建筑围护结构热工性能对城市热岛强度影响研究

周 文 倩, 李 祥 立*, 端 木 琳, 高 进

(1.大连理工大学 建筑环境与设备研究所，辽宁 大连 116024；2.大连理工大学 土木建筑设计研究院有限公司，辽宁 大连 116023)

0 引 言

近年来，气候问题受到越来越多的关注，如温室效应、城市热岛(UHI)、雾霾等问题，严重影响了城市空间品质和居民生活质量[1].

城市作为人类生产生活的集中地，在21世纪进入了快速发展期，联合国发布声明称“预计到2050年，城市人口比例将由55%增加至68%，其中近90%的增长发生在亚洲和非洲”[2].由于人员的大量涌入，土地利用类型及市内水体面积的变化，城市区域环境也随之改变[3].连婧慧等分析了1986年和2011年土地利用数据变化情况及其对深圳市气温的影响，发现自然植被覆盖转为城镇建设用地导致城市升温0.70～1.57 ℃[4].曹峥等[5]研究得出各土地利用类型对城市热岛的贡献率大小排序为城镇建设用地>农田>林地>未利用地>草地>水体.由此可见，土地覆盖类型能够明显影响城市气候，所以区域环境的研究需要保证土地利用数据的精度和时效性.

在全球气候持续变暖的背景下，世界各地积极推行节能减排的绿色可持续发展理念，建筑节能工作逐步开展.由于建筑环境与周围环境相辅相成，不断通过对流和辐射进行着热交换，建筑特征对区域环境的作用不容忽视.随着建筑节能工作的推进，建筑围护结构的热工性能逐步提升，高性能围护结构成为建筑节能设计的关键技术之一.且随着大面积节能减排工作的开展，建筑墙体、屋顶等性能得以改善，建筑围护结构变化对周围热环境的直接影响情况有待进一步探究.除了高性能建筑围护结构设计之外，冷却屋顶也是降低建筑能耗的一种手段，比如常见的屋顶绿化、增加屋面反照率等[6]，且光伏建筑集成技术不仅可以改变建筑表面反照率，也可实现太阳能的充分利用，势必会成为未来低碳城市发展的一大趋势，因此分析建筑冷却屋顶对当地气候的影响也可以更好地指导适应当地气候特征的建筑节能设计.

本文首先根据气象站多点实测数据完成中尺度数值模拟工具WRF模拟结果的验证，然后结合不同时期建筑节能设计标准和不同类型建筑表面材料特性，分析建筑围护结构传热系数、屋面反照率对城市气温、热岛效应的影响及改善情况，为打造气候适应型城市建筑提供设计依据.

1 研究方法

1.1 中尺度数值模拟工具WRF

WRF(weather research and forecasting model)不但能够模拟预测区域尺度的气象条件，也能够充分考虑城市冠层部分的影响，被广泛应用于科学研究和气象预报领域[7].其中WRF模式的城市冠层模型(urban canopy model，UCM)可以呈现冠层与大气环境之间热量、动量和能量的交换过程，包括单层冠层模型(SLUCM)[8]、多层冠层模型(MLUCM)[9]和建筑能耗模型(BEM)[10].由图1可知，MLUCM考虑了动量沿建筑高度(垂直方向上)的分布以及街道峡谷对辐射遮蔽和接收的影响，其物理机制更为完善.其中，BEM通常结合MLUCM用于评估建筑物内空调系统对能量平衡的影响.

城市冠层模型的存在使得WRF可以用于分析建筑设计特征与城市环境、大气环境间的相互作用.在保证土地覆被数据和气象数据准确的前提下，WRF模拟结果与实测数据具有较好的一致性[7].

1.2 城市冠层模型参数的确定

1.2.1 建筑形态特征 WRF中城市冠层模型涉及的建筑形态特征参数主要包括建筑高度、建筑密度等，结合大连市建筑设计现状[11]，选取了5个主要城区(见图2)的建筑特征参数的平均值作为输入参数，如表1所示.

1.2.2 建筑热工参数 我国的建筑节能工作从20世纪80年代至今取得了阶段性的成果，并以1980～1981年的建筑能耗为基准，制定了30%、50%、65%、75%甚至是85%的节能规划[12].为了分析建筑热工参数对区域气候的影响，选取了《民用建筑节能设计标准(采暖居住建筑部分)》(JGJ 26—95，节能30%)[13]、《严寒和寒冷地区居住建筑节能设计标准》(JGJ 26—2010，节能65%)[14]和《近零能耗建筑技术标准》(GB/T 51350—2019，节能85%)[15](依次简称为标准1、标准2、标准3)中围护结构传热系数的设计值(表1).

表1 城市冠层模型相关参数

此外，反照率表征了建筑表面对太阳辐射的反射能力，对建筑室内外环境均有影响.研究表明建筑外墙面材料由水泥光滑裸露面变为白色涂料时，反照率从0.21提高到0.86.当屋面铺设光伏板时，建筑表面有效反照率会因光伏组件材料和表面材料的不同在0.15～0.65变化[16]，因此设置不同的屋面反照率来模拟分析建筑表面材料特性对城区微气候的影响.

根据上述参数的选取依据，本文设置的研究模拟工况如表2所示.

表2 模拟工况

1.2.3 土地覆盖和土地利用数据 土地覆盖和土地利用数据(LULC)是准确模拟城市效应的重要指标.为了提高城市区域气候模拟的准确性，采取500 m分辨率的2018年大连市的土地覆盖和土地利用数据，如图3所示.由图可得，2018年LULC基本上可以呈现当前大连市主城区的土地覆被情况，可以作为模拟分析的输入参数.

1.2.4 模拟条件设置 WRF模型的初始条件和边界条件取自国家环境预测中心全球预报系统最终分析数据(FNL)，0.25°×0.25°的6 h数据，模拟时段为2020-08-22T00至2020-08-25T00(文中均为世界时UTC，北京时间为UTC+8 h).模拟区域采用二重双向嵌套(如图4所示)，中心点地理坐标为38.37°N、123.5°E，水平格距设为4.5 km、1.5 km，物理参数化方案如表3所示.

表3 物理参数化方案

2 结果分析

2.1 模拟结果检验

验证WRF模拟的可靠性时，采取表3的物理参数化方案，且不考虑城市冠层模型，检验参数有平均绝对误差(Ema)、均方根误差(Erms)，计算方法如下：

(1)

(2)

选取的4个气象站站点分别位于大连市主城区和北三市(普兰店市、瓦房店市、庄河市)，不同地点温度T和风速v的实测数据与模拟结果对比情况如图5所示.模拟结果显示WRF可以较好地呈现当地的微气候变化，其中温度变化的吻合度较高，平均绝对误差为0.97 K.WRF对大连市主城区的气温预测效果最理想，原因是主城区的LULC和地形要素与实际情况差别不大，而北三市的土地利用分布特征在2018年LULC数据中未能完整呈现.表4中风速的均方根误差平均值为1.90 m/s，说明WRF可较为准确地模拟出风速大小，模拟结果与实测数据出现差值的原因是站点的气象站设置高度和模拟得到的风速的高度不完全一致，且大连临海的地理特征使得气象站容易受到来自海面气流的影响，加之实际风速风向复杂多变，预测难度较大.研究发现可以调整城市地表粗糙度大小来提高WRF对当地风速的预测精度.

表4 模拟温度和风速检验结果

2.2 大连市区域热环境影响因素分析

2.2.1 建筑围护结构传热系数的影响 气温是反映城市气候变化的最直接因素，以2 m高度处温度Ta表示城市气温，比较分析了不同建筑围护结构传热系数下大连市主城区的气温变化.以图2中高新区和西安路区域的气温变化为例，当建筑围护结构传热系数减小时，室外气温也会相应地降低，尤其在夜间(18：00～次日6：00)最为明显.相较于TP-1995工况，两区域在TP-2019工况下的夜间温度最大可降低0.38 K和0.84 K.而不同建筑围护结构传热系数下，日间的温度差异没有特别明显，两地区的最大变化量约为0.12 K和0.19 K，且从图6中也可以看出TP-2019工况下的室外气温始终最低，因此良好的建筑热工性能有利于城市区域热环境的健康稳定发展.一方面，建筑围护结构传热系数的优化，减少了建筑空调用能，因而降低了空调热排放对周围热环境的不利影响，同时也可以进一步缓解城市热岛效应.另一方面，室外热环境的改善可以提升夜间通风等节能技术的节能潜力，在较低的建筑能耗下保证室内热环境的舒适性.

结合当前大连市建筑的热工设计特点，以TP-2010模拟结果为例分析城市热岛现象更为合适，城市的热岛强度可以通过城郊气温差法来确定，如式(3)所示.其中以图2中标注的5个主要城区的温度作为城区气温，郊区气温以长海县的气温为代表.

ΔT=Tu-Tc

(3)

式中：ΔT为城市热岛强度，K；Tu为城区气温，K；Tc为郊区气温，K.

图7为5个典型区域热岛强度的变化情况，由图可得热岛强度变化规律符合白天强夜晚弱的规律，最大热岛强度出现在UTC 5：00左右，日平均热岛强度由强到弱依次为西安路区域(ΔT2=0.65 K)、中山区(ΔT3=0.46 K)、高新区(ΔT1=0.35 K)、旅顺老城区(ΔT4=0.32 K)、金州开发区(ΔT5=0.29 K).由此可得，热岛强度和城区内的建筑密度紧密相关.其中西安路区域商业化发展成熟，建筑密集程度大，所以热岛效应最明显.中山区建筑密度和建筑高度普遍低于西安路区域，因此气温变化相对缓和.高新区是主城区中发展时间较短的区域，城市化水平相较于前两个区域不高，且具有多山地、离海近等特点，热岛强度得以缓解.旅顺老城区的发展建设虽然较为成熟，但是发展空间不大，且周围有小山围挡，所以热岛强度水平和高新区相近.金州开发区作为大连市区域规划的重点关注对象之一，在近几年得到了较快发展，目前仍处于发掘阶段，所以城市热效应最低.

2.2.2 建筑屋面反照率的影响 建筑屋面反照率反映建筑接受太阳辐射热量的多少.图8选取了2020-08-23不同屋面反照率下屋面温度(Tr)和室外气温(Ta)的变化情况，两者均与反照率呈现出较强相关性，尤其是屋面温度.由图可得反照率的影响主要是在日间太阳辐射强的时候，在UTC 5：00左右效果最明显，不同工况间屋面温差可达5.50 K左右，较高的反照率极大地降低了建筑表面温度，有利于夏季空调系统在低能耗条件下营造良好的室内环境.由于屋面温度较低，屋顶传热量减少，夏季室内冷需求减少，进而空调系统耗能量也相应地降低，空调排向大气的热量减少，区域热环境得以改善，由图可知反照率升高0.2室外气温可下降0.15 K，相应地城市热岛强度也会降低.以西安路区域为例(如图9)，屋面反照率增大0.2，热岛强度可降低约0.16 K，说明采用反照率较高的建筑材料作为饰面层，有利于室内外良好环境的营造和建筑节能发展，建议该参数在建筑节能设计规范中能够有所体现.

3 结 语

WRF作为中尺度区域的模拟工具，在保证土地利用数据精度的前提下，能够很好地呈现城区微气候的变化情况.

建筑热工参数作为暖通空调系统的重要设计参数之一，对区域热环境有影响.建筑围护结构传热系数由标准1的设定减小至标准3的设定时，夜间气温(18：00～次日6：00)出现明显降低，最大可降低0.38 K和0.84 K，而日间气温的最大变化量约为0.12 K和0.19K，由此可见建筑热工性能的改善可以促进城市区域热环境的健康稳定发展，在降低建筑能耗的同时，缓解了城市热岛效应，也提升了夜间通风等节能技术的节能潜力.

大连市热岛强度变化规律符合白天强夜晚弱的规律，最大热岛强度出现在UTC 5：00前后，主城区日平均热岛强度由强到弱依次为西安路区域(0.65 K)、中山区(0.46 K)、高新区(0.35 K)、旅顺老城区(0.32 K)、金州开发区(0.29 K)，这是因为热岛强度与区域建成度密切相关，同时也不能忽视海陆风对城市微气候的积极作用，在同等城市化水平下内陆区域要比临海区域的热岛强度更为明显，因此可以考虑在内陆区域增加水体来改善城区热环境.

高反照率的建筑材料能够显著降低建筑表面温度，当屋面反照率由0.2增大到0.6时，屋面温度可降低5.50 K左右，且区域热岛强度可降低约0.32 K，有利于减少夏季空调能耗，营造良好的室外环境.由此可见，建筑节能标准中除了围护结构传热系数等参数的规定，也应考虑建筑材料的反照率、发射率等参数，推动节能建筑与城市微气候的协调发展.

本文研究考虑的区域气候影响因素主要与建筑热工参数和建筑材料相关，且均为单独影响效果.后续研究可根据不同参数间的关联性，综合分析其对城市微气候的作用效果，为发展气候适应型建筑节能设计提供更为科学的指导.