城市热环境评价方法

孟庆林 / MENG Qing-lin
王频 / WANG Pin
李琼 / LI Qiong

摘要：城市热环境的优劣，影响着局地环境的舒适、安全及建筑的能耗，因此城市热环境的评价与设计正逐渐成为关注的热 点。城市热环境的评价分为观测法评价和模拟法评价。城市热环境的数值模拟法具有精细化可视化等不可替代的优势，但也有耗 时漫长等诸多弱点，需要通过集总参数等简化方法模拟以适应规划设计需要。从案例应用的角度说明不同模型的优缺点，认为应 当针对具体的规划设计案例的特点选择最适合的评价方法，有助于达到准确与效率的统一。

关键词：风景园林；城市热环境；遥感观测；数值模拟；集总参数模拟

Abstract: Urban thermal environment affects the comfort, safety, and building energy consumption of the local environment, and the evaluation methods of urban thermal environment is gradually becoming a focus. The evaluation methods include observing evaluation method and simulating evaluation method. The numerical simulation method has irreplaceable advantages, like fine visual features, but also has weaknesses such as taking a long time to simulate. Simplified methods such as lumped parameter simulation are adopted to meet the need of urban planning and design. The advantages and disadvantages of different methods are listed from the perspective of application case, coming to the conclusion that the most suitable evaluation method should be chosen according to the specific case of urban planning and design, helping achieve the unification of accuracy and efficiency.

Key words: landscape architecture; urban thermal environment; remote sensing observation; numerical simulation; lumped parameter simulation

在中国，城市化进程加快带来的城市气候变化与局地 热环境恶化的问题正逐渐受到多方关注。热岛效应[1]是城 市热环境问题之一，它造成城市尤其是中心区高温持续时 间不断增加，一方面严重影响室内外热环境质量，增加中 暑及其他热安全事件的发生频率，降低人体舒适感受甚至 危及人体健康，引起城市人口发病率和死亡率升高[2]；另 一方面大大增加了建筑夏季空调制冷能耗[3]，加剧了能源短缺矛盾。

城市热环境的评价方法是获得热环境数据的重要手段，也是热环境研究的基础与依据。本文列举了城市热环境的主要评价方法，并选取目前应用比较广泛的评价方法 进行比较，对其应用和优缺点进行了阐述。

目前，城市热环境的评价方法主要分为观测法和模拟法。其中观测法比较常见的有实地观测法和遥感观测法； 模拟法主要包括数值模拟法和集总参数模拟法。

1 观测评价方法

1.1 实地观测法

实地观测法通过在近地面对实际研究对象进行观测， 由测点获得直接的局地气候数据，能够直观地反映局地热环 境状况。通过对空气温度、风速风向、相对湿度、辐射温度 等气候数据进行分析，得出有利于热环境优化的规划与设计 方面的经验，还能够作为数值模拟研究中的计算边界条件， 以及作为检验其他间接评价方法结果的验证依据。

实地观测包括流动观测[4]和固定观测[5]2种类型，较为广泛地应用于居住区热环境的研究[6]。图1为2013年 7月在广州市中央商务区珠江新城开展的连续2天的微气候实地测试，即为固定观测法，用于比较不同测点在不 同时刻的气温值，并研究测试时段内热岛强度与规划设 计参数的关系。

固定观测法随着研究区域的增大，需要布置的测点也增多，要耗费更多的人力、财力、物力，因此仅适用于一定面积内研究区域的热环境评价。 相比之下，流动观测法的适用面积更大。不过，实地观测法会受到测试当天天气状况的限制，有时还会受到现场人为因素的干扰，影响测试数据的准确性和有效性。因此实地观测法通常仅用于描述实际城市环境中的局地微气候质量，定性地进行热环境研究分析，或者用于验证其他评价方法的结果。

1.2 遥感观测法

遥感观测法是通过空中平台的遥感器实现对城市下垫面热环境数据的采集，具有全面、 周期性观测的优势。运用热红外反演技术能够反演出地表温度等热环境相关参数，结合下垫 面的性质和建成情况进行热环境分析[7-8]，实现对城市尺度的热环境研究[9]。与常见的卫星遥感、无人机遥感、载人飞机航拍相比，飞艇遥感在灵活性、安全性、可靠性、经济性等方面综合性价比最高。华南理工大学建筑节能研究中心[10-11]利用无人驾驶飞艇，搭载红外热像仪与可见光相机进行城市下垫面热环境的观测(图2)，影像分辨率较高，具有较广阔的发展前景。不过，遥感观测法获得的热环境参数为地面亮温，还需要经过反演计算获得地表温度、经过经验推导获得对应上空空气温度，进而评价观测区域的热岛强度。

2 模拟评价方法

2.1 数值模拟

数值模拟法是通过建立研究对象的计算模型，将理论 分析方法应用于模型上进行计算，以此研究计算模型的动力学和热力学方法。数值模拟法主要分为分布参数法和集 总参数法2种。分布参数法是在计算流体力学技术的基础之上发展起来的，通过对室内外对流、导热和辐射换热的耦合计算热环境分布，能够实现对研究对象的精细模拟； 集总参数法则重在分析研究区域像的平均温度变化，是对研究对象进行的简化模拟。

数值模拟法能够通过计算机模拟取代现场观测，有效地节省人力、财力、物力，还能够实现对同一方案的多次 计算，有利于研究规划设计参数对城市热环境的影响，因 此成为近几十年来城市热环境研究的重要手段。主要的精 细模拟模型包括FLUENT[12]、PHOENICS[13]和ENVI-met[14]等。

目前在城市热环境前沿领域里活跃的数值模拟工具应 属于德国波鸿大学地理研究所开发的ENVI-met[15-16]，它 是一种三维城市微气候模拟软件，可用于模拟城市环境中 构筑物表面—植被—空气三者的相互关系，其空间水平解 析度为0.5~10m，最大时间步长为10s，适合用于对中、 小尺度的城市微气候环境进行模拟计算，其应用遍及世界 各地不同类型区域的微气候研究，包括美国的校园[17]，美国的居住区[18]，巴西的街道[19]，香港的中心区[12]，广州的居住区[20]，广州的校园[21]等，这些研究证明，ENVI-met 应用于各地不同气候背景下的不同地区的模拟计算是具有一定准确性的。

华南理工大学建筑节能研究中心运用ENVI-met对 2013年7月12日的广州市珠江新城西南区域进行建模 (图3)，根据实际情况设置建筑物、下垫面构造、绿化种类等，部分计算结果如图4所示。从15：00行人高度处 空气温度的分布状况可以看出，模拟区域内较空旷的地 区气温较高，高强度开发的街坊由于建筑形成遮挡而阻 碍了太阳辐射对近地面的增温作用。随着太阳方位角和 太阳辐射强度的变化，街区内空气温度整体上大幅度升高，高温的区域位置发生变化，面积也逐渐增大。将模拟结果与实地测试结果比较可以发现两者呈正相关关系(R2=0.917，P<0.001)，模拟值略小于实测值，基本上可以认定ENVI- met可以较准确地反映研究区域内的热环境分布状况。

尽管ENVI-met在热环境精细模拟方面优势突出，但也存在一些不 足。如ENVI-met模拟设置过程需要操作人员具备一定的流体力学知识， 把握对流、导热和辐射换热的关系，这对于从事规划设计的工作人员来说 是有一定难度的；另外，根据模型大小和模拟精度的不同，ENVI-met从建模到计算完成需要花费一定的精力与时间，这在规划设计方案初期需多 次修改的阶段来说也造成了不同程度的时间浪费。

2.2 集总参数模拟

目前城市热环境评价使用的集总参数模拟工具主要是华 南理工大学建筑节能研究中心开发的DUTE[22] ，它是基于 CTTC模型进行研究与改进编写的城市热环境辅助设计分析 工具[23-24]。CTTC作为一种集总参数模型，使用建筑群热时间 常数来计算空气温度随外界热量(如太阳辐射)扰动的变化，以 建筑群热量收支为基础，简单有效，比较适用于工程上的预测 和评价。由于DUTE依托于CAD使用，其界面和设置较容易被 规划设计人员所掌握。

陆莎[22]采用DUTE对广州市65个居住区的修建性详细规 划案例进行了模拟分析，并统计这些居住区的日平均热岛强度 (8：00—18：00)，发现有42个规划案例满足《城市居住区热 环境设计标准》(JGJ 286-2013)中热岛强度小于1.5℃的规定[25]，占所有研究案例的64%，以此说明广州市目前的居住区 室外热环境状况良好。可见，DUTE能够实现对多个案例进行 快速计算，为居住区热环境优化设计提供方法。

通过对珠江新城西南侧超过45hm2的片区进行DUTE的建模(图5)与计算，可以直观看出中心城区在关注时段内的空气温 度变化趋势，与郊区气象站数据进行比较(图6)还可以得出热岛 强度随时间的变化。

DUTE还可以对城市内更大尺度区域进行模拟计算。以厦 门科技创新园为研究对象，园区包括办公用地、研发用地、公 共服务设施用地、市政公用设施用地和绿化用地等，规划用地 面积约为488hm2。通过对全区进行建模计算(图7)，得到对区 域整体热环境的初步评价：在4：00—10：00，全区平均空气温度低于郊区的空气温度，呈现“冷岛”特征；17：00， 园区的热岛强度达到最大值4.1℃；夜间热岛强度普遍 大于白天；接着以规划道路为边界将全区划分为63个分 区，再分别进行模拟计算，根据计算结果找出不满足热岛 强度控制目标的分区，对其热环境进行优化设计后，再进 行模拟计算，如此反复直至63个分区均达到热环境控制要求。

从这些案例的应用可以看出，DUTE不管是对数目较 多的居住区案例，还是空间尺度较大的中心区案例，均能 够简单快速地对其热环境进行计算，有利于提高城市热环 境分析的效率，以及达到热环境控制的目标。

不过，由于DUTE把建筑物和其周围一定区域的空气 分别看成完全均一且内部没有温度差别的质点，所以其计 算结果是对研究对象整体的判断，但却不能获得研究区域 内具体某点的气候数据，因此DUTE只适用于从宏观角度 对方案的热环境进行控制。另外，不同类型的城市用地内 建筑蓄热、地面蓄热能力对于热时间常数值会起到不同的 影响作用，而在不同的气候区这种影响作用也是不同的， 因此DUTE对不同气候区的不同用地类型的适用性还需要 更多的测试验证与进一步研究。

3 结论

城市热环境常见的评价方法中，数值模拟法能够通 过计算机模拟取代现场观测，有效节省人力、财力，多次 计算的实现还有利于研究规划设计参数对城市热环境的影 响，因此数值模拟法凭借其成本小、速度快、相对准确等优势成为今后热环境研究的重要趋势。

不同的热环境评价方法具有不同的特色，而不同的数值模拟法也有各自的优劣，应针对具体案例的特点选择最适合的评价方法，如对城市尺度范围的研究可以采用遥感观测法和流动观测法，对尺度较小的区域可以采用定点观测法和数值模拟法。在方案初期阶段需要对方案整体进行热环境快速判断时，可以采用简化模拟模型，看是否符合热环境设计标准的相关规定；而在方案深化阶段则可以采 用精细模拟模型，对方案整体和局部的热环境设计进行推敲；在方案确定阶段也可以采用精细模拟模型，对方案塑造的热环境分布状况进行细致的展示。

注：文中图片除注明外，均由作者拍摄或绘制。

 

参考文献：

[1] Mirzaei P A, Haghighat F. Approaches to study urban heat island-abilities and limitations[J]. Building and Environment, 2010, 45(10): 2192-2201.

[2] 丁海燕，李丽平，扈海波，等.夏季高温天气类型 与人体健康关系初探[J].干旱区资源与环境，2014， 28(9)：122-128.

[3] Santamouris M, Papanikolaou N, Livada I, et al. On the impact of urban climate on the energy consumption of buildings[J]. Solar Energy, 2001, 70(3): 201-216.

[4] Unger J. Intra-urban relationship between surface geometry and urban heat island: Review and new approach[J]. Climate Research, 2004, 27(3): 253-264.

[5] 李灿，李念平，高峰，等.住区微热环境测试方法[J].建筑科学，2007，23(8)：61-64.

[6] 陈卓伦，赵立华，孟庆林，等.广州典型住宅小区 微气候实测与分析[J].建筑学报，2008(11)：24-27.

[7] Eliasson I. Infrared thermography and urban temperature patterns[J]. International Journal of Remote Sensing, 1992, 13(5): 869-879.

[8] 李鹍.基于遥感与CFD仿真的城市热环境研究：以 武汉市夏季为例[D].武汉：华中科技大学，2008.

[9] 甘霖.面向地表热环境效应改善的北京绿隔规划策 略[D].北京：清华大学，2011.

[10] 冯小恒.湿热地区城市热环境低空红外遥感实验 研究[D].广州：华南理工大学，2010.

[11] 袁旭.低空航拍近地温度研究[D].广州：华南理工大学，2013.

[12] 李磊，胡非，程雪玲，等.Fluent在城市街区大 气环境中的一个应用[J].中国科学院研究生院学报， 2004，21(4)：476-480.

[13] 王频，刘习康，孟庆林.CBD绿色缓冲区应用初 探[J].城市规划，2013，37(5)：74-79.

[14] Ng E, Chen L, Wang Y, et al. A study on the cooling effects of greening in a high-density city: An experience from Hong Kong[J]. Building and Environment, 2012, 47(1): 256-271.

[15] [EB/OL].http://www.envi-met.com/.

[16] Huttner S. Further development and application of the 3D microclimate simulation ENVI-met[D]. Mainz: Johannes Gutenberg-Universität in Mainz, 2012.

[17] Chow W T L, Pope R L, Martin C A, et al. Observing and modeling the nocturnal park cool island of an arid city: horizontal and vertical impacts[J]. Theoretical and Applied Climatology, 2011, 103(1):197-211.

[18] Chow W T L, Brazel A J. Assessing xeriscaping as a sustainable heat island mitigation approach for a desert city[J]. Building and Environment, 2012, 47: 170-181.

[19] Krüger E L, Minella F O, Rasia F. Impact of urban geometry on outdoor thermal comfort and air quality from field measurements in Curitiba, Brazil[J]. Building and Environment, 2011, 46(3): 621-634.

[20] 陈卓伦.绿化体系对湿热地区建筑组团室外热环境影响研究[D].广州：华南理工大学，2010.

[21] 杨小山.室外微气候对建筑空调能耗影响的模拟 方法研究[D].广州：华南理工大学，2012.

[22] 陆莎.基于集总参数法的室外热环境设计方法研 究[D].广州：华南理工大学，2012.

[23] 舒力帆.基于热时间常数的室外热环境评价方法 研究[D].广州：华南理工大学，2009.

[24] 陈佳明.基于集总参数法的居住区热环境计算程 序开发[D].广州：华南理工大学，2010.

[25] JG J 2 8 6 -2 0 1 3 城市居住区热环境设计标准 [S].2013.

 

作者简介：

孟庆林/1963年生/男/吉林海龙人/博士/华南理工大学教授，博士生导师/亚热带建筑科学国家重点 实验室副主任/研究方向为亚热带建筑物理环境与建筑节能(广州 510640)

王频/1986年生/女/广东汕头人/华南理工大学在读博士研究生/研究方向为城市与建筑热环境(广州 510640)

李琼/1980年生/女/湖北武汉人/博士/华南理工大学副研究员，硕士生导师/研究方向为城市与建筑热环境(广州 510640)