夏季下墊面材質(zhì)類型與顏色表面溫度熱環(huán)境關(guān)系研究

趙令寬 朱體強 王金奎

(河北建筑工程學(xué)院，河北 張家口 075000)

0 引 言

當(dāng)前，隨著全球變暖和我國城市化進程的發(fā)展，城市熱環(huán)境在一步步惡化，頻繁發(fā)生高溫現(xiàn)象.[1]城市熱環(huán)境與下墊面之間關(guān)系較為密切，且下墊面對大氣環(huán)境造成的影響尤為明顯，然而在城市設(shè)計當(dāng)中，下墊面的特性沒有引起建設(shè)者的注意.研究表明，城市熱環(huán)境的變化與城市下墊面性質(zhì)有密切關(guān)系.[2]而在各種下墊面類型中，鋪裝材質(zhì)是占據(jù)下墊面中的一大重要組成部分.國外的一些發(fā)達國家比較重視城市鋪裝的發(fā)展，在城市建設(shè)過程中.建設(shè)者不僅了解鋪裝材質(zhì)的特點，還對材質(zhì)生態(tài)環(huán)境方面上的又有所了解.而國內(nèi)鋪裝材質(zhì)相關(guān)研究內(nèi)容較少.

城市下墊面鋪裝中常用的地面磚一般是水泥、混凝土材質(zhì)，夏季炎熱時我國大部分地區(qū)氣溫可達35℃以上，此時地面磚的表面溫度可高達60 ℃～65 ℃，嚴重影響城市人居生活舒適度.[3]楊雅君等人并對城市下墊面表面對空氣溫度具有加熱作用進行研究.[4]地表溫度是城市下墊面的能量平衡的核心，各種類型下墊面材質(zhì)其表面溫度，通過對流和輻射等方式，影響城市熱環(huán)境.運用紅外熱像技術(shù)測量表面溫度，其結(jié)果形象、直觀、準確，便于對整體表面溫度做各種統(tǒng)計分析[5].

本實驗選擇張家口市大學(xué)校園中10種常見的不同鋪裝材質(zhì)，以低碳生態(tài)環(huán)境，降低城市熱島效應(yīng)研究角度出發(fā)，采用定量化研究方法，在夏季晴天高溫天氣同一時間相同周邊自然環(huán)境，對各種鋪裝類型材質(zhì)在表面溫度變化展開研究.實驗主要是采集各種材質(zhì)的熱像圖，通過分析比較選取的各個材質(zhì)的平均溫度、最高溫度、溫度變化速率等熱成像圖片數(shù)據(jù)分析，研究夏季高溫情況下材質(zhì)日溫度變化特征，以此為城市建設(shè)者在鋪裝材質(zhì)的選擇上提供更多科學(xué)依據(jù).

1 實驗研究區(qū)測量與方法

1.1 實驗地自然概括

本研究實驗地點位于張家口市經(jīng)開區(qū)緯三路，河北建筑工程學(xué)院朝陽校區(qū)(北緯N40°45′40.27″東經(jīng)E114°53′56.15″).實驗采樣區(qū)域位于舊操場旁如圖1，各種材質(zhì)類型距離較近，使其周邊自然氣候環(huán)境相同.運用紅外線成像儀對下墊面鋪裝材質(zhì)進行數(shù)據(jù)采集.

圖1 實驗地點

1.2 實驗儀器

研究所使用的儀器為美國公司FLIR生產(chǎn)的FLIR Systems AB T250紅外熱像儀(表1)

表1 紅外熱像儀具體參數(shù)

1.3 實驗內(nèi)容

實驗?zāi)繕?biāo)一：灰色水磨石廣場磚、紅色水磨石廣場磚、黃色水磨石廣場磚、大理石板、瀝青混凝土路、植草磚、水泥地和草坪.實驗選擇夏季晴天高溫天氣條件，均對實驗?zāi)繕?biāo)進行1m高度拍攝，全天材質(zhì)表面均無陰影覆蓋或遮擋.實驗測量時間選擇2019年07月03日，早上7點至晚上19點，半小時連續(xù)拍照兩次、記錄一次，同一類型材質(zhì)拍攝兩次，氣象參數(shù)數(shù)據(jù)人工手持測量，保證數(shù)據(jù)保存到相機相冊，以此獲得材質(zhì)表面溫度的6個數(shù)據(jù)，以多組數(shù)據(jù)的平均值來減小誤差.

實驗?zāi)繕?biāo)二：20x20cm廣場磚材質(zhì)，表面效果亞光，抗凍，熱震性能良好，吸水率<8%耐腐蝕性ULA、UHA，耐磨系數(shù)≤140.顏色有白色、橙紅、灰白、淺灰、深灰、淺紅、深紅、黃色、青藍和綠色.實驗測量時間選擇2019年07月23日，同樣實驗?zāi)繕?biāo)一實驗方法，拍攝相同材質(zhì)不同顏色鋪裝材質(zhì).

1.4 實驗方法

本次研究采用數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析方法，對熱像圖進行數(shù)據(jù)分析，對每個拍攝材質(zhì)每張熱像圖上三個點進行平均數(shù)數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析對比.通過分析各種材質(zhì)的平均溫度、最高溫度、最低溫度等圖像數(shù)據(jù)，利用EXCEL軟件對實測數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，研究夏季晴天同一天各個時刻的下墊面溫度變化.

2 測試結(jié)果與數(shù)據(jù)分析

2.1 不同下墊面表面溫度日變化特征

2019年07月03日實驗點天氣數(shù)據(jù)，采集于國家氣象信息中心(http://data.cma.cn/).天氣晴，最高氣溫33℃，最低21℃，溫度差值較大，滿足夏季典型氣候.因此選取07月03號的實驗數(shù)據(jù)，分析不同材質(zhì)類型材質(zhì)，典型夏季晴天氣候條件下的日變化特征(如圖2)

圖2 不同材質(zhì)典型夏季日變化特征

實驗結(jié)果與數(shù)據(jù)分析：

(1)從圖3中溫度變化趨勢來看，8種下墊面材質(zhì)溫度總體上相同，都是呈現(xiàn)上升再下降的單峰變化.實驗從早上7點開始，正好處于早上剛出太陽，太陽輻射程度逐漸加強，空氣溫度也逐步上升，因此材質(zhì)表面溫度隨之升高.不同下墊面性質(zhì)不同,對太陽輻射的吸收和釋放不同,導(dǎo)致地表溫度變化程度的不同.

圖3 不同材質(zhì)類型材質(zhì)下墊面溫度的日變化特征

(2)下墊面材質(zhì)測點(e)瀝青材質(zhì)，表面溫度顯著高于其它材質(zhì)下墊面材質(zhì)，其一天內(nèi)溫度日均值為48.08℃.08：00點時，實驗材質(zhì)初始溫度為27.13℃較其它材質(zhì)高5-8攝氏度，雖初始溫度較高，13：00點之前的增長速率與其它材質(zhì)增長速率相差較小.(如圖3)一天內(nèi)維持在50℃以上的時間有7個小時.13：00～15：30點時，溫差值最大，較其它下墊面材質(zhì)高6 ℃～10 ℃，增長速率穩(wěn)定持平.15：30點至20：00點時間段，增長速率負增長，且整體較低于溫度上升增長速率，下降遲緩將會持續(xù)降溫至深夜或者至第二天.而草坪測點(h)，表面溫度顯著低于其他材質(zhì)，其溫度日均值為29.92℃.因此草地對熱環(huán)境的影響較小,具有緩解熱環(huán)境的作用.草坪下墊面間的溫度增長速率與趨勢也與其它材質(zhì)有所不同.由此可得材質(zhì)類型不同，維持高溫小時數(shù)有很大差異，且材質(zhì)表面溫度散熱較慢，對材質(zhì)周圍熱環(huán)境影響較大.

(3)測點(h、a、c和d)草坪、灰色水磨石廣場磚、黃色水磨石廣場磚和大理石板均比其它下墊面溫度顯著較低，其溫度日均值分別為29.92℃、42.44℃、39.15℃和40.04℃.實驗初始材質(zhì)溫度較低，分別為19.40℃、22.97℃、22.13℃和20.37℃.這四種材質(zhì)除草坪材質(zhì)溫度相差較大，對熱環(huán)境影響有明顯緩解之外.13：00之前增長速率相同，灰色水磨石廣場磚、黃色水磨石廣場磚和大理石板溫度幾乎同時達到峰值.(如圖4)但在材質(zhì)日平均值較低的這三種材質(zhì)中，大理石板和黃色水磨石廣場磚在13：00達到溫度峰值之后，溫度持續(xù)走低.維持在50攝氏度以上只有1個小時.由此可得草坪，廣場磚等這四種材質(zhì)，對材質(zhì)周圍熱環(huán)境影響較大.灰色水磨石廣場磚卻在14：30時達到峰值為54.30℃.維持在50℃以上卻有有4個小時.與有相同材質(zhì)不同顏色的黃色水磨石廣場磚，存在明顯的差異.

圖4 不同材質(zhì)的增長速率

2.2 相同材質(zhì)下墊面不同顏色表面溫度日變化特征

2019年07月23日實驗點天氣數(shù)據(jù)，采集于國家氣象信息中心(http://data.cma.cn/)，天氣晴，最高氣溫31℃，最低20℃，最高溫度較高，且與07月03號天氣狀況相似，因此選取07月23號的實驗數(shù)據(jù)，實驗數(shù)據(jù)為了盡可能詳細與準確，實驗此次從早上6點開始，保證各種類型材質(zhì)周邊環(huán)境一致.以分析相同材質(zhì)類型不同顏色，在典型夏季晴天氣候條件下的日變化特征.(圖5)

圖5 相同材質(zhì)不同顏色材質(zhì)的日變化特征

實驗結(jié)果與數(shù)據(jù)分析

(1)從圖中溫度變化趨勢來看，10種不同顏色相同下墊面材質(zhì)溫度總體上趨勢相同，都是6：00到11：00呈現(xiàn)上升穩(wěn)定，11：00到15：00穩(wěn)定趨勢中達到一個峰值，15：00到20：00再下降的單峰變化趨勢.13：30為最大峰值，根據(jù)國家氣象局氣象站(http://www.cma.gov.cn/)，13：00時氣溫為25.7℃，從峰值上得到深灰色最高溫度為56.30℃，白色最高溫度為48.50攝氏度，兩者顏色峰值差值較大，為7.8.可得深灰色表面材質(zhì)得到的太陽輻射最多，并且能夠更多的影響地表層溫度，加劇城市熱環(huán)境.

(2)在平均溫度上比較，有三種顏色材質(zhì)，在各個時間段上均高于其他材質(zhì)，分別為深灰測點(e)、淺灰測點(d)和深紅測點(g)，其8：00至17：30平均溫度為48.00℃、46.91℃和46.18℃.平均溫度最低的，是白色和橙紅色，其8：00至17：30平均溫度為41.61℃，40.81℃.平均溫度相比較，較高的是普遍顏色較深的材質(zhì)，較低的是普遍顏色較淺的材質(zhì).顏色深淺的判斷需要將顏色的RGB轉(zhuǎn)換為GrayScale[6].

圖6 不同材質(zhì)測點顏色灰度值

GrayScale灰度模式，這種模式包括從黑色到白色之間的256種不同深淺的灰色調(diào).通過整數(shù)計算方法：Gray=(R*30+G*59+B*11)/100求得Gray.灰度值G大小的排名與平均溫度相比大致相同.因此顏色深淺從實驗數(shù)據(jù)上反應(yīng)了，材質(zhì)表面溫度的變化趨勢與顏色的深淺有很大的關(guān)聯(lián)性，從而影響材質(zhì)上方氣溫對人們帶來的熱感受.

3 結(jié) 語

本研究選取城市中夏季典型高溫天氣下，8種不同材質(zhì)下墊面類型，利于熱紅外成像計算對其材質(zhì)表面溫度進行實驗，較為系統(tǒng)的分析了各種材質(zhì)類型表面溫度變化的特征，主要結(jié)論如下.

(1)8種不同材質(zhì)下墊面材質(zhì)，一天之內(nèi)的詳細溫度變化，總體變化趨勢基本一致，處于先上升后下降的單峰變化趨勢.

(2)瀝青路面不管是一天內(nèi)平均溫度，或是峰值溫度均較高，對周圍熱環(huán)境影響較大.除草坪之外，其它均為鋪裝材質(zhì)的灰色水磨石廣場磚、黃色水磨石廣場磚和大理石板平均表面溫度均較低，對熱環(huán)境有較好的緩解作用.

(3)相同材質(zhì)不同顏色下墊面實驗，由實驗測點數(shù)據(jù)可得深灰測點(e)、淺灰測點(d)和深紅測點(g)平均表面溫度較高.而灰度值較低的白色與橙紅色，平均溫度較小.而灰度值較低的顏色多為暖色調(diào)，灰度值高的顏色多為冷色調(diào).從顏色色彩對人們心理和情感的影響來看，冷色調(diào)讓人產(chǎn)生清涼感，暖色調(diào)增加暖意，而實驗數(shù)據(jù)結(jié)論與人們所正常理解的冷熱感受相矛盾，即我們應(yīng)該是從什么方面來決定鋪裝顏色上的選擇.

本文研究結(jié)果表明，下墊面表面溫度與材質(zhì)類型關(guān)系密切，且對于相同材質(zhì)不同顏色的研究，表面與材質(zhì)表面顏色有一定的相關(guān)性.城市規(guī)劃師與景觀設(shè)計師應(yīng)根據(jù)實際情況靈活選擇下墊面材質(zhì)，在北方夏季通過各種合理途徑，適當(dāng)?shù)脑黾映鞘芯G地，植被等，使其能夠較為明顯改善熱環(huán)境的下墊面.在鋪裝材質(zhì)上選擇顏色較淺的鋪裝材質(zhì)，以避免熱吸收，提高人對環(huán)境的舒適度.