给大都市“降温”

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所属分类:百科知识2014年

由于气候变化和人类活动的影响,导致城市人口聚居地气温不断升高,新的“火炉”城市不断涌现。美国自然资源保护委员会最近的一份分析报告估计,到本世纪末,美国一线大城市的极端热浪每年导致的死亡人数将增加3300人。报告分析认为,全球有超过半数人生活在城市中,而这些城市正变得越来越大、越来越热。随着城市气温不断升高,能否找到给城市降温的方法已不仅仅关系到生活舒适与否,甚至是性命攸关的大事。

  与此同时,改变城市小气候的科学研究不断发展,一些科学家致力于给城市降温的有趣尝试,并取得了一定的进展。

  自然控

  这类科学家从最简单的想法入手,借助风、冰、阳光、冷水等自然之力给城市降温,手段和方式极为有趣,却不失为一些很好的办法。

  蒙古首都乌兰巴托尽管有着接近冰点的全年平均气温,却也有着遭受高温和致命空气污染双重折磨的严酷夏天。从2011年11月起,乌兰巴托的工程师们开始在城北一块面积为30公顷的土地上成片钻洞,并用水填满——他们称之为“冰盾”项目。工程师们设想,在冬季低温作用下,这些水在地下结成长约2米的大冰柱,到了夏天冰柱吸收热量后缓慢融化,为当地河流提供补给,滋养植物的生长,同时冷却吹向城市的热风。

  这个极富创意的“冰盾”项目真能驱走热浪吗?蒙古清洁空气基金会乌兰巴托项目协调官表示,该项目自实施后效果非常好,经气象部门测算,采取此措施后当地夏季平均温度降低了3℃左右。政府正打算在更大范围安装这种“自然空调”。她认为,任何一个大陆性气候城市,都能采用这种方法为城市降温。

  在伊朗和埃及,建筑师在设计建造房屋时,通常会在屋顶上预留一些开口或者建造有沟槽的塔,他们将这些开口称为“风斗”或“风穴”。这种设计模式能够捕捉到当地吹拂的季风,将风引入室内,加大室内空气的流动性。印度斋浦尔有一座著名的建筑——“风之宫殿”。它之所以获得这一美名,是因为该宫殿开有数百扇窗户,置身其中有被风吹拂之感,室内外温差可达5~8℃,使得它在炎炎夏日成为人们消暑纳凉的好去处。

  日本东京大学的天才设计师则设计了一种遮阳伞,可以为人们带来意外的清凉。他们设计出来的“模拟森林”使用了同叶子形状相类似的不规则碎片形,可以有效地反射20%~30%的光线,折算为温度即可以降温5℃左右。阿联酋首都阿布扎比的海滨开发项目则在降温方面另辟蹊径,研究人员设计了一个巨幕,可以随着阳光的照射方向在建筑物周围自行移动,遮避阳光。该项目将于今年竣工。

  反射控

  与自然控们不同,反射控科学家沉迷于研究热量的反射与吸收,谋求从源头上切断城市升温的热源。

  早在19世纪早期,英国业余气象学家卢克·霍华德观察到伦敦气温比周围乡村要高2℃。由此他首次发现了城市发展对于当地气候的影响。这种热效应主要来自砖块、石板、水泥等建筑材料。它们白天吸收太阳的热量,夜晚再释放出来。这就是“城市热岛效应”。

  最近50年,城市热岛效应变得更为显著。近期有研究指出,密集化发展的城市可以比周边乡村热12℃之多。希腊雅典大学的物理学家马特·桑塔瑞斯表示,现成的控温手段——空调对于城市高温而言难辞其咎。继续单纯依赖空调不仅助推了城市热岛效应,还增加了能源消耗。桑塔瑞斯的研究表明,在夏季,当雅典居民开始使用空调之后,当地能源消耗量通常都会翻番。

  基于此种认识,桑塔瑞斯认为要扭转城市越来越热的趋势,最为直接的方式是从源头上减少城市吸收的热量。桑塔瑞斯及其团队致力于研发一些特殊的路面和屋顶用材料,让它们反射而不是吸收热量。桑塔瑞斯说,因为路面和屋顶占据了城市地表面积的一多半,减少它们储存的热量也就能够显著降低道路和建筑物表面的温度。

  实验表明,屋顶使用热反射材料的建筑可以减少室内空调的使用,从而降低能耗。但令人尴尬的是,要证明热反射材料确实能够改善城市微气候还颇有挑战,因为现有的证据大多来自大规模的模拟实验,真实效果究竟如何令人存疑。桑塔瑞斯及其团队最近实现了最大面积反射材料表面的城市试验:他在传统建筑材料中加入能反射红外波段热能的无机矿物颗粒。2010年,面积达4500平方米的这种改良路板被铺设在了雅典的佛斯霍斯公园。在之后的夏天,针对该公园的监测数据表明,改良后的路面比普通路面要凉快约12℃。桑塔瑞斯认为,公园的内部温度可因此下降近2℃。

  在阿尔巴尼亚首都地拉那的老城,与桑塔瑞斯共事的一位希腊建筑师进行了新的尝试。结果相当令人振奋。他们在2012年重新改造了一片面积约2000平方米的地块,引入更多植被、遮阳物和另一项桑塔瑞斯的发明——热变色铺路材料,它包含的热敏材料会随着温度的变化而变色。这种路面冬天呈深色,可以有效吸收热量;随着温度上升,路面将转而经由黄色变成白色,这时路面反射的热量更多。桑塔瑞斯说,该路面降温效果显著,他准备开展相关商业推广。团队的研究报告中称:“这个夏天这里的气温比以前降低了3℃。”

  不过,热反射材料表面本身也并非完美。因为那些为了控温而设计出的热反射人行道可将热量反射到临近的建筑,反而增加了临近建筑室内空调的使用需求。美国斯坦福大学某研究团队进行的另一项独立研究显示,大面积使用这种材料事实上会增高全球地表温度。另外,尽管热反射材料在炎热、多日照的地方降温效果良好,但在大陆性气候地区,如丹佛或莫斯科,会使冬季取暖成本上升。

  规划控

  规划控科学家更关注城市规划,他们认为气温居高不下的首要原因是天气,但人为因素对城市高温天气起着推波助澜的作用,其中,最为关键和直接的便是城市规划的不科学与不合理。他们认为,气候变化属不可控因素,但城市规模、形态、关系是可控的,通过合理的规划,某种程度上可以弥补不可控的因素。在城市建设和改建时通过规划布局,巧妙运用、结合建筑设计和自然资源,打通城市“风道”,引风入城会使城市自我降温,避免城市热岛效应加重。英国雷丁大学城市气象学家珍妮特·巴罗表示,商场、居民区和办公大楼的形状、体量及分布可以影响“街道峡谷”里的风速。她的建模显示,当街道宽度是建筑物高度的1.5倍时,才足以提供持续的空气流给城市降温并消减和驱散空气污染物。

  这一理论即将在葡萄牙北部一个生态城市的开发项目“普兰爱提谷”中得以施行。项目计划于2015年完工。其设计公司开发了一套模拟系统,加入了当地的地形和气象信息。通过观察模型,比对建筑物大小、位置对于气温和风速等产生的影响,并据此设计出一套科学的方案:在建筑物顶加大风速利于风力涡轮机发电,而在街面高度又要保持舒适的微风。

  “城市高温跟规划有很大的关系”,北京大学建筑与景观设计学院院长俞孔坚说。风道的堵塞、湿地的消失、绿地的减少、城市的扩张、玻璃幕墙的大量使用……都对城市热岛效应起着越来越负面的影响。

  通过改变城市布局来避免城市热岛效应的做法,在我国已有成功先例。在上海世博会召开时,世博园区滨江岸线成为10千米长的上海新外滩和城市“凉岛”。此外,把大部分园区的建筑和展馆架空,使夏季常见的东南风从建筑物下方徐徐吹过,使人们在高楼林立中依然可以感受到“穿堂风”。这种易于通风、散热的城市空间结构,不仅有利于缓解城市热岛效应,而且有利于城市污染物扩散。

  此外,在有江河湖泊分布的城市,充分利用水体带来的自然风以及它们的降温、增湿特点,在沿岸留出足够的空间,形成“风道”,使风和水汽通过“空中走廊”进入城市,也能起到城市“大风扇”的功效。对于武汉市这样全国知名的“火炉”,更适合采用该种方式为城市降温。武汉市内分布着很多河湖。当地夏季的主导风向是东南风,与长江流动的方向一致。按科学规划,城市道路应与城市主导风向一致,让风能顺利穿城而过。因此,汉阳的主干道宜多开辟南北向通道;武昌的东南片宜开辟东南向通道,东北侧宜开辟东北向通道;汉口则保持现有平行长江、汉江的长街和垂直两江的短巷,这样就能使江风、湖风刮进主城区,充当都市的“大风扇”。

  除此之外,为使“空中走廊”通畅,要特别控制城市上风向建筑物的高度和密度,防止过城风因建筑物过高和过密被阻挡,从而造成大量的热量和温室气体滞留城市中心。在大型城市公寓周围必须留下超过建筑基盘面积的空间,这样可以带来空气的流动,达到和空调相似的制冷效果。

  绿化控

  执著于用绿化来降低城市气温的科学家和学者则坚信,植被带来的蒸腾降温作用不仅可以缓解城市热岛效应,还能为人们提供荫蔽——光是树荫下就可以比阳光直射下低7℃。英国班戈大学循证保护中心的安德鲁·普林说,在空间有限的城市中,多使用绿色屋顶、墙面和种植行道树也许更可行,理论上讲它们可以中和城市热岛效应。

  其实,利用公共绿地逐步形成的“冷岛效应”来应对“热岛效应”,早已是规划学研究的热点。研究数据显示,区域绿化覆盖率达到30%时,“热岛”强度明显减弱;达到50%时,“热岛”现象显著缓解。卫星遥感资料显示,上海陆家嘴的中心绿地建成后,陆家嘴地区原有的4个“热岛”全部消失。清华大学建筑学院教授李树华等人对北京河道陆地的一项研究显示,只有大于45米的绿带,才能稳定吸收和积累周围的热量,对周围环境的增湿、降温做出贡献。

  俞孔坚曾在自家屋顶上设计并投入运行了一套生态系统。整个系统包括一套每年可收集多达50吨水的雨水收集系统和一堵用上水石和植物构成的生态墙。屋顶上收集的雨水,从生态墙上缓缓滴下,滋养着墙上的植物。在夏天,石墙上的水分蒸发后,成为一台天然的空调。最直接的效果,按俞孔坚的说法是,“整个夏天,我都没有开过空调”。

  【责任编辑】赵 菲

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