城市热岛效应形成原理及有效应对措施 原创文档格式.docx
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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
松软土
挤塑聚苯板
厚度mm
200
300
150
163
40
50
65
80
导热系数w/（mK）
1.74
0.5
0.032
蓄热系数w/（m2K）
17.2
6.7
0.36
延时时间h
5.63
8.28
4.37
4.84
6.18
0.04
0.25
0.6
0.95
传热系数w/（m2K）
3.77
3.11
2.22
2.1
1.82
0.71
0.58
0.46
0.38
20℃温差下，1m2墙体6.63h传热量w（扣除延迟时间，所形成的传热）
75.4
100
75.2
16.4
93.578
74.0
55.48
43.17
20℃温差下，1m2墙体9.28h传热量w（扣除延迟时间，所形成的传热）
275
62.2
218
186
113
131.21
104.75
79.856
63.308
1m2墙体都升温15℃，所形成的蓄热量，kwh
1.75
1.04
0.0125
日光照射墙体，按表面升温20℃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℃计算墙体蓄热量。
Q=CρV⊿t，C比热容、材料密度ρ、升温⊿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℃，每平方米蓄积的热量为：
0.84*0.2*2500*15=6300kJ=1.75kwh。
（钢筋混凝土密度2500kg/m3，比热容C=0.84kJ/kg℃）。
算例2，165mm厚软土，温度升高15℃，每平方米蓄积的热量为：
1.01*0.165*1500*15=3749kJ=1.04kwh。
（松软土壤，密度1500kg/m3，比热容C=1.01kJ/kg℃）。
算例3，50mm厚聚苯板，温度升高15℃，每平方米蓄积的热量是：
2*0.05*30*15=45kJ=0.0125kwh，（聚苯板密度30kg/m3，比热容C=2kJ/kg℃）。
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℃，每平方米蓄积的热量高达0.84*0.2*2500*15=6300kJ=1.75kwh，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79.8kwh。
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1.75kwh×
65/100×
70%×
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kwh。
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kwh。
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kwh。
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）
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。
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℃。
3.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℃，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。
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℃，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℃，白天也比郊区高2-3℃。
“城市热岛效应”温度曲线显示的峰谷变化与一年四季建筑对日照的吸热、放热过程完全相符，这清楚地证明：
建筑蓄热、放热是形成“城市热岛效应”的最主要因素。
所以，所谓“城市热岛效应”，实际是由于城市钢筋混凝土等重质建筑材料的蓄热系数、热导率都比较高，导致单位面积能形成有效蓄热的物质质量M较高，从而导致城市温度不随环境气候显著变化的一种热惯性（热惰性），这与物体吸收、释放热量而升降温度是同一个原理。
⊿t=Q/CM
⊿t是温度变化，Q是由日照、热流、寒流等热源（冷源）带给单位地面面积地上物的热量变化，无论城市还是郊区，把Q都看作是一样的。
M是单位地面面积能形成有效蓄热（传热厚度）的地上建筑外墙、街道等基础设施的表面层质量，C是城市建筑、地面街道的比热容。
城市、郊区最大的不同是：
单位地面面积能形成有效蓄热的建筑外墙、街道等基础设施的表面层质量M=ATρ，A是单位地面面积能形成有效蓄热的地上建筑物的总表面积；
T是材料的有效传热厚度；
ρ是材料密度。
因为城市楼层高、建筑密度大，单位地面面积能形成有效蓄热的地上建筑物总表面积A，在容积率为4时，据计算要比郊区高近1倍，由于城市建筑外墙多是石材、钢筋混凝土等重质材料，热导率高，传热厚度T比郊区土壤要高40%，钢筋混凝土密度ρ也比郊区土壤高1倍，这样，城市单位地面面积能形成有效蓄热的地上建筑外墙、街道等基础设施的表面层质量M，是郊区土壤的4倍。
城市建筑容积率越大，建筑越高，M越大，城区面积越大，由M所集聚的城市建筑总蓄热质量M越大，在受同样的日照、热流、寒流等带来的热量变化Q作用下，所导致的城区温度变化⊿t也越小。
因为郊区单位地面面积能形成有效蓄热的土壤表面层质量M很小，太阳一晒就很快升温，太阳一落山，就很快降温。
两相一对比，就形成城市面积越大，楼层越高，建筑密度越大，城区夜晚降温越小，城
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