熱島效應的案例
北京市熱島效應問題，Landsat8數據分析與綠地的關系
城市綠地對北京市熱島強度的影響
張旭萍
(北京建筑大學 測繪與城市空間信息學院, 北京 100044)
摘要：針對北京市熱島效應日益加重的問題,提出了基于陸地衛星8號(Landsat8)所攜帶的陸地成像儀(OLI)和熱紅外成像儀(TIRS)的Level-1數據反演地表溫度、計算植被覆蓋度的方法;并構建地表溫度反演模型,探究北京市熱島效應與城市綠地面積關系。實驗結果表明：高溫區大部分集中在中心城區,并向周圍的郊區的平原地帶呈輻射狀擴散,隨著城區綠地面積增加,植被覆蓋度上升的同時城區的熱島強度也呈下降趨勢,說明城市綠地面積的增加與熱島效應呈負相關關系。
0 引言
隨著城市建設的快速發展,北京的城市范圍在迅速擴張,城市內大量的混凝土、柏油路面及各種建筑墻面等人工構筑物,極大地改變了原有的自然下墊面熱力屬性,城市熱島效應也變得越來越明顯[1]。近年來為緩解城市熱島效應,增加綠地等非建設用地也讓城市環境發生了變化,眾多學者開展了相關研究[2]。高分辨率遙感技術能夠全天候,大范圍監測作為熱島效應重要依據的地表溫度,單窗算法、劈窗算法以及輻射傳輸方程法等地表溫度反演算法也彌補了獲取地表溫度數據難的缺陷[3-4],并能夠全面監測植被的分布情況,可反映城市綠地的變化。熱島效應的表達方式也有許多,如相對地表溫度[5]、地表溫度距平值等[6],但目前較少分析熱島效應變化的原因。本文將基于2015、2017年的Landsat8 Level-1數據,反演地表溫度,并以地表溫度為基礎,使用密度分割法對熱島強度進行分級計算北京市的植被覆蓋率,分析北京市2015年、2017年的熱島效應與城市綠地面積變化的關系。
1 工作流程
北京市地表溫度反演、植被覆蓋度計算及熱島強度分級具體工作流程見圖1。
展開 設計仿真 | 直播預告-借助CFD仿真技術高效模擬城市熱島效應
城市熱島效應頻發，對自然氣候、人類能源消耗和身心健康都有著重要影響。熱島效應的數值模擬具有現實意義，但其模擬尺度較大，影響因素復雜，涉及到對流，換熱，植被蒸騰，太陽輻射等因素，無法輕易實現。Cradle CFD 軟件因其獨特的高魯棒性像素網格和基于結構化網格的高速求解技術，能對城市熱島效應進行快速、高保真模擬仿真，并能借助CFD仿真技術高效設計建筑環境、暖通空調與潔凈系統來指導改善熱島效應。
本期海克斯康直播講堂請到了CFD仿真工程師吳昌講師，他將為大家帶來“借助CFD仿真技術高效模擬城市熱島效應”為主題的專題直播，通過對行業痛點、技術難點及具體案例的深入解析，全面闡述城市熱島效應的模擬仿真解決方案。
展開 FLAIR 建筑通風/暖通/安全專業CFD軟件
PHOENICS FLAIR模塊是英國CHAM公司針對建筑及暖通空調專業設計的CFD專用模塊，PHOENICS FLAIR廣泛運用于計算室內外風熱環境及舒適度、空調設計、熱島效應、污染物濃度擴散預測以及火災地鐵的仿真，在國內建筑通風仿真領域的市場占有率逐年擴大，已超過80%。
在原有FLAIR模塊的基礎上，PHOENICS新版本增加了太陽輻射功能----Sun模塊，為城市熱島效應模擬提供了極大的方便。
小區熱環境
大劇院(溫度分布)
FLAIR新增功能
u 通風機特性曲線，通風機運行工況點計算。
u 舒適度計算：提供了3種舒適度計算方法，可以選擇一種或多種。
Dry resultant temperature (TRES) (CIBSE Guide)
Predicted mean vote (PMV) (ISO 7730)
Predicted percentage dissatisfied (PPD)(ISO 7730)
u 空氣齡計算。
u 濕度計算。
u 煙氣計算：煙氣濃度，煙氣密度，可視度。
u 滅火噴淋模型。
u 太陽輻射：窗戶面積及其投影。
u 散流器類型選擇：圓形散流器，矩形散流器。
u 通風機組：單個及多個通風機組合運行。
u 人體形狀：坐、站姿選擇。
u 用戶自定義設備組件功能。
u LEVEL湍流模型：PHOENICS獨特的湍流模型，在實際應用中取得了很大的成功。
u IMMERSOL輻射模型：能計算任意形狀的固體在流體中的輻射傳遞。
展開 環境與氣象的CFD解決方案
更為重要的是，消耗能源所產生的熱量，使城市熱島效應更為強烈，增加環境、氣候變化的脆弱性。另一方面，城市規劃中往往不會將綠地、水體等自然資源對區域小氣候的調節作為規劃中的主要考慮因素。如何通過建立人與自然的和諧機制，充分利用城市現有自然資源和氣候條件，形成良好的人地關系，成為現今城市急待解決的問題。
因而現階段，利用ANSYS CFD仿真技術分析基于氣候、生態環境的城市熱環境狀況，并為城市設計和城市規劃服務，逐漸成為解決城市熱環境問題的一個重要手段。
利用CFD進行城市和城區的熱環境分析，主要利用風環境作為城市熱環境變化的主要流通手段。而且城市的熱島效應也是依靠通風狀況來進行緩解。因此城市熱環境的好壞與城市風環境息息相關，成為研究的重點。
某市夏季白天市區溫度分布（右）和晚上市區溫度分布（左）
某市水體水溫不同時的市區溫度分布
2、建筑風環境
利用ANSYS CFD對建筑物風環境的研究，首先可以為建筑設計師提供建筑物的風載荷，幫助設計師優化建筑物的氣動外形，以及為設計建筑物，尤其是高大建筑物的阻力減震系統設計提供依據。
另外，建筑物風載的提供，還為大型建筑的表面裝飾工程以及建筑物的內部通風或者空調系統安置提供依據。而基于地域性氣候的建筑群風環境的研究，也可以為區域的城市規劃或建筑群的規劃布置提供依據。
目前已經趨于完全成熟的ANSYS CFD仿真技術目前也廣泛用于建筑物風環境的流場數值模擬，并取得了顯著的效果。當前，采用ANSYS CFD可以極大地縮減建筑工程的實驗成本和設計周期，從而縮減建筑物，特別是超級建筑工程的建設費用。
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【地理常識】中國四大火爐
隨著城市化的發展，“城市熱島”效應的影響也越來越大，其中，北方大城市的增溫更加明顯，比如西安、石家莊等城市，近幾年夏季高溫日數超過了20天，出現了超過42℃的極端最高氣溫。此外，城市人口聚集、建筑物增多、交通壓力增加、人為熱源增多等城市化進程，也導致了城市熱島效應，進而引起氣溫升高。
結語
熱天增多，說明環境保護的重要性迫切性。比“火爐”排名更重要的是，社會各界都要積極地行動起來。
【綠水】國外智慧環保應用案例
HiTemp項目研究熱島效應
英國伯明翰大學主導了一個名為HiTemp的環境項目，在伯明翰城區內部署了250個環境溫度感測裝置以及30個自動氣象站。它們通過無線或有線方式接入互聯網，實現數據互聯互通。研究人員說，這是全球最密集的環境監測網絡，用于研究城市熱島效應。通過無線和有線網絡，這些設備收集的數據能夠實時傳回大學的服務器進行分析，并與有關部門實時共享。
此次研究旨在未來能將這些技術運用到更廣泛的環境監測項目上，包括監測空氣污染、二氧化碳排放等，為綠色城市規劃提供更有針對性的數據參考。
CFD技術在綠色建筑設計中的應用
CFD技術在綠色建筑設計中的應用
CFD技術在建筑行業的應用已經也有多年的時間，其在通風及熱島效應、霧霾污染物分析等都發揮了巨大作用，根據2015年國家實施的《綠色建筑評價標準》中，也將CFD技術列入了標準之中。
本案例我們以某夜校為實例進行完整的綠色建筑分析，如下圖1為夜校的三維模型。
圖1 夜校三維模型
1.通風模擬
本例中共有三層樓，其中每層樓格局相同，我們建立一層樓的模型，對其通風問題進行分析，圖2和圖3分別為DM中建立的分析模擬、分析云圖；根據分析速度場及空氣齡對通風不暢區域進行優化設計。
圖2 DM分析模型
圖3 分析云圖
2.火災模擬
火災的模擬對于建筑設計十分重要，目前對于火災的模擬也是基于CFD基礎之上的。
圖4 煙霧模擬
3.逃生模擬
根據上文模擬起火的位置，設計逃生路線，從而可以計算逃生的時間，從而判斷建筑物對于安全通道的設計是否合理。
圖5逃生模擬圖
展開 仿真科普｜駕馭風場，筑風為友：CAE風環境仿真技術驅動建筑可持續設計
圖源網絡
文件《建筑設計環境準則》明確要求建筑方案階段需進行環境影響評估，涵蓋風環境對行人安全、能耗、自然通風的影響分析，并需提出優化措施，同時強調節能設計，要求通過仿真優化建筑布局降低熱島效應，提升室外風舒適性。[2]
“熱島效應” 圖源網絡
海南省《綠色建筑設計規程》文件，要求建筑群體布局長度超30米時，需設置通風過街樓，并應運用計算流體力學（CFD）手段對場地風環境進行模擬預測，完成模擬報告，據此完成規劃設計。[3]
可見，CAE風環境仿真技術可在設計階段精準預測建筑群風場分布，為規劃布局與結構安全提供科學依據。
當傳統風洞試驗面臨周期長、成本高的困境，建筑風環境仿真的優點在于：
（1）費用省、周期短、效率高；
（2）可方便探討各種參數變化對結構性能的影響；
（3）基本不受結構尺度和構造的影響，可盡可能真實地模擬實際結構以及所處的環境，克服試驗中難以滿足雷諾數相似的困難；
（4）數值模擬的結果可利用豐富的可視化工具，提供風洞試驗不便或無法提供的繞流流場信息。[4]
01 建筑風環境仿真的關鍵技術
1.流體力學仿真
計算流體動力學（CFD）技術通過求解控制流體運動的納維-斯托克斯方程（Navier-Stokes Equations），在計算機上對建筑物周圍風流動所遵循的動力學方程進行數值模擬。[5]在輸入精確的地理環境模型、建筑設計模型（BIM）、邊界層風速風向數據后，CFD可計算整個三維流場內所有點的關鍵物理量（壓力、速度、湍流動能），輸出建筑物表面的風壓分布、區域內通風狀況、行人高度的風速舒適度等關鍵設計參數。
CFD揭示了風力如何與建筑形態產生交互的最基本物理圖像，是風環境仿真的基石。
展開 設計仿真 | 直播預告-原來CFD分析結果還有這么多樣的展現形式！
主要涉及領域有：城市熱島效應、非牛頓流體流動性分析、熱設計及電子散熱的熱固耦合等。
地大熱能：未來地熱能利用的三種主流模式
地熱能供暖不會像化石能源那樣帶來碳排放導致的環境污染，也不會像一般的空氣源熱泵一樣將多余的熱量排出室外從而導致熱島效應，是十分清潔的綠色能源，此外，地熱能供暖不需要轉化為電能再供暖，這是非常節能的，地熱能供暖比其他同類的供暖方式的能效利用率更高，十分經濟實惠。
鑒于地熱能供暖的種種優勢，它成為了地熱能在未來的主流利用模式之一，目前全球乃至中國的很多大型公共建筑以及企業、學校等，都采用地熱能供暖。而隨著地熱能市場的進一步發展，地熱能供暖也逐漸走入城市房地產領域，為居民住宅提供區域集中供暖，使這種清潔、高效、廉價的能源變成日常不可或缺的經濟生活能量來源。
主流模式之二：地熱發電
地熱能是有條件的可再生能源，如果熱量提取速度不超過補充的速度，那么地熱能就是可再生的。作為一種分布廣泛的可再生清潔能源，地熱能發電的開發具有十分重要的意義。在未來，它不僅是化石能源的關鍵替代品之一，也是與其他能源配合進行綜合應用的重要新能源。地熱能發電主要是利用地下熱能產生的蒸汽進行發電，此過程中不會產生任何的碳排放，此外，地熱發電，使受局限的地熱能直接利用轉化為電能形式，提升了地熱能的品位，可以擺脫距離傳輸的制約，使地熱電能能被供應給更廣泛的地區。
類開發地熱發電已經有兩百年的歷史了，而中國開發地熱發電也有三十多年了。隨著全球地熱發電的技術和行業發展，中國的地熱發電也會在世界地熱發電的整體格局中占據可觀的比例，中國地域廣闊、技術進步快、市場需求大，政策上也給予鼓勵和支持，地熱發電在中國的發展具有充足的先天優勢和豐厚的后天條件。
主流模式之三：地熱農業
地熱農業也是對地熱資源進行梯級利用的重要板塊之一。
展開 設計仿真 | 直播預告-CFD技術引導的綠色建筑設計應用研究
主要涉及領域有：城市熱島效應、非牛頓流體流動性分析、熱設計及電子散熱的熱固耦合等。
仿真科普｜駕馭風場，筑風為友：CAE風環境仿真技術驅動建筑可持續設計
</p><p class="ql-align-center"><img src="https://pica.zhimg.com/v2-49206f4742c59c4625acb43dae03eaa6_1440w.jpg" data-size="normal" data-rawwidth="1080" data-rawheight="370" data-original-token="v2-71844bb0c27f158db4d039b36b464d4a" class="origin_image zh-lightbox-thumb" width="1080" data-original="https://pica.zhimg.com/v2-49206f4742c59c4625acb43dae03eaa6_r.jpg" style="text-align: left;"></p><p class="ql-align-center">圖源網絡</p><p><br></p><p> 文件《建筑設計環境準則》明確要求建筑方案階段需進行環境影響評估，涵蓋風環境對行人安全、能耗、自然通風的影響分析，并需提出優化措施，同時強調節能設計，要求<strong style="color: rgb(15, 133, 214);">通過仿真優化建筑布局降低熱島效應</strong>，提升室外風舒適性。
展開 南京大學特聘教授施斌：引領地質工程，推動國家建設
利用光纖監測技術優勢，結合土結構研究成果，發現了地面沉降中的負壓現象，提出了土體壓縮潛力評價新判據；揭示了邊坡加筋機理及失穩演化規律，確立了土質滑坡預警的應變閾值；在長期監測的基礎上，揭示了城市環境中土體熱島效應的強度和機理。為減輕土體災害，研發了基于物理、化學、生物原理的纖維加筋、高分子土壤固化和微生物加固等土質改性新技術，豐富了我國巖土工程防災減災的理論與技術體系。
施斌的研究成果在重大巖土工程和地質災害監測中得到應用。如三峽庫區馬家溝滑坡光纖多場監測，該系統建于2012年，正發揮著預測預警的功能；長三角地面沉降鉆孔光纖監測，始于2011年，現已建成30余個光纖監測站，初步形成了該區大地感知網絡；2003年，南京玄武湖隧道出現滲漏事故，光纖監測系統精準定位了隱患點，避免了災害的擴大。
展開 無需幾何修復的快速CFD工具：建筑與暖通環境高效整體解決方案
；
-城市熱島效應
-工業區的污染物擴散
-室內氣流組織分布、溫度分布、人體舒適性評價指標等
-通風效率、空氣齡、室內污染物擴散等
2.相關設備結構優化設計及CFD應用
-管路內部氣流組織優化：壓力損失等
-風機性能優化：P-Q性能，噪聲性能等
-換熱器性能優化：換熱（全熱、顯熱）性能、阻力特性等
-制冷設備整機的結霜、凝露等
3.案例實戰：CFD技術助力建筑暖通設備方案設計）
4.Dell在智能建筑BIM中的硬件配置信息分享
02
適用人群
天空輻射制冷規模化應用對我國建筑的減碳作用研究
天空輻射制冷作為無額外能耗、無需制冷劑的利用外太空極冷環境的制冷技術，對于提升建筑可再生能源使用比例，緩解城市熱島效應以實現“雙碳”目標具有重要的研究意義與應用價值。
天空輻射制冷現象普遍存在于自然界中，是沙漠夜間低溫的重要原因，但直到 20世紀50 年代人們才開始深入研究輻射制冷并對其應用潛力開展較為系統的研究。尤其是近 10年來，隨著納米光學和超材料技術的發展，可以在白天實現低于環境溫度的輻射制冷材料被制備出來。輻射制冷材料的深入研究也為大規模應用輻射制冷技術提供了可能。在碳中和大背景的推動下，輻射制冷巨大的節能減碳潛力受到研究者們的關注，周志華等分析了輻射制冷在建筑冷卻、太陽能光伏冷卻、輔助冷源等方面的節能減排潛力。由于我國建筑存量巨大，將輻射制冷材料直接應用于建筑物圍護結構外表面效果尤為突出，能夠起到良好的降溫效果，降低建筑物的冷負荷，從而減少空調系統能耗。
在此基礎上，本研究綜合考慮到我國不同地區的氣候特點和環境特點差異，以既有建筑作為輻射制冷實際應用的載體，擬針對我國不同地區、不同氣候條件分析在應用天空輻射制冷技術后的運行階段所能實現的減碳效果，以及該效果對我國碳中和目標的預期貢獻。
02
成果掠影
本文研究了輻射制冷技術在我國建筑應用的減碳預期，即降低建筑運行階段碳排放的潛力。以《中國統計年鑒》、《中國建筑業統計年鑒》和《中國人口普查年鑒》為依據統計我國目前的總建筑存量面積，以及各省各建筑類型的存量面積。結果表明我國目前建筑存量面積約為 774.9 億m2，可按其用途大致分為城市住宅住宿用房、農村住宅、廠房及倉庫、辦公用房、科教文體娛用房、批發零售餐飲用房、其他建筑、居民服務業用房、醫療用房。
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