瀝青路面熱反射涂層輻射熱效應(yīng)分析

劉 東，邵桂彬

（1.德州市公路事業(yè)發(fā)展中心樂陵分中心，山東 德州 253600；2.德州市公路事業(yè)發(fā)展中心，山東 德州 253600）

引言

瀝青路面以其平整度高、舒適性好、噪音低等優(yōu)點(diǎn)在公路建設(shè)中得到了廣泛的應(yīng)用，但其組成材料色澤黑，對(duì)太陽熱輻射吸收率高達(dá)85%～95%[1]，反射能力較低，所以瀝青路面具有較強(qiáng)的吸熱特性。尤其到夏天，隨著日照時(shí)間延長，太陽輻射也增強(qiáng)，瀝青路面會(huì)吸收大量的輻射熱量使得路表溫度遠(yuǎn)高于大氣溫度。此外，隨著我國公路建設(shè)的飛速發(fā)展，以及城市化進(jìn)程的加快，大量的地面空間（尤其是綠地）被瀝青路面所代替，這種瀝青路面熱效應(yīng)加劇了城市“熱島效應(yīng)”（UHI）[2-5]。

目前,大量文獻(xiàn)對(duì)瀝青路面與周圍的熱環(huán)境相互影響進(jìn)行了研究。瀝青路面1 d的熱輻射量是草地的10.7倍[6]。特別是晚上，草地不但不向大氣輻射熱量，而且還從大氣中吸收熱量；而瀝青路面從18∶00—6∶00向大氣輻射的熱量仍占1 d的1/3。夏季對(duì)瀝青路面和裸土進(jìn)行溫度測量和分析結(jié)果顯示，白天瀝青路面溫度遠(yuǎn)高于裸土表面溫度，在午后溫度上升超過 60 ℃，即使在日出前瀝青路面溫度仍然高于大氣溫度5 ℃[7]。木內(nèi)豪等在東京鋪設(shè)熱反射涂層，結(jié)合當(dāng)?shù)氐拇髿猸h(huán)境等因素建立模型分析其對(duì)周圍溫度的影響，得出涂層可以降低大氣溫度 0.77 ℃[8]。

前期研究對(duì)近地表大氣溫度影響的研究很少考慮到瀝青路面反射率特性對(duì)太陽光的依賴關(guān)系。因此，不能準(zhǔn)確評(píng)價(jià)熱反射瀝青路面對(duì)環(huán)境的改善效果。

1 原材料和研究方法

1.1 原材料

采用自行研發(fā)的3種熱反射涂層：白色涂層，粉紅色涂層和灰色涂層。涂層材料[9]由樹脂體系、功能材料、顏料、分散劑、抗沉降劑和引發(fā)劑組成。用紫外-可見分光光度計(jì)（UVS）測試各涂層反射率見表1。太陽光反射涂層工作原理見圖1。

表1 涂層反射率

圖1 太陽光反射涂層的工作原理

1.2 試驗(yàn)和評(píng)價(jià)方法

1.2.1 涂層路段測溫

在某環(huán)山路進(jìn)行現(xiàn)場涂層的噴涂和表面溫度采集，噴涂劑量、面積為400 g/m2、10 m2[10]，完成涂層見圖2。使用非接觸式紅外測溫槍采集溫度數(shù)據(jù)，測量結(jié)果范圍為32～350 ℃，精度為1.5 ℃。在觀測日，0∶00—24∶00每2 h對(duì)對(duì)照路面溫度進(jìn)行采集；白天11∶00—18∶00每1 h對(duì)不同涂層溫度進(jìn)行采集。

圖2 瀝青路面的熱反射涂層

1.3 瀝青路面熱效應(yīng)分析

瀝青路面跟周圍環(huán)境直接接觸，根據(jù)能量守恒定律，熱能在瀝青路面和各種自然因素之間進(jìn)行交換，構(gòu)成了圖3所示的光熱環(huán)境。

由圖3可以看出，瀝青路面面層結(jié)構(gòu)主要是接受來自太陽的直接輻射、散射輻射和大氣逆輻射，向外反射少量輻射，同時(shí)與近地空氣進(jìn)行對(duì)流換熱，與其他結(jié)構(gòu)層進(jìn)行傳導(dǎo)熱。但無論是結(jié)構(gòu)內(nèi)部還是外部，能量之間都是以傳導(dǎo)、對(duì)流和輻射3種方式進(jìn)行傳遞。大氣表層主要受下墊面影響，其主要高度范圍可達(dá)離地100 m，在不同熱傳導(dǎo)作用下，大氣表層的溫度可以瞬間達(dá)到平衡溫度。

圖3 典型瀝青路面的光熱環(huán)境

由于瀝青路面反射率較低，可以吸收高達(dá)95%的太陽輻射，導(dǎo)致其溫度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于周圍環(huán)境的溫度。路面長波輻射與溫度四次方成正比，使路面通過長波輻射對(duì)外界產(chǎn)生較大的熱效應(yīng)，進(jìn)而對(duì)外界熱環(huán)境產(chǎn)生不利影響。除了長波輻射外，路面還通過對(duì)流將熱量傳遞到大氣中。在路面和路面表面流動(dòng)的大氣之間，熱量通過對(duì)流不斷地傳遞。熱對(duì)流可分為自由對(duì)流和強(qiáng)迫對(duì)流。在這兩種方式中，界面的對(duì)流系數(shù)隨著外部環(huán)境（如風(fēng)速）的變化而不斷變化，但一般認(rèn)為是一個(gè)常數(shù)。

物體在自然環(huán)境中獲得的凈熱流：

式中:q""—物體表面的凈熱流密度，W/m2；Es—吸收的太陽能，W/m2；Esky—大氣輻射熱，W/m2；Esur—地面輻射熱，W/m2；Eh—對(duì)流熱，W/m2；Ec—傳導(dǎo)熱，W/m2；Er—物體表面的輻射散射損失，W/m2。

近地大氣的凈熱通量：

式中：qa""—大氣表層凈熱通量，W/m2；Esur—瀝青路面的輻射熱，W/m2；Eh—對(duì)流熱，W/m2；Er—大氣表層對(duì)外輻射熱，W/m2。

將大氣表層作為一個(gè)整體，將Es和Er視為不變量，分析Esur和Eh。

1.4 瀝青路面熱輻射效應(yīng)分析

瀝青路面吸收太陽輻射和大氣長波輻射，同時(shí)向周圍環(huán)境輻射熱量。通過確定路面輻射的熱量和大氣的長波輻射熱量來計(jì)算路面向周圍環(huán)境的熱量輸出。

1.4.1 路面向環(huán)境輻射熱量

路面向周圍環(huán)境輻射熱量的來源有兩種：一種是路面自身的紅外輻射；另一種是地面反射的大氣長波輻射。

路面輻射[13]：

式中：Cs—Stefan Boltzmann常數(shù)5.775，W/m2K4；εu—發(fā)射率；Ts—路面溫度，℃。

1.4.2 大氣長波輻射

式中：Ga—大氣長波輻射，W/m2；Ta—實(shí)測環(huán)境溫度，℃；

無云時(shí)，Ga按式（4）計(jì)算；有云時(shí)，Ga按式（5）計(jì)算。

1.4.3 被路面反射的大氣長波輻射

式中：Ra—路面表面反射的大氣長波輻射，W/m2；εa—大氣輻射系數(shù)。

由于這部分輻射方向向上，所以被計(jì)入路面向上的輻射。故路面實(shí)際向上輻射：

1.4.4 路表面的有效輻射熱

路表面有效輻射熱為路面輻射熱加上被路面反射的部分大氣長波輻射，再減去大氣的長波輻射熱。無云時(shí)，瀝青路面對(duì)周圍環(huán)境的輻射熱效應(yīng)：

由式（8）可知，大氣溫度和路面溫度是影響瀝青路面熱輻射效應(yīng)的關(guān)鍵因素。因此，有必要確定各時(shí)刻的溫度，以計(jì)算瀝青路面在一段時(shí)間內(nèi)的熱輻射效應(yīng)。測量的溫度為某一具體時(shí)刻的溫度。目前有兩種近似溫度取值的方法：（1）利用路表溫度隨時(shí)間變化理論公式計(jì)算路面輻射熱效應(yīng)，然后對(duì)時(shí)間進(jìn)行積分運(yùn)算。（2）估算或測量每小時(shí)大氣溫度和路面溫度。將溫度擬合到方程中，然后將前一個(gè)擬合方程代入式（8），進(jìn)行時(shí)間積分。

采用第二種方法：

2 結(jié)果分析

2.1 試驗(yàn)路段測溫結(jié)果

用紅外測溫槍對(duì)試驗(yàn)路段進(jìn)行測溫后，表2顯示了大氣和路面的測量溫度，而不同涂層路面的溫度列于表3。

表2 大氣及路面的實(shí)測溫度

表3 不同涂層路面測溫 /℃

2.2 熱反射涂層瀝青路面環(huán)境熱效應(yīng)分析

根據(jù)表2中大氣及路面實(shí)測溫度與表3中每個(gè)涂層的路面測量溫度，通過使用五階多項(xiàng)式，擬合每個(gè)涂層在11∶00—18∶00期間的測量溫度，繪制出溫度擬合曲線。

根據(jù)圖4擬合曲線，得出對(duì)照路面、白色涂層、粉色涂層、灰色涂層和大氣溫度擬合計(jì)算：

式中：Tas—對(duì)照瀝青路面實(shí)測溫度，℃;Tw—白色涂層路面實(shí)測溫度，℃；Tp—粉色涂層路面實(shí)測溫度，℃；Tgr—灰色涂層路面實(shí)測溫度，℃；t—時(shí)間，h。

將式（10）～式（14）代入式（9），計(jì)算11∶00—18∶00對(duì)照瀝青路面的輻射熱效應(yīng)。瀝青路面εu采用0.92，εa采用0.74，并利用方法計(jì)算白色涂層、粉紅色涂層和灰色涂層的輻射熱效應(yīng)，結(jié)果見圖5。

圖4 不同涂層路面表面溫度

圖5 不同瀝青路面的輻射效應(yīng)

分析表明，瀝青路面向周圍環(huán)境輻射了大量的熱量，而熱反射涂層降低了路面的輻射吸收率和溫度，并且減少了向外輻射的熱量。因此，熱反射涂層有助于降低周圍環(huán)境的溫度和UHI效應(yīng)。

3 結(jié)語

（1）瀝青路面可以通過輻射和對(duì)流的方式向周圍環(huán)境傳遞熱量。路面溫度對(duì)熱效應(yīng)起決定性作用。（2）與對(duì)照瀝青路面相比，3種熱反射層的輻射熱降低了近2/3，熱反射路面降低了環(huán)境熱效應(yīng)，有利于緩解城市熱島效應(yīng)。