缓解城市热岛效应的凉爽路面研究综述

倪航天， 黄煜镔

(重庆大学 土木工程学院， 重庆 400045)

沥青路面因行车环境舒适、平整度高、噪音小而被广泛使用，但仍存在如车辙、开裂、松散、泛油等问题，影响其工作性能。此外，沥青路面作为黑色路面，吸热能力强，这不仅加速了自身高温车辙损坏，还加剧了城市热岛效应。

据统计，世界上有1 000多个不同规模的城市存在热岛效应，这改变了地区的能量平衡、水循环过程、大气边界层结构、污染物传播和扩散规律等，对人类生产和生活带来间接危害。而在引起城市热岛效应的诸多原因中，城市表面的变化通常是主要原因。因此，若能在根本上降低沥青路面结构的温度，则既可改善沥青路面在高温下的损害问题，又可缓解城市的热岛效应。为此，本文在前人研究的基础上，分析了路面热力学参数、沥青路面与城市热岛效应关系，重点论述凉爽路面的技术与工艺、综合评价其效益，为凉爽路面的相关研究提供帮助。

1 沥青路面与城市热岛效应

1.1 沥青路面热传递

沥青路面与环境之间的热量传递有传导、对流、辐射3种。

沥青路面及其内部和土基之间的热量传递通过热传导实现。其遵循二维瞬态温度场的导热微分方程，如式(1)所示：

(1)

式中：ρ为路面密度，kg/m3；c为沥青路面材料的比热，J/(kg·K)；λ为路面材料的导热系数，W/(m·K)。

对流换热基本计算公式为牛顿冷却公式，道路体系中对流主要存在于沥青路面和周围空气之间的热量传输中，满足关系q=h(t路表-t空气)，如式(2)所示：

流体被加热时q=h(tw-tf)

流体被冷却时q=h(tf-tw)

(2)

式中：tw和tf分别为壁面(路面)温度和流体(大气)温度，℃；h为对流换热系数，W/(m2·K)。

沥青路面由于大范围吸收太阳辐射，其本身具有较大能量，并时刻将此能量以热辐射的形式向环境中进行能量传递。

1.2 路面热物理参数

1.2.1 导热相关参数

1) 导热系数λ：导热材料从根本上决定了沥青路面的导热能力。其在数值上等于单位温度梯度作用下物体内所产生的热流密度矢量的模。

2) 比热c：根据热力学定义，比热是单位质量的物质在某一过程中，温度变化1 ℃时所吸收或放出的热量，c是温度的函数。

3) 导温系数α：又称热扩散系数，是衡量系统内部温度扯平能力大小的参数。

三者之间关系为α=λ/ρc。常用路面材料热物理参数的推荐取值见表1。

表1 路面材料热物理参数推荐取值[1]

1.2.2 反射率及辐射换热系数

1) 反射率系路表面的反射辐射通量与入射辐射通量之比，主要和路面颜色深浅有关。一般认为新建沥青路面的反射率介于0.05～0.1之间，旧沥青路面的反射率介于0.1～0.15之间。一般反射率大的路面温度较低。

2) 辐射热交换系数表征的是因辐射热交换引起的热流密度。

1.3 城市热岛效应(UHI)

城市热岛效应影响着全球的生态环境。M.Santamouris的研究表明UHI效应可使城市气温升高5 ℃～15 ℃[2]，植被和蒸发散热的减少、低反射率暗表面的普及和人为产热量的增加是主要原因[3]。有研究表明[4]，美国芝加哥、休斯顿、萨克拉门托和盐湖城4个大都市地区，超过60%的城市表面被人造吸热表面覆盖。随着城市化进程的加快， UHI带来的后果包括：1) 增加降温能量投入和相关成本；2) 形成大量烟雾和空气污染物；3) 增大居民和公众的热负担；4) 影响城市生态环境；5) 增大居民因热导致的疾病发病率和风险。

沥青路面是当前城市的主要路面形式，密级配沥青路面反射率低，体积热容大，夏季炎热天气地表温度可达60 ℃以上，而路面在UHI现象中占有较大比重，因此利用凉爽路面来缓解UHI成为近年研究的热点之一[5]。

2 凉爽路面

凉爽路面在国际上没有明确的定义。美国环境保护署给出的模糊定义为努力缓解城市热岛效应而在路面实施的成熟和新兴的降温技术，主要包括反射太阳能、增强水分蒸发和其他改性以使路面温度低于传统路面。

主要技术有：1) 增加路面反射率；2) 增加路表渗透性；3) 增加路表蓄热能力；4) 外部机械降温；5) 使用自然界如树木或人工装置提供遮阳。

2.1 反射式路面

反射式路面是目前研究最充分、经济效益最好的一类凉爽路面。相比改变路面的热惯性，改变反射率更加简单。传统做法是改变路面颜色和粗糙度来改变路面反射率，而通过提供适当的表面涂层、浅色聚集体或适当的粘合剂不仅能增加反射率，还能减少夜间照明的需求，提高路面的耐久性。

2.1.1 传统措施

传统方法是使用适当的骨料和粘合剂进行表面处理以改变路面反射率。即先喷洒粘合剂后撒布集料，并进行碾压的工艺；技术上常称为薄层或封层。这种工艺包括“微表面”“雾封层”“覆层”或“稀浆封层”等工艺，这些措施可一定程度增加路面反射率，降低温度，同时若在骨料中混入颜色添加剂可增加路面的反射率，有研究表明这种措施可使沥青路面表面温度降低近9.0 K。

2.1.2 新措施综述

1) 高反射白色涂料

该涂料具有非常高的反射率，在许多情况下超过了90%[6]。使用这种涂料可显著降低路表温度，减少释放到大气中的显热。文献[7]比较了14种反射涂料的效果，丙烯酸弹性涂料是监测期第一个月白天最凉爽的涂料，但缺点是随后的2～3个月中路表温度又有所升高。文献[8]研究了基于使用氢氧化钙的高反射白色涂料。涂层便宜、环境友好，允许空气通过，同时具有高的灰尘吸附力，主要缺点则是易于粉化。高反射白色涂料多用于白色路面，而对于黑色及彩色路面，多采用红外反射涂料。

2) 红外彩色反射涂料

该涂料可使任何颜色的路面都能在近红外部分强烈反射。文献[9]比较了10种颜色的路面使用红外反射涂料的情况，涂覆后可使路面温度最大降低10.2 ℃。文献[10]将颜色较深的低反射率材料与细空心陶瓷颗粒混合铺在路面上，路表温度比传统混凝土路面降低了5 K。文献[11]通过将无色弹性沥青粘合剂与红外反射颜料和具有特殊特性的骨料混合而成，制成不同颜色薄层沥青路面。对样品的热监测表明，所有颜色样本的表面温度均远低于常规沥青的相应表面温度。

3) 热变色涂料

部分工作者研究了可变色路面涂料。热变色涂层能够随着温度升高，颜色和反射率逐渐加深和升高。文献[12]开发了11种不同颜色的瓷砖，对其表面温度的监测表明，热变色路面的平均日表面温度低于使用红外反射冷涂料和普通涂料的情况，最大反射率从有色阶段到无色阶段增加了43%。

4) 热反射涂料覆盖沥青骨料

有研究者尝试用红外反射涂料裹覆骨料制成路面[13]。测试结果表明，此种路面比传统大孔隙排水路面具有更低的表面温度，降低了10.2 K～18.8 K，降温效果显著。

5) 粉煤灰和矿渣的使用

文献[13]指出，当用70%的矿渣作水泥替代物时，混合料的反射率为0.582，比常规混合料的反射率高71%。但相比于前几种技术，这一方法发展应用有限。

综上分析，合理使用反射涂料，可有效降低路表温度，但涂料的耐久性问题需要特别关注。此外，在具体使用时，需通过试验综合比较表层涂覆、与骨料混合及裹覆骨料3种处理手段，确定最经济高效的涂料使用方式。

2.2 蒸发式/保水式路面

蒸发式/保水式路面相比传统沥青路面通常含有更多更大的空隙，以便允许水流入底层，并利用保水填料以储存水。通过水的蒸发以及储存水降低路表温度，缓解城市热岛效应，同时降低洪涝风险。保水路面的性能标准有3个：1) 在晴朗天气下降低路面温度的能力；2) 持续抑制降雨后气温的上升；3) 最大限度提高耐久性和减缓路面性能的下降。

2.2.1 传统措施

国内外对透水式路面的研究已有多年，可选择在路面上种植或不种植植物。典型透水路面如图1所示。

图1 透水路面示意[14]

2.2.2 新措施综述

1) 钢铁副产品制成保水填料作多孔沥青混合料添加剂

日本Nakayama等[15]提出一种由钢材副产品制成的保水填料应用于多孔沥青混合料中的新型保水路面。试验结果表明，此种保水路面的平均表面温度比常规多孔沥青路面低0.6 K，而路面上方的气温比常规多孔沥青路面低了近0.5 K。常规多孔沥青路面的表面温度骤降能力优于保水路面，但保水路面的蒸发和冷却作用持续时间比常规多孔路面长，最长约3 d。

2) 以工业废弃物为原料制瓷砖的应用

日本Ozaki等[16]以工业废弃物为原料，开发并试验了一种保水性瓷砖。路面在饱和条件下进行室外试验，结果表明，其表面温度比混凝土屋顶低近10 K，同时，瓷砖上方的空气温度低了近1 K～2 K。这些保水材料能够有效吸收和扩散整个表面的水，比常规沥青路面的表面温度低了近25 K。

综上可知，当前对保水路面的研究主要集中在保水材料的研发方面，该类材料应具有保水能力强、耐冲刷等特点。此外，保水材料与路面结构及生态环境应具有相容性，以保证路面的工作性能及整体综合效益。

2.3 其他类型凉爽路面

2.3.1 相变材料路面

相变材料PCM(Phase Change Material)是指通过改变自身物态而提供潜热的材料。T.Karless等[17]研究了在路面中使用相变材料，并对掺入PCM的瓷砖进行了性能试验。测试结果表明，掺入PCM的瓷砖呈现出明显较低的温度，与常规颜料着色的瓷砖相比，降温幅度约为2.9 K～8.3 K；而与红外反射颜料制备的瓷砖相比，降温幅度为0.6 K～2.6 K。

2.3.2 水循环系统路面

通过路面内部的水循环系统降低沥青路面体表温度，并将产生的温水用于热电设备发电及夜间照明等。试验和仿真结果表明，该系统具有较高的可行性，但仍有一些问题尚待解决，如循环系统水管道压力引起的维修、整体结构的使用性能等问题。目前水循环系统已在荷兰的几个实际项目中得到应用。

2.3.3 光伏路面

光伏路面作为新兴技术，使用由玻璃与陶瓷结合而成的光伏瓷砖降温。光伏路面可提供电力、节省空间，如果表面温度合适，间接有助于缓解城市热岛效应。雅典的光伏路面2012年夏季的初步记录显示，其表面温度比传统混凝土路面低3 K～5 K。

2.3.4 高电导率路面

有学者提出在沥青路面中加入石墨粉，使路面成为压阻材料。用石墨粉替代部分混凝土填料可提高导热系数，且密度和热容量的变化可忽略。Wang等[18]制备了顶部导热系数大、底部导热系数低的3层沥青混凝土试样，测试结果发现，该导电试样白天温度比普通沥青混凝土低。

2.3.5 集热式路面

由嵌入沥青路面的太阳能集热器提取沥青路面吸收的热量，然后用于可再生能源的利用。

路面水循环集热系统收集的能量可储存在路边水箱中，用于可再生能源供应或作其他用途(如冬季融雪)，如图2所示。P Pascual Muoz等[19]提出了一种多层沥青路面系统，它通过2层不透水层限定的多孔中间层进行排水。试验表明，这种路面结构可以从路面中获取可再生能源，并保持凉爽。

图2 路面水循环集热系统示意

3 凉爽路面综合效应分析

3.1 反射式路面

1) 降温。根据美国研究者在洛杉矶的模拟研究，路面反射率由0.05提高至0.25，预测城市环境平均温度可降低0.52 K，且与城市特性有关。如通过对休斯顿的模拟研究表明，城市地区反射率变化0.1，可使城市环境平均温度可降低0.3 K～0.4 K[20]。

2) 老化。反射式路面具有较为明显的老化现象。研究表明彩色路面使用1年后反射率指数下降约20 %[21]。热变色涂料暴露于室外环境时易于光降解，太阳辐射将使化学键断裂。因此在研究和开发时应同时努力提高涂层的抗老化能力。

3) 效益。反射式路面可降低城市能源使用量、抵消二氧化碳的辐射力、改善城市空气质量、增加夜间照明、延长路面寿命。

4) 问题。夏季，反射性路面可能会升高建筑物表面附近的温度。但一些模拟发现，凉爽路面带来的好处远大于其不利影响，如缓解道路附近行人的热负荷[22]。

3.2 蒸发式/保水式路面

1) 降温。保水/透水路面具有一定的降温能力。如Yamagata等[23]对多种路面材料性能进行了测试。结果表明，气温最低、最高的路面分别是草地和普通沥青路面，二者昼夜温差分别达到了20 K和4 K。与常规沥青相比，多孔保水混凝土的显热减少接近100 W/m2，而保水沥青减少约140 W/m2。但也有研究结果表明保水式路面温度高于沥青路面，或者等同于沥青路面，因此，需进一步开展详细研究。

2) 实施。透水性和保水性路面需要大量的水才能正常工作。在湿热气候中，可利用雨水增强路面系统中的蒸发量。对于雨水较少的气候带，可使用再生水。实践发现通过在由保水材料制成的道路上洒水，可显著降低它们的表面温度。

3) 效益。蒸发式路面特别是透水式路面，具有减少地表径流、清洁水、利于树木生长、降低噪音等优点。雨水通过透水铺路材料渗入，并重新充注地下水。多孔结构减少了轮胎与道路的相互作用并吸纳了声音，从而降低了轮胎负载噪声，且研究表明，多孔沥青对事故的净影响接近于零[24]，但透水多孔混凝土对城市树木生长的益处微不足道[25]。

4) 问题。蒸发路面因其多孔具有较低的热惯性和较低的反射率，空气干燥时，温度较高，因此中午比传统路面释放更多显热，这可能增加高峰用电负荷，加剧白天的超高温效应。此外，透水混凝土由于孔隙率高，较密实混凝土耐久性差，需要额外的成本来清除空腔中堵塞的污垢。堵塞可能进一步减少间隔腔之间的蒸汽输送，并可能损害蒸发冷却，影响其性能与应用。

4 结束语

1) 尽管大部分研究显示凉爽路面对生态是有益的，但也有研究表明，其会带来额外的环境压力，使用应谨慎。

2) 凉爽路面是一项环境友好型技术，需持续研发并不断完善。该技术的推广应用不仅可显著降低路面温度，还能降低城市环境温度，改善城市生态，最大限度提高经济效益。

3) 铺设凉爽路面是一项长期投资，其经济效益应综合生命周期评估(LCA)。使用凉爽路面可提供更优的热舒适性、更多的节能和更低的路面维护成本等，投入时额外的成本可由这些优势来平衡。