城市局地气温对建筑冷负荷的影响

　　[摘 要] 局地气候区( Local Climate Zone，LCZ) 是一套用于城市气温研究的客观、标准、通用的局地热气候分类方法。对南京 9 个不同类型 LCZ 地块的近地气温进行实测( 2016 年 07 月 22 日至 2016 年 09 月 30 日) ，然后结合 EnergyPlus 软件分析局地气温对典型居住建筑和办公建筑冷负荷的影响。结果表明: 1) 热岛强度夜间显著高于白天; 对于整个研究时段的夜间平均热岛强度，紧凑建筑区最高( 1. 8 ～ 1. 9 ℃ ) ，其次是开敞中高层建筑区和重工业区( 1. 4 ～ 1. 5 ℃ ) ，低层建筑区为 0. 9 ～ 1. 1 ℃ ; 稀疏建筑区最低( 0. 3 ℃ ) ; 热岛强度在少云弱风的典型天气条件下更高; 2) 与采用郊区气象参数的基准案例相比，整个研究时段各 LCZ 地块居住建筑的累积冷负荷增幅为 8% ～ 17% ，办公建筑的累积冷负荷增幅为 4% ～ 7% ; 典型天气条件下的夜间时段各 LCZ 地块的居住建筑累计冷负荷增幅为 8% ～ 26% 。

　　[关键词] 局地气候区; 热岛; 实地观测; 能耗模拟

　　0 引 言

　　城市热岛效应是指市区气温明显高于外围郊区的现 象，它对建筑热环境与能耗有重要影响。 Santamouris M 等[1]基于实测气温和能耗模拟发现: 雅典平均热岛强度超过 10 ℃，导致市区房屋的冷负荷几乎是郊区的一倍，空调用电峰值可达 3 倍，空调器最低 COP 可下降 25% 。Kolokotroni M 等[2]基于伦敦气温实测数据和能耗模拟发现: 在夏季典型和极端高温天气条件下，郊区房屋的制冷负荷分别为市区房屋的 73% 和 42% 。田喆[3]基于天津气温实测数据和能耗模拟发现: 热岛效应导致办公建筑和居住建筑的夏季空调能耗增加率分别为 17. 5% /℃ 和 10. 2% /℃。

　　已有研究显示城市热岛效应对建筑能耗有重要影响，但传统的“城市 - 郊区”温差法研究热岛现象存在局限性。Stewart 和 Oke 对大量城市热岛研究文献梳理后指出，传统的“城乡二元”热岛研究方法过于简单和模糊，一方面是对测点位置的选择无统一标准且通常缺乏对测点周围环境以及天气条件的详细描述; 另一方面是无法科学深入地解释城市因子与气温差值之间的关系[4]。针对传统热岛研究方法的不足，Stewart 和 Oke 建立了一套客观、标准、通用的局地气候区 ( Local Climate Zone，LCZ) 体系[4]。

　　一个 LCZ 分区定义为最小半径 200 ～ 500 m 的区域，该区域内的物理特征( 下垫面、空间形态、材料构造及人类活动等) 应基本一致且分布均匀。在晴朗、微风、少云的天气条件下，同类局地气候区表现出相似的气温特征。与传统的“城乡二元法”相比，LCZ 方法定义清晰明确，划分标准规范统一，使得不同城市基于 LCZ 方法的热岛研究结果具有可比性，也更有利于厘清城市各物理因子与气温时空分布之间的关系。LCZ 方法已在欧洲、北美、日本、印度等地的多个城市得到检验和应用[5-7]，国内在福州[8]、深圳[9]也初步开展了基于 LCZ 方法的城市温度研究。上述研究初步显示出 LCZ 分区方法的合理性和普适性以及不同城市间的结果可比性[10]。

　　本文基于 LCZ 方法对南京城区 9 个不同 LCZ 地块的气温进行了长期观测，然后将实测数据输入到建筑能耗软件 EnergyPlus 中作为气象参数，模拟分析不同 LCZ 地块对典型居住建筑和办公建筑冷负荷的影响。

　　材料与方法

　　1. 1 基于局地气候区的南京气温观测实验

　　1. 1. 1 局地气候区简介

　　局地气候区( LCZ) 的基本类型包含 10 个建成环境型( built types，LCZ 1 ～ 10) 和 7 个自然环境型 ( land cover types，LCZ A ～ G) ，共 17 类 LCZ 类型[4]。结合定性和定量两方面内容来判断一个地块所属的 LCZ 类型。定性方面是指通过检视卫星影像和实景照片及实地调查等方法分析地块的形态和功能; 定量方面是指根据地块特征参数值所处的范围划分 LCZ 类型，特征参数包括天空视角系数、高宽比、平均建筑高度、地表粗糙等级、建筑密度、透水/不透水地面面积比、地表热导纳、地表反射率、人为热通量这 10 个与地块热环境密切相关的指标，分别表征了地块的空间形态、地表覆盖、材料构造和人类活动等物理属性。

　　1. 1. 2 南京 LCZ 地块选择

　　南京( E 118°48'，N 32°49') 城区面积 860 km2 ，人口超过 800 万。气候特征为夏热冬冷，全年日平均温度在 28. 6 ℃ ( 7 月) 至 2. 2 ℃ ( 1 月) 之间[11]。南京地形包括山、丘陵、平原、河流和湖泊。长江流经城区的西侧和北侧; 主要城区位于长江南侧，地势较平坦，海拔在 3 ～ 21 m 之间，多为密集建筑区; 城市周边主要为平坦的农业用地。

　　在本研究中，LCZ 地块的挑选过程分为两步: 1) 根据文献[4]的示例，通过查看卫星影像、实景照片及实地调查等方法，初步选出若干 LCZ 地块，将各地块的空间形态、下垫面、建筑功能和植被覆盖情况等作为 LCZ 分类的补充信息; 2) 计算出所选各地块的特征参数值，确定其 LCZ 类型。地块各特征参数计算 方 法 如 下: 基 于 文 献[12]的 方 法，利 用 Google Earth 影像中的建筑阴影长度来推算建筑高度; 街谷高宽比、建筑密度、透水/不透水地面面积比例等通过在高分辨率卫星影像上手动描图并统计获得; 天空视角系数( Sky View Factor，SVF) 利用德国三维微气候软件 ENVI-met[13] 对地块建模计算得出; 树高通过现场抽样测量计算。地表热导纳、反射率、人为热通量这 3 个参数由于缺少数据未能得出。通过以上方法，选出位于南京城区的 9 个 LCZ 地块进行长期气温观测，各地块的 LCZ 类型、卫星图像、实地照片及特征参数值见表 1。其中 3 个地块的空间形态和特征参数值未完全符合任何单一 LCZ 类型的标准，根据文献[4]中 LCZ 主类组合子类的分类方法，将这 3 个地块分别命名为 LCZ 2E、LCZ 32 和 LCZ 65 ( 下标代表次级 LCZ 类型) 。

　　1. 1. 3 各 LCZ 地块的气温观测

　　在每个 LCZ 地块的核心区( 半径 100 m 范围内) 不同位置设置 3 个固定测点。每个测点安装一个带原装防辐射罩的 HOBO 温湿度自记仪( 型号 U23 - 001，精度 ± 0. 2 ℃，产地: 美国) 。出于仪器安全的目的，将自记仪固定在灯柱上不易触及处( 距地约 2. 3 ～ 2. 7 m) 。为提高气温观测的空间代表性，参照 Oke 提出的城市气象观测导则[14]选择各测点的位置，确保测点远离各种人为热源( 如机动车、空调室外机、厨房排风口等) ，并保证测点周围通风良好( 离墙、广告牌等障碍物的距离 > 3 m) 。自记仪采样频率为 1 次/ h，数据存储在仪器内存中，每隔数月去现场下载。以每个 LCZ 地块核心区 3 个测点的平均值作为该地块的温度代表值。本文分析的数据时段为 2016 年 7 月 22 日至 9 月 30 日( 共 71 d) 。

　　1. 2 局地气温对建筑冷负荷的影响计算

　　采用建筑能耗软件 EnergyPlus( 以下简写为 E + ) 计算局地气温对建筑冷负荷的影响。首先建立典型办公建筑和居住建筑的 E + 模型( 表 2) ，然后利用各 LCZ 地块实测气温数据生成新的 E + 气象文件( EnergyPlus Weather File，EPW) 来计算冷负荷。

　　1. 2. 1 气象数据处理方法

　　将 E + 自带的南京原 EPW 文件中研究时段 ( 7. 22 ～ 9. 30) 的气温替换为各 LCZ 地块的逐时实测值，生成对应的 9 个新 EPW 文件。为进行比较，采用同期位于南京郊区的国家气象站气温观测值生成 1 个基准 EPW 文件。为与实际气象条件相符，所有 10 个新 EPW 文件中的风速、风向、太阳辐射数据均采用同期南京国家站观测值。

　　1. 2. 2 典型办公建筑与居住建筑的 E + 模型

　　办公建筑共 11 层，居住建筑共 6 层( 表 2) 。考虑太阳日运行轨迹对建筑内部不同区域的影响，将办公建筑划分为 6 个热工分区( 均为空调区) ，将居住建筑按照平面分户划分为 6 个热工分区( 2 个楼梯间为非空调区) 。按照现行公共建筑和居住建筑节能设计规范中对于夏热冬冷地区的要求设置围护结构热工参数、内部热扰及作息、空调运行时段及设定温度、新风量等参数( 表 3) 。

　　1. 2. 3 典型气象日的选择少云弱风的天气条件适合城市热岛效应的发展。

　　3 结 论

　　基于局地气候区( Local Climate Zone，LCZ) 方法对南京城区 9 个不同类型 LCZ 地块的夏季( 2016 年 7 月 22 日 - 9 月 30 日，共 71 d) 气温进行实测，然后将实测数据输入到建筑能耗软件 EnergyPlus 中作为气象参数，计算分析局地气温对典型居住建筑和办公建筑冷负荷的影响。

　　热岛分析结果表明: 夜间热岛强度显著比白天时段高; 对于整个研究时段的夜间平均热岛强度，紧凑建筑区最高( 1. 8 ～ 1. 9 ℃ ) ，其次是开敞中高层建筑区和重工业区( 1. 4 ～ 1. 5 ℃ ) ，低层建筑区为 0. 9～ 1. 1 ℃ ; 稀疏建筑区最低( 0. 3 ℃ ) ; 少云、弱风的典型天气条件下，各 LCZ 地块的夜间平均热岛强度差异更高。

　　由于热岛效应白天弱而夜间强，其对不同类型建筑的影响也不同。相对于以白天使用为主的建筑 ( 如办公建筑) ，全天使用的建筑( 如居住建筑) 受热岛效应的影响更大。与采用郊区气温值的基准案例相比，整个研究时段各 LCZ 地块居住建筑的累积冷负荷增幅为 8% ～ 17% ，办公建筑的累积冷负荷增幅为 4% ～ 7% ; 典型天气条件下的夜间时段，各 LCZ 地块的居住建筑累计冷负荷增幅为 8% ～ 26% 。

　　《城市局地气温对建筑冷负荷的影响》来源：《建筑科学》2018年12期，作者：金涛; 杨小山; 姚灵烨; 姜之点; 彭立华。

《城市局地气温对建筑冷负荷的影响》

上一篇：基于中心点混合正弦函数的灰色聚类评估——以工程类科技基础研究项目为例

下一篇：地域文化在建筑设计中的应用研究