城市模型反射率測量方法與運用

譚康豪 ，覃英宏 ，蘇益聲，梁槚，龐如月

( 廣西大學(xué) a.土木建筑工程學(xué)院;b.廣西大學(xué)工程防災(zāi)與結(jié)構(gòu)安全教育部重點實驗室，南寧 530004)

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城市模型反射率測量方法與運用

譚康豪a,b，覃英宏a,b，蘇益聲a,b，梁槚a,b，龐如月a

( 廣西大學(xué) a.土木建筑工程學(xué)院;b.廣西大學(xué)工程防災(zāi)與結(jié)構(gòu)安全教育部重點實驗室，南寧 530004)

摘要：介紹了一種測試城市模型反射率的試驗方法。制作10個條形和十字形的城市模型進行測試，觀測路面不同反射率對城市反射率的影響，并將實測模型反射率與ASTM E1918-06規(guī)范計算結(jié)果進行對比。研究發(fā)現(xiàn)：瞬時太陽輻射強度變化值在規(guī)范允許范圍內(nèi)，模型計算的反射率與ASTM E1918-06測量值的誤差在0～0.1之間。當(dāng)峽谷縱橫比(建筑物高度與路面寬度之比)為1.0時，路面反射率從0.15提高到0.65，城市峽谷反射率增幅在0～0.30之間；提高路面反射率并不能有效提高城市峽谷反射率，尤其是縱橫比較大的深峽谷。城市峽谷中的多重反射抑制城市反射率的提高。同時，反射路面將給行人增加額外的輻射通量，可能帶來熱不適感和眩光刺眼等問題。因此，應(yīng)謹(jǐn)慎看待反射路面作為一個緩解城市熱島效應(yīng)策略。

關(guān)鍵詞：城市峽谷；熱島效應(yīng)；多重反射；反射率；縱橫比；反射路面

城市結(jié)構(gòu)單元一般包括建筑墻體、屋頂及道路，道路與建筑兩側(cè)的空氣形成類似于峽谷的地貌特征,稱為“城市街道峽谷”(Urban canyon)。城鎮(zhèn)化的進程使得城市下墊面發(fā)生重大改變，以前的透水性地面被不透水性地面所取代，由于干燥致密的混凝土路面無法進行有效地蒸發(fā)降溫，存儲于城市下墊面的熱量只能以濕熱的形式散失到城市環(huán)境中。城市熱島效應(yīng)的成因與許多因素有關(guān)，其中最根本的誘因來自太陽直接輻射。由于太陽輻射為不可控因素，控制城市峽谷的熱吸收量很大程度依賴于整個城市峽谷反射率的改變。

目前，許多學(xué)者對城市峽谷反射率進行了廣泛研究。Aida等[1-2]在不同季節(jié)測量不同城市峽谷走向的反射率，結(jié)果表明，城市峽谷反射率隨時間而變化，且不同峽谷走向差異明顯。Pawlak[3]經(jīng)過試驗和數(shù)值計算也指出城市峽谷反射率是關(guān)于時間的函數(shù)。覃英宏等[4]采用數(shù)值模型研究反射路面對城市峽谷反射率的影響發(fā)現(xiàn)：在街道縱橫比小于1.0時，采用反射路面能有效降低路面溫度。陳志等[5]通過實驗和數(shù)值模擬的方法也證明了高反射率的外墻材料能有效地控制墻面的溫度，從而控制建筑物室內(nèi)溫度。上述研究均已表明了反射材料可以有效地減少城市建筑物和地表對太陽輻射的吸收。然而，這些研究只是單方面基于平坦建筑墻面和路面溫度觀測，沒能從城市太陽輻射吸收量角度研究降低城市熱島的工程措施，太陽輻射可能在城市峽谷中形成的多重反射后吸收更多的熱量，通過提高城市路面和墻體反射率能否有效提高整個城市反射率尚未證實。

本文將以此為出發(fā)點，介紹一種用于測試城市模型反射率的理論模型和相關(guān)試驗方法，將影響路面溫度的最大因素(即反射率)作為重點分析對象，探討了路面反射率對整個城市峽谷反射率的影響，旨在了解一個城市結(jié)構(gòu)的反射機理，通過提升城市反射率以降低城市太陽輻射吸收，達到減輕城市熱島效應(yīng)的目的。

1理論模型

1.1材料的光譜測量及反射率計算

反射率或太陽能反射率，表示離開物體表面的輻射量與到達其表面的輻射量的比值，是一個0～1的標(biāo)量。對于表面光滑均勻的物體，其反射率計算的理論依據(jù)：將分光光度計測得的反射光譜與正午太陽光入射能量的乘積積分，其積分值與正午太陽入射能量的積分值的比值即為物體表面某點處的反射率。式(1)中i(λ)(W/m2)表示單位面積單位波長λ的入射功率，r(λ)表示材料的光譜反射率，則材料的反射率為

(1)

式中:λ0、λ為波長，式中λ0=280 nm，λ=2 500 nm。

1.2城市峽谷模型反射率概念

城市結(jié)構(gòu)單元通常由建筑墻體、屋頂和街道路面組成，多數(shù)呈“U”字形，尺寸較大且不規(guī)則，無法根據(jù)式(1)直接求其反射率。測量此類不規(guī)則曲面的反射率，根據(jù)ASTM E1918-06規(guī)范[6-7]要求，其模型的尺寸至少為4 m×4 m，且4 m×4 m場地內(nèi)的輻射強度必須相同，這使得模型尺寸、試驗場地可能均無法滿足要求。為解決此問題，城市模型制作參照Akbari等[8]制成占據(jù)1 m×1 m模型平面，即目標(biāo)模型，如1圖所示。城市模型的正上方安放太陽輻射傳感器，分別觀測入射光強度和反射光強度，其比值為模型反射率和模型周圍環(huán)境反射率的加權(quán)平均值。為計算模型的反射率，可在模型區(qū)域內(nèi)分別覆蓋兩塊大小相同的白色和黑色朗伯體材質(zhì)鋁塑板，從而額外引入兩個方程，則

(2)

(3)

式中：ρw、ρb為白板和黑板的反射率；Ihw、Iw為試驗區(qū)域內(nèi)覆蓋白板時太陽輻射傳感器接收到的太陽輻射入射量和反射量；Ihb、Ib為試驗區(qū)域內(nèi)覆蓋黑板時太陽輻射傳感器接收到太陽輻射入射量和反射量；F為峽谷模型表面到輻射傳感器的視角因子；ρs為試驗區(qū)域外周圍環(huán)境的反射率。

若ρw、ρb為常數(shù)，則ρs、F可求。當(dāng)將模型區(qū)域內(nèi)覆蓋城市模型時，由于邊緣凸起引起視角因子改變，改變后的視角因子用F′表示。則

(4)

式中：ρc為模型的反射率;Ihc(W/m2)和Ic(W/m2)為試驗區(qū)域內(nèi)覆蓋模型時輻射傳感器接收到太陽輻射入射量和反射量。為了求解ρc，在模型區(qū)域內(nèi)覆蓋一個與城市模型結(jié)構(gòu)相同的黑色模型，假如模型的反射率為ρcb，則有

(5)

式中：Ihcb(W/m2)和Icb(W/m2)為試驗區(qū)域內(nèi)覆蓋黑色模型時輻射傳感器接收的太陽輻射入射量和反射量。聯(lián)立方程(1)～(5)，可解出ρc，如式(6)所示。

(6)

式中

(7)

多重反射之故使得直接觀測式(5)中的ρcb變得困難。若要盡量使其影響最小，則需模型的表面吸收率達到最大。由于峽谷中只有一半的太陽反射離開其表面反射回天空(峽谷中的到天空的視角因子為0.5)，故認(rèn)為黑色模型的反射率ρcb黑色模型材料反射率ρbm的一半，則

(8)

式中：ρbm為黑色涂料的反射率，其值ρbm=0.052，且對不同波段太陽光的反射率較為穩(wěn)定(如圖3)，按式(8)計算則實驗誤差約為0.026。

圖1　試驗裝置Fig.

2實驗方法

城市反射率依賴于峽谷縱橫比、墻體和路面反射率、太陽位置及城市峽谷走向等因素?，F(xiàn)實中城市峽谷兩側(cè)建筑物的形狀、布局等非常復(fù)雜，為簡化城市峽谷模型，試驗設(shè)計峽谷縱橫比為1.0，根據(jù)道路分布分別制作條型和十字型城市峽谷各5個。所有峽谷模型(除黑色模型外)的墻體和屋頂均涂布同一顏色的涂料。為探討不同路面反射率對城市峽谷反射率的影響，在城市峽谷路面分別涂布不同反射率的涂料，其中2個城市模型(條型和十字型)的路面反射率與墻體和屋頂相同。利用Lambda750分光光度計測量5種涂料的反射光譜(見圖2)，運用ASTM標(biāo)準(zhǔn)入射光譜求和。其反射率分別為0.148、0.271、0.417、0.535、0.654。同樣，白板、黑板和黑色涂料的反射率可利用Lambda750分光光度計測量，如圖3所示，ρw=0.692，ρb=0.048。

圖2　城市峽谷模型的屋頂、墻體和路面材料反射光譜Fig.2　The solar reflectance of the roof and wall and of the pavements in the UC

圖3　白板和黑板的反射光譜Fig.3　The spectral reflectance of the white mask and black

實驗在廣西大學(xué)東校園某混凝土路面 (22.82° N, 108.32° E)進行，從當(dāng)?shù)貢r間7:00開始，17:00結(jié)束。試驗裝置如圖4所示。測量目標(biāo)區(qū)域的反射率具體步驟中如下：

1) 調(diào)節(jié)儀器高度距離地面為0.5 m，調(diào)平氣泡居中，在地面上畫出1 m×1 m作為目標(biāo)區(qū)域；

2) 保持反射儀位置不變，在反射儀正下方目標(biāo)區(qū)域的位置安放白板，讀取反射量Iw和入射量Ihw；

3) 保持反射儀位置不變，在目標(biāo)區(qū)域用黑板替換白板，讀取反射量Ib和入射量Ihb；

4) 保持反射儀位置不變，在目標(biāo)區(qū)域用黑色模型替換黑板，讀取反射量Icb和入射量Ihcb；

5) 保持反射儀位置不變，在目標(biāo)區(qū)域用目標(biāo)模型替換黑色模型，讀取反射量Ic和入射量Ihc；

6) 重復(fù)步驟2)～步驟5)，依次測量南北方向、東西方向和十字形方向的城市峽谷模型的反射量I和入射量Ih。

圖4　測量模型的反射率示意圖Fig.4　Sketch Map of measuring the reflectivity of the

3結(jié)果與討論

3.1模型(式(5))和ASTM E1918-06規(guī)范的比較

用不同方法測量城市模型反射率時會有所不同。由于模型邊緣凸起效應(yīng)，增加的模型高度改變了反射穹對模型表面的視角因子，可能導(dǎo)致的城市模型的反射率有所差異，與ASTM E1918-06規(guī)范相比，式(5)增加一個黑色的城市模型的方程主要是為了證明視角因子引起的差異。假設(shè)沒有黑色模型時，兩者的視角因子認(rèn)為是相等的，即F=F′,則

(9)

式(9)為ASTME1918-06修正后的結(jié)果。ASTME1918-06方法認(rèn)為：在每次實驗過程中，到達測量區(qū)域的入輻射為常數(shù)，如果存在波動，誤差值20W/m2以內(nèi)可以接受，否則實驗重做[9]。其原因在于ASTME1918-06方法的表達式中把周圍環(huán)境反射率ρs是當(dāng)作一個常量。然而，太陽輻射入射如強度分布會發(fā)生變化，導(dǎo)致ρs發(fā)生改變，式中的ρs將不再是常量，為確保變量幅度盡可能小，ASTM E1918-06規(guī)定入射強度在單次測量過程中變化不超過20 W/m2。即采用太陽輻射強度的平均值代表某一時刻的太陽輻射強度。因此，實驗過程中只需一個日射強度計(面朝地面)便可分別測出各材料(均質(zhì)或是非均質(zhì))表面的太陽輻射反射量Iw、Ib和It。并且將式(2)、(3)、(4)中的Ihw、Ihb和Iht均用Ih來代替，可解出ρ1918。

(10)

利用式(6)、(9)、(10)分別計算城市模型的反射率并進行比較，分析它們之間的誤差(見圖5)。結(jié)果發(fā)現(xiàn)修正的ASTM E1918-06中式(9)略高于本文式(5)結(jié)果。這是因為邊緣凸起的部分的遮擋作用，導(dǎo)致視角因子增大吸收更多面發(fā)生較多的陰影；式(10)的計算結(jié)果既可高于也可低于式(5)，原因可能來自ASTM E1918-06方法假設(shè)在實驗過程中入射的太陽輻射量為恒定值，實驗過程中某一時刻的太陽輻射強度隨云層移動變化勢可高于或低于太陽輻射強度的平均值，故其方差出現(xiàn)明顯波動。此外，通過上述對比發(fā)現(xiàn)，即使在試驗過程中采用ASTM E1918-06規(guī)范的限制條件，式(9)計算的反射率也同樣引起0～0.1的誤差。因此，測量城市模型的反射率時應(yīng)謹(jǐn)慎直接使用公式ASTM E1918-06方法。

圖5　實測反射率與ASTM E1918-06規(guī)范的對比Fig.5　Comparison of the albedo estimated from modified ASTM E1918-06 with that estimated from the proposed method in this

3.2對比分析不同路面城市反射率

圖6比較了3種不同城市峽谷走向的反射率。不難發(fā)現(xiàn)：城市峽谷反射率隨太陽位置的變化而變化，且不同峽谷形狀差異明顯。當(dāng)太陽入射角較小時(早晨時分)，散射輻射占主導(dǎo)作用，散射輻射能照射到整個城市峽谷的每個角落，加重峽谷內(nèi)的多重反射，降低其反射率。隨著太陽入射角的增大，直接輻射占主導(dǎo)作用，峽谷中僅有少部分面積被直接照射，并發(fā)生多重反射。正午時分，太陽輻射大部分照射在路面上，相對于兩側(cè)墻體，路面的天空視角因子最小，因此，正午的城市反射率降到最低值。

由圖6可見，城市峽谷反射率隨著路面反射率的增大而增大。與條型峽谷相比，十字形峽谷的反射率提高幅度更加明顯。這是因為十字形峽谷比條形峽谷多出約一倍的路面面積，減弱了峽谷的多重反射，更多的太陽輻射“逃逸”到天空。增加了路面反射作用。然而，路面反射率的增大卻不能有效提高城市峽谷的反射率，在屋頂和墻體的反射率相同條件下(ρ=0.417)，所有的城市模型反射率均低于0.4，即使把路面的反射率提高至0.652。其原因在于太陽輻射在峽谷中發(fā)生多重反射減少了返回向天空擴散的輻射，從而抑制城市峽谷反射率的有效提高。

圖6　城市模型反射率隨時間變化規(guī)律Fig.6　The albedo of UC prototype varies over

圖7表示城市峽谷日平均反射率與路面反射率間的關(guān)系?？梢钥闯?，當(dāng)路面反射率低于屋頂和墻體的反射率時，十字形城市峽谷模型反射率低于條形峽谷模型反射率，且這種差異隨路面反射率的增大而減?。划?dāng)路面反射率大于屋頂和墻體的反射率時，十字形城市峽谷模型反射率略高于條形峽谷模型反射率。究其原因在于十字形模型多出的路面面積對城市峽谷模型反射率的貢獻在路面的反射率較高時才得以體現(xiàn)。對條形模型而言，南北走向和東西走向的日平均城市峽谷反射率變化規(guī)律幾乎一致。但當(dāng)路面反射率較高時，東西走向的峽谷反射率高于南北走向；路面反射率較低時則相反。這是因為在測量時太陽位置變化有關(guān)，東西走向的模型有可能比南北走向吸收更多的太陽光。在高(低)反射路面作用下，造成東西走向的城市反射率上升(下降)。

圖7　反射路面與城市模型反射率線性關(guān)系Fig.7　The correlation between pavement albedo and the UC

3.3模型反射率的運用和實踐

城市熱島效應(yīng)與城市下墊面性質(zhì)的改變有關(guān)。傳統(tǒng)的混凝土路面，不僅顏色深且表面粗糙，對太陽輻射的吸收率較大。城市路面白天吸收的熱輻射晚間以長波輻射的形式散失到周圍環(huán)境中，增加城市近地面的溫度，加劇城市熱島。目前，采用高反射路面冷卻技術(shù)緩解城市熱島效應(yīng)措施成為科研工作者研究的熱點問題。高反射路面冷卻技術(shù)是指通過涂覆于道路表面的，對太陽輻射能量具有較高反射率和發(fā)射率的涂層材料，“主動”減少路面對太陽輻射吸收，不需要消耗能量就可以抑制溫度上升的熱反射隔熱技術(shù)。但如果由路面反射的輻射量被周圍的環(huán)境吸收而不是逃逸到天空，則其降溫效果就大打折扣。

事實上，評估反射路面的降溫效果的指標(biāo)不僅僅看溫度指標(biāo)，還要綜合考慮城市反射率、眩光效果、鄰近建筑物的額外熱量吸收等因素。淺峽谷可能會帶來其他方面的問題。比如增加行人對路面反射的太陽輻射的吸收。根據(jù)覃英宏[4]的研究結(jié)果可知：當(dāng)峽谷縱橫比為1、路面反射率從0.15提高到0.50時，路面對周圍環(huán)境所產(chǎn)生額外輻射量約為50～80 W/m2。如圖8所示，假設(shè)認(rèn)為某行人站立在一個無限大的停車場中間，以中午時分的輻射通量作為行人所獲得的輻射量。通過改變路面反射率觀察道路表面溫度變化，擬合出路面最高溫度和反射率的回歸擬合分析方程，則：

(11)

式中：Tg為中午的路面溫度；當(dāng)路面上涂有高反射率，行人接收的漫反射輻射增大、長波輻射減少，如圖9所示。行人所吸收的凈輻射通量是

(12)

式中：σ是史蒂芬-玻爾茲曼常數(shù)，約為5.67×10-8kg·s-3·K-4，F(xiàn)g→p是行人到地面的視角因子，取0.5；非金屬材料的發(fā)射率ε一般在0 .85～0.95之間，假設(shè)εp=εg= 0.90和I=1 000 W/m2(典型的晴天)?？梢钥闯?，對于一個反射率為0.2的行人，當(dāng)路面反射率從0.2提高至0.6，行人將額外吸收約100 W/m2輻射能量(140～40 W/m2)；其額外增加輻射量值與Lynn[10]的研究結(jié)果相互吻合。盡管這些額外吸收量取決于行人表面反射率ρp，如衣服和膚色，但路面的漫反射對行人吸收的輻射量有更大的貢獻，長時間停留其中，可能導(dǎo)致人體不舒適。因此，即使是縱橫比較小的淺峽谷或空曠的停車場，采用反射路面緩解城市熱島效應(yīng)需謹(jǐn)慎看待。

圖8　行人接收的輻射量示意圖Fig.8　Radioactive flux balance of a pedestrian on an open area with reflective surface

圖9　行人和路面反射率之間的輻射通量變化規(guī)律Fig.9　Radioactive flux absorbed by a pedestrian on an open area with different pavement (ground)

4結(jié)論

提出了測量城市反射率的理論和實踐，并將之與ASTM E1918-06規(guī)范比較，得到如下結(jié)論：

1) 當(dāng)入射強度變化范圍小于20 W/m2時，對比本文計算方法與ASTM E1918-06規(guī)范發(fā)現(xiàn)，兩者的差值在0～0.1，本質(zhì)區(qū)別在于對太陽輻射強度的選取。天空清晰度不明朗時，建議選用本文計算方法。此外，由于邊緣凸起效應(yīng)，在測量此類曲面反射率不能忽視視角因子的影響。

2) 當(dāng)街道高寬比為1.0時，在屋頂和墻體的反射率相同條件下(ρ=0.417)，路面反射率從0.15提高至0.65，城市峽谷反射率從0.15升高至0.35。提高路面反射率并不能有效提高城市峽谷反射率，尤其是縱橫比越大的深峽谷，是因為峽谷中的多重反射嚴(yán)重地抑制了城市反射率的提高。

3) 盡管在高寬比較低的街道采用反射路面，將給行人增加了一個相當(dāng)大的額外輻射通量并且?guī)頍岵贿m感和眩光刺眼等問題。因此，應(yīng)謹(jǐn)慎看待反射路面作為緩解城市熱島效應(yīng)策略。

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(編輯胡玲)

Approach and procedure of measuring the albedo of urban prototype

Tan Kanghaoa,b, Qin Yinghonga,b, Su Yishenga,b, Liang Jiaa,b, Pang Ruyuea

(a. College of Civil Engineering and Architecture,b. Key Laboratory of Disaster Prevention and Engineering Safety of Guangxi, Guangxi University,Nanning 530004, P.R. China)

Abstract:A new method of measuring the albedo of urban prototype is proposed. The method is used to measure ten urban prototypes with different pavement reflectivity and with south-north orientation, west-east orientation and cross-street orientation, respectively. The results are compared with those obtained by the ASTM E1918-06 and the modified ASTM E1918-06. It is found that when the variation of the incident solar intensity is less than 20 W/m2 (a tolerant error stated by ASTM E1918A), the ASTM E1918-06 can either underestimate or overestimate the albedo of the urban canyon prototype up to 0.10. For an urban canyon (UC) with an aspect ratio of 1.0, an change from 0.15 to 0.65 of pavement albedo would cause an increase of the albedo of the UC from about 0.15 to 0.35 if the albedo of the roof and wall is about 0.40. Raising the albedo of the pavement in a UC is not an effective way to increase the albedo of the urban area, especially for UC with great aspect ratio. For low aspect ratio UC, raising the albedo of the pavement or of the parking lot introduces a sizable additional diffuse reflected radiation to the pedestrians. Therefore, it should be cautious to developing reflective pavements as an urban cooling strategy.

Keywords:urban canyon; urban heat island; multiple reflection; albedo; aspect ratio; reflective pavement

doi:10.11835/j.issn.1674-4764.2016.02.015

收稿日期：2015-12-02

基金項目：國家自然科學(xué)基金(51478126)

作者簡介：譚康豪(1990-),男，主要從事新型能源開發(fā)、混凝土材料研究.(E-mail):haokangtan@163.com.

中圖分類號：TU761

文獻標(biāo)志碼：A

文章編號：1674-4764(2016)02-0111-07

覃英宏 (通信作者)，男，教授，(E-mail):qinyinghong123@163.com。

Received:2015-12-02

Foundation item： National Natural Science Foundation of China (No.51478126)

Author brief：Tan Kanghao(1990-),main research interests:new energy resources and concrete materials,(E-mail):haokangtan@163.com.

Qin Yinghong (corresponding author)，professor， (E-mail):qinyinghong123@163.com.