城市热岛效应形成原理及有效应对措施原创.docx

1.城市建筑蓄热对“城市热岛效应”的影响原理以建筑连片面积达1000平方公里的某大城市为例，有1000万人口、 400万辆汽车，汽油的燃烧值是3.45*l(f7J/L,按每辆轿车每天行驶50 公里，每天耗油量4升计算，每辆轿车每天的燃烧值为38kwh, 400万 辆，总散热量为15200万kwh = 1.52亿kwh人体散热功率以100w计算，1000万人，一天的散热量为： 100WX24hX1000 万= 2400 万 kwh=O. 24 亿 kwh太阳辐照地面，每平方米功率高达0.8-lkw,辐照1平方公里地面 的太阳能功率为100万kw, 1000平方公里的太阳能功率为10亿kw, 一 天晒10小时，可形成100亿kwh热量从总热量来说，人体和汽车释放的热量加在一起，也仅相当于太阳 辐照热量的1/50,太阳辐照地面形成的热量，远高于城市汽车、人体释 放的热量一般认为是城市下垫面变化造成了 “城市热岛效应”，太阳辐照地 面形成的热量是如何因城市下垫面变化导致“城市热岛效应”的呢？本课题人员在进行建筑隔热等建筑热工学原理研究过程中，发现： 以一般日照每天所能达到的传热厚度计算，不同材料单位面积的蓄热量 相差几十倍、上百倍。

首先通过在BEED建筑热工节能软件的传热延迟时间计算，得到在 同样的日照条件下，不同材料的传热厚度，在此基础上，根据所得到的 传热系数，计算同样时间内的传热量，就可以得到不同材料在达到同样 传热量时的各自厚度，在此基础上计算蓄热量，见下表：材料在日光照射下的传热时间和传热厚度计算墙体结构材料混凝土混凝 土松软 土松软 土松软土挤塑聚苯板挤塑聚 苯板挤塑聚苯板挤塑聚苯板厚度mm20030015016320040506580导热系数w/ (mK)1. 741. 740. 50. 50. 50. 0320. 0320. 0320. 032蓄热系数w/ (m2K)17.217.26. 76. 76. 70. 360. 360. 360. 36延时时间h5. 638. 284. 374. 846. 180. 040. 250.60. 95传热系数w/(m2K)3. 773. 112. 222. 11.820. 710. 580. 460. 3820°C温差下，lm2墙体 6. 63h传热量w (扣除 延迟时间，所形成的 传热)75.4010075. 216.493. 57874.055. 4843. 1720°C温差下，lm2墙体 9. 28h传热量w (扣除 延迟时间，所形成的 传热)27562. 2218186113131. 21104. 7579. 85663. 308血2墙体都升温15°C, 所形成的蓄热量，kwh1. 751.040.0125日光照射墙体，按表面升温20°C计算传热，在延迟时间之前，传热 被墙体吸收形成为蓄热，墙体传热量计作零。

超过延迟时间后，并且达 到足够的传热量后才能把整个墙体加热也就是一般需要晒6.63h,达 到足够的传热量后，才能将200mm的钢筋混凝土、163mm厚的松软土、 50mm的挤塑聚苯板晒热，然后以传热厚度来计算建筑蓄热体积，按照都 升温15 °C计算墙体蓄热量Q=CpV^t, C比热容、材料密度P、升温力t, V是材料蓄热体积, 按太阳每天照射材料，形成的实际传热厚度计算，而材料传热厚度，则 与材料热导率、蓄热导致的时间延迟有关算例1, 200mm厚钢筋混凝土材料，温度升高15°C,每平方米蓄积 的热量为：0. 84*0. 2*2500*15=6300kJ=L 75kwh钢筋混凝土密度 2500 kg/m3,比热容 C=0. 84kJ/kg°C ）算例2, 165mm厚软土，温度升高15°C,每平方米蓄积的热量为：1. 01*0. 165*1500*15=3749kJ=l. 04kwh松软土壤,密度 1500 kg/m3, 比热容 C=1.01kJ/kg°C）算例3, 50mm厚聚苯板，温度升高15°C,每平方米蓄积的热量是： 2*0. 05*30*15=45 kJ=0. 0125kwh,（聚苯板密度 30 kg/m3,比热容 C=2kJ/kg°C ）。

从这三个算例可以看出：200mm厚钢筋混凝土材料，每平方米所形 成的蓄热量要比163mm厚土壤高70%比50mm厚挤塑聚苯板高140倍 但将光能转化成化学能的绿化植物，基本不形成蓄热，蓄热量比挤塑聚 苯板还低大城市建筑密度大、楼层高，如果容积率按4计算，100平方米的 楼房，平均外墙面积按65平方米计算，单位地面面积能形成有效蓄热 的地上物表面积，比郊区能有效形成蓄热的地上物表面积多1倍，即使 郊区都是未绿化的土壤，城市单位地面面积蓄积的太阳辐照热，也要比 郊区高3—4倍，如果郊区大都是植物庄稼，城市单位地面面积蓄积的 太阳辐照热，要比郊区高上百倍如果200mm厚的钢筋混凝土至下午17时，被晒热升温15°C,每平 方米蓄积的热量高达0. 84*0. 2*2500*15=6300kJ=l. 75kwh, 100平方米 居室，按65平方米的外墙面积计算，再去掉30%的窗户，100平方米居 室外墙所储存的热量将高达79. 8kwho即使室内空调只承担其中的四分 之一，电能耗也是十分巨大的，如果城市建筑容积率按1计算，每平方 公里建筑，晚上将释放 1. 75kwhX65/100X70%X 1000000=79. 8 万 kwh 的热量。

如果大城市建筑容积率按4计算，每平方公里建筑晚上会释放 320万kwh的热量人体夜晚散热功率以100w计算，每平方公里1万人，10小时总共 释放热量：100*24*1万=2. 4万kwho每辆轿车以日耗油4升计算，1升汽油的燃烧值是3. 45*10”7J,每辆轿车每天的燃烧值为38kwh,每平方公里4000辆汽车，一天的散热量 为15. 2万kwho如果晚上汽车散热量按全天的1/4计算（因为大部分都 休息）,仅为3. 8万kwho人体与汽车的夜晚散热量，即使加在一起，也远低于城市建筑夜晚 释放的蓄热量所以，“城市热岛效应”热源，在根本上是来源于太阳 辐照，城市建筑将白天太阳辐照形成的巨大热量吸收、蓄积起来，夜晚 慢慢释放，造成城区夜晚温度明显高于周围郊区，这就是一般所说的“城市热岛效应”3）建筑围护结构的传热延迟时间（依据《民用建筑热工设计规范》50176-93计算方法）（40. 5D—arctg ——（附 218）-l-arctg 1-~~—-Hrctg —-）Fm+n<2 Y.+a.式中 ％——围护结构延迟时间01〉；Y.——围护结构外表面（亦即最后一层外表面）蓄热系 数［W/ （m?・K）］,应按本附录中（七）2.的规 定计算s«k—空气间层热阻（m?・K/W），应按本规范附录二附 表24采用,——空气间层内表面蓄热系数［w/ （m2・K）］,参照 本附录中（七〉2.的规定计算.采用BEED建筑热工节能软件，计算200mm钢筋混凝土的传热延 迟时间为5.6h,就是说，下午17时，太阳把200mm钢筋混凝土晒热以 后，传到室内的时间已经是晚上23时，等室外比较凉爽的23-24时温 度，再传到室内，就已经是早上6时了，就是说，200mm厚的钢筋混 凝土，从整体被晒热，到完全凉爽下来，整个散热时间长达12个小时。

300mm钢筋混凝土的传热延迟时间为8.28h,就是说，下午4-5时，太 阳把300mm钢筋混凝土晒热以后，传到室内的时间已经是晚上23-24 时，等室外比较凉爽的22-23时温度，再传到室内，就已经是早上6-7 时了，就是说，300mm厚的钢筋混凝土，从晒热到凉爽下来，整个散 热时间长达16个小时城市建筑墙体从蓄热到散热，整个时间过程，正好与中科院大气物 理所和北京市气象台、重庆市气象科学研究所等科研人员绘制的“城市 热岛效应”温度曲线图完全吻合2. 城市建筑蓄热与“城市热岛效应”温度曲线对照分析下面的“城市热岛效应”温度曲线图摘引自《气候与环境研究》杂 志2006年9期发的论文“北京“城市热岛”效应现状及特征”，作者 是中科院大气物理所王喜全，中科院研究生院王自发，北京气象台郭虎0000 ObOU I20U 1800 OOOO 060U 1200 I MX) OOOO 0600 1200 1800 20024)1-10 20024)1.11 2002*0112省老£=便*#•«从这两张图可以看出：1. 郊区晚上17-19时，太阳一落山，即开始降温，而且降温速度非 常快2. 城区晚上17-19时，也开始降温，但降温速度明显要比郊区慢， 城郊温差由此越拉越大，晚上21时至次日早上7时，在太阳出来前， 城郊之间温差最大，达到7-9°C o3. 从早上8时到下午15时，因为有太阳辐照，郊区、城市温度都升 高，但由于城市建筑上午吸收的太阳辐射，大欧形成墙体蓄热，所以城 市升温较慢，郊区升温较快，城郊温差很快变小，在中午12-14时这段时间，城郊温差最小，-1到1°C,甚至出现城区温度甚至比郊区还低的 “城市冷岛效应”，这是由建筑墙体蓄热导致“城市热岛效应”的最显 著特征，这也是建筑墙体蓄热导致“城市热岛效应”的最明显证据。

X -««专<9 6 4 2 0u&MKMnzn«»歹<0000 DM) 1200 1800 0000 0600 1200 I BOO 0000 0600 1200 1800 2002-10-07 2002-10-09 2002-10-0^H M I imc (B T)•4 OOOO 0600 1200 I SOO UOOO 0600 1200 1300 0000 0600 1200 I MM) 20024)1-23 2002-03-24 20024)也6 4 2 0-2 pa-sllwl-王一一»»«<这三张是春、秋、夏季的城郊温差（热岛强度）曲线，一年四季城郊 温差最大的时间都在晚上21时至次日早上7时，夏季提前到早上6时 （因为太阳升起时间早），车辆行驶高峰期的城郊温差并不大，人、车、 工厂休息时间的城郊温差却最大，这说明，人、车、工厂都不是导致城 郊夜晚巨大温差的真正原因，城郊温差最大的这段时间却与城市建筑白 天吸收太阳辐照形成的蓄热，晚间延迟传热、散热的时间正好相符所以，从晚上18时到次日早上7时，造成城市降温缓慢，城郊温 差迅速拉大的最主要原因，是城区建筑夜晚释放白天蓄积的太阳辐照热 形成的。

最能说明这个问题的是春、秋两季，城区白天在大部分时间里都比 郊区低1-2°C,呈现“冷岛效应”,夜晚才呈“热岛效应”这是由于 春秋季夜晚温度低,城市建筑在晚上充分放热导致“城市热岛效应”后, 第二天上午，大量吸收太阳辐射热量，导致郊区地面升温速度明显高于 城市地区而形成的冬季，因为城区建筑有供暖散热，所以，城区上午 温度比郊区略高，只是在14时前后的短时间里，由于建筑墙体吸热， 城区升温慢，而郊区在太阳的辐照下，升温很快，使中午前后的郊区环 境比城区高大建筑周围还温暖一些由于城区夏季整个夜晚都很热，建筑蓄热得不到充分释放，所以 在夏季，不但城区晚上比郊区高7-9°C,白天也比郊区高2-3°C城市热岛效应”温度曲线显示的峰。