缓解热岛效应的低吸热路面功能指标同步测试方法

湖南省大学生研究性学习和创新性实验计划项目申报表项目名称:缓解热岛效应的低吸热路面功能指标同步测试方法学校名称长沙理工大学学生姓名学号专业性别入学年份金明201210010431道路工程男2012左瑞芳201214020113道路工程男2012谭欣201224050413电气工程及其自动化男2012郑伟201209020110道路工程男2012指导教师钱国平职称教授项目所属一级学科580一、学生曾经参与科研的情况（1）项目组成员2013年3月均加入长沙理工大学“绿色交通环保小组”，开始参与相关交通环保领域的科研工作，本项目组金明目前担任“热环境”分组负责人。（2）2013年6月项目组成员参与指导老师承担的交通运输部应用基础研究项目“湿热地区环保耐久型路面养护功能层设计及其功效评价”课题前期工作的前期材料使用效果初步测试和理论分析。（3）申请项目依托“公路养护技术国家工程实验室”，以及教育部、交通部和湖南省多个研究平台基地，项目组成员2013年7－8月暑假期间在其实习，熟悉了本项目研究需要的全部仪器设备的使用，为本项目的开展奠定了基础。（4）2013年12月项目组申报的“缓解城市热岛效应的新型道路铺装材料开发及其效能技术评价”获长沙理工大学学生科技项目立项研究。（5）项目组成员组成合理，骨干成员参与了多个科技项目及赛事，熟悉了科技工作流程，获得挑战杯选拔赛（校内）二等奖1项，全国高等学校土木工程专业本科生优秀创新实践成果三等奖1项。二、指导教师承担科研课题情况（1）交通运输部应用基础研究项目“湿热地区环保耐久型路面养护功能层设计及其功效评价”，项目负责人。（2）广东省交通厅科技项目“汽车尾气绿色降解的高效环保型路面研究及应用示范”，项目负责人。（3）国家自然科学基金重点项目“沥青路面结构设计的若干基础理论问题研究”，技术负责人。（4）国家自然科学基金项目“考虑空间分布形态的沥青混合料流变特性及性能试验”，项目负责人。（5）广东省交通厅重大科技项目“南方水敏感区高速公路路面径流污染规律与防治对策研究”，项目负责人。三、项目研究和实验的目的、内容和要解决的主要问题3.1项目研究和实验的目的在全球气候变暖和高速城市化的大背景下，世界上许多城市都出现了高强度的城市热岛效应，城市热环境质量日趋恶化等现象，极大地影响着城市生态环境和城市居民的日常生活。城市地表结构物是城市热岛效应的主要影响因素之一，而路面作为最主要的城市地表结构物对城市热岛效应的影响尤为显著。其主要是通过路面热传导、路表热辐射和热对流3种方式作用于路表及环境的温度场，从而影响城市热岛效应，而道路对热岛效应影响强度大小主要取决于道路材料的吸热储热能力、路表的反射率、道路结构的导热率、道路走向、路网密度及路幅宽度等方面。因此，针对我国城市道路存在的严重的热环境问题和城市“热岛效应”越来越严重的现象，开展具有降温效果显著、成本低且施工方便等优点的沥青路面太阳热反射涂层及沥青路面结构的研究，从沥青路面吸热行为、太阳热反射涂层的降温机理及路面结构的热传导研究着手，主动探寻并采取相应的技术措施和试验研究。城市道路交通作为城市热岛效应的主要影响因素之一，分析其热环境的影响、提高路面表层材料对热辐射的放射率、增强道路结构对热辐射的传导并且用相应指标评价体系来评价其路面对热辐射的贡献就显得尤为重要，也是缓解及解决城市热岛效应的重要渠道之一。因此，研究一种可以很大程度上模拟真实环境的低吸热路面的功能指标定量测量装置及方法，以便分析新型低吸热路面降温效果的优劣。本项目研究和实验的目的：在国内外相关研究成果基础上，比较不同测试方法的共性和优劣，开发可以同时对多种低吸热路面功能指标（太阳反射比、半球发射率、阳光反射指数、导热系数和隔热温差等）进行测量的简易测试方法。根据测试方法设计一种可以用于实验室测量的同步测量装置，解决单项测试低吸热路面不同功能指标时环境条件差异和效率低下的问题，从而简化低吸热路面功能指标的测试过程。3.2项目研究和实验的内容3.2.1城市道路地表热环境影响因素及定量评价体系研究典型城市道路(以长沙市为例)地表热环境状况（太阳辐射、地面温度）及其对外在影响变化规律，建立相关模型。通过计算分析，得到典型路段地表热环境的变化规律及因沥青路面造成周边增温的状况，计算分析得出地表热环境相关的理论模型。从结构传热和热反射性能不同途径分析构建低吸热路面的思路，分析低吸热路面功效的影响因素和功能指标（太阳反射比、半球发射率、阳光反射指数、导热系数和隔热温差等），分析路面热环境定量计算方法，确定低吸热路面功能性的定量评价指标体系。3.2.2低吸热路面功能性多指标的同步测试装置设计全面表征低吸热路面功能需要多指标体系，多个指标测试时环境条件如何做到一致，并考虑高效完成至关重要，因此需要开发多指标的同步测试方法。初步测试方法拟定如下：由温度传感器测出试样板和标准白板表面温度，计算阳光反射指数（SRI）：wbsbTTTTSPI其中，Ts、Tb和Tw分别是标准大气环境与太阳辐照下试样板、标准黑板（SRI=0，太阳反射比0.05，半球发射率0.9）与标准白板（SRI=100，太阳光反射比为0.80，半球发射率为0.9）的表面稳态温度。同时，综合温度传感器测得的试样板及标准白板的背光面稳态温度，可计算出隔热温差。试样板和标准空白板温度同时测量，可减小因分次测量带来的误差。利用辐射计和精密日射强度计(PSP)直接测量试样板的半球反射率和太阳反射比。其中，辐射计测半球发射率是能量法测量的一种，其原理是直接测量样品的辐射功率，辐射计探测器的输出信号与被测试样的发射率呈线性关系，通过比较高、低发射率标准板与被测试样输出信号的大小，得出被测试样的半球发射率。测得的四个参数可由装置外部的输出设备直接读取得到。本研究考虑如下装置设计方案：——测试装置的环境模拟部分设计：以氙灯作为太阳光模拟光源，设计一种可调节强度和照射角度来模拟一天内太阳光的照射角度和光照强度的太阳光模拟装置。同时加入喷水装置.、鼓风装置、加热装置来模拟夏季高温天气和阴雨天气，便于实验室测量。——测试装置的测量部分设计：根据低吸热路面功能性指标测试方法，利用现有装置或者自行开发的装置设计组合装置设计图，建立3D模型后联系厂家制作出样机。——数据集成输出系统：利用计算机软件编写数据处理程序，使其能够在输出设备上将各个部分测量值进行处理后以表格或者图像等形式形象、直观的统一输出。3.2.3路面热环境多指标测试方法的应用与完善利用测试装置针对对不同路面表层材料，在标准规范下进行不同材料的配比实验，然后利用测量仪器对实验材料进行热辐射吸收率、反射率、密度等参数的测量。测定不同路面下层结构的热物理参数，通过足尺试验，对其影响规律与趋势的研究，进行敏感性分析。利用装置样机对低吸热路面样品快进行测量工作，验证装置是否正常运作，达到预期的设计目的和标准。发现装置存在的问题，并进行修正。3.3要解决的主要问题解决多项低吸热路面功能性多指标（太阳反射比、半球发射率、阳光反射指数、导热系数和隔热温差等）体系的同步测量问题，实现多指标体系相同条件下的高效测定，为低吸热路面的开发与应用提供测试手段。四、国内外研究现状和发展动态分析表明，提高路面涂层对太阳热的反射能力和道路热传导效率，应重点分析如何改善路面涂层颜色、通过涂层材料的组配及路面结构优化，以降低路面表层温度；而开发低吸热路面功能同步测量装置，应重点分析如何综合各单项指标测试方法，找出其中的共同点，进而找出可以同时测量多指标的测试方法。对此，国内外开展了系列相关研究，可为本项目提供参考。4.1国内外研究现状4.1.1地表热环境理论模型研究现状早在半个世纪前，Monteith等[1]就发现了地表热辐射具有角度变化。此后，许多学者以植被冠层、裸土等为研究对象，纷纷开展地面观测试验，发现了热辐射方向性的存在。最近几年来，针对城市热辐射方向性的航空飞行试验已经开展，同时一些相关的模型也建立起来。Lino等[2]利用机载多光谱扫描仪（MISS，工作波段为8.0-11.0µm）对日本川崎进行了航空观测，并结合GIS技术发展了城市区域表面温度的模拟算法。该研究重点在于城市热岛分析，并未明确指出城市热辐射方向性的存在。城市气候也是城市热环境的重要组成部分，在其研究领域，为了方便开展观测试验，学者们将城市建筑物按照一定比例缩小，构建模拟真实的城市的观测场景，用以研究街谷的湍流输送方式、能量平衡以及数值模型的验证等。Soux等[3]利用实心木块构建了城市建筑场景以及验证热辐射的计算机模拟模型。余涛等[4]建立了二维的城市楼区热外辐射方向特性模型，对城市区域目标和建筑物温度的分布进行了简化。Johnson等[5]首次开发了3D辐射传输模型SHM(TheSurfaceHeatIslandModel)，用于模拟理想天气条件下城市地表温度热岛，并分析了城市三维结构与地表物理性质对于热岛的影响。4.1.2城市路面热反射材料与结构方面王伟[6]采用碘钨灯作为模拟光源，测试涂布涂层试件和未涂布涂层试件的温度值，AC-13和SMA-13试件在2cm处可分别降低12.2℃和10.4℃，在5cm处可分别降低温度8℃和6.5℃。结合经济性考虑，推荐施工时涂层的最佳涂布量为0.7kg/m²~0.9kg/m²。夏季高温时，涂层可有效降低沥青路面温度9℃左右，夜间也可以降低路面温度近2℃。程承等[7]人通过降温效果试验分析，太阳热反射涂料的用量与降温效果并不成线性关系，而是存在最佳涂刷量，为了能够进一步提高降温效果，提出了双层式涂装，即利用高反射率涂料对沥青面层进行遮盖后再涂刷上层色彩功能层。李源渊等[8]人从道路吸热率和反射率方面考虑，应用颜色较浅而反射率较高的沥青面层，可有效反射太阳辐射降低路面温度，通过使用高反射率的浅色粒料（如石灰岩），提升反射率0.3左右。何睿[9]指出：采用水溶性硅酮树脂为成膜材料，以粒径在1Lm以下的陶瓷为填料制作的热反射涂料，性能稳定、光滑性好、热反射功能强、不容易污染，是与环境友好的涂料，对生态环境不造成危害，对人类健康不产生负面影响。梁满杰等[10]发现欲获得优良降温效果的太阳热反射涂层，关键是提高可见光和近红外光波段的反射率，同时要提高远红外波段的发射率；而太阳热反射涂层对可见光和近红外光吸收越小越好。陈明宇[11]发现，在室内持续辐照条件下导热沥青混凝土集热效率达37.5%~47.7%;换热管道间距为30cm，在自然辐照环境中导热沥青混凝土的全天平均集热效率仍相对于普通沏青混凝土可29.7%。冯德成/易军艳等[12]研究发现，对于1层只有3mm的结构，如果选用合适的材料，可以使传递到结构层底面的温度降低4℃到5℃，从而改善结构层下部的温度状况。对于颜料，对可见光和近红外光的吸收同样越小越好，同时，为减少太阳光透过，颜料对太阳光应有尽可能大的散射，与普通沥青路面相比，理想灰色太阳热反射涂层在达到热平衡时的理论降温极限在18-24℃。英国一项专利介绍了一种褐色太阳热反射涂层，由成膜剂和近红外热反射颜料构成，近红外反射率≥70%，太阳光总反射率≥45%。德国一项专利介绍了一种太阳热反射涂层，用于降低底材的表面温度，含有黑色颜料1～8%、杂色的着色颜料0.1～10%、白色颜料0～10%、硅酸3～30%。4.1.3热环境物理参数的测试方法研究现状目前，航天器热控涂层测量太阳反射比的普遍方法是光谱法，利用带积分球的紫外、可见、近红外分光光度计可以精确测量材料不同波长的反射比，根据太阳光在一定波长范围内的相对能量分布，通过加权平均计算材料在上述波长范围内的太阳反射比。但是由于紫外、可见、近红外分光光度计价格较为昂贵，国内仅有大的测试机构和有实力的科研单位能够承受，其应用受到了一定的限制[1]。美国材料测试协会标准ASTMC1549[2]规定了一种用便携式反射比测试仪测定材料常温下太阳反射比的方法。该方法具有测量精度较高，数显分辨率为0.001、测量方式灵活、选择多样等特点，且该测试方法快速、准确，且仪器的价格相对低廉