淺談建筑空調能耗與城市熱島效應

劉義坤

（中國汽車工業(yè)工程有限公司天津300113）

淺談建筑空調能耗與城市熱島效應

劉義坤

（中國汽車工業(yè)工程有限公司天津300113）

建筑空調能耗對城市熱島效應的加劇起到了極大的作用，闡述了建筑空調能耗與城市熱島效應的關系。利用建筑節(jié)能技術對緩解城市熱島效應有著重要的意義。

城市熱島效應；建筑空調能耗；冷凝熱；節(jié)能技術

改革開放至今，中國的城市化已經持續(xù)了近40年。2015年，我國的城鎮(zhèn)化率已達56.1%，這個數(shù)字還在以每年近2%左右的速度增長。隨著城市的建設和發(fā)展，城市面積越來越大，城市人口越來越多，地面上一座座水泥森林的熱島也正在慢慢生成并逐步擴大。城市給人們提供了很多便利和機會，也帶來了不容忽視的問題，熱島效應就是其中之一。

1 城市熱島效應

城市熱島，從氣象學近地面大氣等溫線圖上看，城市郊外的廣闊地區(qū)氣溫變化很小，如同一個平靜的海面,而城市中心區(qū)則是一個明顯的高溫區(qū)，就象突出海面的島嶼[1]，見圖1。而城市熱島效應是指是指城市發(fā)展過程中，因大量的人工發(fā)熱、建筑物和道路等高蓄熱體及綠地減少等因素，造成城市地表的局部溫度、濕度、空氣對流等因素的改變，城市中的氣溫明顯高于外圍郊區(qū)的現(xiàn)象。城市熱島效應是城市氣候中典型的特征之一，早在20世紀初，英國的氣候學家就提出了這一概念。

圖1 近地面大氣等溫線圖

城市熱島效應可以說是全球氣候變暖“元兇”之一，在熱島效應的作用下，城市中每個地方的溫度并不一樣，而是呈現(xiàn)出一個個閉合的高溫中心。在這些高溫區(qū)內，空氣密度小，氣壓低，容易產生氣旋式上升氣流，使得周圍各種廢氣和化學有害氣體不斷對高溫區(qū)進行補充。在這些有害作用下，高溫區(qū)的居民極易患上消化系統(tǒng)或神經系統(tǒng)疾病，且神經系統(tǒng)患病率達30%，主要表現(xiàn)為神經官能癥、失眠、煩躁不安、記憶力下降、憂郁壓抑感等[2]。

2 城市熱島效應的主要成因

城市熱島效應的形成是由多種因素綜合作用的結果，氣候變化是其形成的外部因素，內因才是形成熱島的根本原因，造成熱島效應的原因主要有以下三種：

2.1 城市下墊面屬性的變化

最直接的影響就是城市下墊面屬性的變化，城市化的過程中，使用大量的人工構筑物，如混凝土、瀝青、柏油路面，侵占了原有的水、土、植被組成的自然表面，這改變了城市下墊面的熱力屬性。而人造表面的反照率小、熱容性高，蒸發(fā)和蒸騰作用弱，在相同的太陽輻射條件下，其表面溫度明顯高于綠地和水面，其中柏油馬路上的溫度要比土地上高18℃，而水泥屋頂要比草地上高20℃，此時地面上的熱氣流就會上升形成“涌泉風”，使城市大氣溫度升高。

2.2 人為排熱的增加

城市及城市周邊，日益增加的工廠、汽車、空調、冰箱等人工排熱器在消耗大量能源的同時，還在不停地向外傾瀉著熱量，使城市的溫度一再升高。據(jù)統(tǒng)計，城市里各種人為的散熱源中，來自工廠、家庭燃氣灶、空調、采暖等固定熱源的熱量約占75%，而機動車、電動車等移動熱源散發(fā)的熱量約占25%。另外，城市里商業(yè)街眾多，這些地方人員、空調、機動車密集，發(fā)熱量巨大，但是因為高樓大廈林立，形成了一定屏障，從而使得熱量無法散發(fā)，只能越積越多，城市規(guī)模越大、現(xiàn)代化程度越高（高樓、大廈、柏油路和水泥路越多），熱島效應就會愈發(fā)明顯。

2.3 城市大氣污染

在城市建設過程中，工業(yè)生產、交通運輸以及日常生活中產生了大氣污染物，使得城市空氣中的粉塵、二氧化碳、氮氧化物和氣溶膠微粒等有害物的濃度增加，改變了城市中大氣的成分，加劇了城市大氣污染。二氧化碳和氮氧化物這些物質都是紅外輻射的良好吸收者，這些物質濃度的增加致使城市大氣吸收了更多的紅外輻射而升溫。二氧化碳和氮氧化物等又是典型的溫室氣體,它們在大量吸收地面長波輻射的同時，又以逆輻射的形式將很大一部分長波輻射反射回大地，這樣一來，地面上的熱量就很難散發(fā)出去，致使城市溫度進一步升高。

3 空調能耗與城市熱島效應的關系

隨著科學技術的發(fā)展以及人們生活水平的不斷提高，中央空調的應用日益普及，空調的應用必須消耗大量的能源。據(jù)統(tǒng)計在發(fā)達國家中，暖通空調能耗占建筑能耗的65%，以建筑能耗占總能耗的35%計算，暖通空調能耗占總能耗的比例竟高達22.75%[4]。中央空調為人們創(chuàng)造了舒適的室內環(huán)境，但是空調并不消除熱量，而是轉移熱量，而且轉移的過程中消耗能量自身也在產生熱量，不論是風冷式空調還是水冷式空調，空調冷凝熱最終都要排放到大氣當中，室內環(huán)境溫度越低，空調冷凝熱就越多。

2016年8月12日北京地區(qū)用電最大負荷創(chuàng)歷史記錄，達到2.0768×107kW,其中空調用電占用電量的一半左右，約為在1.0× 107kW左右。按保守的推算，北京地區(qū)用電峰值時，由于空調冷凝所排放的冷凝熱就達3×107kW之多，若按標準煤的熱值為29306k J/kg計算，這相當于每小時燃燒3690tce產生的熱量，把這些熱量同時排放到大氣當中，結果可想而知。

另外，空調冷凝熱的排放使建筑物周圍空氣溫度升高，周圍空氣溫度的升高相當于提高了空調的冷凝溫度，冷凝溫度的提高會使空調制冷效率下降，于是人類為了維持舒適的室內冷熱環(huán)境，就需要更長時間、更大負荷的空調運行，能耗自然也就會越高了。有研究表明，熱島效應每增高1℃，辦公類建筑空調能耗平均增加16.73%，住宅類建筑空調能耗平均增加13.82%，可見，大氣溫度升高與城市熱島效應，這兩者之間已經形成了惡性循環(huán)的關系。

4 緩解城市熱島效應的節(jié)能措施

4.1 增加城市綠化和水體

從城市規(guī)劃和設計入手，增加城市綠化和水體面積，可以增加城市區(qū)域的蒸發(fā)散熱，增加遮陽減少熱量吸收。建筑外立面采用反射率較高的淺色外表面材料，再做好隔熱層，可以減少建筑吸收和儲存的太陽輻射熱。合理設置城市風道，就可以增加空氣對流幫助散熱。

大力推廣在建筑物屋頂上種植綠色植物，增加城市綠地面積，由于建筑物外表的植物可將絕大部分太陽能轉化為生物能，建筑物披上綠色植物，在白天太陽照射下，照射到建筑物被吸收貯存的熱量較少，建筑物室內溫度會相應降低，由于空調冷負荷減少，排放到大氣中的空調冷凝熱量也會減少，大大削弱太陽輻射對城市熱島的影響[5]。

4.2 開發(fā)應用太陽能技術

諸如太陽能熱水器、太陽能空調、太陽能發(fā)電等太陽能利用技術，把太陽能轉換為人們日常生活中所需的能源，不僅減少了人們日常生活中不可再生能源的消耗，而且也減少了太陽輻射對城市熱島的影響。減少不可再生能源消耗反過來就減少了對城市大氣的污染，對緩解城市熱島效應有著顯著的作用。

4.3 建筑方案的合理設計

城市建設過程中，公共建筑方案設計時可以多選用“門”形建筑，減少“屏風樓”的建設，加強城市上空空氣流通；住宅設計時，多設計為通透性布局，這樣的房間具有良好的對流通風，也就是俗話說的“穿堂風”。在溫度沒那么高的日子里，大開窗門自然通風足矣。這樣，在節(jié)省電能的同時，也減少了人為的空調冷凝排熱。

5 結語

城市熱島效應正在加劇這一總的趨勢已是不可否認的事實，已經并將繼續(xù)影響人類賴以生存的環(huán)境，作為暖通專業(yè)的從業(yè)人員，在從事工程設計的時候，應從節(jié)能、環(huán)保等各方面綜合考慮，選擇最佳設計方案，盡可能不使用大型制冷取暖設備手段來維持室內的舒適性。從建筑節(jié)能角度出發(fā)，充分利用現(xiàn)有節(jié)能技術，開發(fā)應用新的節(jié)能技術，對緩解城市熱島效應及能源節(jié)約具有雙重的作用。

[1]劉曉東,侯萍.青藏高原及其鄰近地區(qū)近30年氣候變暖于海報高度的關系[J].高原氣象,17(3):245-249.

[2]王紹武.近百年我國及全球氣溫變化趨勢[J].氣象,1990，16(2): 1-10.

[3]龔道溢,王紹武.1998年：中國進一個世紀以來最暖的一年[J].氣象，25（8）：3-5.

[4]Huang Datian.GlobalWarming,Heat Island Effect,Urban Planning And Design[J].City Planning Review，2002,26(9):77-79.

[5]翟曉燕.城市熱島現(xiàn)象與建筑節(jié)能[J].湘潭師范學院學報:自然科學版,29（1）：106-109.

劉義坤（1987—），男，河南新鄉(xiāng)，碩士研究生，暖通中級工程師，從事工程設計方面工作。