瀝青路面灑水降溫影響及方案研究

吳文亮，袁魁浩，李智

(華南理工大學土木與交通學院，廣東廣州510641)

0 引言

隨著改革開放的發(fā)展，我國城市規(guī)模逐漸擴大。但城市熱島效應也在逐漸加重，嚴重影響了城市的生態(tài)環(huán)境。道路等建筑在受到太陽輻射快速提升溫度，從而影響周圍建筑及路面上層空氣溫度，成為了熱島效應非常大的影響因素。因此，為了緩解城市熱島效應問題，改善道路路面溫度變得尤為重要。

針對如何改善道路路面溫度，國內外學者大多數(shù)的研究方向分為兩大類：太陽熱反射涂層及透水路面。加藤寬道等[1-6]對太陽熱反射涂層材料、現(xiàn)狀、問題、未來發(fā)展趨勢展開了重點探究，但路面材料由于雨水沖刷，車輛磨損易使涂層剝落，涂層的耐久性問題一直未能得到解決。同時，反射涂料只是單方面地降低路面的溫度，卻由于反射增加周圍建筑的溫度，在緩解城市熱島效應方面未能取得滿意的效果。在透水路面方向上，張玉等[7-11]究了透水瀝青路面的材料組成、結構組合、性能對比等方向，但透水路面由于本身空隙率大，在易儲存水分的同時也會吸附灰塵，使用久后影響水分蒸發(fā)降溫效果。

路面灑水降溫是目前我國最常見的道路降溫方法，在特定的時間通過灑水車灑水能有效降低路面溫度，同時清洗路面灰塵，相較于熱反射涂層材料和透水路面顯得更加簡便、有效及環(huán)保。本文擬通過室內灑水試驗及Fluent有限元模擬研究瀝青路面在風速、灑水量、路面輻射吸收率和空氣濕度等影響因素變化下的灑水降溫效果，并根據(jù)影響特性探究實際一天內的最佳灑水次數(shù)和最佳灑水時間。

1 瀝青路面室內灑水試驗

影響瀝青路面灑水降溫的因素主要包括風速、空氣濕度、單次灑水量和輻射吸收率。由于實際實驗條件的限制，室內試驗中只研究分析風速和單次灑水量對路面灑水降溫的影響，其余因素控制為常量。

1.1 實驗準備

本次實驗場地選擇在華南理工大學道路工程研究所內進行，研究所內因環(huán)境較為密閉，且有上面建筑物的遮擋，所以空氣濕度和太陽輻射量能維持在一個相對穩(wěn)定的值，利于采用控制變量法去研究。實驗所需要用到的器材和功能見表1。

表1 實驗器材及功能Tab.1 Laboratory equipment and functions

1.2 試件制備

本次試驗所采用的試件為瀝青混凝土車轍板，通過控制風速和單次灑水量的變化，保持空氣濕度和路面輻射吸收率不變，灑水后記錄車轍板表面的溫度，以研究路面灑水降溫的影響特性。在材料選擇方面，其中瀝青選用SBS改性瀝青，集料采用經(jīng)初步篩選后的10～18、5～10、3～5 mm碎石和0～3 mm機制砂，填料采用普通礦粉。根據(jù)礦料篩分結果，算出密集配瀝青混凝土的配合比，并根據(jù)該比值合成最終瀝青混合料的級配見表2。

表2 瀝青混合料礦料級配組成及要求Tab.2 Asphalt mixture mineral grade composition and requirements

根據(jù)設計規(guī)范[12]要求制備車轍板300 mm×300 mm×50 mm，一共制備6個。試驗開始前在所有車轍板側邊貼上錫箔紙，以確保側邊不受外部傳熱的影響。為對路面溫度進行初始化，全部將車轍板置于原先設置為60 ℃的烘烤箱中。在試驗地方架起碘鎢燈，使用太陽輻射測量器測量路面處的輻射值，通過反復調試碘鎢燈到車轍板的距離[13]使其達到一年最大的輻射值962 W/m2。

1.3 風速及單次灑水量對路面灑水降溫的影響

研究風速對路面灑水降溫的影響時，需控制單次灑水量為固定值，其余影響因素因試驗場地原因可維持在一個固定值。從烘烤箱中取出1個車轍板，使用橡膠板作為墊面以確保底面不受外部傳熱影響。根據(jù)SASS[14]的研究，瀝青路面灑水后最大的吸附量1 kg/m2，超過1 kg/m2的部分會發(fā)生徑流。根據(jù)車轍板面積換算后1 kg/m2所對應的灑水重量為90 g。實驗開始前，打開可調速風扇，使用風速儀控制路面上方的風速為2 m/s。稱取90 g水均勻噴灑到路面上，用測溫儀記錄路面表面隨時間變化的溫度。待路面恢復至穩(wěn)定溫度時，結束本組實驗。再次取出另一車轍板，重復以上實驗，依次記錄車轍板表面在風速1 m/s、0 m/s下隨時間變化的溫度，繪制溫度—時間關系如圖1所示。

當研究單次灑水量對路面灑水降溫的影響時，需控制風速為固定值。同樣從烘烤箱中取出1個車轍板，使用橡膠板作為墊面以確保底面不受外部傳熱影響。打開可調速風扇，使用風速儀調試路面上方風速，使其保持在恒定值1 m/s，然后根據(jù)單次灑水量0.6 kg/m2換算的質量為54 g，稱取54 g水均勻噴灑到路面上，用測溫儀記錄路面表面隨時間變化的溫度。重復以上實驗，分別記錄車轍板表面在單次灑水量為0.8 kg/m2和1 kg/m2下隨時間變化的溫度，繪制的溫度—時間關系如圖2所示：

通過圖1可以看出，當風速為0 m/s時，曲線的變化趨勢較為平穩(wěn)；而當風速為1 m/s和2 m/s時，曲線下降速率明顯增快。風速越大，路面溫度降溫幅度也越大，從曲線上表現(xiàn)為谷值越低，但路面恢復后穩(wěn)定值會越低。這是因為風速除了提高水分蒸發(fā)速率外，還會促進空氣的對流換熱，從而增大路面的降溫幅度。而幅度的增大，會增加路面溫度恢復穩(wěn)定值的時間。其次，在風速持續(xù)影響下，空氣的對流換熱會使路面長時間保持在相對較低的溫度，故最終路面溫度穩(wěn)定值會隨著風速的增大而減小。

圖1 風速變化下溫度—時間關系圖Fig.1 Temperature-time relationship diagram under wind speed change

圖2 單次灑水量變化下溫度—時間關系圖Fig.2 Temperature-time relationship diagram under a single sprinkling volume change

通過圖2可以看出，在前期灑水量足夠的情況下，路面溫度下降速率不會隨著灑水量的增加而增加。但是隨著灑水量的增大，路面的降溫幅度和降溫時間會增加，相應路面的恢復時間也增加。而從曲線最終的穩(wěn)定值可以看出，灑水量的增加，對路面溫度的穩(wěn)定值影響甚微。從以上曲線變化中可以看出，灑水量作為外部影響因素不會改變?yōu)⑺舭l(fā)吸熱的性質，包括降溫速率和溫度恢復程度。但是灑水量的增加，能延長水分蒸發(fā)降溫的時間，進一步影響溫度的下降程度。

2 瀝青路面模型建立及灑水蒸發(fā)模擬

由于室內試驗的條件限制，只是對灑水路面影響因素中的風速和單次灑水量進行了分析，為更加充分地分析路面輻射吸收率及空氣濕度的影響特性，本文擬采用Fluent有限元模擬灑水蒸發(fā)，同時確定在不同情況下的詳細灑水方案，包括灑水量、灑水次數(shù)和灑水時間。

2.1 蒸發(fā)公式的選用[15]

由于Fluent系統(tǒng)內未自帶灑水蒸發(fā)系統(tǒng)，需選用合適的蒸發(fā)公式建立USD(user subroutine dflux)進行分析計算。根據(jù)路面水分蒸發(fā)的外部條件和原理，采用質交換準則公式來模擬灑水降溫。

質交換準則公式中水蒸發(fā)的質通量和熱通量由以下公式確定：

(1)

qe=MAγ，

(2)

式中：MA蒸發(fā)質通量；hD為質交換系數(shù)；RA為空氣摩爾數(shù)；T為空氣溫度；pA,1為蒸發(fā)面水蒸氣分壓；pA,2為空氣中水蒸氣分壓；qe為蒸發(fā)熱通量；γ為水的蒸發(fā)潛熱。

由于在蒸發(fā)過程中存在著風速和汽車運行過程中所帶的空氣流動，故可視為受迫對流，其中質交換系數(shù)可由以下公式確定：

(3)

(4)

(5)

式中:D為質擴散系數(shù)；D0為T0=273 K時的擴散率；T0為初始空氣溫度；ν為運動粘度；L為定型尺寸；Sc為施米特數(shù)；Sh為宣烏特數(shù)；當Re<5×105時，Sh=0.664Re1/2Sc1/3；當Re>5×105時，Sh=(0.037Re0.8-870)Sc1/3，Re為雷諾數(shù)。

2.2 瀝青路面模型建立及參數(shù)設置

結合路面實際組成結構，于Ansys系列產(chǎn)品中的ICEM CFD建立300 cm×300 cm×10 cm的三維瀝青路面模型。同時，為模擬空氣和路面的傳熱過程，根據(jù)路面尺寸在原來路面模型上方疊加模型300 cm×300 cm×90 cm，整體的模型尺寸為300 cm×300 cm×100 cm。建立物理模型后，在軟件中設置映射關系，并將長寬方向均設定為30節(jié)點，高度方向設定為10節(jié)點，劃分網(wǎng)格。

劃分網(wǎng)格結束后，將保存的文件使用Read功能導入進Fluent中進行求解設置。具體求解設置流程如圖3所示。根據(jù)殘差曲線中最終的分布，可見各指標均趨于穩(wěn)定，因此可判定計算結果收斂。

圖3 Fluent各參數(shù)求解設置流程圖Fig.3 Fluent parameter setting flow chart

2.3 路面輻射吸收率及空氣濕度對路面灑水降溫的影響

當研究路面輻射吸收率對路面灑水降溫的影響時，模擬設置時需保持其余變量不變，根據(jù)fluent設置流程，將風速設置為1 m/s，單次灑水量設置為1 kg/m2，空氣濕度設置為20 %。在Fluent路面區(qū)域選定SourceTerms選項卡，在Energy中分別設置路面輻射吸收率為90 %、85 %、80 %和70 %，以模擬路面溫度在不同輻射吸收率下隨時間的變化情況。最終根據(jù)模擬計算結果繪制的溫度—時間關系如圖4所示。

當研究空氣濕度對路面灑水降溫的影響時，模擬設置時同樣需保持其余變量不變。其中風速設置為1 m/s，單次灑水量設置為1 kg/m2，路面輻射吸收率設置為90 %。在邊界條件設置中選擇Inlet面，在Species選項卡中分別輸入空氣濕度值，以模擬計算空氣濕度為20 %、40 %、60 %、80 %時路面灑水后的溫度變化，經(jīng)匯總后的溫度—時間關系如圖5所示。

從圖4得知，路面輻射吸收率的變化對曲線的下降速率和恢復速率均影響不大。但是輻射吸收率增大時，會使得降溫幅度減小，溫度穩(wěn)定值增大。這是因為輻射吸收率和路面吸收的熱量息息相關，輻射吸收率越小，路面吸收的熱量也越小。而吸收熱量的減小表觀上為路面溫度更低，降溫幅度更大，溫度穩(wěn)定值更低。而降溫幅度越大時，降溫時間會越長，整體路面的降溫持續(xù)時間也越長。

從圖5可得知，空氣濕度的增加，會降低路面溫度的下降速率和恢復速率，整體的降溫持續(xù)時間會增大。這是因為水分蒸發(fā)微觀上實則為空氣和路面的水分相互流動的互逆過程，當空氣濕度變大時，會延遲兩過程趨向平衡的時間，表觀上為增大了降溫時間和恢復時間。但是，由于在太陽輻射的持續(xù)作用下，路面上的水分總會蒸發(fā)完，故當灑水量不變時溫度的最低值和穩(wěn)定值是不變的。這一現(xiàn)象說明了空氣濕度對路面灑水的降溫幅度影響甚微。

圖4 輻射吸收率變化下溫度—時間關系圖Fig.4 Temperature-time relationship diagram under the change of radiation absorption rate

圖5 空氣濕度變化下溫度—時間關系圖Fig.5 Temperature-time relationship diagram under changes in air humidity

3 一天內瀝青路面在不同情況下灑水方案研究

上文已經(jīng)對路面灑水降溫的影響特性進行詳細地研究，為得到具體的灑水方案，還需通過Fluent分情況模擬一天內路面的具體灑水時間和灑水次數(shù)?？紤]到瀝青的最低軟化點在50 ℃以下，如AH-90為45.2 ℃[16]。故在灑水時機選擇上可設置為當路面溫度達到50 ℃時需要灑水，這樣既能保證瀝青路面的結構安全，也能起到降溫的作用。

計算前，保留之前的計算模型，并按照參數(shù)要求在具體的選項中設置。但在初始設置中，關掉Patch功能，表示一開始尚未灑水。創(chuàng)建點Point1(150 cm,150 cm, 10 cm)，打開Monitor選項卡，將此點設為溫度監(jiān)控點，以判斷灑水時機。另為了模擬一天內氣溫和輻射量的變化情況，需在計算過程中按時暫停計算，并人為地補充更換設置。

在計算過程中，當路面每次升溫至50 ℃時暫停計算，打開Patch功能設置往路面灑水再繼續(xù)計算。路面溫度會經(jīng)歷先下降后上升過程。待路面再次達到50 ℃時重復以上操作，直至路面不再回升至50 ℃。另外根據(jù)民用建筑熱工設計規(guī)范查閱一天每時段的輻射量和溫度，從10∶00到18∶00每隔1 h暫停計算更換路面輻射值和空氣溫度，以模擬真實一天的情況。同時，灑水次數(shù)相對于灑水量來說成本更高，為探究更加合理的灑水方案，故灑水量均默認為瀝青路面的最大吸附量1 kg/m2。

3.1 不同車流量下路面灑水方案研究

圖6 不同車流量下溫度—時間關系圖Fig.6 Temperature-time relationship diagram under different traffic flows

在路面水分蒸發(fā)的過程中，風速對水分蒸發(fā)的影響和車輛在行駛過程中所帶動空氣流動對水分蒸發(fā)影響實質上非常相似，均為通過影響空氣對流換熱來影響水分蒸發(fā)，所以在研究不同車流量變化時可通過設置風速來簡化控制。在實際變量控制中，通過控制風速為2 m/s和0 m/s來簡化模擬車流量的“大”和“小”，其余變量設置為固定值。為方便統(tǒng)計灑水次數(shù)和灑水時間，建立“50 ℃灑水線”。當溫度超過該線時開始灑水，超過該線的時間即為灑水時間，最終一天內超過該線的頂點個數(shù)即為灑水次數(shù)。根據(jù)定義繪制的溫度—時間關系如圖6所示。

根據(jù)上圖分析，隨著車流量的減小，由于風速越小路面升溫速率越快，故更加提前達到灑水點。其次，雖然風速越小降溫時間越大，但是溫度會因為空氣對流換熱較弱急劇上升，整體的降溫持續(xù)時間會更短。從一天內比較可以發(fā)現(xiàn)12∶00～14∶00期間灑水持續(xù)時間更短，降溫幅度更小，這是因為太陽在此時段的輻射值最大，溫度最高。最終結果：當車流量較小時，需要灑水6次。當車流量較大時，則需要灑水3次。

3.2 不同使用年限路面灑水方案研究

在研究不同使用年限路面灑水方案時，根據(jù)LI等[17]的研究，瀝青路面的使用年限越長，其路面輻射吸收率會越小。故在實際變量控制中，通過控制輻射吸收率為0.9 m/s和0.75 m/s來簡化模擬路面的“新”和“舊”，其余變量設置為固定值。最終根據(jù)計算結果繪制的溫度—時間關系如圖7所示。

根據(jù)上圖分析，隨著路面輻射吸收率減小，路面所吸收的太陽輻射量也減小，升溫速度變慢，故較為延遲達到灑水點。同時路面使用年限變大時，降溫時間和恢復時間都變長。最終結果：當路面使用年限較小時，需要灑水5次。當路面使用年限較大時，需要灑水3次。

3.3 不同濕度地區(qū)路面灑水方案研究

在研究不同濕度地區(qū)路面灑水方案時，在實際變量控制中，通過控制空氣濕度為80 %和20 %來簡化模擬不同地區(qū)濕度的“大”和“小”，其余變量設置為固定值。最終根據(jù)計算結果繪制的溫度—時間關系如圖8所示：

圖7 不同使用年限路面下溫度—時間關系圖Fig.7 Temperature-time relationship diagram for pavement under different service life

圖8 不同濕度地區(qū)路面下溫度—時間關系圖Fig.8 Temperature-time relationship diagram under different roads in different regions

根據(jù)上圖分析，當空氣濕度變小時，路面升溫的抑制效果減弱，故較為提前達到灑水點。同時隨著空氣濕度的減小，降溫時間和升溫時間變短，灑水間隔變短，灑水次數(shù)增多。最終結果：當路面處于小濕度地區(qū)時，需要灑水4次。當路面處于大濕度地區(qū)時，則需要灑水3次。

3.4 不同情況下路面灑水方案匯總

上文已經(jīng)對路面在不同情況下的灑水方案進行了詳細地研究，但得出的灑水時機和灑水次數(shù)仍有些凌亂，需對上面結果進行匯總。從不同情況下的溫度—時間圖(圖6～圖8)可以看出，最早的灑水時間為11∶02，最遲的灑水時間為15∶57。故可將所有灑水時機簡化選為11∶00～16∶00，灑水間隔計算下：

另外上述的灑水次數(shù)只是考慮了單方面的情況，當多情況疊加時，如大濕度地區(qū)車流較大的路段，可考慮按照最不利情況考慮，即按照灑水次數(shù)較大的情況來考慮，各情況疊加后灑水次數(shù)匯總見表3。

表3 多情況組合下灑水方案表/次數(shù)Tab.3 Multi-case combination sprinkling scheme

4 結論

本文通過瀝青路面室內灑水試驗和Fluent有限元模擬對影響路面灑水降溫的各因素進行了分析，并結合分析結果進一步探究不同路面情況下的灑水方案，包括灑水時機和灑水次數(shù)。最終得出的結論如下：

①通過室內試驗得知，風速越大，灑水后路面溫度降幅越大，降溫所持續(xù)的時間越長；單次灑水量越大，灑水后路面溫度降幅越大，降溫所持續(xù)的時間越長。

②Fluent有限元軟件結合質交換準則一定程度上能模擬灑水蒸發(fā)降溫的過程。

③通過Fluent模擬分析得知，路面輻射吸收率越大，灑水后路面溫度降幅越小，降溫所持續(xù)的時間越短；空氣濕度越大，降溫所持續(xù)的時間越大，但灑水后路面溫度降幅變化不顯著。

④當車流量較小時，需要灑水6次；當車流量較大時，需要灑水3次。當路面使用年限較小時，需要灑水5次；當路面使用年限較大時，則需要灑水3次。當路面處于小濕度地區(qū)時，需要灑水4次；當路面處于大濕度地區(qū)時，則需要灑水3次。

⑤灑水時機統(tǒng)一選為11∶00～16∶00，時間間隔視灑水次數(shù)而定。

⑥當路面多情況疊加時，按照最不利情況來決定灑水次數(shù)。