緩解城市熱島效應(yīng)的涼爽路面研究綜述

倪航天， 黃煜鑌

(重慶大學(xué) 土木工程學(xué)院， 重慶 400045)

瀝青路面因行車環(huán)境舒適、平整度高、噪音小而被廣泛使用，但仍存在如車轍、開裂、松散、泛油等問題，影響其工作性能。此外，瀝青路面作為黑色路面，吸熱能力強(qiáng)，這不僅加速了自身高溫車轍損壞，還加劇了城市熱島效應(yīng)。

據(jù)統(tǒng)計(jì)，世界上有1 000多個(gè)不同規(guī)模的城市存在熱島效應(yīng)，這改變了地區(qū)的能量平衡、水循環(huán)過程、大氣邊界層結(jié)構(gòu)、污染物傳播和擴(kuò)散規(guī)律等，對(duì)人類生產(chǎn)和生活帶來間接危害。而在引起城市熱島效應(yīng)的諸多原因中，城市表面的變化通常是主要原因。因此，若能在根本上降低瀝青路面結(jié)構(gòu)的溫度，則既可改善瀝青路面在高溫下的損害問題，又可緩解城市的熱島效應(yīng)。為此，本文在前人研究的基礎(chǔ)上，分析了路面熱力學(xué)參數(shù)、瀝青路面與城市熱島效應(yīng)關(guān)系，重點(diǎn)論述涼爽路面的技術(shù)與工藝、綜合評(píng)價(jià)其效益，為涼爽路面的相關(guān)研究提供幫助。

1 瀝青路面與城市熱島效應(yīng)

1.1 瀝青路面熱傳遞

瀝青路面與環(huán)境之間的熱量傳遞有傳導(dǎo)、對(duì)流、輻射3種。

瀝青路面及其內(nèi)部和土基之間的熱量傳遞通過熱傳導(dǎo)實(shí)現(xiàn)。其遵循二維瞬態(tài)溫度場(chǎng)的導(dǎo)熱微分方程，如式(1)所示：

(1)

式中：ρ為路面密度，kg/m3；c為瀝青路面材料的比熱，J/(kg·K)；λ為路面材料的導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·K)。

對(duì)流換熱基本計(jì)算公式為牛頓冷卻公式，道路體系中對(duì)流主要存在于瀝青路面和周圍空氣之間的熱量傳輸中，滿足關(guān)系q=h(t路表-t空氣)，如式(2)所示：

流體被加熱時(shí)q=h(tw-tf)

流體被冷卻時(shí)q=h(tf-tw)

(2)

式中：tw和tf分別為壁面(路面)溫度和流體(大氣)溫度，℃；h為對(duì)流換熱系數(shù)，W/(m2·K)。

瀝青路面由于大范圍吸收太陽輻射，其本身具有較大能量，并時(shí)刻將此能量以熱輻射的形式向環(huán)境中進(jìn)行能量傳遞。

1.2 路面熱物理參數(shù)

1.2.1 導(dǎo)熱相關(guān)參數(shù)

1) 導(dǎo)熱系數(shù)λ：導(dǎo)熱材料從根本上決定了瀝青路面的導(dǎo)熱能力。其在數(shù)值上等于單位溫度梯度作用下物體內(nèi)所產(chǎn)生的熱流密度矢量的模。

2) 比熱c：根據(jù)熱力學(xué)定義，比熱是單位質(zhì)量的物質(zhì)在某一過程中，溫度變化1 ℃時(shí)所吸收或放出的熱量，c是溫度的函數(shù)。

3) 導(dǎo)溫系數(shù)α：又稱熱擴(kuò)散系數(shù)，是衡量系統(tǒng)內(nèi)部溫度扯平能力大小的參數(shù)。

三者之間關(guān)系為α=λ/ρc。常用路面材料熱物理參數(shù)的推薦取值見表1。

表1 路面材料熱物理參數(shù)推薦取值[1]

1.2.2 反射率及輻射換熱系數(shù)

1) 反射率系路表面的反射輻射通量與入射輻射通量之比，主要和路面顏色深淺有關(guān)。一般認(rèn)為新建瀝青路面的反射率介于0.05～0.1之間，舊瀝青路面的反射率介于0.1～0.15之間。一般反射率大的路面溫度較低。

2) 輻射熱交換系數(shù)表征的是因輻射熱交換引起的熱流密度。

1.3 城市熱島效應(yīng)(UHI)

城市熱島效應(yīng)影響著全球的生態(tài)環(huán)境。M.Santamouris的研究表明UHI效應(yīng)可使城市氣溫升高5 ℃～15 ℃[2]，植被和蒸發(fā)散熱的減少、低反射率暗表面的普及和人為產(chǎn)熱量的增加是主要原因[3]。有研究表明[4]，美國芝加哥、休斯頓、薩克拉門托和鹽湖城4個(gè)大都市地區(qū)，超過60%的城市表面被人造吸熱表面覆蓋。隨著城市化進(jìn)程的加快， UHI帶來的后果包括：1) 增加降溫能量投入和相關(guān)成本；2) 形成大量煙霧和空氣污染物；3) 增大居民和公眾的熱負(fù)擔(dān)；4) 影響城市生態(tài)環(huán)境；5) 增大居民因熱導(dǎo)致的疾病發(fā)病率和風(fēng)險(xiǎn)。

瀝青路面是當(dāng)前城市的主要路面形式，密級(jí)配瀝青路面反射率低，體積熱容大，夏季炎熱天氣地表溫度可達(dá)60 ℃以上，而路面在UHI現(xiàn)象中占有較大比重，因此利用涼爽路面來緩解UHI成為近年研究的熱點(diǎn)之一[5]。

2 涼爽路面

涼爽路面在國際上沒有明確的定義。美國環(huán)境保護(hù)署給出的模糊定義為努力緩解城市熱島效應(yīng)而在路面實(shí)施的成熟和新興的降溫技術(shù)，主要包括反射太陽能、增強(qiáng)水分蒸發(fā)和其他改性以使路面溫度低于傳統(tǒng)路面。

主要技術(shù)有：1) 增加路面反射率；2) 增加路表滲透性；3) 增加路表蓄熱能力；4) 外部機(jī)械降溫；5) 使用自然界如樹木或人工裝置提供遮陽。

2.1 反射式路面

反射式路面是目前研究最充分、經(jīng)濟(jì)效益最好的一類涼爽路面。相比改變路面的熱慣性，改變反射率更加簡單。傳統(tǒng)做法是改變路面顏色和粗糙度來改變路面反射率，而通過提供適當(dāng)?shù)谋砻嫱繉印\色聚集體或適當(dāng)?shù)恼澈蟿┎粌H能增加反射率，還能減少夜間照明的需求，提高路面的耐久性。

2.1.1 傳統(tǒng)措施

傳統(tǒng)方法是使用適當(dāng)?shù)墓橇虾驼澈蟿┻M(jìn)行表面處理以改變路面反射率。即先噴灑粘合劑后撒布集料，并進(jìn)行碾壓的工藝；技術(shù)上常稱為薄層或封層。這種工藝包括“微表面”“霧封層”“覆層”或“稀漿封層”等工藝，這些措施可一定程度增加路面反射率，降低溫度，同時(shí)若在骨料中混入顏色添加劑可增加路面的反射率，有研究表明這種措施可使瀝青路面表面溫度降低近9.0 K。

2.1.2 新措施綜述

1) 高反射白色涂料

該涂料具有非常高的反射率，在許多情況下超過了90%[6]。使用這種涂料可顯著降低路表溫度，減少釋放到大氣中的顯熱。文獻(xiàn)[7]比較了14種反射涂料的效果，丙烯酸彈性涂料是監(jiān)測(cè)期第一個(gè)月白天最涼爽的涂料，但缺點(diǎn)是隨后的2～3個(gè)月中路表溫度又有所升高。文獻(xiàn)[8]研究了基于使用氫氧化鈣的高反射白色涂料。涂層便宜、環(huán)境友好，允許空氣通過，同時(shí)具有高的灰塵吸附力，主要缺點(diǎn)則是易于粉化。高反射白色涂料多用于白色路面，而對(duì)于黑色及彩色路面，多采用紅外反射涂料。

2) 紅外彩色反射涂料

該涂料可使任何顏色的路面都能在近紅外部分強(qiáng)烈反射。文獻(xiàn)[9]比較了10種顏色的路面使用紅外反射涂料的情況，涂覆后可使路面溫度最大降低10.2 ℃。文獻(xiàn)[10]將顏色較深的低反射率材料與細(xì)空心陶瓷顆?；旌箱佋诼访嫔希繁頊囟缺葌鹘y(tǒng)混凝土路面降低了5 K。文獻(xiàn)[11]通過將無色彈性瀝青粘合劑與紅外反射顏料和具有特殊特性的骨料混合而成，制成不同顏色薄層瀝青路面。對(duì)樣品的熱監(jiān)測(cè)表明，所有顏色樣本的表面溫度均遠(yuǎn)低于常規(guī)瀝青的相應(yīng)表面溫度。

3) 熱變色涂料

部分工作者研究了可變色路面涂料。熱變色涂層能夠隨著溫度升高，顏色和反射率逐漸加深和升高。文獻(xiàn)[12]開發(fā)了11種不同顏色的瓷磚，對(duì)其表面溫度的監(jiān)測(cè)表明，熱變色路面的平均日表面溫度低于使用紅外反射冷涂料和普通涂料的情況，最大反射率從有色階段到無色階段增加了43%。

4) 熱反射涂料覆蓋瀝青骨料

有研究者嘗試用紅外反射涂料裹覆骨料制成路面[13]。測(cè)試結(jié)果表明，此種路面比傳統(tǒng)大孔隙排水路面具有更低的表面溫度，降低了10.2 K～18.8 K，降溫效果顯著。

5) 粉煤灰和礦渣的使用

文獻(xiàn)[13]指出，當(dāng)用70%的礦渣作水泥替代物時(shí)，混合料的反射率為0.582，比常規(guī)混合料的反射率高71%。但相比于前幾種技術(shù)，這一方法發(fā)展應(yīng)用有限。

綜上分析，合理使用反射涂料，可有效降低路表溫度，但涂料的耐久性問題需要特別關(guān)注。此外，在具體使用時(shí)，需通過試驗(yàn)綜合比較表層涂覆、與骨料混合及裹覆骨料3種處理手段，確定最經(jīng)濟(jì)高效的涂料使用方式。

2.2 蒸發(fā)式/保水式路面

蒸發(fā)式/保水式路面相比傳統(tǒng)瀝青路面通常含有更多更大的空隙，以便允許水流入底層，并利用保水填料以儲(chǔ)存水。通過水的蒸發(fā)以及儲(chǔ)存水降低路表溫度，緩解城市熱島效應(yīng)，同時(shí)降低洪澇風(fēng)險(xiǎn)。保水路面的性能標(biāo)準(zhǔn)有3個(gè)：1) 在晴朗天氣下降低路面溫度的能力；2) 持續(xù)抑制降雨后氣溫的上升；3) 最大限度提高耐久性和減緩路面性能的下降。

2.2.1 傳統(tǒng)措施

國內(nèi)外對(duì)透水式路面的研究已有多年，可選擇在路面上種植或不種植植物。典型透水路面如圖1所示。

圖1 透水路面示意[14]

2.2.2 新措施綜述

1) 鋼鐵副產(chǎn)品制成保水填料作多孔瀝青混合料添加劑

日本Nakayama等[15]提出一種由鋼材副產(chǎn)品制成的保水填料應(yīng)用于多孔瀝青混合料中的新型保水路面。試驗(yàn)結(jié)果表明，此種保水路面的平均表面溫度比常規(guī)多孔瀝青路面低0.6 K，而路面上方的氣溫比常規(guī)多孔瀝青路面低了近0.5 K。常規(guī)多孔瀝青路面的表面溫度驟降能力優(yōu)于保水路面，但保水路面的蒸發(fā)和冷卻作用持續(xù)時(shí)間比常規(guī)多孔路面長，最長約3 d。

2) 以工業(yè)廢棄物為原料制瓷磚的應(yīng)用

日本Ozaki等[16]以工業(yè)廢棄物為原料，開發(fā)并試驗(yàn)了一種保水性瓷磚。路面在飽和條件下進(jìn)行室外試驗(yàn)，結(jié)果表明，其表面溫度比混凝土屋頂?shù)徒?0 K，同時(shí)，瓷磚上方的空氣溫度低了近1 K～2 K。這些保水材料能夠有效吸收和擴(kuò)散整個(gè)表面的水，比常規(guī)瀝青路面的表面溫度低了近25 K。

綜上可知，當(dāng)前對(duì)保水路面的研究主要集中在保水材料的研發(fā)方面，該類材料應(yīng)具有保水能力強(qiáng)、耐沖刷等特點(diǎn)。此外，保水材料與路面結(jié)構(gòu)及生態(tài)環(huán)境應(yīng)具有相容性，以保證路面的工作性能及整體綜合效益。

2.3 其他類型涼爽路面

2.3.1 相變材料路面

相變材料PCM(Phase Change Material)是指通過改變自身物態(tài)而提供潛熱的材料。T.Karless等[17]研究了在路面中使用相變材料，并對(duì)摻入PCM的瓷磚進(jìn)行了性能試驗(yàn)。測(cè)試結(jié)果表明，摻入PCM的瓷磚呈現(xiàn)出明顯較低的溫度，與常規(guī)顏料著色的瓷磚相比，降溫幅度約為2.9 K～8.3 K；而與紅外反射顏料制備的瓷磚相比，降溫幅度為0.6 K～2.6 K。

2.3.2 水循環(huán)系統(tǒng)路面

通過路面內(nèi)部的水循環(huán)系統(tǒng)降低瀝青路面體表溫度，并將產(chǎn)生的溫水用于熱電設(shè)備發(fā)電及夜間照明等。試驗(yàn)和仿真結(jié)果表明，該系統(tǒng)具有較高的可行性，但仍有一些問題尚待解決，如循環(huán)系統(tǒng)水管道壓力引起的維修、整體結(jié)構(gòu)的使用性能等問題。目前水循環(huán)系統(tǒng)已在荷蘭的幾個(gè)實(shí)際項(xiàng)目中得到應(yīng)用。

2.3.3 光伏路面

光伏路面作為新興技術(shù)，使用由玻璃與陶瓷結(jié)合而成的光伏瓷磚降溫。光伏路面可提供電力、節(jié)省空間，如果表面溫度合適，間接有助于緩解城市熱島效應(yīng)。雅典的光伏路面2012年夏季的初步記錄顯示，其表面溫度比傳統(tǒng)混凝土路面低3 K～5 K。

2.3.4 高電導(dǎo)率路面

有學(xué)者提出在瀝青路面中加入石墨粉，使路面成為壓阻材料。用石墨粉替代部分混凝土填料可提高導(dǎo)熱系數(shù)，且密度和熱容量的變化可忽略。Wang等[18]制備了頂部導(dǎo)熱系數(shù)大、底部導(dǎo)熱系數(shù)低的3層瀝青混凝土試樣，測(cè)試結(jié)果發(fā)現(xiàn)，該導(dǎo)電試樣白天溫度比普通瀝青混凝土低。

2.3.5 集熱式路面

由嵌入瀝青路面的太陽能集熱器提取瀝青路面吸收的熱量，然后用于可再生能源的利用。

路面水循環(huán)集熱系統(tǒng)收集的能量可儲(chǔ)存在路邊水箱中，用于可再生能源供應(yīng)或作其他用途(如冬季融雪)，如圖2所示。P Pascual Muoz等[19]提出了一種多層瀝青路面系統(tǒng)，它通過2層不透水層限定的多孔中間層進(jìn)行排水。試驗(yàn)表明，這種路面結(jié)構(gòu)可以從路面中獲取可再生能源，并保持涼爽。

圖2 路面水循環(huán)集熱系統(tǒng)示意

3 涼爽路面綜合效應(yīng)分析

3.1 反射式路面

1) 降溫。根據(jù)美國研究者在洛杉磯的模擬研究，路面反射率由0.05提高至0.25，預(yù)測(cè)城市環(huán)境平均溫度可降低0.52 K，且與城市特性有關(guān)。如通過對(duì)休斯頓的模擬研究表明，城市地區(qū)反射率變化0.1，可使城市環(huán)境平均溫度可降低0.3 K～0.4 K[20]。

2) 老化。反射式路面具有較為明顯的老化現(xiàn)象。研究表明彩色路面使用1年后反射率指數(shù)下降約20 %[21]。熱變色涂料暴露于室外環(huán)境時(shí)易于光降解，太陽輻射將使化學(xué)鍵斷裂。因此在研究和開發(fā)時(shí)應(yīng)同時(shí)努力提高涂層的抗老化能力。

3) 效益。反射式路面可降低城市能源使用量、抵消二氧化碳的輻射力、改善城市空氣質(zhì)量、增加夜間照明、延長路面壽命。

4) 問題。夏季，反射性路面可能會(huì)升高建筑物表面附近的溫度。但一些模擬發(fā)現(xiàn)，涼爽路面帶來的好處遠(yuǎn)大于其不利影響，如緩解道路附近行人的熱負(fù)荷[22]。

3.2 蒸發(fā)式/保水式路面

1) 降溫。保水/透水路面具有一定的降溫能力。如Yamagata等[23]對(duì)多種路面材料性能進(jìn)行了測(cè)試。結(jié)果表明，氣溫最低、最高的路面分別是草地和普通瀝青路面，二者晝夜溫差分別達(dá)到了20 K和4 K。與常規(guī)瀝青相比，多孔保水混凝土的顯熱減少接近100 W/m2，而保水瀝青減少約140 W/m2。但也有研究結(jié)果表明保水式路面溫度高于瀝青路面，或者等同于瀝青路面，因此，需進(jìn)一步開展詳細(xì)研究。

2) 實(shí)施。透水性和保水性路面需要大量的水才能正常工作。在濕熱氣候中，可利用雨水增強(qiáng)路面系統(tǒng)中的蒸發(fā)量。對(duì)于雨水較少的氣候帶，可使用再生水。實(shí)踐發(fā)現(xiàn)通過在由保水材料制成的道路上灑水，可顯著降低它們的表面溫度。

3) 效益。蒸發(fā)式路面特別是透水式路面，具有減少地表徑流、清潔水、利于樹木生長、降低噪音等優(yōu)點(diǎn)。雨水通過透水鋪路材料滲入，并重新充注地下水。多孔結(jié)構(gòu)減少了輪胎與道路的相互作用并吸納了聲音，從而降低了輪胎負(fù)載噪聲，且研究表明，多孔瀝青對(duì)事故的凈影響接近于零[24]，但透水多孔混凝土對(duì)城市樹木生長的益處微不足道[25]。

4) 問題。蒸發(fā)路面因其多孔具有較低的熱慣性和較低的反射率，空氣干燥時(shí)，溫度較高，因此中午比傳統(tǒng)路面釋放更多顯熱，這可能增加高峰用電負(fù)荷，加劇白天的超高溫效應(yīng)。此外，透水混凝土由于孔隙率高，較密實(shí)混凝土耐久性差，需要額外的成本來清除空腔中堵塞的污垢。堵塞可能進(jìn)一步減少間隔腔之間的蒸汽輸送，并可能損害蒸發(fā)冷卻，影響其性能與應(yīng)用。

4 結(jié)束語

1) 盡管大部分研究顯示涼爽路面對(duì)生態(tài)是有益的，但也有研究表明，其會(huì)帶來額外的環(huán)境壓力，使用應(yīng)謹(jǐn)慎。

2) 涼爽路面是一項(xiàng)環(huán)境友好型技術(shù)，需持續(xù)研發(fā)并不斷完善。該技術(shù)的推廣應(yīng)用不僅可顯著降低路面溫度，還能降低城市環(huán)境溫度，改善城市生態(tài)，最大限度提高經(jīng)濟(jì)效益。

3) 鋪設(shè)涼爽路面是一項(xiàng)長期投資，其經(jīng)濟(jì)效益應(yīng)綜合生命周期評(píng)估(LCA)。使用涼爽路面可提供更優(yōu)的熱舒適性、更多的節(jié)能和更低的路面維護(hù)成本等，投入時(shí)額外的成本可由這些優(yōu)勢(shì)來平衡。