城市居民区三维辐射场的不对称时空分布模式

《Building and Environment》：Asymmetric spatiotemporal distribution patterns of three-dimensional radiation fields in urban residential areas

　　

• 城市住宅区三维非对称辐射场的概念与模型 • 辐射热交换的时空分布规律得以揭示 • 提出辐射非对称指数并验证其适用性 • 基于辐射场非对称性的热环境优化策略

引言
作为人口高度密集、功能多元、与居民生活密切相关的重要城市单元，城市住宅区的热环境质量是居住区环境质量的重要体现。在全球气候变化和快速城市化的共同驱动下，城市热岛效应不断加剧，极端高低温事件日益频繁，使得住宅区热环境的优化与调控变得愈发重要[1,2]。在城市住宅微气候系统中，辐射热因其非接触传热方式、热效应范围广、能量传递效率高等特点，已成为住宅微环境的核心热作用模式，主导着住宅空间的能量交换与分配，对气温、平均辐射温度、人体热舒适度和建筑能耗具有决定性影响[[3], [4], [5]]。在室外环境中，辐射热交换占人体总热交换的50%以上[6,7]，是影响住宅区室外空间人体热舒适和热健康的关键因素。

在城市住宅区中，既有来自太阳的短波辐射，也有来自住宅区地表和建筑表面等下垫面发出的长波辐射。这些长波和短波之间的热交换不仅与物体之间的热量和表面材料有关，还与其空间几何形态密切相关[[8], [9], [10]]。住宅空间具有高密度、高围合的特征，这意味着不仅有建筑表面之间、建筑表面与下垫面之间、天空与建筑表面及下垫面之间的直接长波和短波辐射，还有反射、吸收和发射等多种辐射效应。多种辐射的相互作用以及多种作用模式的交织，导致住宅区辐射热交换显著且复杂[[11], [12], [13], [14]]，从而形成了由下垫面、建筑表面和天空组成的住宅区三维辐射场。

从辐射场的角度研究住宅区的辐射热交换规律，可以构建住宅空间中各种人工表面与天空之间的能量交换系统；可以分析住宅区辐射热传输的主导方向；还可以探索住宅区计算范围内辐射热的整体分布规律。住宅区的三维辐射场体现了一种以住宅空间为能量交换单元的整体性和系统性方法，为住宅热环境研究提供了新的视角，为提升住宅热环境质量提供了科学依据，也为缓解城市热岛效应和实现低碳可持续城市设计提供了新的理论支持。

围绕城市住宅区辐射热效应的研究，全球学者已从多个角度展开了大量研究。早期，关于空间形态如何影响辐射分布的研究主要集中于建筑密度、围合形式、街谷宽高比、朝向等参数。Zhang[15]、Liu[16]和Song[17]发现，在用地面积有限的情况下，建筑高度对外表面太阳辐射量（SRA）的影响远超布局方式，布局方式对外表面年太阳辐射总量（ASU）并无显著影响。随着建筑高度的增加，布局方式对供暖季外表面太阳辐射量（HSU）的影响变得更加明显。高围合空间容易形成内向耦合结构，促进城市和地表间的能量再分配。相反，低围合空间则表现出较强的辐射方向性和显著的局部辐射梯度[18]。Karimimoshaver等[19]发现，当H/W比从1变为1.5时，平均气温（Ta）下降0.27°C，平均辐射温度（Tmrt）下降2.72°C，平均生理等效温度（PET）下降1.95°C。此外，当该比值从1.5变为2时，尽管呈下降趋势，但并无明显变化。这是因为H/W比从1.5变为2时，平均Ta、Tmrt和PET仅分别下降0.02°C、0.05°C和0.07°C。Banerjee等[20]表明，具有更高建筑（平均高度增加20%）和更窄足迹的住宅区，相比较矮且较宽（平均宽度减少12-58%）的住宅区，热性能更优，原因在于正午时分的辐射热增益更少。其次，在材料辐射特性调控方面，冷屋顶、高反射铺装等冷表面材料可以通过改变短波吸收率有效调节局部热平衡（LTE）[21,22]。Li[23]指出，大多数以往研究侧重于冷屋顶，其在低层城市区域有明显的降温效果，但在高层建筑城市中作用有限。冷屋顶能显著降低屋面温度，但在街谷内的热缓解效果有限，特别是在行人层。相比之下，冷墙面主要通过降低直接受太阳辐射照射的上部墙面温度来降温，在深街谷中尤为明显。Su[24]探讨了在外部墙面未采用热质量调节（RCM）的情况下，忽略太阳辐射（SB）会导致年均和峰值室外表面温度分别被高估2.30°C和12.13°C。而在应用RCM的情况下，太阳辐射对温度的影响并不显著。Hang等[25]进行了缩尺室外实验，比较了近红外反射涂层和传统高反射涂层在不同建筑密度下的冷却性能。较高建筑密度和更窄街道会显著降低高反射涂层的侧墙冷却效果，原因在于高密度街谷中墙面间多次反射以及天空视角系数受限。然而，现有大多数研究聚焦于单一界面的辐射优化，未将材料特性与三维空间耦合效应纳入综合分析框架[26]。最后，关于辐射场影响热环境的机制方面，平均辐射温度（MRT）已被证明是连接辐射分布与室外热舒适的关键中介变量。Colaninno[27]利用高分辨率时空SOLWEIG模拟揭示，区域尺度的累积热应力受三维辐射场（MRT）空间异质性的强烈驱动。辐射通量的空间非对称性和变异性越大，对应城市空间间的局部室外热舒适度（PET）差异越大。在Rovira地区，树木覆盖使中心点处的天空视角系数（SVF）从0.79降至0.02，广场范围内从0.73降至0.04，在低层空间形成了显著的辐射缓冲带，使平均辐射温度相比无树区域降低4.8-5.1°C。这表明树冠覆盖率与建筑形态的相互作用可以改变辐射场的垂直分布特征，并在低层空间形成独特的辐射缓冲层。基于辐射场的环境调控策略研究也取得了一定进展：Xu[28]通过对南京典型住宅区微气候的模拟指出，温度适应性材料在冬季比冷材料更具优势，因为它们不会增加建筑的采暖负荷。Cui[29]运用拓扑分析和稳健性分析方法进行模拟，研究在移除关键节点或边等多种干预模式下网络连通性和功能的变化，提出最优治理策略。复杂网络理论能够识别城市热岛网络中的关键节点，为辐射热点区域的精准调控提供了新的见解。

综上所述，现有关于居住区尺度辐射热效应的研究存在三个突出局限性。首先，许多研究局限于二维平面或单一辐射分量的分析，未能对居住区尺度的辐射热效应进行系统性研究，而是针对某一空间因素进行独立调查，这不可避免地忽视了各要素间的辐射热传递。其次，现有研究未能揭示住宅区整体辐射热效应中辐射热交换的非对称特征以及在整体住宅区热传递过程中的方向性意义，忽略了住宅区整体中复杂空间形态与三维辐射非对称性之间的内在关联。第三，非对称辐射场如何具体影响城市住宅热环境，以及其影响强度和阈值，仍不清楚，导致基于辐射调控的设计策略缺乏充分的机制支持[30,31]。因此，本研究以城市住宅区三维非对称辐射场为研究对象，基于辐射能量平衡原理建立三维辐射热交换模型，提出辐射非对称指数（RAI），阐明空间围合、季节更替和日变化条件下辐射场的演化规律以及围合度的调控机制，并提出按气候区和季节分类的面向辐射调控的空间设计优化策略。本研究突破了传统二维辐射分析的局限，完善了城市三维辐射场的理论体系和量化方法，为城市住宅热环境优化提供了新的理论工具和设计方法。

章节摘要

城市住宅区辐射场的三维非对称特征

城市住宅区的三维辐射场指的是在住宅区下垫面、建筑表面和天空这三类表面所构成的三维空间内，三类表面之间存在辐射热传递的现象。住宅区的三维几何空间作为这三类表面之间辐射热传递的空间载体，而辐射热传递本身构成了……

住宅区类型

为系统揭示住宅区三维辐射场的空间分布规律，首先需要从住宅区实际复杂的空间形态中识别具有代表性的基本空间单元。对西安市中心城区101个住宅区进行了系统实地调查（调查结果见图2）。

调查结果表明，高层住宅建筑是……的主要住宅类型。

寒冷期分布规律
1) 辐射组分与热传递特征

在寒冷期，由于太阳高度角低且日照时间短，辐射场以"输入受限"的短波辐射为特征。在组团式住宅区中，全天大部分时间辐射水平较低，仅在正午前后出现短暂峰值，且这些峰值显著高于行列式住宅区。由于行列式住宅区布局规整且遮挡条件稳定，行列式……

基于辐射场分布规律的住宅区热环境优化策略

本节提出的策略以场景对比优化而非正式算法优化来制定：候选方案在统一框架下进行评估，通过比较其辐射和热性能确定优选方案。决策变量为住宅布局的空间形态参数，即围合度和布局配置、建筑朝向、街谷……

总结

本文构建了由下垫面、建筑表面和天空组成的住宅区三维辐射场，通过分析辐射场非对称性的时空分布规律，探讨了住宅区层面的辐射热交换规律，这可以有效地支撑住宅区热环境设计的优化提升、城市规划和景观设计。主要结论如下：

CRediT作者贡献声明
Dalong Liu：写作 – 审阅与编辑。Jiawei Ren：写作 – 初稿、可视化。Guoluan Liu：数据分析、可视化。Yawen Xiao：调查研究。Jiaping Liu：监督、资金获取。

数据可用性
用于ENVI-met模拟输入条件的实地测量气象数据，包括气温、相对湿度、风速和风向，因保密原因无法公开共享。此外，与现场测试点相关的信息和测量数据也因保密原因不予公开。

CRediT作者贡献声明
Dalong Liu：写作 – 审阅与编辑。Jiawei Ren：写作 – 初稿、可视化。Guoluan Liu：可视化、数据整理。Yawen Xiao：调查研究。

刘佳平：监督指导，资金获取。刘大龙 | 任佳伟 | 刘国联 | 肖雅雯 | 刘佳平