279土壤温度对室外热环境的影响分析

1土壤表面温度对室外热环境的影响分析罗庆，李楠，丁勇，刘红重庆大学三峡库区生态环境教育部重点实验室摘要：本文针对城市化过程中非透水性材料的使用，加速了室外热环境恶化的情况，研究了典型的天然透水性材料－土壤在不同含水率情况下的动态温度分布情况，实验和模拟分析结果表明含水土壤的表面温度要比干燥土壤温度低3－5℃，充分证实了透水性材料对室外热环境的温度调节功能。关键词：土壤；含水率；传热机理；室外热环境；1研究背景随着经济的发展和城市化进程的加快，许多城镇逐步被钢筋混凝土房屋、大型基础设施、各种不透水的场地和道路所覆盖，构成城市不透水下垫面。根据美国芝加哥、洛杉矶等10个大城市的统计，市内不透水下垫面占全市总面积的72.7%，北京不透水下垫面比例约为77%，上海不透水下垫面更是高达80%以上，世界上的主要城市不透水下垫面大都在50%以上【1】。城市化过程中出现的这些不透水下垫面，给城市室外热环境带来了许多负面影响：（1）不透水下垫面缺乏透水性，雨水不能渗入地下，致使不能直接给下垫面降温；（2）不透水下垫面缺乏透气性，极大地减少了水在下垫面中的蒸发空间，减少了与空气的热量的交换，缺乏对城市地表温度的调节能力；（3）不透水下垫面面积较大，降雨后雨水很快从排水管道流失，因此在城市中可供蒸发的水分少，其获得的净辐射用于蒸发的潜热源少，所以用于城市地表和空气升温的热量增多，这些都会严重损害室外热环境【2】。目前，对透水性材料的研究主要集中在透水性能方面，国内外的许多学者【3－7】从透水性材料渗透系数的影响因素及其形成机制进行了大量的研究，总结出影响透水性材料渗透系数的主要因素：材料的孔隙率、孔隙大小和孔隙的连通情况等，并针对透水性材料对地下水体、生态环境、道路安全等方面进行了研究。但是，这些研究工作缺乏透水性材料对温度调控能力方面的研究。本文针对建筑室外广泛存在的透水性材料─土壤作为研究对象，研究在不同土壤含水率情况下，土壤表面温度分布情况。由于土壤表面温度对室外热环境产生最直接、最重要的影响，只要知道了表面温度的高低，就可以知道其对室外热环境的影响程度。2实验分析土壤含水量的指标，用土壤含水量表示，又称土壤含水率，常用的表示方法有：①重量含水率，即土壤中水的重量与烘干后土壤固体重量的百分比；②体积含水率，即土壤水分体积占土体总体积的百分比。本文为了方便，采用了重量含水率的定义，分别对0%，10%和30%三种情况做了对比研究。实验过程中，取重庆地区典型的红色砂土样品，充分烘干，取出样品，称取样品1.5Kg，分成相同的三份，每份0.5Kg，对其中两份分别添加50ml和150ml的水，并充分均匀混合，然后采用容器固定性状，固定后的性状为直径20cm，厚度为5cm的圆盘型，这样构成了含水率分别为0%，10%和30%的土壤样品，如图1所示。对这三个样品表面采用相同的热源进行加热（100W/m2），同时保持其余表面与周围空气进行自然对流换热，周围空气温度维持在28.4℃。本研究得到国家“十一五”科技支撑计划[2006BAJ02A02]和重庆市自然科学基金[CSTC,2007BB4131]的支持。20%含水率10%含水率30%含水率图1：实验土壤样品图2是不同含水率土壤表面温度分布，图中明显的分为两个温度区域：第一区域，主要是干燥土壤，第二区域是含水土壤，两者存在明显的温度差异，温差在3－5℃之间，引起的主要原因是含水土壤在相同热源情况下，存在水分的蒸发相变作用，由于水的相变过程的吸热量是液态水吸热量的700多倍，因此，在含水土壤中有充分的能力吸收热量，并通过水的相变过程，将热量散发出去，从而维持土壤表面温度在较低的状态下，实现对室外热环境的调节功能。图2：不同含水率土壤表面温度分布3传热数学模型及模拟分析由于研究对象无内热源,根据实测的原型，可以建立三维非稳态传热模型，并对含水土壤考虑其水蒸发作用的影响，传热模型可以表达为：)(222222ztytxtct（1）边界条件分别设置如下，模型的上表面即与空气接触的表面，采用第二类边界条件：wxqq0|和第三类边界条件：)|(|205.0205.0fzzttdxdt的复合换热条件，自然对流换热系数220W/m2.℃，周围空气温28.4℃；周边和底部采用第三类边界条件，)(22fttdxdt，对流换热系数210W/m2.℃；3对分析的数学模型进行计算机模拟（如图3所示），这样可以求得整个土壤在不同时刻的非稳态温度分布（图4，图5）。图3：计算机模型图4：含水率0%的土壤在10分钟和20分钟时的截面温度分布图5：含水率30%的土壤在10分钟和20分钟时的截面温度分布4测试与模拟对比分析为了分析模拟结果的合理性，选择了对应时刻的土壤表面的测试值和模拟值作对比分析。图6和图7分别是含水率为0%和30%的土壤表面温度测试值与模拟值对比曲线图。4图6：含水率为0%的土壤表面温度测试值与模拟值对比曲线图7：含水率为30%的土壤表面温度测试值与模拟值对比曲线从图6和图7可以看出，实测值和模拟值之间存在一定的差异，但是总体的温度随时间的动态分布规律一致，由于测试过程中的影响因素要复杂得多，而模拟过程，则忽略了一些次要影响因素，但是模拟还是能从总体上反映不同含水率土壤在相同条件下的土壤温度分布情况，为分析土壤表面温度对室外热环境影响规律提供了有力工具。5对重庆地区夏季温度调控能力的分析重庆地区是夏热冬冷气候区的典型代表，夏季日照强烈，气候炎热，室外固体壁面温度可以达到50℃（图8），产生强烈热辐射作用，室外热环境极其恶劣，在这种情况下，固体壁面温度对室外热环境有着决定性的影响。从前面的实验可以知道，如果能够采用透水性材料，由于能留住雨水，提供蒸发潜热源，可以调节温度3－5℃，对于重庆这种室外热环境十分恶劣的情况，是非常宝贵的。图8：重庆地区夏季固体壁面温度分布56结论通过对不同含水率土壤的表面温度的测试和模拟，确定了土壤作为一种天然透水性材料，由于空隙中水的相变蒸发作用，使含水土壤的温度比干燥土壤温度在同等条件下低3－5℃，充分体现了透水性材料在室外热环境中对温度的调控作用，对室外热环境的改善具有非常大的潜力，从而，也说明了在城市建设过程中，采用生态透水性建筑材料的重要性和紧迫性。参考文献：[1]张洪清，宋志斌，透水性铺装对城市生态环境改善的分析，水科学与工程技术，2005年[2]张振秋，吴晓泉，透水性混凝土路面砖的研究，混凝土，2003年第1期(总第159期)[3]王进鑫，黄宝龙，王迪海，不同地面覆盖材料对壤土浑水径流入渗规律的影响，农业工程学报，第20卷第6期2004年11月[4]吉青克，姚祖康，多孔水泥稳定碎石组成设计，同济大学学报，第31卷第2期2003年2月[5]景宏君，曹俊武，法国透水性沥青路面(BBDr)，公路，2000年8月第8期[6]刘叶锋，朋改非，高强透水性混凝土材料试验研究，混凝土，2005年第3期(总第185期)[7]刘荣桂，吴智仁，护堤植生型生态混凝土性能指标及耐久性概述，混凝土，2005年第2期(总第184期)