MMA彩色瀝青在城市道路中緩解熱島效應(yīng)的作用
瀏覽： 發(fā)布日期：2019-10-17
英文名稱：Urban Heat Island Effect, 簡稱UHI（而非熱導(dǎo)效應(yīng)）城市氣候最顯著的特征之一就是熱島效應(yīng)，人類很早以前就發(fā)現(xiàn)城市的大氣環(huán)境與鄉(xiāng)村及山區(qū)具有不同的特點(diǎn)。英國人Lake Howard于1833年第一次對倫敦城市中心的溫度比郊區(qū)高的現(xiàn)象進(jìn)行文字記載， [1] Manley于1958年首次提出城市熱島（Urban Heat Island，UHI）的概念。 [2] 現(xiàn)在普遍認(rèn)為，城市熱島效應(yīng)是指當(dāng)城市發(fā)展到一定規(guī)模，由于城市下墊面性質(zhì)的改變、大氣污染以及人工廢熱的排放等使城市溫度明顯高于郊區(qū)，形成類似高溫孤島的現(xiàn)象。 [3]
城市人口密集、工廠及車輛排熱、居民生活用能的釋放、城市建筑結(jié)構(gòu)及下墊面特性的綜合影響等是其產(chǎn)生的主要原因。熱島強(qiáng)度有明顯的日變化和季節(jié)變化。日變化表現(xiàn)為夜晚強(qiáng)、白天弱，最大值出現(xiàn)在晴朗無風(fēng)的夜晚，上海觀測到的最大熱島強(qiáng)度達(dá)6℃以上。季節(jié)分布還與城市特點(diǎn)和氣候條件有關(guān)，北京是冬季最強(qiáng)，夏季最弱，春秋居中，上海和廣州以10月最強(qiáng)。年均氣溫的城鄉(xiāng)差值約1℃左右，如北京為0.7～1.0℃，上海為0.5～1.4℃，洛杉磯為0.5～1.5℃。城市熱島可影響近地層溫度層結(jié)，并達(dá)到一定高度。城市全天以不穩(wěn)定層結(jié)為主，而鄉(xiāng)村夜晚多逆溫。水平溫差的存在使城市暖空氣上升，到一定高度向四周輻散，而附近鄉(xiāng)村氣流下沉，并沿地面向城市輻合，形成熱島環(huán)流，稱為“鄉(xiāng)村風(fēng)”，這種流場在夜間尤為明顯。城市熱島還在一定程度上影響城市空氣濕度、云量和降水。對植物的影響則表現(xiàn)為提早發(fā)芽和開花、推遲落葉和休眠。
城市熱島效應(yīng)是城市氣候中典型的特征之一。它是城市氣溫比郊區(qū)氣溫高的現(xiàn)象。城市熱島的形成一方面是在現(xiàn)代化大城市中，人們的日常生活所發(fā)出的熱量；另一方面，城市中建筑群密集，瀝青和水泥路面比郊區(qū)的土壤、植被具有更小的函授比熱容（可吸收更多的熱量），并且反射率小，吸收率大，使得城市白天吸收儲存太陽能比郊區(qū)多，夜晚城市降溫緩慢仍比郊區(qū)氣溫高。城市熱島是以市中心為熱島中心，有一股較強(qiáng)的暖氣流在此上升，而郊外上空為相對冷的空氣下沉，這樣便形成了城郊環(huán)流，空氣中的各種污染物在這種局地環(huán)流的作用下，聚集在城市上空，如果沒有很強(qiáng)的冷空氣，城市空氣污染將加重，人類生存的環(huán)境被破壞，導(dǎo)致人類發(fā)生各種疾病，甚至造成死亡。
成因
氣候條件是造成城市熱島效應(yīng)的外部因素，而城市化才是熱島形成的內(nèi)因。城市熱島形成的原因主要有以下幾點(diǎn)：首先，是受城市下墊面特性的影響。城市內(nèi)有大量的人工構(gòu)筑物，如混凝土、柏油路面，各種建筑墻面，改變了下墊面的熱力屬性（反射率小，熱量傳導(dǎo)較快）。這些人工構(gòu)筑物吸熱快而比熱容小，在相同的太陽輻射條件下，它們比自然下墊面（綠地、水面等）升溫快，吸收熱量多，蒸發(fā)耗熱少，散失熱量較慢，因而其表面溫度明顯高于自然下墊面。
另一個(gè)主要原因是人工熱源的影響。工廠生產(chǎn)、交通運(yùn)輸以及居民生活都需要燃燒各種燃料，每天都在向外排放大量的熱量。
當(dāng)然，城市中的大氣污染也是一個(gè)重要原因。城市中的機(jī)動車、工業(yè)生產(chǎn)以及居民生活，產(chǎn)生了大量的氮氧化物、二氧化碳和粉塵等排放物。這些大氣污染物濃度大，氣溶膠微粒多，會吸收下墊面熱輻射，在一定程度上起了保溫作用，產(chǎn)生溫室效應(yīng)，從而引起大氣進(jìn)一步升溫。（白天它大大地削弱了太陽直接輻射，城區(qū)升溫減緩，有時(shí)可在城市產(chǎn)生“冷島”效應(yīng)。夜間它將大大減少城區(qū)地表有效長波輻射所造成的熱量損耗，起到保溫作用，使城市比郊區(qū)“冷卻”得慢，形成夜間熱島現(xiàn)象。）
此外，城市里中綠地、林木和水體的減少也是一個(gè)主要原因。隨著城市化的發(fā)展，城市人口的增加，城市中的建筑、廣場和道路等大量增加，綠地、水體等卻相應(yīng)減少，緩解熱島效應(yīng)的能力被削弱。
原則上，一年四季都可能出現(xiàn)城市熱島效應(yīng)。但是，對居民生活和消費(fèi)構(gòu)成影響的主要是夏季高溫天氣下的熱島效應(yīng)。為了降低室內(nèi)氣溫和使室內(nèi)空氣流通，人們使用空調(diào)、電扇等電器，而這些都需要消耗大量的電力。高溫天氣對人體健康也有不利影響。有關(guān)研究表明，環(huán)境溫度高于28°C時(shí)，人們就會有不適感；溫度再高還容易導(dǎo)致煩躁、中暑、精神紊亂等癥狀；氣溫持續(xù)高于34°C，還可導(dǎo)致一系列疾病，特別是使心臟、腦血管和呼吸系統(tǒng)疾病的發(fā)病率上升，死亡率明顯增加。此外，氣溫升高還會加快光化學(xué)反應(yīng)速度，使近地面大氣中臭氧濃度增加，影響人體健康。
由于瀝青路面能持續(xù)儲存太陽輻射熱，使瀝青路面長時(shí)間處于高溫狀態(tài)，在外部荷載的作用下就很容易產(chǎn)生流動變形，既影響行車安全，同時(shí)加速了路面的破壞。不僅如此，還加劇了城市的“熱島效應(yīng)”。鑒于此開展瀝青路面降溫措施研究，降低路面溫度對瀝青路面的影響，緩解瀝青路面的“熱島效應(yīng)”。本研究提出了改變路面表面特性、改變路面結(jié)構(gòu)形式等降溫技術(shù)，并對其降溫效果進(jìn)行評價(jià)。
首先，針對瀝青路面所處的光熱環(huán)境，從路面受熱因素出發(fā)，建立了瀝青路面的熱平衡方程，通過顯著水平分析，確定了室內(nèi)模擬主要因素。提出改變路表面特性，即通過增大路面輻射、蒸發(fā)潛熱、路面與路基的交換熱，以降低瀝青路表面的熱平衡溫度，減少路面熱儲量。其次，根據(jù)瀝青路面輻射理論和影響因素顯著分析，開發(fā)了室內(nèi)模擬環(huán)境溫度測試裝置，在此基礎(chǔ)上，制訂了室內(nèi)模擬試驗(yàn)方案及試驗(yàn)方法。模擬了現(xiàn)場五種典型瀝青混合料和五種結(jié)構(gòu)組合方式，對其在模擬條件下的吸放熱規(guī)律進(jìn)行了分析，結(jié)果顯示OGFC-13試件上表面的升溫幅度介于0.2~1.5℃，降溫幅度介于0.9~2.4℃；底部溫度的升溫幅度介于0~4.4℃，降溫幅度介于1.7~6.4℃。在同一種條件下，結(jié)構(gòu)2cm、5cm處，瀝青組合高于水泥組合2.2~10℃、1.5~2.8℃。最后，采用了反光性材料、隔熱材料、結(jié)構(gòu)組合形式，并對其降溫效果進(jìn)行了對比分析，結(jié)果顯示，表面處理方案中，反光性涂抹涂料降溫最好，其次為采用淺色石料莫蘭石最佳，摻配淺色石料的瀝青混合料方案中，摻配陶瓷方案優(yōu)于摻配莫蘭石方案；由于OGFC路面結(jié)構(gòu)組合能夠把熱量散發(fā)出去，使其具有低儲熱量、低路面輻射特性，使用效果最佳。
