[摘 要] 局地氣候區( Local Climate Zone，LCZ) 是一套用于城市氣溫研究的客觀、標準、通用的局地熱氣候分類方法。對南京 9 個不同類型 LCZ 地塊的近地氣溫進行實測( 2016 年 07 月 22 日至 2016 年 09 月 30 日) ，然后結合 EnergyPlus 軟件分析局地氣溫對典型居住建筑和辦公建筑冷負荷的影響。結果表明: 1) 熱島強度夜間顯著高于白天; 對于整個研究時段的夜間平均熱島強度，緊湊建筑區最高( 1. 8 ～ 1. 9 ℃ ) ，其次是開敞中高層建筑區和重工業區( 1. 4 ～ 1. 5 ℃ ) ，低層建筑區為 0. 9 ～ 1. 1 ℃ ; 稀疏建筑區最低( 0. 3 ℃ ) ; 熱島強度在少云弱風的典型天氣條件下更高; 2) 與采用郊區氣象參數的基準案例相比，整個研究時段各 LCZ 地塊居住建筑的累積冷負荷增幅為 8% ～ 17% ，辦公建筑的累積冷負荷增幅為 4% ～ 7% ; 典型天氣條件下的夜間時段各 LCZ 地塊的居住建筑累計冷負荷增幅為 8% ～ 26% 。

　　[關鍵詞] 局地氣候區; 熱島; 實地觀測; 能耗模擬

　　0 引 言

　　城市熱島效應是指市區氣溫明顯高于外圍郊區的現 象，它對建筑熱環境與能耗有重要影響。 Santamouris M 等[1]基于實測氣溫和能耗模擬發現: 雅典平均熱島強度超過 10 ℃，導致市區房屋的冷負荷幾乎是郊區的一倍，空調用電峰值可達 3 倍，空調器最低 COP 可下降 25% 。Kolokotroni M 等[2]基于倫敦氣溫實測數據和能耗模擬發現: 在夏季典型和極端高溫天氣條件下，郊區房屋的制冷負荷分別為市區房屋的 73% 和 42% 。田喆[3]基于天津氣溫實測數據和能耗模擬發現: 熱島效應導致辦公建筑和居住建筑的夏季空調能耗增加率分別為 17. 5% /℃ 和 10. 2% /℃。

　　已有研究顯示城市熱島效應對建筑能耗有重要影響，但傳統的“城市 - 郊區”溫差法研究熱島現象存在局限性。Stewart 和 Oke 對大量城市熱島研究文獻梳理后指出，傳統的“城鄉二元”熱島研究方法過于簡單和模糊，一方面是對測點位置的選擇無統一標準且通常缺乏對測點周圍環境以及天氣條件的詳細描述; 另一方面是無法科學深入地解釋城市因子與氣溫差值之間的關系[4]。針對傳統熱島研究方法的不足，Stewart 和 Oke 建立了一套客觀、標準、通用的局地氣候區 ( Local Climate Zone，LCZ) 體系[4]。

　　一個 LCZ 分區定義為最小半徑 200 ～ 500 m 的區域，該區域內的物理特征( 下墊面、空間形態、材料構造及人類活動等) 應基本一致且分布均勻。在晴朗、微風、少云的天氣條件下，同類局地氣候區表現出相似的氣溫特征。與傳統的“城鄉二元法”相比，LCZ 方法定義清晰明確，劃分標準規范統一，使得不同城市基于 LCZ 方法的熱島研究結果具有可比性，也更有利于厘清城市各物理因子與氣溫時空分布之間的關系。LCZ 方法已在歐洲、北美、日本、印度等地的多個城市得到檢驗和應用[5-7]，國內在福州[8]、深圳[9]也初步開展了基于 LCZ 方法的城市溫度研究。上述研究初步顯示出 LCZ 分區方法的合理性和普適性以及不同城市間的結果可比性[10]。

　　本文基于 LCZ 方法對南京城區 9 個不同 LCZ 地塊的氣溫進行了長期觀測，然后將實測數據輸入到建筑能耗軟件 EnergyPlus 中作為氣象參數，模擬分析不同 LCZ 地塊對典型居住建筑和辦公建筑冷負荷的影響。

　　材料與方法

　　1. 1 基于局地氣候區的南京氣溫觀測實驗

　　1. 1. 1 局地氣候區簡介

　　局地氣候區( LCZ) 的基本類型包含 10 個建成環境型( built types，LCZ 1 ～ 10) 和 7 個自然環境型 ( land cover types，LCZ A ～ G) ，共 17 類 LCZ 類型[4]。結合定性和定量兩方面內容來判斷一個地塊所屬的 LCZ 類型。定性方面是指通過檢視衛星影像和實景照片及實地調查等方法分析地塊的形態和功能; 定量方面是指根據地塊特征參數值所處的范圍劃分 LCZ 類型，特征參數包括天空視角系數、高寬比、平均建筑高度、地表粗糙等級、建筑密度、透水/不透水地面面積比、地表熱導納、地表反射率、人為熱通量這 10 個與地塊熱環境密切相關的指標，分別表征了地塊的空間形態、地表覆蓋、材料構造和人類活動等物理屬性。

　　1. 1. 2 南京 LCZ 地塊選擇

　　南京( E 118°48'，N 32°49') 城區面積 860 km2 ，人口超過 800 萬。氣候特征為夏熱冬冷，全年日平均溫度在 28. 6 ℃ ( 7 月) 至 2. 2 ℃ ( 1 月) 之間[11]。南京地形包括山、丘陵、平原、河流和湖泊。長江流經城區的西側和北側; 主要城區位于長江南側，地勢較平坦，海拔在 3 ～ 21 m 之間，多為密集建筑區; 城市周邊主要為平坦的農業用地。

　　在本研究中，LCZ 地塊的挑選過程分為兩步: 1) 根據文獻[4]的示例，通過查看衛星影像、實景照片及實地調查等方法，初步選出若干 LCZ 地塊，將各地塊的空間形態、下墊面、建筑功能和植被覆蓋情況等作為 LCZ 分類的補充信息; 2) 計算出所選各地塊的特征參數值，確定其 LCZ 類型。地塊各特征參數計算 方 法 如 下: 基 于 文 獻[12]的 方 法，利 用 Google Earth 影像中的建筑陰影長度來推算建筑高度; 街谷高寬比、建筑密度、透水/不透水地面面積比例等通過在高分辨率衛星影像上手動描圖并統計獲得; 天空視角系數( Sky View Factor，SVF) 利用德國三維微氣候軟件 ENVI-met[13] 對地塊建模計算得出; 樹高通過現場抽樣測量計算。地表熱導納、反射率、人為熱通量這 3 個參數由于缺少數據未能得出。通過以上方法，選出位于南京城區的 9 個 LCZ 地塊進行長期氣溫觀測，各地塊的 LCZ 類型、衛星圖像、實地照片及特征參數值見表 1。其中 3 個地塊的空間形態和特征參數值未完全符合任何單一 LCZ 類型的標準，根據文獻[4]中 LCZ 主類組合子類的分類方法，將這 3 個地塊分別命名為 LCZ 2E、LCZ 32 和 LCZ 65 ( 下標代表次級 LCZ 類型) 。

　　1. 1. 3 各 LCZ 地塊的氣溫觀測

　　在每個 LCZ 地塊的核心區( 半徑 100 m 范圍內) 不同位置設置 3 個固定測點。每個測點安裝一個帶原裝防輻射罩的 HOBO 溫濕度自記儀( 型號 U23 - 001，精度 ± 0. 2 ℃，產地: 美國) 。出于儀器安全的目的，將自記儀固定在燈柱上不易觸及處( 距地約 2. 3 ～ 2. 7 m) 。為提高氣溫觀測的空間代表性，參照 Oke 提出的城市氣象觀測導則[14]選擇各測點的位置，確保測點遠離各種人為熱源( 如機動車、空調室外機、廚房排風口等) ，并保證測點周圍通風良好( 離墻、廣告牌等障礙物的距離 > 3 m) 。自記儀采樣頻率為 1 次/ h，數據存儲在儀器內存中，每隔數月去現場下載。以每個 LCZ 地塊核心區 3 個測點的平均值作為該地塊的溫度代表值。本文分析的數據時段為 2016 年 7 月 22 日至 9 月 30 日( 共 71 d) 。

　　1. 2 局地氣溫對建筑冷負荷的影響計算

　　采用建筑能耗軟件 EnergyPlus( 以下簡寫為 E + ) 計算局地氣溫對建筑冷負荷的影響。首先建立典型辦公建筑和居住建筑的 E + 模型( 表 2) ，然后利用各 LCZ 地塊實測氣溫數據生成新的 E + 氣象文件( EnergyPlus Weather File，EPW) 來計算冷負荷。

　　1. 2. 1 氣象數據處理方法

　　將 E + 自帶的南京原 EPW 文件中研究時段 ( 7. 22 ～ 9. 30) 的氣溫替換為各 LCZ 地塊的逐時實測值，生成對應的 9 個新 EPW 文件。為進行比較，采用同期位于南京郊區的國家氣象站氣溫觀測值生成 1 個基準 EPW 文件。為與實際氣象條件相符，所有 10 個新 EPW 文件中的風速、風向、太陽輻射數據均采用同期南京國家站觀測值。

　　1. 2. 2 典型辦公建筑與居住建筑的 E + 模型

　　辦公建筑共 11 層，居住建筑共 6 層( 表 2) ?？紤]太陽日運行軌跡對建筑內部不同區域的影響，將辦公建筑劃分為 6 個熱工分區( 均為空調區) ，將居住建筑按照平面分戶劃分為 6 個熱工分區( 2 個樓梯間為非空調區) 。按照現行公共建筑和居住建筑節能設計規范中對于夏熱冬冷地區的要求設置圍護結構熱工參數、內部熱擾及作息、空調運行時段及設定溫度、新風量等參數( 表 3) 。

　　1. 2. 3 典型氣象日的選擇少云弱風的天氣條件適合城市熱島效應的發展。

　　3 結 論

　　基于局地氣候區( Local Climate Zone，LCZ) 方法對南京城區 9 個不同類型 LCZ 地塊的夏季( 2016 年 7 月 22 日 - 9 月 30 日，共 71 d) 氣溫進行實測，然后將實測數據輸入到建筑能耗軟件 EnergyPlus 中作為氣象參數，計算分析局地氣溫對典型居住建筑和辦公建筑冷負荷的影響。

　　熱島分析結果表明: 夜間熱島強度顯著比白天時段高; 對于整個研究時段的夜間平均熱島強度，緊湊建筑區最高( 1. 8 ～ 1. 9 ℃ ) ，其次是開敞中高層建筑區和重工業區( 1. 4 ～ 1. 5 ℃ ) ，低層建筑區為 0. 9～ 1. 1 ℃ ; 稀疏建筑區最低( 0. 3 ℃ ) ; 少云、弱風的典型天氣條件下，各 LCZ 地塊的夜間平均熱島強度差異更高。

　　由于熱島效應白天弱而夜間強，其對不同類型建筑的影響也不同。相對于以白天使用為主的建筑 ( 如辦公建筑) ，全天使用的建筑( 如居住建筑) 受熱島效應的影響更大。與采用郊區氣溫值的基準案例相比，整個研究時段各 LCZ 地塊居住建筑的累積冷負荷增幅為 8% ～ 17% ，辦公建筑的累積冷負荷增幅為 4% ～ 7% ; 典型天氣條件下的夜間時段，各 LCZ 地塊的居住建筑累計冷負荷增幅為 8% ～ 26% 。

　　《城市局地氣溫對建筑冷負荷的影響》來源：《建筑科學》2018年12期，作者：金濤; 楊小山; 姚靈燁; 姜之點; 彭立華。