路表反射率對路面表面溫度影響研究

摘 要：城市中存在大量的不透水路面，改變了原有自然下墊面的熱屬性。在相同的太陽輻射條件下，不同類型的路面表面溫度也有較大差別。為了研究路表反射率對路表溫度的影響，同時驗證研發的太陽熱反射涂層降低路表溫度的有效性，文章對瀝青路面、水泥混凝土路面、太陽熱反射涂層路面表面反射率和路表溫度進行實測，同時，利用有限元軟件對反射率及路表溫度之間的關系進行了數值模擬。結合實測及模擬數據分析了表面反射率對路表溫度的影響。研究發現，相同輻射條件下，路面表面溫度隨路表反射率的減小而增加，且路表反射率對路表溫度的影響在白天尤為明顯。

關鍵詞：路面；表面溫度；環境氣溫；反射率；太陽熱反射涂層

引言

隨著城市化的進程，路面已經在國內外很多城市鋪面中占據越來越高的比例。以美國為例，1998年到2002年美國的城市中不透水的鋪面已經占據城市下墊面的30%～45%[1]。不同的路面類型由于其表面反射率有所不同，在相同的輻射條件下，其表面溫度也有所差異，會對城市熱環境產生不同的影響[2]。其中瀝青路面夏季表面溫度很高，有時甚至接近70℃，對城市熱環境產生非常不利的影響。為了對不同反射率對路面溫度影響差異進行定量研究，同時驗證研發的太陽熱反射涂層材料是否能有效降低瀝青路面表面溫度，本文對常見的路面以及研發的太陽熱反射涂層路面的路表反射率及表面溫度進行同期監測，以分析反射率對路面表面溫度差異產生的影響，進而研究本文提出的太陽熱反射涂層材料對路面表面的降溫效果。

1 路表反射率

物體的反射率是指物體表面的反射輻射通量與入射輻射通量之比。路表反射率是路面固有的性質，其值隨著路面的使用年限變化，主要和路面顏色深淺有關。目前國內外關于路面材料的反射率研究結果較為一致，那就是隨著路面使用齡期的不同，路面的反射率也不同，對于瀝青路面一般隨著齡期的增加，其反射率也會隨之增大，而對于水泥混凝土路面則剛好相反，隨著齡期的增加，其反射率會逐漸下降。一般認為新建瀝青路面的反射率介于0.05-0.1之間，舊瀝青路面的反射率介于0.1-0.15之間[3，4，5]。采用特定的儀器能夠測出太陽輻射總輻射量和反射輻射量，進而計算路表的反射率。

2 三種類型路面路表反射率實測對比

為了測試不同類型路面的表面反射率，于2012年7月8日上午10：00在西安市進行了現場測試試驗。試驗選擇的三種路面分別為瀝青路面、水泥混凝土路面及涂刷本文研發太陽熱反射涂層的瀝青路面（以下簡稱涂層路面）。

涂層路面以聚丙乙烯基樹脂為涂層基質材料，添加光反射材料、調色材料和添加劑，制作成性能穩定的太陽熱反射涂層材料，通過前期室內試驗證明，該涂層材料可以有效反射太陽輻射，因此，本文認為將該涂層材料涂刷在瀝青路面表層，可以改變路表反射率，進而改變路面表面溫度。

現場測試過程中利用太陽總輻射表以及地表反射輻射表來測量總輻射強度和反射輻射強度，將反射輻射強度除以太陽總輻射強度得出路面的表面反射率。圖1是試驗所選取的三種路面照片，可以看出瀝青路面顏色最深，水泥路面和涂層路面顏色相對較淺。

反射率實測的試驗結果如表1所示。

由試驗結果可以看出，三種路面類型中，涂層路面表面反射率最高，為0.27，瀝青路面表面反射率最低，僅為0.14，水泥路面表面反射率介于二者之間?？梢姡访姹砻娣瓷渎什煌母驹蚴瞧漕伾顪\程度不同，需要說明的是水泥路面和涂層路面顏色差距不大，但是由于涂層路面中摻加了光反射材料，因此其反射率要高于水泥路面。采用太陽熱反射涂層材料可以有效提高瀝青路面的表面反射率，而根據路面反射率的定義可知三種路面中反射率最高的涂層路面必然吸收的外部輻射熱量最少。

3 三種型路面表面溫度對比分析

路表反射率的不同，造成路面本身吸收的太陽輻射熱量不同，進而導致路面表面溫度產生差異，為了定量對比反射率對路面表面溫度的影響規律，本文對涂層路面、瀝青路面、水泥路面的表面溫度進行了實測的，以對其差異進行分析。

試驗過程中，采用紅外熱像儀對西安市2012年7月29日之后連續七天內三種類型路面表面溫度及同期氣溫進行24小時監測，取其平均值作為實驗結果，如表2所示，三種類型路面溫度變化趨勢及其和環境氣溫比較如圖2所示。

由測試結果可以看出，三種類型路面表面溫度和環境氣溫在一天之內的變化趨勢均接近正弦曲線；路面溫度最高值出現在午后12：00至14：00之間，其中瀝青路面溫度要比另外兩種路面溫度高，其峰值超過50℃，比同時期環境氣溫高出15℃以上，水泥路面表面溫度比瀝青路面低，涂層路面表面溫度最低，比瀝青路面溫度低5℃左右，尤其是夜間，水泥路面溫度和瀝青路面接近，而涂層路面溫度相對較低，通過試驗可以得出如下結論：相同外部輻射條件下，路面表面溫度隨著路表反射率的增加而降低，且不同類型路面溫度差異在8：00至18：00之間較為明顯；涂刷太陽熱反射涂層后，可以有效降低瀝青路面溫度。

為了進一步驗證表面反射率對路面表面溫度的影響，本文在2012年7月18日對三種路面表面反射率及路表溫度又進行了同期跟蹤監測。測試結果如圖3所示。三種路面的表面反射率和路面類型對應關系為：a-瀝青路面（反射率0.15）、b-水泥路面（反射率0.21）、c-涂層路面（反射率0.29）。

測試結果同樣表明，相同的環境條件下，三種路面中涂層路面反射率最大，其表面溫度最低，瀝青路面的反射率最小，其表面溫度最高，水泥路面反射率和表面溫度介于二者之間，而且在整個檢測過程中，反射率大的涂層路面溫度始終較低。

4 路面反射率對路表溫度影響的數值模擬分析

由于實測數據路面反射率范圍較窄，為了進一步研究路面反射率對路表溫度的影響，本文利用有限元軟件對不同路面反射率（0.1至0.7）的瀝青路面表面溫度進行了數值模擬，模擬過程中，根據西安市2012年7月8日一天之內實測太陽輻射熱量，考慮路表反射率之后，計算出被路面吸收的太陽輻射熱量，將該輻射熱量作為輸入熱量，加載在路面結構上，即可得出不同反射率下路面表面溫度變化曲線如圖4所示。

從圖4中可以看出，隨著路面反射率的增加，路面表面溫度會顯著降低，且這種降溫效果在白天尤其明顯。反射率增加0.2，降溫效果可以達到5℃左右。從圖中還可以看出反射率對瀝青路面的影響在白天特別明顯，到了夜間通過增加反射率降低瀝青路面溫度的幅度相對較小。這是因為反射率主要是靠減少吸收太陽輻射熱量而達到降溫效果的，而太陽輻射只在白天存在。模擬結果同樣表明，相同輻射條件下，提高路面反射率可以有效降低路表溫度。

5 結束語

本文根據三種類型路面表面溫度和反射率的測試數據及數值模擬分析，認為增加路面反射率可以有效降低路面溫度，并且反射率對瀝青路面的影響在白天尤為明顯；本文研發的太陽熱反射涂層材料可以有效提高瀝青路面表面反射率，降低其表面溫度。這種降溫作用不僅可以改善瀝青路面對城市熱環境的不利影響，也可以避免瀝青路面由于自身溫度過高而產生的失穩破壞。

參考文獻

[1]Konopacki S.，Akbari H. Energy savings for heat-island reduction strategies in Chicago and Houston [R].Lawrence Berkeley National Laboratory，2002.

[2]李立華，傅愛民.論城市熱島效應的地貌成因[J].華東師范大學學報（自然科學版）1992，26（4）： 506-510.

[3]TAKASHI ASAEDA and VU THANH CA HEAT STORAGE OF PAVEMENT AND ITS EFFECT ON THE LOWER ATMOSPHERE [J].Atmospheric Environment，1996，30（3）：413-427.

[4]Roald Aaboe. Granulated Foamed Glass for Civil Engineering Applications [R].OSLO，Norway.2005.

[5]Pomerantz M.，PON B.，AKBARI H.，et al. The Effect of Pavements'Temperatures on Air Temperatures in Large Cities[R] 1LBNL2434421CA： Lawrence Berkeley National Laboratory，2001.