北京怡好思达软件科技发展有限公司,专业开发了BEED建筑热工节能设计计算软件、BEED被动式建筑能耗模拟计算软件等产品,自2011年以来,广泛用于中德合作被动式低能耗建筑示范项目的建筑节能设计,取得良好的实践效果,经全国各气候地区被动房项目实际建筑能耗验证,BEED软件建筑能耗模拟计算结果与实际建筑能耗非常接近。 公司地址：北京丰台科学城 手机：15311686885 Email：ehousestar@163.com
1．城市建筑蓄热对“城市热岛效应”的影响原理
以建筑连片面积达1000平方公里的某大城市为例，有1000万人口、400万辆汽车，汽油的燃烧值是3.45*10^7J/L，按每辆轿车每天行驶50公里，每天耗油量4升计算，每辆轿车每天的燃烧值为38kwh，400万辆，总散热量为15200万kwh＝1.52亿kwh。
人体散热功率以100w计算，1000万人，一天的散热量为：100W×24h×1000万＝2400万kwh＝0.24亿kwh。
太阳辐照地面，每平方米功率高达0.8-1kw，辐照1平方公里地面的太阳能功率为100万kw，1000平方公里的太阳能功率为10亿kw，一天晒10小时，可形成100亿kwh热量。
从总热量来说，人体和汽车释放的热量加在一起，也仅相当于太阳辐照热量的1/50，太阳辐照地面形成的热量，远高于城市汽车、人体释放的热量。
一般认为是城市下垫面变化造成了“城市热岛效应”，太阳辐照地面形成的热量是如何因城市下垫面变化导致“城市热岛效应”的呢？
本课题人员在进行建筑隔热等建筑热工学原理研究过程中，发现：以一般日照每天所能达到的传热厚度计算，不同材料单位面积的蓄热量相差几十倍、上百倍。
首先通过在BEED建筑热工节能软件的传热延迟时间计算，得到在同样的日照条件下，不同材料的传热厚度，在此基础上，根据所得到的传热系数，计算同样时间内的传热量，就可以得到不同材料在达到同样传热量时的各自厚度，在此基础上计算蓄热量，见下表：
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 | 混凝土 | 松软土 | 松软土 | 松软土 | 挤塑聚苯板 | 挤塑聚苯板 | 挤塑聚苯板 | 挤塑聚苯板 |
| 厚度mm | 200 | 300 | 150 | 163 | 200 | 40 | 50 | 65 | 80 |
| 导热系数w/(mK) | 1.74 | 1.74 | 0.5 | 0.5 | 0.5 | 0.032 | 0.032 | 0.032 | 0.032 |
| 蓄热系数w/(m2K) | 17.2 | 17.2 | 6.7 | 6.7 | 6.7 | 0.36 | 0.36 | 0.36 | 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 | 0 | 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 |
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| 1.04 |
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| 0.0125 |
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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2500 kg/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1500 kg/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=45 kJ=0.0125kwh，（聚苯板密度30 kg/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，城郊温差越大，“城市热岛效应”越强的现象。
打个比方，把一块200mm见方的保温砖和一块同样大小的钢砖，放进一个同时有自然通风的环境里烘烤，也许在最初的短时间内，保温砖表面温度要比钢砖高，但因为有自然通风，并不明显。在钢砖整体都被烘热以后，保温砖只是表面一层被烘热，两者的表面温度一样，但两块材料蓄积的热量能相差几十倍，所释放的远红外辐射也相差几十倍。城市钢筋混凝土建筑就相当于钢砖，郊区土壤就相当于保温砖。
在大气环境下，轻质土壤表面被烤热后，向内传热很慢，大部分热量都集中在表面，通过释放远红外辐射，传给了地表大气，地表空气升温快，容易形成纵向空气对流，而很快升空，一般感觉并不热，但钢筋混凝土重质材料吸热、蓄热能力都比较强，最初升温很慢，但等重质材料墙体吸收白天吸收太阳辐照，达到一定蓄热量而整体升温后，既向室内传热，又向室外辐射远红外热量，这会给人一种烘烤感，其热感要比热空气带给人体的燥热感要明显的多，所以，人们在盛夏最难忍受的是城市钢筋混凝土建筑周围那类似桑拿的烘烤感，这就是大城市在晚上让人感觉更热的最主要原因。
3．如何才能有效地消除“城市热岛效应”
要消除城市热岛效应，关键是减少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。
植物吸光吸热，储存为化学能，确实能有效降低材料表面蓄热，如果城市所有建筑围护结构，全都被植物密实覆盖，夏季可以消除大部分“城市热岛效应”，如果只绿化地面部分，即使把城市所有地面都绿化，也只能覆盖单位地面面积能形成有效蓄热的地上建筑物总表面积A的1/4，也就是仅能消除1/4 的“城市热岛效应” ，而且植物在北方冬、初春季都会失去作用。所以，城市绿化并不能消除“城市热岛效应”，北京这么多年的大规模绿化，只能缓解局部地区的“热岛效应”，对整个北京城区的“城市热岛效应”起不到明显改善作用，连巨大的天坛公园，都淹没在北京的整体“城市热岛效应”中，见下面网址里的北京热岛图片，道路两边那点绿化，和城市建筑那巨大的蓄热表面相比，微不足道。
http://www.ttqx.com.cn/news/ReadNews.asp?news_id=8449
所以，要有效消除城市热岛效应，关键是减小单位地面面积能形成有效蓄热的建筑材料质量M=ATρ，虽然城市单位地面面积能形成有效蓄热的地上建筑物总表面积A比郊区高1倍，但如果选择热导率小、密度轻的轻质外墙保温材料,如建筑外墙都加装80－150mm厚的聚苯板等外保温材料，热量传递厚度T仅为钢筋混凝土的1/4，密度ρ仅为钢筋混凝土1/80倍，单位地面面积能形成有效蓄热的建筑材料质量M=ATρ，仅相当于钢筋混凝土建筑外墙的1/160，比郊区土壤单位地面面积的蓄热量还低许多，同时建筑墙体传热也能大幅降低，这样，不但可以有效降低建筑室内能耗，城市建筑外表面蓄热也大幅降低。
采用BEED软件，按照《民用建筑热工设计规范》GB50176-93规定的建筑隔热理论计算，所显示的建筑隔热原理，可采取以下措施提高建筑隔热性能：
1.选择浅色外墙涂料或近红外反射涂料，将30-50%的太阳辐射热量反射出大气层；
2.采用100－200mm厚外墙外保温材料将钢筋混凝土等重质结构材料包在建筑里面，这样建筑围护表面蓄热系数很小，建筑外保温层对夏季太阳辐射能起到有效隔热作用；
3.在实现前两条的基础上，建筑室内的高蓄热重质建筑内墙材料，通过自然夜晚通风，散热蓄冷，第二天白天可有效吸收室内外热源散热，起到天然空调的作用。
依建筑隔热原理设计建筑围护结构，既能够有效降低建筑墙体吸收太阳辐照所形成的能耗，使建筑内部冬暖夏凉，减少空调使用率；同时又能消除建筑围护结构吸收太阳辐照形成的外墙蓄热，有效降低“城市热岛效应”，一举而两得。
如果整个城市建筑都采用这种隔热建筑围护结构，城市就可以象郊区一样，太阳一落山就很快凉爽下来，在夏季大多数时候都用不着开空调。
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