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摘要

城市化產(chǎn)生熱島效應(yīng)。利用CTTC（建筑群熱常數(shù)）模型對城市化后的建筑群溫度進(jìn)行模擬計(jì)算，把計(jì)算結(jié)果作為室外計(jì)算溫度，對一普通住宅建筑空調(diào)負(fù)荷進(jìn)行了計(jì)算，并與根據(jù)氣象臺提供的室外溫度計(jì)算出來的冷熱負(fù)荷進(jìn)行比較。結(jié)果表明，夏季冷負(fù)荷受城市化影響較大，當(dāng)無室內(nèi)發(fā)熱量時(shí)，采用氣象臺提供的氣象數(shù)計(jì)算出的夏季冷負(fù)荷比按小區(qū)溫度計(jì)算的低10%～35%；而冬季熱負(fù)荷受城市化影響不大，二者差別不到10%。

關(guān)鍵詞：城市化空調(diào)負(fù)荷住宅建筑熱島效應(yīng)

Abstract

Urbanizationcausestemperaturedifferencebetweenurbanandruralareas.UsingtheCTTCmodeltosimulatetemperatureofanurbanbuildinggroup.Thetemperaturewasusedtocalculatethecoolingheatingloadinsteadoftemperaturemeasuredatthelocalmeteorologicalstationasoutdoordesigntemperature.Itisshownforanordinaryresidentialbuildingthatthecalculatedcoolingloadisabout10to35percentwiththetemperatureofanurbanbuildinggroupthanthatwiththeoutdoortemperaturefromthelocalmeteorologicalstation.Butthedifferenceofheatingloadbetweenthemislessthan10percent.

Keywords：urbanizationcoolingloadresidentialbuildingheatislandeffect

0引言

早在公元前4世紀(jì)，人們就注意到了城市和鄉(xiāng)村的氣候是有差別的。19世紀(jì)，英國的賀華德（LakeHoward）對倫敦市內(nèi)和郊區(qū)的氣象記錄進(jìn)行對比分析，從大量資料中總結(jié)出倫敦城市氣候的特點(diǎn)，其中有一個(gè)著名的發(fā)現(xiàn)：倫敦城市中心的溫度比四周郊區(qū)高[1]。后來各國學(xué)者對不同緯度、不同類型、不同規(guī)模的城市陸續(xù)做了大量對比測試，發(fā)現(xiàn)了類似現(xiàn)象。人們把這種現(xiàn)象稱為"城市熱島"。

然而，我們在計(jì)算某棟建筑物的室內(nèi)冷熱負(fù)荷時(shí)，使用的室外參數(shù)都是來源于建筑所在地區(qū)的一個(gè)大范圍內(nèi)的氣象資料，而這些氣象資料又是由氣象人員在空曠的城市遠(yuǎn)近郊監(jiān)測而得。既然許多研究資料都已證明城區(qū)氣溫與郊區(qū)氣溫確實(shí)存在著較大的差別，那么如果在對建筑物室內(nèi)冷熱負(fù)荷進(jìn)行各種分析計(jì)算中把這些由氣象臺站測出的氣象數(shù)據(jù)作為城區(qū)內(nèi)建筑的室外計(jì)算參數(shù)，其結(jié)果就很可能會(huì)出現(xiàn)偏差，并由此得出不準(zhǔn)確甚至錯(cuò)誤的結(jié)論。澳大利亞的M.M.Elnahls等對這個(gè)問題曾做過實(shí)驗(yàn)和模擬，在阿德萊德地區(qū)建造了一個(gè)典型的建筑群，結(jié)果表明，冬、夏兩季建筑群內(nèi)的空氣溫度都高于氣象溫度。對空調(diào)系統(tǒng)而言，在對室內(nèi)加熱時(shí)減少10%的能耗，在供冷時(shí)增加15%的能耗。兩種算法的能耗總和（加熱+供冷）相差不多。但"這并不意味著因?yàn)橄嗷サ窒涂梢院雎詫諝鉁囟鹊男拚?。忽略了修正溫度的影響就意味著對冷?fù)荷估計(jì)不足，對熱負(fù)荷估計(jì)過高"[2]。因此，建筑群的"熱島效應(yīng)"的確會(huì)對負(fù)荷計(jì)算造成不可忽視的影響，需要我們進(jìn)一步關(guān)注和研究。

1建筑群室外溫度的模擬計(jì)算

關(guān)于建筑群內(nèi)空氣溫度的模型，前人已經(jīng)做了不少的研究工作。筆者在比較前人對城市氣候和建筑局部微氣候的研究方面和研究模型之后，選擇了簡明實(shí)用的CTTC模型及其系列改進(jìn)模型作為研究開發(fā)的切入點(diǎn)。

CTTC模型把特定的地點(diǎn)的濕度視為幾個(gè)獨(dú)立過程溫度效應(yīng)的疊加，用公式表示如下[3]：

ΔTa(t)=To+ΔTa,solar(t)-ΔTNLWR(t)

式中Ta(t)為需計(jì)算的t時(shí)刻的大氣溫度：To為基準(zhǔn)（背景）溫度；ΔTa,solar(t)為因城市覆蓋層表面吸收太陽輻射而導(dǎo)致的大氣溫升；ΔTNLWR(t)為凈長波輻射吸收失熱而導(dǎo)致的溫度變化。正是在計(jì)算ΔTNLWR(t)時(shí)使用了CTTC模型數(shù)，可由下式進(jìn)行計(jì)算：

（2）

式中t是計(jì)算時(shí)刻，m是下墊面對太陽輻射的吸收率，h是綜合換熱系數(shù)，Ipen（t）是建筑群在t時(shí)刻接受到單位面積上的平均太陽輻射照度，CTTC是建筑群熱時(shí)間常數(shù)。

斯沃德（HannaSwaid）和霍夫曼（MiloE.Hoffman）按理論公式計(jì)算出ΔTa,solar(t)和ΔTNLWR(t)，并經(jīng)實(shí)驗(yàn)測出當(dāng)ΔTa,solar(t)為晝夜最小值時(shí)的空氣溫度Ta(t)，則由式（1）可計(jì)算出To。他們發(fā)現(xiàn)同一個(gè)城市不同建筑群的基準(zhǔn)溫度值很接近，誤差不超過0.5℃，且與鄉(xiāng)村日平均空氣溫度相等。

1997年，艾那漢斯（M.M.Elnahls）和威利斯姆森（T.J.Willismoson）在CTTC模型基礎(chǔ)上提出了改進(jìn)的CTTC模型，其計(jì)算空氣溫度的思路與CTTC模型完全一致。改進(jìn)模型將通常位于市郊的氣象站測量的逐時(shí)氣溫作為輸入溫度，而不是把鄉(xiāng)村的日平均氣溫和為輸入溫度計(jì)。通過比較氣象站和待計(jì)算建筑群的建筑幾何特征、規(guī)劃、熱量排放等因素造成的熱量收支差異，計(jì)算這些差異給這兩種下墊面上方空氣溫度帶來的差別，通過氣象站的實(shí)測溫度以及計(jì)算的溫度差別就可以得到待計(jì)算建筑群處的空氣溫度。用公式表示如下[2]：

Ta（t）urb=Tb+ΔTsol(t)urb-ΔTlw（t）urb(3)

Ta（t）net=Tb+ΔTsol(t)met-ΔTlw（t）met(4)

則有

ΔTa（t）urb=Ta（t）net+[ΔTsol(t)urb-ΔTsol(t)met]-[ΔTlw（t）urb-ΔTlw（t）met](5)

式中：Ta（t）urb是建筑群處在t時(shí)刻的空氣溫度；Ta（t）net是氣象站在t時(shí)刻測量的空氣溫度；Tb是基準(zhǔn)溫度；ΔTsol(t)urb是建筑群因吸收太陽；而導(dǎo)致的空氣溫度變化；ΔTsol(t)met是氣象站因吸收太陽輻射而導(dǎo)致的空氣溫度變化；ΔTlw（t）urb是建筑群因天空長波輻射而導(dǎo)致的空氣溫度變化；ΔTlw（t）met是氣象站因天空長波輻射而導(dǎo)致的空氣溫度變化。

基于改進(jìn)的CTTC算法模型，筆者編制了CTE（clusterthermalenvironment）計(jì)算程序，考慮了太陽輻射、風(fēng)、小區(qū)規(guī)劃和單體建筑等對小區(qū)室外熱環(huán)境的影響，從整體的、動(dòng)態(tài)的角度來預(yù)測和分析實(shí)際建筑群的溫度環(huán)境[4]。

2.負(fù)荷計(jì)算

選取一個(gè)典型的住宅小區(qū)建筑群來進(jìn)行負(fù)荷計(jì)算，該建筑群由9棟（3排3列）5層的建筑組成，綠化率為0.3。

模擬計(jì)算結(jié)果見圖1,2。從圖中可以看出，利用CTE程序計(jì)算得到的小區(qū)室外空氣溫度和氣象站空氣溫度存在明顯的差別。

圖1夏季小區(qū)計(jì)算溫度和氣象站溫度的比較

圖2冬季小區(qū)計(jì)算溫度和氣象站溫度的比較

選取該建筑群中的3個(gè)房間進(jìn)行負(fù)荷計(jì)算，這3個(gè)房間分界位于建筑的南、東北角和東南角，且均在建筑的3層，如圖3所示。

圖3計(jì)算房間示意圖

建造外墻為37磚墻，每個(gè)計(jì)算房間有一扇外窗，位于房間的南側(cè)或北側(cè)，雙層鋼窗，無內(nèi)外遮陽。室內(nèi)發(fā)熱設(shè)備為計(jì)算機(jī)和燈光照明，人員為1人。夏季室內(nèi)設(shè)定溫度為27℃，冬季室內(nèi)設(shè)定溫度為18℃，換氣次數(shù)為2h-1。按照常規(guī)的冷、熱負(fù)荷計(jì)算方法，分別將氣象站提供的計(jì)算溫度和用CTE程度計(jì)算出來的小區(qū)空氣溫度作為室外計(jì)算溫度來計(jì)算室內(nèi)負(fù)荷。

圖4是夏季逐時(shí)冷負(fù)荷計(jì)算結(jié)果。

圖4夏季逐時(shí)冷負(fù)荷計(jì)算結(jié)果

從圖4中可以看出，以小區(qū)計(jì)算溫度和氣象站提供的設(shè)計(jì)室外溫度來計(jì)算室內(nèi)負(fù)荷，不同方位的房間負(fù)荷都有差別。這種差別隨時(shí)間的不同而不同，在本例中約占總負(fù)荷的10%～35%。

圖5可以更清楚地反映因室外計(jì)算溫度不同而帶來的冷負(fù)荷的逐時(shí)差異?？疾炖湄?fù)荷的組成可以看出，室外溫度對冷負(fù)荷的影響主要體現(xiàn)在三方面：通過窗玻璃的傳熱、通過外墻的傳熱和新風(fēng)負(fù)荷。當(dāng)室內(nèi)外溫度接近的時(shí)候，室外溫度對這3項(xiàng)負(fù)荷會(huì)產(chǎn)生很大的影響。在本例中考慮熱島效應(yīng)后圍護(hù)結(jié)構(gòu)的傳熱負(fù)荷是原來的1.2～1.5倍，而新風(fēng)負(fù)荷受室外溫度的影響更明顯，甚至負(fù)荷正負(fù)都可能相反，在新風(fēng)負(fù)荷最大的瞬時(shí)考慮熱島效應(yīng)后新風(fēng)負(fù)荷是原來的1.2倍。

圖5室外計(jì)算溫度不同而帶來的冷負(fù)荷的差異

圖6和圖7是本例計(jì)算房間無內(nèi)熱源情況下的計(jì)算結(jié)果，它們反映了建筑群本身對室內(nèi)負(fù)荷的影響。從計(jì)算結(jié)果來看，在不考慮房間內(nèi)熱源的情況下，由于室外計(jì)算溫度不同而導(dǎo)致的室內(nèi)冷負(fù)荷的差異一般在20%～50%之間，夜間最大時(shí)甚至能夠達(dá)到70%。

圖6計(jì)算房間無內(nèi)熱源時(shí)夏季逐時(shí)冷負(fù)荷計(jì)算結(jié)果

圖7計(jì)算房間無內(nèi)熱源時(shí)不同朝向夏季冷負(fù)荷的差異

同理可能計(jì)算不同室外氣溫參數(shù)對冬季的室內(nèi)熱負(fù)荷造成的差別。計(jì)算結(jié)果表明，室外溫度不同導(dǎo)致的熱負(fù)荷差別不到10%。這是因?yàn)槎臼覂?nèi)外溫差本來就比較大，建筑群和氣象站之間的溫差相比較而言僅占一小部分。

上述結(jié)果是針對一具體建筑得到的，對于不同城市、不同布局的住宅建筑會(huì)存在著差異，即夏季冷負(fù)荷和冬季熱負(fù)荷的變化比例會(huì)有所有同。但總體而言，城市化的程度越高，熱島現(xiàn)象越顯著，用氣象站資料得到的夏季空調(diào)負(fù)荷值與實(shí)際的偏差越大。

3結(jié)論

從以上的計(jì)算結(jié)果和分析中可以看出，由于夏季室內(nèi)外溫差較小，城市熱島效應(yīng)造成的溫升可能對室內(nèi)負(fù)荷計(jì)算造成較大的影響。這種影響在冷負(fù)荷主要以外圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱和新風(fēng)為主的民用建筑中是不可忽略的。冬季由于熱島效應(yīng)帶來的溫差相對室內(nèi)外溫差而言較小，因此在計(jì)算熱負(fù)荷時(shí)可以忽略。

以上的計(jì)算和分析是針對住宅建筑進(jìn)行的，同樣也適用于對商業(yè)建筑的分析。但由于商用建筑的空調(diào)負(fù)荷組成中圍護(hù)結(jié)構(gòu)和新風(fēng)部分所占比例不大，所以城市化對室內(nèi)負(fù)荷的影響不是太明顯。

隨著城市化進(jìn)程的加快，城市的日益發(fā)展，熱必會(huì)使城市熱島效應(yīng)愈加顯著。美國、日本和我國上海等城市連年的實(shí)測資料表明[5]：在郊區(qū)空氣溫度幾乎不變甚至下降的情況下，城市內(nèi)的氣溫卻逐年升高。因此，在進(jìn)行城市建筑的空調(diào)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)將氣象資料進(jìn)行修正。本文提出的修正的CTTC模型是一種簡單、行之有效的修正方法，可以作為大中型城市建筑空調(diào)設(shè)計(jì)的一個(gè)參考。

參考文獻(xiàn)

1HemutELandsberg.都市氣候?qū)W，鄭師中，譯，臺灣：世界圖書出版公司，1990.

2ElnahlsMM,WilliamsonTJ.AnimprovementoftheCTTCmodelforpredictingurbanairtemperatures.EnergyandBuildings,1997,25(1):41-49.

3HannaSwaid,MiloEHoffman.PredictionofurbanairtemperaturevariationsusingtheanalyticalCTTCmodel.EnergyandBuildings,199014(4):313-324.

4李瑩，建筑群及單棟建筑周圍空氣溫度的理論和實(shí)驗(yàn)研究：[碩士學(xué)位論文]。北京，清華大學(xué)，2000

5周淑貞，束炯，城市氣候?qū)W，北京：氣象出版社，1994.