[摘 要] 局地氣候區(qū)( Local Climate Zone，LCZ) 是一套用于城市氣溫研究的客觀、標(biāo)準(zhǔn)、通用的局地?zé)釟夂蚍诸惙椒āδ暇?9 個(gè)不同類型 LCZ 地塊的近地氣溫進(jìn)行實(shí)測( 2016 年 07 月 22 日至 2016 年 09 月 30 日) ，然后結(jié)合 EnergyPlus 軟件分析局地氣溫對典型居住建筑和辦公建筑冷負(fù)荷的影響。結(jié)果表明: 1) 熱島強(qiáng)度夜間顯著高于白天; 對于整個(gè)研究時(shí)段的夜間平均熱島強(qiáng)度，緊湊建筑區(qū)最高( 1. 8 ～ 1. 9 ℃ ) ，其次是開敞中高層建筑區(qū)和重工業(yè)區(qū)( 1. 4 ～ 1. 5 ℃ ) ，低層建筑區(qū)為 0. 9 ～ 1. 1 ℃ ; 稀疏建筑區(qū)最低( 0. 3 ℃ ) ; 熱島強(qiáng)度在少云弱風(fēng)的典型天氣條件下更高; 2) 與采用郊區(qū)氣象參數(shù)的基準(zhǔn)案例相比，整個(gè)研究時(shí)段各 LCZ 地塊居住建筑的累積冷負(fù)荷增幅為 8% ～ 17% ，辦公建筑的累積冷負(fù)荷增幅為 4% ～ 7% ; 典型天氣條件下的夜間時(shí)段各 LCZ 地塊的居住建筑累計(jì)冷負(fù)荷增幅為 8% ～ 26% 。

　　[關(guān)鍵詞] 局地氣候區(qū); 熱島; 實(shí)地觀測; 能耗模擬

　　0 引 言

　　城市熱島效應(yīng)是指市區(qū)氣溫明顯高于外圍郊區(qū)的現(xiàn) 象，它對建筑熱環(huán)境與能耗有重要影響。 Santamouris M 等[1]基于實(shí)測氣溫和能耗模擬發(fā)現(xiàn): 雅典平均熱島強(qiáng)度超過 10 ℃，導(dǎo)致市區(qū)房屋的冷負(fù)荷幾乎是郊區(qū)的一倍，空調(diào)用電峰值可達(dá) 3 倍，空調(diào)器最低 COP 可下降 25% 。Kolokotroni M 等[2]基于倫敦氣溫實(shí)測數(shù)據(jù)和能耗模擬發(fā)現(xiàn): 在夏季典型和極端高溫天氣條件下，郊區(qū)房屋的制冷負(fù)荷分別為市區(qū)房屋的 73% 和 42% 。田喆[3]基于天津氣溫實(shí)測數(shù)據(jù)和能耗模擬發(fā)現(xiàn): 熱島效應(yīng)導(dǎo)致辦公建筑和居住建筑的夏季空調(diào)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(yīng)對建筑能耗有重要影響，但傳統(tǒng)的“城市 - 郊區(qū)”溫差法研究熱島現(xiàn)象存在局限性。Stewart 和 Oke 對大量城市熱島研究文獻(xiàn)梳理后指出，傳統(tǒng)的“城鄉(xiāng)二元”熱島研究方法過于簡單和模糊，一方面是對測點(diǎn)位置的選擇無統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)且通常缺乏對測點(diǎn)周圍環(huán)境以及天氣條件的詳細(xì)描述; 另一方面是無法科學(xué)深入地解釋城市因子與氣溫差值之間的關(guān)系[4]。針對傳統(tǒng)熱島研究方法的不足，Stewart 和 Oke 建立了一套客觀、標(biāo)準(zhǔn)、通用的局地氣候區(qū) ( Local Climate Zone，LCZ) 體系[4]。

　　一個(gè) LCZ 分區(qū)定義為最小半徑 200 ～ 500 m 的區(qū)域，該區(qū)域內(nèi)的物理特征( 下墊面、空間形態(tài)、材料構(gòu)造及人類活動(dòng)等) 應(yīng)基本一致且分布均勻。在晴朗、微風(fēng)、少云的天氣條件下，同類局地氣候區(qū)表現(xiàn)出相似的氣溫特征。與傳統(tǒng)的“城鄉(xiāng)二元法”相比，LCZ 方法定義清晰明確，劃分標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范統(tǒng)一，使得不同城市基于 LCZ 方法的熱島研究結(jié)果具有可比性，也更有利于厘清城市各物理因子與氣溫時(shí)空分布之間的關(guān)系。LCZ 方法已在歐洲、北美、日本、印度等地的多個(gè)城市得到檢驗(yàn)和應(yīng)用[5-7]，國內(nèi)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(qū)方法的合理性和普適性以及不同城市間的結(jié)果可比性[10]。

　　本文基于 LCZ 方法對南京城區(qū) 9 個(gè)不同 LCZ 地塊的氣溫進(jìn)行了長期觀測，然后將實(shí)測數(shù)據(jù)輸入到建筑能耗軟件 EnergyPlus 中作為氣象參數(shù)，模擬分析不同 LCZ 地塊對典型居住建筑和辦公建筑冷負(fù)荷的影響。

　　材料與方法

　　1. 1 基于局地氣候區(qū)的南京氣溫觀測實(shí)驗(yàn)

　　1. 1. 1 局地氣候區(qū)簡介

　　局地氣候區(qū)( LCZ) 的基本類型包含 10 個(gè)建成環(huán)境型( built types，LCZ 1 ～ 10) 和 7 個(gè)自然環(huán)境型 ( land cover types，LCZ A ～ G) ，共 17 類 LCZ 類型[4]。結(jié)合定性和定量兩方面內(nèi)容來判斷一個(gè)地塊所屬的 LCZ 類型。定性方面是指通過檢視衛(wèi)星影像和實(shí)景照片及實(shí)地調(diào)查等方法分析地塊的形態(tài)和功能; 定量方面是指根據(jù)地塊特征參數(shù)值所處的范圍劃分 LCZ 類型，特征參數(shù)包括天空視角系數(shù)、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(dǎo)納、地表反射率、人為熱通量這 10 個(gè)與地塊熱環(huán)境密切相關(guān)的指標(biāo)，分別表征了地塊的空間形態(tài)、地表覆蓋、材料構(gòu)造和人類活動(dòng)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(qū)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(jīng)城區(qū)的西側(cè)和北側(cè); 主要城區(qū)位于長江南側(cè)，地勢較平坦，海拔在 3 ～ 21 m 之間，多為密集建筑區(qū); 城市周邊主要為平坦的農(nóng)業(yè)用地。

　　在本研究中，LCZ 地塊的挑選過程分為兩步: 1) 根據(jù)文獻(xiàn)[4]的示例，通過查看衛(wèi)星影像、實(shí)景照片及實(shí)地調(diào)查等方法，初步選出若干 LCZ 地塊，將各地塊的空間形態(tài)、下墊面、建筑功能和植被覆蓋情況等作為 LCZ 分類的補(bǔ)充信息; 2) 計(jì)算出所選各地塊的特征參數(shù)值，確定其 LCZ 類型。地塊各特征參數(shù)計(jì)算 方 法 如 下: 基 于 文 獻(xiàn)[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(wèi)星影像上手動(dòng)描圖并統(tǒng)計(jì)獲得; 天空視角系數(shù)( Sky View Factor，SVF) 利用德國三維微氣候軟件 ENVI-met[13] 對地塊建模計(jì)算得出; 樹高通過現(xiàn)場抽樣測量計(jì)算。地表熱導(dǎo)納、反射率、人為熱通量這 3 個(gè)參數(shù)由于缺少數(shù)據(jù)未能得出。通過以上方法，選出位于南京城區(qū)的 9 個(gè) LCZ 地塊進(jìn)行長期氣溫觀測，各地塊的 LCZ 類型、衛(wèi)星圖像、實(shí)地照片及特征參數(shù)值見表 1。其中 3 個(gè)地塊的空間形態(tài)和特征參數(shù)值未完全符合任何單一 LCZ 類型的標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)文獻(xiàn)[4]中 LCZ 主類組合子類的分類方法，將這 3 個(gè)地塊分別命名為 LCZ 2E、LCZ 32 和 LCZ 65 ( 下標(biāo)代表次級 LCZ 類型) 。

　　1. 1. 3 各 LCZ 地塊的氣溫觀測

　　在每個(gè) LCZ 地塊的核心區(qū)( 半徑 100 m 范圍內(nèi)) 不同位置設(shè)置 3 個(gè)固定測點(diǎn)。每個(gè)測點(diǎn)安裝一個(gè)帶原裝防輻射罩的 HOBO 溫濕度自記儀( 型號 U23 - 001，精度 ± 0. 2 ℃，產(chǎn)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(dǎo)則[14]選擇各測點(diǎn)的位置，確保測點(diǎn)遠(yuǎn)離各種人為熱源( 如機(jī)動(dòng)車、空調(diào)室外機(jī)、廚房排風(fēng)口等) ，并保證測點(diǎn)周圍通風(fēng)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(shù)據(jù)存儲(chǔ)在儀器內(nèi)存中，每隔數(shù)月去現(xiàn)場下載。以每個(gè) LCZ 地塊核心區(qū) 3 個(gè)測點(diǎn)的平均值作為該地塊的溫度代表值。本文分析的數(shù)據(jù)時(shí)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(fù)荷的影響計(jì)算

　　采用建筑能耗軟件 EnergyPlus( 以下簡寫為 E + ) 計(jì)算局地氣溫對建筑冷負(fù)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(shí)測氣溫?cái)?shù)據(jù)生成新的 E + 氣象文件( EnergyPlus Weather File，EPW) 來計(jì)算冷負(fù)荷。

　　1. 2. 1 氣象數(shù)據(jù)處理方法

　　將 E + 自帶的南京原 EPW 文件中研究時(shí)段 ( 7. 22 ～ 9. 30) 的氣溫替換為各 LCZ 地塊的逐時(shí)實(shí)測值，生成對應(yīng)的 9 個(gè)新 EPW 文件。為進(jìn)行比較，采用同期位于南京郊區(qū)的國家氣象站氣溫觀測值生成 1 個(gè)基準(zhǔn) EPW 文件。為與實(shí)際氣象條件相符，所有 10 個(gè)新 EPW 文件中的風(fēng)速、風(fēng)向、太陽輻射數(shù)據(jù)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) 。考慮太陽日運(yùn)行軌跡對建筑內(nèi)部不同區(qū)域的影響，將辦公建筑劃分為 6 個(gè)熱工分區(qū)( 均為空調(diào)區(qū)) ，將居住建筑按照平面分戶劃分為 6 個(gè)熱工分區(qū)( 2 個(gè)樓梯間為非空調(diào)區(qū)) 。按照現(xiàn)行公共建筑和居住建筑節(jié)能設(shè)計(jì)規(guī)范中對于夏熱冬冷地區(qū)的要求設(shè)置圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工參數(shù)、內(nèi)部熱擾及作息、空調(diào)運(yùn)行時(shí)段及設(shè)定溫度、新風(fēng)量等參數(shù)( 表 3) 。

　　1. 2. 3 典型氣象日的選擇少云弱風(fēng)的天氣條件適合城市熱島效應(yīng)的發(fā)展。

　　3 結(jié) 論

　　基于局地氣候區(qū)( Local Climate Zone，LCZ) 方法對南京城區(qū) 9 個(gè)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(jìn)行實(shí)測，然后將實(shí)測數(shù)據(jù)輸入到建筑能耗軟件 EnergyPlus 中作為氣象參數(shù)，計(jì)算分析局地氣溫對典型居住建筑和辦公建筑冷負(fù)荷的影響。

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

　　由于熱島效應(yīng)白天弱而夜間強(qiáng)，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(yīng)的影響更大。與采用郊區(qū)氣溫值的基準(zhǔn)案例相比，整個(gè)研究時(shí)段各 LCZ 地塊居住建筑的累積冷負(fù)荷增幅為 8% ～ 17% ，辦公建筑的累積冷負(fù)荷增幅為 4% ～ 7% ; 典型天氣條件下的夜間時(shí)段，各 LCZ 地塊的居住建筑累計(jì)冷負(fù)荷增幅為 8% ～ 26% 。

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