城市热岛缓减思路与规划对策

中国环境学会  2011年 03月31日

  姓名:王伟武,姜方鑫  单位:浙江大学 城市规划工程与信息技术研究所
  联系电话:王伟武 13336012335,姜方鑫 13989840111
  通信地址:浙江大学紫金港校区安中大楼B610室   邮编:310058


  摘要:总结了当前城市热岛产生与影响机制、城市热岛缓减策略等方面的研究,提出了我国应该加强从不同空间尺度和城市规划设计的角度研究城市热岛缓解对策,完善规划理念,为我国城市科学的规划设计及建设节能型城市提供科学依据。


  Abstract: The paper summarizes the generation and influence mechanisms of urban heat island, and its mitigation strategies, points out and to propose should be strengthened from the perspective of different spatial scales and urban planning and design study of urban heat island mitigation measures, improve the planning concepts and for China's urban science planning and design and construction of energy-efficient cities provide a scientific basis.
  关键字: 城市热岛、产生与影响机制、缓减对策
  Keywords: urban heat island; generation and influence mechanism; mitigation countermeasure
   
  城市热岛效应是城市化进程中最显著的城市气候特征,普遍存在于世界各城市中。城市热岛表现为城市比周围非城市化地区的地表和大气温度要高,随着城市化进程的加快,城市热岛效应日益加剧。由于城市地表被建筑物、道路、广场等不透水面所覆盖,下垫面性质的改变使城市吸收了更多的太阳辐射,加之城市中居住、交通和工业等人类生产、生活活动释放出大量人为热,共同促成了城市热岛的产生。城市热岛对大气环境、生物活动、人类身心健康等方面都存在诸多危害,已引起了国内外学者的普遍关注。


  1. 城市热岛产生与影响机制


  城市热岛的形成及强度与城市特征(如:城市建筑物平均高度及密度、街区天空可视因子、街区走向、城市规模、人口密度、人为热的排放量等) 以及气象环境都有密切关系(Oke,1973)。Rizwan等(2008)概括了影响城市热岛产生的因素及其相互影响关系,如图1.1所示。概括来讲,影响城市热岛产生的因素大体可以分为三大类,即气象气候等自然条件、城市下垫面的热物理性质与人为释放热,并且这些因素通常是交叉相互影响的。
  影响城市热岛的气象与气候条件包括太阳辐射、云层、降水、季节、风速、昼间变化等。在香港,季节变化对城市热岛的影响通常比地理特征因素的影响更大(R. Giridharan,2007)。据Qihao Weng等(2004)对广州的研究表明,城市热岛的季节变化与昼间变化同样明显,通常,城市热岛在秋季与冬季(9~12月)比较明显,而在春季(2、3月)则比较弱。较厚的云层能够减少太阳辐射及来自地球表面的辐射,使城市区域的温室气体效应相对减弱,从而降低了地表温度(Qihao Weng等,2004)。Yuangao Wen和Zhiwei Lian(2009)研究了风对武汉城市热环境的影响,在无风条件下,由于室内空调释放的热量而升高的大气温度是有风条件下的12.8倍。
  城市热岛的产生与城市下垫面的热物理性质有着密切的关系。由于城市与乡村地区的地表覆盖不同,导致两者的热环境属性有着明显的差别(Qihao Weng等,2004;Brian Stone,2006)。城市的扩张及发展是热岛产生的主要原因(Qihao Weng等,2004;Xu Hanqiu等,2004;Song Youngbae,2005)。城市土地利用/覆盖直接影响城市地表的反照率,相比周边地区,通常城市核心区拥有较低的地表反照率和地表蒸发率,这也是引起日间温度升高的主要因素(Taha H,1997)。Song Youngbae(2005)研究在Bundang城镇中的各类土地利用中,森林的地表温度最低,居住和商业地区的地表温度比森林高4.5℃,而交通设施用地紧跟其后。Qihao Weng等(2004)对广州城市热岛研究中,发现工业用地的地表温度比居住和商业用地高,即使是高密度的居住与商业区。除了大尺度的土地利用/覆盖对城市的热环境产生影响外,R. Giridharan(2004,2007)等研究了城市设计变量对香港居住区日间与夜间的城市热岛的影响,研究表明,在晴朗的夏季日,风速、表面反照率、高度、高于1米的植被覆盖、位置商、高度与占地面积的比率分别提高10%将会使沿海居住区的日间城市热岛强度分别降低3%、0.8%、1.5%、1.2%、0.3%和1.8%。
  另外,城市热岛效应实质是一种人类活动引起的热环境污染,诸如交通、空调、空气污染等人类活动释放出大量的热能。其中,空调的使用向室外释放出大量的热而加剧城市热岛(Yuangao Wen等,2009)。城市中人类活动不但直接释放热能,同时也一定程度的造成空气污染,而空气污染物浓度增加10倍,温度平均提高2℃。


  2. 城市热岛的缓减思路


  意识到城市热岛对人类生存环境带来的潜在危害,各国学者已经开始通过研究提出降低城市热岛强度的方法,根据目前的研究,城市热岛的缓减措施可以分为四类:①增加表面反照率(屋顶、路面等);②增加植被覆盖(屋顶绿化、城市公园、街道绿化等);③减少人为热量的释放(空调、小汽车等);④优化城市结构和土地利用(城市规划和城市设计、建筑设计等)。表1.1总结了不同学者提出的主要热岛缓减策略。在研究的空间尺度上,涉及建筑、街区及整个城市,而大部分研究仍集中在建筑尺度,并且除个别国家(日本、美国)开展了系统的缓减城市热岛计划或项目外,这些缓减策略大多停留在研究领域,并未应用到实践中。
  Sasaki等(2008)通过模拟城市中心的热平衡机制,识别导致温度升高的不同因素,从而有针对性的选择有效的缓减措施。Synnefa等(2006)对比了14种反射性涂料的热属性,表明使用反射性涂料可以使白色混凝土瓦的表面温度在夏季的日间降低4℃,夜间降低2℃。Ihara等(2008)模拟出通过增加建筑表面的湿度和反照率,可以每年减少60个超过30℃的小时数。采用绿色屋顶,增加植被覆盖也是缓减热岛效应的有效措施。Ondimu等(2007)采用活的生物材料进行屋顶绿化以使热岛获得缓减。Giridharan等(2007)研究将树木覆盖从25%增加到40%,可以使香港沿海居住区日间城市热岛强度降低0.51℃。Qihao Weng等(2004)认为要有效缓减城市热岛,需要种植更多的树木,而不是草地和灌木。有学者对综合的热岛缓减策略进行了研究。Rosenfeld等(1997)采用低温屋顶和路面及11米高的遮阳树木能够使Los Angeles的城市热岛强度降低3℃,预计每年可节省5亿美元。Akbari等(2001)研究城市树木和高反照率表面使国家的空调能耗减少20%,并能提高空气质量。Rosenfeld(1995)从建筑及城市尺度研究了提高表面反照率和植被覆盖率能够每年节约100亿美元的能源和设备消耗,减少2700万吨的CO2释放量。虽然屋顶绿化、外墙绿化、固水路面及高反照率路面等热岛缓减措施能够暂时降低城市温度,但它们不是解决城市热岛的长期措施,而需要区域性的解决措施,Yamamoto(2006)从区域的城市规划角度解决热岛问题。Stone等(2006)提出居住区土地利用规划作为热岛缓减的主要措施。另外,还有学者从城市设计、建筑设计角度缓减城市热岛。
  表1.1 缓减城市热岛的主要措施

缓减措施分类

具体缓减措施

空间尺度

参考文献

增加表面反照率

反射性表面

建筑

Synnefa等,2006

提高湿度和反照率

建筑

Ihara等,2007

使用浅色翻新屋顶和路面

城市

Rosenfeld等,1997

高反照率表面

建筑

Akbari等,2001

高反照率表面

街区

Solecki等,2005

浅色表面

建筑、城市

Rosenfeld1995

高反射屋顶

建筑

Takebayashi2007

增加植被覆盖

使用生物材料进行屋顶绿化

建筑

Ondimu等,2007

种植遮阳树木

城市

Rosenfeld等,1997

遮阳树木

城市

Akbari等,2001

提高树木覆盖

居住区

Giridharan等,2007

增加树木种植

城市

Qihao Weng等,2004

提高植被覆盖

街区

Solecki等,2005

增加城市植被

城市

Rosenfeld1995

屋顶绿化

建筑

Takebayashi2007

减少人为热量释放

减少机动车行驶

城市

Yamamoto2006

减少人为活动释放的热

城市

Kikegawa, 2006

减少空调使用

街区

Kikegawa等,2003

优化城市结构和土地利用

景观设计

城市

Qihao Weng等,2004

风道设计、城市规划

城市

Yamamoto2006

建筑降温设计

建筑

Kolokotroni等,2007

土地利用规划

居住区

Stone等,2006

城市设计因素

居住区

Giridharan等,2007

   
  3. 城市热岛的规划缓减对策


  城市热岛现象的产生存在空间尺度上的差异,即随着城市空间由大到小,与城市热岛现象相关联的地表特征和相关因子也有所不同。因此,为缓解城市热岛或改善城市热环境,在不同空间尺度适宜采用不同的对策方案。
  3.1 城市尺度下城市热岛规划缓减对策


  3.1.1 选择紧凑型多中心城市发展模式,构造通畅的空间结构
  紧凑与多中心的开发模式应当体现城市规划与设计方案编制、规划管理与实施的各个环节中。首先,要限制城市区域盲目扩展,科学划定城市发展边界线,控制城市用地规模。其次,在某些用地区域中,应当采取激励措施,在不妨碍公共利益的前提下,鼓励适当中高密度的土地混合开发,使城市的功能紧凑,将大大有利于降低城市运转的能源消耗。
  在城市空间布局结构上,在保证交通便利的条件下,城市主干道尽量与夏季盛行风向一致,有江、河、湖、海分布的城市,要充分利用江河湖海的风及水体降温增湿特点,在沿岸留出足够的空间,形成“风道”,让风和水汽通过“空中走廊”进入城市;同时,要特别控制城市上风向的建筑高度和密度,防止因建筑过高和过密对风的阻挡风导致大量热量和温室气体的滞留。形成的易于通风、散热的城市空间结构,将不仅有利于热岛的缓解,还有利于城市污染物的扩散。


  3.1.2 开展合理的城市能源规划,推进城市节能减排
  现代城市生活、生产过于依赖石油等化石燃料类等不可生能源,释放大量的热,是导致城市热岛效应的主要原因。在制定城市总体规划阶段的工作中,合理制定城市的能源规划及相应的能源政策是降低城市热岛效应的关键环节。在进行能源优化过程中,应积极推进用风能、太阳能等来逐步取代煤、石油等化石燃料,开发利用新型高效环保能源。


  3.1.3 在城市色彩规划中纳入对热岛效应考量
  对城市热环境改善的考虑应纳入到色彩规划的每一个步骤中。首先,城市色彩规划分区的依据除了考虑城区的整体功能外,应将城市热环境分布状况纳入其中。其次,在确定区块主题色彩时主要考虑体现不同功能区块的特色。比如,使用多种明度较高的色彩体现商业区的现代化气息,如在商业区内规划较深的颜色,就很容易造成热环境的进一步恶化。因此,在确定城市街区的主题色彩时,应当与城市热环境的改善目标结合在一起。再次,在对大体量标志性构筑物和建筑进行色彩规划时,应当对色彩造成的建筑物内外的热环境影响做出判断,结合建筑周边环境的色彩及建筑物的功能对材质、颜色范围进行规划。
  3.2.4 提高城市绿地规划的热环境改善效应
  植被减少是城市热岛形成的首要贡献因子。在提高平均城市绿地覆盖率的基础上,根据不同下垫面进行针对性的植被规划。例如,在工业区,针对其排热量大的特点,沿道路、给热管道以及热源厂区的屋顶、墙壁、地面构建多层次立体植被覆盖盖层;在商务区或密集住宅区,以种植行道林荫树为主,鼓励垂直绿化和屋顶绿化。均衡布置绿地斑块,协同周边乡村绿地构筑绿地网络。城市绿化方式应改集中为均匀,布局在城市化推进地带。应当尽量减少绿地间的距离,并将市区中的绿地与郊区的天然林地、湿地、农田等结合成环形、楔形等插入城市内部,形成绿化廊道。乔、灌、草合理搭配代替大面积草坪。


  3.2 街区或建筑单体尺度下城市热岛规划缓减对策


  3.2.1 采用低温和高反照率的街区表面铺装材料
  地面覆盖低温材料或是提高表面反照率,能够大大降低城市热岛效应。首先,根据表面材质的反照率进行分等定级,通过分定等级了解表面材质的不同热属性,避免在使用材料铺装的一些误区。例如,浅色表面不一定是低温的,反之亦然。其次,要采取激励措施,鼓励人们采用高反照率的表面铺装材料。最后,对于建成区,可以在维修或翻新时,采用新的高反照率材料。


  3.2.2 创造街区开敞空间,合理处理道路、街谷与建筑平面关系
  对于街区表面温度较低的覆盖类型,在规划中应尽可能的加以保护,如水塘和植被。因为它们不仅表现在自身的表面温度较低,同时也为街区提供了开敞空间,有利于区域气温的降低;开敞空间的布置应结合风向。例如,仔细考虑建筑物周围空间的高度、结构,通过减少面向夏季盛行风向建筑面的垂直投影面积,创造开敞、通风空间;在布局道路、街谷与两侧建筑时,东、西临街的建筑不宜采用多层或高层条式,这样不但住宅单体的朝向不好,而且影响进风,宜采用点式或条式低层作为商业网点等非居住用途;周边式布局不利于夏季通风,如将东、西和南面的条式建筑底层架空,可起到一定的弥补作用;街谷两侧建筑表面粗糙程度对街谷热环境影响较大,应注重建筑立面的处理,避免一味地追求建筑美观,而在建筑立面上作太多的起伏,对建筑的室内外环境以及建筑能耗都是不利的。


  3.2.3 优化树木种植位置,为街区提供遮阳空间
  树木种植的位置应当考虑尽量使建筑物处于树木的阴影下,应当将树木种植在建筑物的南侧和西侧太阳辐射强烈的地方;街道树木的阴影应当能够遮蔽高温的街道表面和人行道,妥善处理建筑的后退距离;加强利用城市中大量的水泥或混凝土屋顶、墙体、立交和边坡进行立体绿化;在地块的规划中,除规定绿地率,还应当明确树木种植的数目、树龄、位置、树种等。


  3.2.4 建筑形体、保温隔热的围护结构设计应兼顾建筑热环境的舒适
  建筑体形适宜控制在0.3以下。一般来说,控制或降低体形系数的方法有:减少建筑面宽,加大建筑进深;增加建筑物的层数;加大建筑物的长度或增加组合等。在建筑设计中,可以设置底层架空柱、遮蓬等,由此提供更多的阴影面积,降低人行空间内的温度。应努力开发新型节能墙体材料,提高围护结构建筑物本身的热工性能;对于门窗要提高门窗材料的热阻,选用导热系数较小的塑窗框以减少通过窗框部分的热耗,并选用合适的玻璃品种,加强窗的气密性。其次,设置可调节的活动遮阳,如遮阳棚、窗盖板、窗帘、百页、热反射帘或自动卷帘等。对于屋顶保温层不宜选用密度较大、导热系数较高的保温材料,不宜选用吸水率较大的保温材料。选用吸水率较高的保温材料时应设置排气孔以排除保温层内不易排出的水分等。


  3.2.5 进一步完善强制性建筑节能政策体系
  建立绿色建筑评价体系,推进建筑用能产品能效分级认证和能效标识管理制度等;鼓励各地大批量建造各种类型的有代表性的绿色节能示范建筑;制定各类财政税收优惠政策激励建筑节能。对于采用高反照率的屋顶材质和采用保温隔热的围护构建以达到建筑节能目的措施,以及屋顶绿化的措施,应当制定强制性的标准和评价体系,对于不执行标准的单位,应当予以不同程度的处罚。对于建筑节能设计,应当将其纳入规划师和建筑师的注册资格考核之中,从源头考虑建筑设计与自然环境的和谐。
   
  参考文献:
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  基金项目:国家高技术研究发展计划(863计划)项目 (2007AA12Z232):基于多尺度遥感数据多维空间优化的城市热岛缓减关键技术与系统。
  作者简介:王伟武(1972- ),男,浙江永康人,副教授,博士。主要从事遥感与GIS技术在城市规划和环境科学中的应用等方面研究。E-mail: weiwuwang@zju.edu.cn。

 
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