文|史说百家
编辑|史说百家
【前言】过去几十年的快速城市化给能源、环境和资源带来了巨大的压力，城市热岛（UHI）效应对建筑能耗的影响越来越受到广泛关注，我国建筑全生命周期总能耗为147.2018亿TCE，占全国总能耗的46.5%。
供暖和制冷能耗占建筑运营总能耗的60-70%，容易受到外部气象条件的影响，尤其受到UHI效应的显著影响，有必要研究UHI对建筑供热和制冷能耗的影响，以有效调节城市建筑能源，提高城市应对极端气候事件的能力。
近年来，UHI对不同城市建筑能耗的影响被广泛报道。研究得出结论，UHI效应对建筑物的供暖和制冷能耗有重大影响。
那么，UHI效应降低了供暖能耗后需要面对什么？减少和增加的幅度又是由什么来决定？
【不同规模的研究区和城市的选择】京津冀城市群位于中国北方，是中国的政治和文化中心，包括不同规模的城市，如首都北京、沿海城市天津和河北省的众多城市。
改革开放以来，京津冀城市群经历了前所未有的快速城市化进程，由于底层面貌变化和人为热量排放的增加，UHI效应逐年增强。
截至2016年，全区建成区面积约4466.1公里，占全国的8.2%，城镇人口约45万，占全国的7.9%，京津冀城市群因其城市化发展程度高、城市人口密度大、规模城市发展不平衡等特点，极具代表性。
京津冀地区（北纬36°05′-北纬42°37′，东经113°27′-东经119°50′）位于华北平原北部，地势西高，东南低。
西北是太行山和燕山，东南是华北平原的北端，东是渤海，气候主要为温带大陆性季风气候，夏季炎热多雨，冬季寒冷干燥，该地区包括北京和天津两个特大城市，以及河北省的许多城市，形成了中国北方典型的大型城市群和中国三大城市群之一。
随着近几十年来城市化的快速发展，京津冀地区的城区面积逐渐扩大，此外，这个城市群中的城市发展具有不同的规模和水平。
人们涌向城市，城市人口不断扩大，导致城市建筑密集，明显过热，北京、天津和石家庄的常住人口分别约为18.7、13.0和6万。
本文根据常住人口规模将京津冀城市群城市分为三类代表性城市，即第一类是北京（人口在34万以上），第二类是天津（人口在15万至10万之间），第三类是石家庄（人口在15万以下）。
【农村参考气象站的选择】为了更准确地计算UHII，选择了农村参考气象站（RRWS），使用任和任[开发的遥感数据进行RRWS选择是一种相对客观的方法，因为它不依赖于社会和经济数据。
利用土地利用/土地覆被数据，以替代农村气象站为中心，以半径4公里为半径生成缓冲区数据，计算缓冲区建成区的百分比，根据计算结果提取了缓冲区建成区建筑面积为0%的站点，此外，RRWS还综合考虑了台站观测环境、海拔高度、空间分布等因素。
同样，本研究采用该方法筛选石家庄RRWS，综上所述，北京的穆佳玉（MJY）、庄山东（SDZ）、冯黄玲（FHL）、庞格尊（PGZ）、台湾（TT）、蔡公庄（CGZ）、南旺平（NWP）、西迪头（XDT）在天津，孙村（SC）、刚尚（GS）、南旺庄（NWZ）、包都斋（BDZ）被选为每个城市的RRWS，代表郊区气候（图1）。
图1.研究区域的位置以及中国BTH地区城市气象站（红点）和RRWS（紫色星）的分布
本研究选取位于城市中心的典型气象观测站作为城市站，即北京的BJ（北京）站、天津的TJ（天津）站和石家庄的SJZ（石家庄）站，代表城市中心气候（图1），表1总结了所用气象站的基本信息。
表1.有关本研究中使用的气象站的信息
在研究中，UHII被定义为城乡站（地区）之间的温差。因此，UHII可以通过以下等式获得：
【建筑物供热和制冷能耗模拟和数据准备】本研究采用瞬态系统仿真（TRNSYS）v16软件对住宅建筑的供热和制冷能耗进行仿真，该软件是建筑能耗模拟研究中应用最广泛的软件之一，Li等人使用TRNSYS模拟建筑能耗，并监测中国天津实际能源消耗的动态变化。
验证了仿真能耗与实测能耗之间的高度一致性，误差在15%以内，表明该软件的仿真结果能够反映真实的能耗变化特征，适用于气候对建筑能耗的影响领域。
需要输入两组初始数据才能完成建筑供热和制冷能耗的模拟，一组是2011年至2019年的每小时气象数据，这些数据是从天津市气象局气象信息中心获得的，并经过严格的质量控制，气象参数主要包括温度、太阳总辐射、直接正常太阳辐射、相对湿度、风速、风向等。
参考中国住房和城乡建设部发布的JGJ/T346-2014标准计算太阳直射法向辐射，相关方程如下：
另一组是与采暖和制冷能耗模拟相关的住宅建筑设计参数，包括建筑围护结构传热系数、太阳辐射吸收系数、室内设计条件等。建筑设计参数是根据JGJ26-2010标准[43]确定的，适用于三个城市的住宅建筑，表2总结了主要建筑设计参数。
表2.本研究包括的住宅建筑的设计参数。
在这项研究中，2011-2019年期间北京、天津和石家庄城乡温度的日变化以及UHI强度（UHII）如图2所示。
日均UHII是根据2011-2019年期间的日平均气温在城乡地区的差异计算得出的，总体而言，三市城乡日均气温变化趋势相似，全年UHII程度不同。UHII在秋冬季节普遍较大，春夏小，北京、天津较大，石家庄较小。
北京、天津和石家庄的日均UHIIs分别为1.5、1.3和0.8°C。供暖期（15月15日至次年3月0日）的UHII最高，北京、天津和石家庄的峰值分别达到27.3°C（1月31日）、1.6°C（29月1日）和31.2°C（0月22日）。降温期（25月2日至0月22日），1月底为最高UHII，北京、天津、石家庄的峰值分别达到1.31°C。
图2.2011—2019年北京、天津、石家庄城乡气温年均值及UHII日均值变化。
【加热和冷却期间的每日负载变化】2011-2019年供暖/制冷负荷年平均值的日变化以及负荷与UHII之间的相关性如图3和表3所示，总体来看，不同城市城乡热负荷变化趋势相似，城市热负荷低于农村。
北京、天津和石家庄市区日均热负荷分别比相应农村地区低8.14%、10.71%和2.79%（图3A1-A3）。每个城市的高热负荷期发生在大约25月25日至次年3月730日（表62）。
对高负荷期不同城市城区日均负荷的比较显示，北京的负荷最高，达到10.<>×<>−3千瓦时/米2;紧随其后的是石家庄，而天津的荷载值最低（表3）。
在高负荷期间，每个城市和农村地区的平均日负荷不同。北京和天津市区日均负荷分别比农村地区低8.38%和10.43%，石家庄城区相差1.98%。
11月15日至270日，各城市出现低负荷期，城乡日均负荷在350-10×<>−3千瓦时/米2.本研究分析了城乡热岛与日热负荷差异的相关性。UHI每升高1°C，北京、天津和石家庄的热负荷差就×30−3千瓦时/米2，分别（图3B1–B3）。
图3.1–3年热冷负荷（A1–A3，C1–C3）年平均值的日变化以及负荷与UH（B1–B3，D2011–D2019）之间的相关性
图4和表4显示了24年至2011年三种规模城市在供暖和制冷期间的年均2019小时供暖和制冷负荷分布。
总体上，城乡小时负荷差异在供暖和制冷期呈现<>个稳定期和<>个急剧变化期。采暖期城乡每小时绝对负荷差显著高于制冷期
图4.2011-2019年城乡供暖（A）制冷（B）负荷差年平均值的小时变化。
表4.2011–2019年北京、天津和石家庄供暖/制冷期高/低时段的平均每小时负荷。
【UHII与小时负荷差的相关性分布】图5显示了2011—2019年京津石家庄城乡小时供热负荷和冷负荷差异相对于UHII的变化特征。采暖期，京津石家庄城乡每小时取暖负荷差×0下降89.1、08.0、79.10−3千瓦时/米2，分别用于UHII每增加1°C（图5A，C，E）。
降温期，京津、石家庄城乡小时冷负荷差同比增加0.95、1.02、1.77×10−3千瓦时/米，分别用于UHII每增加1°C（图5B，D，F）。
图5.2011—2019年北京、天津和石家庄市建筑物每小时供暖（A，C，E）制冷（B，D，F）负荷差异的相关性。
当UHII从-1°C增加到4°C时，三个城市城市供热（冷）负荷的降（增）大于农村地区，此外，随着UHII的增加，石家庄城乡每小时冷负荷差增加幅度大于京津。
大城市群中城市的人口密度和经济发展水平差异很大，形成了不同规模的城市。京津冀城市群是中国典型的大型城市群之一，近几十年来，城市群的UHI效应凸显，随着城市规模和建筑密度的增加，UHI的强度和广度不断增强。
研究发现，2011—2019年北京、天津和石家庄的UHI效应明显，其中UHII在秋冬季节较大，春夏热岛效应较小。
建筑物的供暖和制冷能耗受到全球变暖和城市化的显着影响，特别是在日益庞大的城市群中，城市气温上升对建筑物能源需求的影响取决于城市过热的程度、当地的气候特征和建筑物的数量等，此外，人们的热舒适度还与建筑物的供暖和制冷能耗有关。
居住者可以通过减少衣服和活动来适应温度上升，但是当温度超过30°C时，居住者无法适应环境，虽然许多因素会影响建筑能源需求，但UHI效应相对较显著，UHII的空间分布是异质，导致城乡能源消费需求存在差异。
因此，本文以中国京津冀城市群为例，评估了热岛对不同规模城市建筑供热和制冷负荷的影响。
根据供暖和制冷期间负荷的日变化，不同城市城乡的趋势基本一致，由于UHI现象的存在，城市地区的热负荷低于农村地区，而城市地区的制冷负荷高于农村地区，北京和天津城市的平均日热负荷分别比农村地区低8.14%和10.71%，而石家庄的这一差异仅为2.79%。
结论随着UHII的增加，京津冀三地城市供热负荷差减小，冷负荷差增大。北京和天津城乡热负荷差异大于石家庄。
北京和天津城市日均热负荷分别比农村地区低8.14%和10.71%，而石家庄仅相差2.79%。此外，由于靠近海洋，天津市区冬季相对温暖，导致城乡负荷下降，负荷差异较大。
降温期，受UHI效应影响，城市负荷高于农村，北京、天津、石家庄城区日均冷负荷分别比农村高6.88%、6.70%和0.27%。
高热负荷期发生在25月25日至次年8月38日。10个城市的负荷受UHI影响显著，呈现不同的模式，北京、天津和石家庄市区日均负荷分别比农村地区低43.1%、98.23%和11.5%。
高冷却负荷期发生在11月4日至64月1日。北京和天津城区日均制冷负荷分别比农村地区高18%和20%，而石家庄城区仅相差10%。
城乡居民楼小时制暖/制冷负荷差异表现为夜间强，白天弱。
采暖期城乡每小时绝对负荷差显著大于制冷期，在供暖（制冷）期稳定高负荷期（次日18：00至次日07：00/次日18：00至次日05：00），京津、石家庄市区小时负荷分别比农村地区低3.15（2.48）、3.88（1.51）和1.07%（1.09%）。
随着未来UHII的增加，石家庄城乡每小时制冷负荷差异可能比其他两市增加更显著。
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参考文献：
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END
