极端热舒适条件下会恶化。冬季需要将热量传递给室内环境，“冷材料”的使用会导致能源消耗的增加和温室气体的排放，使热岛效应更加剧烈。

2.2 绿化对热岛效应的缓解

植被是有效缓解热岛效应的措施之一，植物可以通过蒸发蒸腾、遮挡太阳辐射以及利用叶子的高反照率反射太阳的辐射这3种方式降低环境温度。植物的蒸发会将很大一部分太阳辐射被转化为潜热，而潜热不会增加温度。Srivanit等[9]采用现场测量和数值模拟的方法对大学校园内绿化缓解高温的效果进行研究。研究结果表明，增加20%的绿化能够使夏季温度的峰值降低2.29℃。

然而，快速的城市化发展使建筑和道路替代了原有的植被，导致在本就拥挤的城市中种植绿化存在一些困难。城市设计师们寻找额外的空间种植绿化，于是垂直绿化被应用到房屋的建设当中以增加绿化的面积。在夏天，一堵被植物完全覆盖的墙壁可以防止密集的太阳辐射，并可以反射或吸收40%～80%接收到的辐射。绿色墙壁会在自身范围内形成适宜的小气候，这种调节温度的效果在靠近墙壁时最为显著，在离墙壁0.5m以上的距离时就没有明显的效果。Shafiee等[10]研究发现绿色墙壁通过降低环境空气的最高温度和提高最低温度来减少温度波动。绿色墙壁使日照时间平均温度降低了2.59℃，在高温高峰期温度降低了8.7℃。Afshari等[11]的研究表明，将垂直绿化应用到城市研究范围内的所有建筑，可以使城市气温大幅下降约0.7～0.9℃，并减少5%～8%的冷负荷。近年来，绿色屋顶已经被证明在缓解热岛效应方面具有良好的作用并被很多国家推广使用。绿色屋顶在个体建筑层面能够降低短波辐射的吸收，在城市层面增加了蒸发量和城市自然通风[12]。

采用绿色墙壁或是绿色屋顶增加城市绿化面积可以有效改善城市热岛效应，也对城市具有美化的作用。但是，在建筑上增加绿化容易带来生物群落，破坏建筑物周围的生态系统。

2.3 冷却塔逆用对热岛效应的缓解

夏季在热岛效应的作用下，人们处在室外空间时会感到极大的不舒适。冷却塔的逆用可以有效缓解热岛效应，冷却塔示逆用原理图如图2所示。在冷却塔运行过程中，较高温度的室外空气与较低温度的地下水进行热湿交换，得到降低温度的空气，达到降低室外温度的目的。地下土壤得到来源于空气的热量可以用于冬季供暖，减少供暖能耗[13]。同时也缓解了地源热泵长期运行造成的“冷堆积”问题[14]，使土壤温度恢复平衡，提升地源热泵系统效率。

图2 冷却塔逆用原理示意图

冷却塔内部设有的填料可以促进空气与地下水的热湿交换，提升冷却塔的效率。冷却塔的效率主要由塔高、空气速度和液滴速度等因素影响，其中水流量与空气流量的比值是冷却塔效率高低的主要因素[15]。在冷却塔内部发生的换热有潜热换热和显热换热2种方式，潜热换热量远大于显热换热量。潜热传递占总热传递的比例随着进气干球温度的升高而降低。邓钧予[5]等利用冷却塔的逆用使空气温度从11.8℃降低到9.8℃，有效降低了空气温度。

虽然针对局部热岛效应明显的地区放置冷却塔具有明显降低空气温度的效果，但这种办法只适用于冬夏温度差异较大和使用地源热泵的地区。在中国南方地区使用冷却塔会破坏土壤的热平衡。

3 结语

目前所提出的各项缓解措施都能够很好缓解热岛效应，但都存在着不足。“冷材料”是未来主流的缓解热岛效应的措施，造价成本使其并不能大范围地推广。绿色墙壁和绿色屋顶能够解决“冷材料”所造成的冬季建筑热量泄露问题，在植被对建筑的负面影响还需进一步研究和改善。冷却塔逆用能够有效降低环境温度，但适用的地区有限。城市管理者在采取缓解热岛效应的措施时应先对城市进行分析，以提出合理的措施用于缓解热岛效应，甚至在城市不同地区采取不同措施。