Тротуары

Тепловые характеристики дорожного покрытия и их вклад в городской и глобальный климат

Фон

Тепловые характеристики дорожного покрытия определяются как изменение его температуры (чаще всего температуры поверхности) с течением времени под влиянием свойств материалов дорожного покрытия (например, альбедо, теплового излучения, теплопроводности, удельной теплоемкости и поверхностной конвекции) и условия окружающей среды (солнечный свет, ветер, температура воздуха). На него также может влиять испарительное охлаждение, которое связано с условиями окружающей среды, проницаемостью и наличием воды у поверхности (чаще всего это фактор, если используются полностью водопроницаемые системы дорожных покрытий).

Альбедо (или коэффициент солнечного отражения) — это мера способности поверхности отражать солнечное излучение. Значения коэффициента солнечного отражения варьируются от 0 (солнечный свет не отражается) до 1 (отражается весь солнечный свет). Светлые материалы, как правило, имеют более высокие значения коэффициента солнечного отражения, чем материалы темного цвета, хотя цвет сам по себе не является единственным индикатором солнечного отражения (NCPTC/NCAT 2013).

Эмиттанс — это эффективность, с которой поверхность излучает лучистую энергию, и определяется как отношение энергии, излучаемой поверхностью, к энергии, излучаемой черным телом (идеальным поглотителем и излучателем) при той же температуре. Коэффициент излучения варьируется от 0 (отсутствие излучения) до 1 (идеальное излучение). Тепловое излучение — это излучение поверхности около 300 К (81 ° F или 27 ° C). Большинство неметаллических поверхностей имеют коэффициент теплового излучения в диапазоне от 0,80 до 0,95. Коэффициенты теплового излучения плотного бетона и асфальта близки и находятся в диапазоне от 0,90 до 0,95.

Теплопроводность – это мера способности материала проводить или передавать тепло. Это отношение теплового потока (мощности на единицу площади) к градиенту температуры, выражаемое в единицах Вт/м•К.Материал с высокой теплопроводностью будет передавать тепло с большей скоростью, чем материал с низкой теплопроводностью. Теплопроводность материалов дорожных покрытий широко варьируется в литературных источниках от 0,8 Вт/м·К до 2,0 Вт/м·К или выше, с аналогичными значениями, указанными для плотного асфальта и бетона.

Удельная теплоемкость — это энергия, необходимая для повышения температуры единицы массы вещества на одну единицу температуры, обычно выражаемая в единицах Дж/кг•К. Удельная теплоемкость плотного асфальта и бетона очень близка и составляет около 900 Дж/кг•К.

Из этих свойств материала альбедо является наиболее важным в отношении того, как тротуары термически взаимодействуют с окружающей средой при воздействии солнечного света. Тепловое излучение, теплопроводность и удельная теплоемкость материалов являются факторами второго порядка (Li et al. 2013).

Эффект городского острова тепла

Летним днем ​​городские районы, как правило, теплее, чем окружающие сельские районы (Джонс и др., 1990 г.), как показано на рисунке 1 (EPA, 2003 г.). Эта разница температур воздуха в городе и сельской местности, известная как эффект городского острова тепла (UHIE), обусловлена ​​​​множеством факторов, включая преобладание темных сухих поверхностей в городах и сильно урбанизированных районах.

Рисунок 1. Острова тепла для различных областей развития (EPA 2003).

Хотя чаще всего считается, что городские тепловые острова (UHI) существуют в атмосфере над городом, на самом деле они существуют на многих различных уровнях, в том числе на поверхности земли / тротуара, в воздухе непосредственно над поверхностью (приповерхностный), и при температурах окружающего воздуха значительно выше уровня улицы, а также в атмосфере над городом. Во многих случаях удобно рассматривать приповерхностные тепловые острова, которые характеризуются повышенной температурой окружающего воздуха непосредственно над поверхностью земли/тротуара, обычно на высоте от 3 до 6 футов (от 1 до 2 м), где происходит деятельность человека на открытом воздухе (Li и др., 2013).Поверхностные и приповерхностные острова тепла могут потенциально влиять на тепловой комфорт человека, качество воздуха и энергопотребление зданий и транспортных средств. Атмосферные острова тепла могут влиять на сообщества, увеличивая пиковый спрос на энергию в летнее время, надежность электросетей, затраты на кондиционирование воздуха, загрязнение воздуха и выбросы парниковых газов, болезни и смерти, связанные с жарой, и качество воды.

Тип дорожного покрытия и тепловые характеристики

Солнечная отражательная способность мощеных поверхностей может в значительной степени способствовать нагреванию дорожного покрытия, и это потепление может повлиять на UHIE в тех застроенных средах, которые подвержены жаркой погоде и достаточно велики, чтобы создать тепловой остров. Типичные значения альбедо колеблются от 0,04 до 0,16 для асфальтовых покрытий и от 0,18 до 0,35 для бетонных покрытий (Pomerantz et al. 2003), хотя альбедо нового бетона может достигать 0,69 (Marceau and VanGeem 2007). Эти значения альбедо коррелируют с цветом дорожного покрытия, будь то асфальт (черный) или бетон (серый или белый), но воздействие заполнителей на поверхность также играет роль в определении альбедо. Новые асфальтовые покрытия довольно черные, с небольшим обнажением заполнителя и, следовательно, с низким альбедо (обычно менее 0,10). Это приведет к высокой температуре поверхности тротуара в жаркие солнечные периоды, когда он не затенен деревьями или зданиями (Li et al. 2013). При значениях альбедо дорожного покрытия около 0,10 экстремально высокие температуры поверхности дорожного покрытия от 158 до 176 ° F (от 70 до 80 ° C) были измерены в жаркие летние дни в середине дня в Фениксе, штат Аризона, и до 158 ° F (70 ° C). C) для аналогичных покрытий в Дэвисе, Калифорния (Li et al. 2013). Рисунок 2 иллюстрирует, как альбедо дорожного покрытия сильно влияет на температуру поверхности дорожного покрытия в Финиксе (Cambridge Systematics 2005). Отмечено, что альбедо дорожного покрытия меняется со временем: альбедо бетонных покрытий становится ниже, а альбедо асфальтовых покрытий увеличивается по мере их старения (см. рис. 3).

Фигура 2.Температура поверхности и альбедо для отдельных типов тротуаров в Финиксе, штат Аризона (примечание: UTW = ультратонкое покрытие) (Cambridge Systematics 2005).

Рис. 3. Типичная отражательная способность обычных асфальтовых и бетонных покрытий с течением времени (EPA 2008).

Методы, доступные менеджерам по дорожному покрытию, проектировщикам и разработчикам спецификаций, которые могут быть использованы для снижения пиковых температур дорожного покрытия и могут быть использованы для решения проблем UHI, обсуждаются в главе 6 (.pdf) руководства. Справочный документ

использованная литература

Кембриджская систематика, Inc. 2005. Отчет о холодных покрытиях: исследование EPA о прохладных покрытиях — задача 5 (.pdf). Проект отчета. Агентство по охране окружающей среды, Вашингтон, округ Колумбия.

Агентство по охране окружающей среды (EPA). 2003. Охлаждение летних температур: стратегии сокращения городских островов тепла (.pdf). 430-Ф-03-014. Агентство по охране окружающей среды, Вашингтон, округ Колумбия.

Агентство по охране окружающей среды (EPA). 2008. Сокращение городских островов тепла: сборник стратегий — прохладные тротуары (.pdf). Агентство по охране окружающей среды, Вашингтон, округ Колумбия.

Джонс, П. Д., П. Я. Гройсман, М. Кофлан, Н. Пламмер, В. К. Ван и Т. Р. Карл. 1990. "Оценка эффектов урбанизации во временных рядах приземной температуры воздуха над сушей". Природа. Том 347, № 6289. Издательская группа Nature, Macmillan Publishing Ltd., Нью-Йорк, штат Нью-Йорк.

Ли, Х., Дж. Харви, Т.Дж. Холланд и М. Кайханян. 2013. «Использование отражающих и проницаемых покрытий в качестве потенциальной практики для смягчения последствий острова тепла и управления ливневыми водами». Письма об экологических исследованиях. Том. 8, № 01. IOP Publishing, Ltd., Бристоль, Великобритания.

Марсо, М. и М. ВанГим. 2007. Солнечное отражение бетона для устойчивых объектов LEED Кредит: эффект острова тепла (.pdf). PCA R&D Серийный номер 2982. Ассоциация портландцемента. Скоки, ИЛ.

Национальный центр технологий бетонных покрытий (NCPTC) и Национальный центр технологий асфальтобетона (NCAT). 2013. Количественная оценка альбедо дорожного покрытия — Заключительный отчет по этапу I: обзор литературы и подробный план работ. Проект № DTFH61-12-C-00016. Федеральное управление автомобильных дорог, Вашингтон, округ Колумбия.

Pomerantz, M., H. Akbari, S.C. Chang, R.M. Levinson, and B. Pon. 2003. Примеры более холодных отражающих улиц для смягчения последствий теплового острова в городе: бетон на портландцементе и герметики для стружки. Национальная лаборатория Лоуренса Беркли, Беркли, Калифорния.

Ресурсы

• Стратегии смягчения последствий острова тепла Агентства по охране окружающей среды США

Контакт

• Мигдалия Каррион
  Управление подготовительных работ, строительства и тротуаров
  787-771-2515
  Электронная почта