利用冷却路面作为应对城市热岛效应的缓解策略 —对实际发展的回顾外文翻译资料

 2022-11-13 15:57:22

英语原文共 17 页，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料

利用冷却路面作为应对城市热岛效应的缓解策略

—对实际发展的回顾

M. Santamouris

摘要：热岛现象使城市温度升高，增加了对制冷的能源需求，降低了城市环境的舒适度。为了平衡这一现象的影响，人们提出并发展了重要的缓解技术。道路占有城市区域很高的比例，并且对城市热岛的发展有很大的作用。使用表面温度明显较低和减少大气显热通量的冷却路面，似乎是提出的最重要的缓解办法之一。本文研究和描述了冷却路面技术的现状。分析了确定路面热性能的主要热学参数和光学参数。在数据和结果可用的情况下，考虑了几乎所有已开发的技术，同时强调了反射性和透水性/保水性路面的表现。综述了这两个领域的主要技术成果，描述了现有的应用，并给出了可用的性能数据。现有研究结果明确表明，冷却路面的缓解及降温潜力非常显著，对降低城市环境温度具有重要作用。

1.引言

热岛是指一个城市区域的温度比周围郊区和农村地区的温度高的现象。这一现象与城市环境中由于吸收太阳辐射和人为热等热增益的增加，以及热损失[1]的降低而产生的正热平衡有关。毫无疑问，热岛是记录最多的气候变化现象，在地球的不同地理区域都有很好的记录[2,3]。在许多城市中，热岛强度可能超过几度，同时观测到一个重要的区域和时间的变异性[4]，加上全球气候变化现象，是城市气温显著升高的主要原因[5-7]。这种现象出现在高密度、低环境质量城市的特定区域，导致环境热舒适水平严重降低，室内热条件差[8-13]。据报道，美国疾病控制和预防中心估计， 1979年到1998年，高温暴晒导致了美国7421人死亡。

热岛效应对建筑能耗有重要影响，它增加了建筑制冷能耗。各种研究表明，由于城市温度的严重升高，建筑物的冷却能耗可能会增加一倍。同时城市污染物的排放和产生，尤其是对流层臭氧，均大量增加，热岛城市的生态愈加严重。

平衡城市热岛效应是科学界的一项重要优先任务。一些技术已经被提出、开发和应用，并取得了相当高的成功。提出的缓解技术和科技包括使用在太阳光谱上呈现高反射率以及热发射率值的所谓的冷却材料,进一步摊销和消散太阳能和热能，智能材料的发展呈现了很高的光学性能和热性能，城市环境中绿色空间的使用适当涉及了城市绿色模块的景观及设计 [38、39], 使用低温的合适的散热片来散发多余的环境热量，包括地面、环境空气和水的使用[40–45]、城市表面的适当遮阳和太阳能控制[46,47]以及在城市建筑中使用低温屋顶，这两种方法都是基于上述冷却材料的使用。屋顶表面的ALS（冷屋顶），或在其上安装种植系统（绿色或种植屋顶）[48-56]。

道路对城市热岛发展的影响是非常重要的。最近的许多研究表明，铺装路面对城市整体热平衡起着非常决定性的作用[57-60]。路面在城市面积中占有相当高的比例，对热岛的发展有着重要的贡献。在欧洲和美国，铺装路面主要由混凝土和沥青路面组成，在夏季表现出较高的表面温度。Rose等人[61]的研究表明，美国的路面几乎覆盖了城市面积的29%。在[62-65]其他研究报告中，美国多个城市的路面，包括道路、路面和停车场，在城市冠层以上观察时覆盖29% - 39%，在冠层以下观察时覆盖36% - 45%。如[66]所述，在美国仅覆盖着黑色沥青的停车场就占地3.72亿平方米。据估计，仅在美国，改善路面的花费就大约需要16.6亿美元，而桥梁和公路每年的养护费用超过上述费用的一半[67]。

降低路面温度对改善城市高温热环境有重要作用。这可以通过在温暖期用表面温度低得多的新路面代替传统路面来实现，对现有路面进行改造、保存和修复，以改善其热工性能，并对铺装表面进行遮阳，以减少太阳辐射的吸收[68]。先进的材料和表面，被称为冷却路面，已经开发出来，并可在城市环境中使用。冷路面主要是利用对太阳辐射具有高反照率的表面与高热发射率(反射路面)相结合，或利用水蒸发的潜热降低其表面和环境温度(保水性路面)。这两项技术都很发达，许多商业产品都可以在市场上买到。与此同时，许多具有冷路面的大型应用程序已经被设计、构建和评估，并获得了非常有前途和重要的结果[69-77]。具有特色的是，截至2009年，日本冷路面安装面积超过80万平方米，而年安装面积超过27万平方米[75]。

本文旨在介绍和分析与冷路面相关的主要技术的发展现状。它评估了反射性和透水性路面的最新发展，同时提出了超越上述技术的新思路和应用。同时，它提供了几个案例研究的有组织的信息，在这些案例研究中，冷路面已被用于实际规模的项目，并调查了所获得的结果。

2.路面和城市气候

路面对城市气候影响很大。它们的热平衡是由吸收的太阳辐射、发出的红外辐射、通过对流传递到大气中的热量、储存在物质中的热量和传导到地面的热量所决定的。当存在潜热现象时，蒸发甚至凝结也会影响路面的热状态，同时还需要考虑雨雪的影响。人为热，由于道路交通也可能影响材料的热平衡[78]。[79]中报道的具体研究表明，东京路面的红外辐射会导致大气升温，这一升温速度约为东京商业区能耗的一半。如[79,80]所述，路面是城市热岛发展的主要贡献者。

利用实验和计算模拟技术，分析了路面热平衡及其对城市气候的影响。路面热状况的实验评价可以采用中尺度遥感技术进行，也可以采用红外热像仪和常规温度监测等微尺度测量方法进行。中尺度卫星技术已广泛应用于城市地区地表温度的评估[81-86]。基于卫星的技术提供一个有用的工具来理解城市地表温度的空间分布和评估在早期阶段路面材料对城市热岛的影响,但是他们与一些约束条件,如时间限制设定的轨道的卫星,图像的分辨率和相关的问题的解释图像[81、87、88]。微尺度测量技术提供了关于热条件的详细信息

研究区域和允许一个深刻的理解相应的热过程。大多数微尺度的实验活动都是使用红外热成像或传统的热电偶温度测量来进行的。利用红外热像仪精确测量表面温度需要对所选材料的发射率有准确的认识或估计。估算材料发射率的方法见[89-91]。利用热电偶来测量表面温度是一种众所周知的精确技术，前提是表面和传感器之间能达到很好的接触。采用红外热像仪和传统温度传感器对不同路面材料的表面温度进行了对比测量[81]。据报道，温差范围在0.2 K到5.6 K之间。红外热像仪测得的温度高于热电偶传感器测得的温度。具体的微尺度技术具有很高的精度，可以提供温度模式日变化的瞬时结果和信息;然而，它们不能提供大区域温度分布的全局可视化。

提出并发展了计算模拟技术来预测和分析路面的热性能。模型能够研究可能无法直接测量的特定热现象。使用分析或数值技术提出了几个模型[92-99]，具有不同程度的复杂性。大多数模型都声称与实验数据非常吻合。

2.1 反照率的作用

太阳辐射的吸收或反射量是由特定材料的光谱和宽带吸收或反射率决定的。路面和道路材料的特定反射率数据在[100]中有报道。一般来说，反射率的值是由材料的颜色和粗糙度决定的。浅色对太阳辐射的可见光光谱的吸收率较低，而红外部分对辐射的特定吸收率与所感知的颜色无关。太阳辐射的吸收率也受表面粗糙度的影响。据文献[101]报道，在对不同路面材料进行比较测量的情况下，表面光滑平整的砖要比表面粗糙凹凸不平的砖冷。

已有大量研究将铺装材料的颜色对其表面温度和显热释放的影响联系起来。在[101]中，几种类型的商业路面在夏季进行了比较测试。据报道，黑色花岗岩和白色大理石的最大表面温差接近19 1C，而不同颜色路面类型之间的温差显著。在[102]中，测量了不同颜色的薄层沥青材料在太阳辐射下的表面温度。在白色沥青表面，反照率接近0.45，与反照率接近0.03的黑色沥青相比，最高表面温度降低了近12 K。与此同时，在0.26、0.31、0.10和0.11的视光谱反照率下，黄色、米黄色、绿色和红色沥青材料的最高表面温度分别比黑色沥青低9.0、7.0、5.0和4.0 K。可见，材料在光谱近红外部分的比反射率值对表面温度的影响几乎相同。在street canyons[103,104]进行的测量表明，夏季黑色沥青的表面温度接近65℃，灰色石材的温度为48℃，表面温度为

阴影和非阴影灰色水泥路面的温度分别为30℃和60℃左右。在另一项研究中[105]，夏季对反照率为0.55的彩绘街道与反照率接近0.15的未彩绘街道进行的测量显示，高反照率街道的环境温度低了近1k。沥青路面和裸土的合理运输和排放测量在[79]中有报道。沥青路面在感知性运输方面贡献了额外的200 W/m2，与裸露的土壤相比，其红外辐射增加了150 W/m2。其他文献[106]报道的测量结果表明，反照率为0.72的白色弹性体涂层比反照率为0.08的黑色涂层冷45 K。在炎热的夏季，利用卫星遥感技术对希腊雅典城市环境中使用的不同路面材料进行了对比评估，并在[107]中有报道。沥青路面温度为77.6 ~ 81.8℃，混凝土路面温度为56.2 ~ 78.6℃，大理石路面温度为48.6 ~ 67.3℃，石材路面温度为47.5 ~ 75.1℃。各种路面材料在夏季的对比测量结果见[81]。特别对常规级配热拌沥青、沥青橡胶片密封、间隙级配沥青橡胶混合料、普通混凝土路面段和用橡胶粉改性的普通混凝土段进行了测试。结果表明，空隙级配沥青橡胶混凝土的表面温度最高(67.8 1C)，反照率最低(0.12)。混凝土路面反照率最高(0.48)，表面温度接近51.8℃。结果表明，在白漆的作用下，厚沥青橡胶的反照率为0.13时，其表面温度接近66.7℃，当反照率增加到0.26时，其表面温度降低到51.1℃。文献[99]报道了反照率对各种路面材料最大和最小表面温度影响的敏感性分析。发现反照率接近0.1和0.5的材料表面温度分别接近71℃和53℃，对应的最低表面温度分别为67℃和60℃。文献[108]的研究表明，反照率为0.05、0.15、0.35的路面，其表面温度分别为50.5、46.1、32.2 1C。

为提高铺装材料的反射率进行了认真的研究，并进行了报道。针对两个不同方向的技术发展:(a)增加浅色或白色路面的反照率，增加其在太阳辐射可见部分的光谱反射率;(b)增加光谱近红外部分的有色材料的光谱反射率。以下各节将对现有的最近发展情况进行审查。

2.2 发射率的作用

材料发射长波辐射是其温度和发射率的函数。高发射率值对应于较好的长波辐射发射器，可以很容易地释放吸收的能量。对加州路面辐射的模拟表明，净红外辐射平衡随地表温度变化在60 ~ 120 W/m2之间[92]。文献[79]中报道的类似测量结果表明，沥青路面和普通彩色混凝土上的最大向上红外辐射约为550 W/m2，净红外辐射平衡在0.0 - 80 W/m2之间。为了了解辐射率对城市环境中使用的材料热性能的影响，进行了几项研究。对各种高反射铺装材料的表面温度进行测量[109]，得出发射率是影响夜间材料表面温度的最重要因素。据报道，研究发现，夜间平均地表温度与相应的物质发射率有很好的相关性。发射率为0.93的材料夜间地表温度下降5 K，而发射率接近0.35的材料夜间地表温度下降5 K。其他几项研究强调了发射率对材料甚至城市结构热性能的影响。[99]中关于发射率对各种路面材料最大表面温度和最小表面温度作用的敏感性分析表明，当发射率值从0.7增加到1.0时，最大表面温度和最小表面温度分别降低了5.0 K和8.5 K。

在[110]中，采用模拟技术评估了建筑材料表面反射率和发射率的综合影响。据报道，当材料的反射率降低时，发射率的作用是非常重要的，而对于高反照率值，发射率的相对增加对于建筑的冷负荷没有太大的优势。文献[111]中关于铺装材料光学和热物理特性的仿真结果表明，材料的反照率和发射率对研究材料的表面温度都有最大的正向影响。发射率对城市热岛的影响[112]也有研究。模拟结果表明，辐射强度对夜间热岛强度的影响很小。当发射率从0.85增加到1.0时，城乡环境的温差变化为0.4 K，且仅对非常狭窄的峡谷。

2.3 热对流的作用

对流换热是环境空气与路面表面温差以及换热系数(hconv)的函数。对流可能是自由的，也可能是强迫的，或者两者都有，这取决于风速、速度和温差。根据Jiji[113]，平板上的自由对流系数接近5.9 W/m2/K。对于层流气流和风速不超过2m /s的情况，传热系数可按Cengel[114]计算，对于风速较大的情况，可采用[93]中提出的公式计算。加州城市夏季对流换热模拟表明，对流换热在0.0 ~ 125 W/m2之间变化，是材料与环境空气温差的函数。[79]中对沥青和混凝土表面的测量表明，一天中最热的时候，最大对流转移量分别为350 W/m2和200 W/m2[79]。

2.4 其他热参数的作用

导热系数和热容是影响路面热性能的主要附加参数。路面的热特性，特别是混凝土的热特性有很好的文献记录[115-117] 剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料

资料编号：[18366]，资料为PDF文档或Word文档，PDF文档可免费转换为Word

原文和译文剩余内容已隐藏，您需要先支付 30元 才能查看原文和译文全部内容！立即支付

以上是毕业论文外文翻译，课题毕业论文、任务书、文献综述、开题报告、程序设计、图纸设计等资料可联系客服协助查找。

您可能感兴趣的文章