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MMA彩色沥青在城市道路中缓解热岛效应的作用
浏览: 发布日期:2019-10-17
    英文名称:Urban Heat Island Effect, 简称UHI(而非热导效应)
    城市气候最显著的特征之一就是热岛效应,人类很早以前就发现城市的大气环境与乡村及山区具有不同的特点。英国人Lake Howard于1833年第一次对伦敦城市中心的温度比郊区高的现象进行文字记载, [1]  Manley于1958年首次提出城市热岛(Urban Heat Island,UHI)的概念。 [2]  现在普遍认为,城市热岛效应是指当城市发展到一定规模,由于城市下垫面性质的改变、大气污染以及人工废热的排放等使城市温度明显高于郊区,形成类似高温孤岛的现象。 [3]  
    城市人口密集、工厂及车辆排热、居民生活用能的释放、城市建筑结构及下垫面特性的综合影响等是其产生的主要原因。热岛强度有明显的日变化和季节变化。日变化表现为夜晚强、白天弱,最大值出现在晴朗无风的夜晚,上海观测到的最大热岛强度达6℃以上。季节分布还与城市特点和气候条件有关,北京是冬季最强,夏季最弱,春秋居中,上海和广州以10月最强。年均气温的城乡差值约1℃左右,如北京为0.7~1.0℃,上海为0.5~1.4℃,洛杉矶为0.5~1.5℃。城市热岛可影响近地层温度层结,并达到一定高度。城市全天以不稳定层结为主,而乡村夜晚多逆温。水平温差的存在使城市暖空气上升,到一定高度向四周辐散,而附近乡村气流下沉,并沿地面向城市辐合,形成热岛环流,称为“乡村风”,这种流场在夜间尤为明显。城市热岛还在一定程度上影响城市空气湿度、云量和降水。对植物的影响则表现为提早发芽和开花、推迟落叶和休眠。
    城市热岛效应城市气候中典型的特征之一。它是城市气温比郊区气温高的现象。城市热岛的形成一方面是在现代化大城市中,人们的日常生活所发出的热量;另一方面,城市中建筑群密集,沥青和水泥路面比郊区的土壤、植被具有更小的函授比热容(可吸收更多的热量),并且反射率小,吸收率大,使得城市白天吸收储存太阳能比郊区多,夜晚城市降温缓慢仍比郊区气温高。城市热岛是以市中心为热岛中心,有一股较强的暖气流在此上升,而郊外上空为相对冷的空气下沉,这样便形成了城郊环流,空气中的各种污染物在这种局地环流的作用下,聚集在城市上空,如果没有很强的冷空气,城市空气污染将加重,人类生存的环境被破坏,导致人类发生各种疾病,甚至造成死亡。

成因

    气候条件是造成城市热岛效应的外部因素,而城市化才是热岛形成的内因。城市热岛形成的原因主要有以下几点:
    首先,是受城市下垫面特性的影响。城市内有大量的人工构筑物,如混凝土、柏油路面,各种建筑墙面,改变了下垫面的热力属性(反射率小,热量传导较快)。这些人工构筑物吸热快而比热容小,在相同的太阳辐射条件下,它们比自然下垫面(绿地、水面等)升温快,吸收热量多,蒸发耗热少,散失热量较慢,因而其表面温度明显高于自然下垫面。
    另一个主要原因是人工热源的影响。工厂生产、交通运输以及居民生活都需要燃烧各种燃料,每天都在向外排放大量的热量。
    当然,城市中的大气污染也是一个重要原因。城市中的机动车、工业生产以及居民生活,产生了大量的氮氧化物、二氧化碳和粉尘等排放物。这些大气污染物浓度大,气溶胶微粒多,会吸收下垫面热辐射,在一定程度上起了保温作用,产生温室效应,从而引起大气进一步升温。(白天它大大地削弱了太阳直接辐射,城区升温减缓,有时可在城市产生“冷岛”效应。夜间它将大大减少城区地表有效长波辐射所造成的热量损耗,起到保温作用,使城市比郊区“冷却”得慢,形成夜间热岛现象。)
    此外,城市里中绿地、林木和水体的减少也是一个主要原因。随着城市化的发展,城市人口的增加,城市中的建筑、广场和道路等大量增加,绿地、水体等却相应减少,缓解热岛效应的能力被削弱。
    原则上,一年四季都可能出现城市热岛效应。但是,对居民生活和消费构成影响的主要是夏季高温天气下的热岛效应。为了降低室内气温和使室内空气流通,人们使用空调、电扇等电器,而这些都需要消耗大量的电力。高温天气对人体健康也有不利影响。有关研究表明,环境温度高于28°C时,人们就会有不适感;温度再高还容易导致烦躁、中暑、精神紊乱等症状;气温持续高于34°C,还可导致一系列疾病,特别是使心脏、脑血管和呼吸系统疾病的发病率上升,死亡率明显增加。此外,气温升高还会加快光化学反应速度,使近地面大气中臭氧浓度增加,影响人体健康。
    由于沥青路面能持续储存太阳辐射热,使沥青路面长时间处于高温状态,在外部荷载的作用下就很容易产生流动变形,既影响行车安全,同时加速了路面的破坏。不仅如此,还加剧了城市的“热岛效应”。鉴于此开展沥青路面降温措施研究,降低路面温度对沥青路面的影响,缓解沥青路面的“热岛效应”。本研究提出了改变路面表面特性、改变路面结构形式等降温技术,并对其降温效果进行评价。
 
    首先,针对沥青路面所处的光热环境,从路面受热因素出发,建立了沥青路面的热平衡方程,通过显著水平分析,确定了室内模拟主要因素。提出改变路表面特性,即通过增大路面辐射、蒸发潜热、路面与路基的交换热,以降低沥青路表面的热平衡温度,减少路面热储量。其次,根据沥青路面辐射理论和影响因素显著分析,开发了室内模拟环境温度测试装置,在此基础上,制订了室内模拟试验方案及试验方法。模拟了现场五种典型沥青混合料和五种结构组合方式,对其在模拟条件下的吸放热规律进行了分析,结果显示OGFC-13试件上表面的升温幅度介于0.2~1.5℃,降温幅度介于0.9~2.4℃;底部温度的升温幅度介于0~4.4℃,降温幅度介于1.7~6.4℃。在同一种条件下,结构2cm、5cm处,沥青组合高于水泥组合2.2~10℃、1.5~2.8℃。最后,采用了反光性材料、隔热材料、结构组合形式,并对其降温效果进行了对比分析,结果显示,表面处理方案中,反光性涂抹涂料降温最好,其次为采用浅色石料莫兰石最佳,掺配浅色石料的沥青混合料方案中,掺配陶瓷方案优于掺配莫兰石方案;由于OGFC路面结构组合能够把热量散发出去,使其具有低储热量、低路面辐射特性,使用效果最佳。

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