1、20城市建筑 Urbanism and Architecture/2023.03辐射吸收率、人类活动产热增加、潜热热容降低，以及较低的热损失，都是硬质铺装导致热岛效应的关键因素3。Lin 等的研究显示，在台湾夏季硬质铺装的表面温度比植被表面温度高 10以上2。为了缓解城市热岛效应，冷却铺装（coolingpavement）技术应运而生。所谓冷却铺装技术，是指可以实现蒸发降温、面层增强热反射，或是降低对周边环境显热影响等的硬质铺装技术。Santamouris 等的研究显示，1200m2的城市公园硬化铺装，表面涂装了热反射涂层，相比常规硬质铺装，可以降低表面温度 124。本文将冷却铺装分为三大类：
2、蒸发冷却铺装、热反射铺装和产能/换热铺装。我国目前常用的技术是蒸发冷却铺装，主要分为透水混凝土铺装、透水沥青铺装和透水砖铺装三大类，并且都颁布了相关的技术规范与设计图集。本文收集梳理了国内外最新的冷却铺装技术，对各种技术进行了分类介绍，希望对我国相关技术的开发与应用提供参考与借鉴。2 蒸发冷却铺装2.1 技术应用现状蒸发铺装技术来源于促进径流雨水下渗、降低地表径流的海绵城市建设技术。在促进雨水下渗的同时，由于夏季的蒸发降温作用，也作为一种缓解城市夏季热岛效应的技术手段被广泛应用。常规透水铺装的蒸发降温受降雨次数与降雨量的影响，降雨结束后所产生的蒸发降温作用可以持续12天，其后透水铺装由于热容较
3、小，相对于不透水铺装，反而对周边热环境的影响更为不利5。因此，在日本、法国等地，通常采用洒水的方式来进一步发挥其蒸发降温作摘要伴随着城市化的发展，自然植被和土壤减少，城市的下垫面被逐渐硬化，导致城市热岛效应日益严重。大量研究与工程实践表明，采用冷却铺装是城市建设中缓解热岛效应的重要方法之一。本文分类介绍了适用于城市道路、广场等硬化铺装的最新冷却铺装新技术及其缓解热岛效应的机理与效果，分析了各自的特点与适用性，为我国相关技术的开发与应用提供参考与借鉴。关键词热岛效应；冷却铺装；透水铺装；新技术中图分类号T U 1 1 9文献标识码ADOI1 0.1 9 8 9 2/j.c n k i.c s j
4、 z.2 0 2 3.0 3.0 5Abstract With the development of urbanization,nature planting and soil surface decrease,and urban underlying surface is being covered by harden pavement gradually,which leads to increasingly serious urban heat island(UHI)effect.A lot of researches and engineering practices have sho
5、wn that cooling pavement is one of mitigation methods for UHI effect in urban construction.This paper introduces the latest cooling pavement technology suitable for urban road,square,etc.,and the mechanism and effects of UHI mitigation.The characteristics and applicability are also analyzed.This pap
6、er provides a reference for the development and application of relevant technologies in China.Key words heat island effect;cooling pavement;permeable pavement;new technology1 引言以混凝土、沥青、石材、砖等为主材的硬质铺装是城市下垫面重要的组成部分，包括道路、广场等。数据统计显示，城市中硬化铺装占城市下垫面面积的 15%30%，对城市微气候有重要的影响。1820 年，Luke 注意到了伦敦市昼夜显著的温差，从而发现了城市热
7、岛效应1。大量研究显示，硬质铺装的表面温度对空气温度有重要的影响，从而也成为城市热岛效应的重要原因之一2。较高的太阳作者简介：陈志刚（1974-），男，高级工程师。研究方向：城市设计、电气设计。作者单位：福建省漳州市建筑设计有限公司基于缓解热岛效应的城市冷却铺装新技术New Technology of Urban Cooling Pavement Based on Heat Island Mitigation陈志刚Chen Zhigang212023.03/Low Carbon Architectural Design 低碳建筑设计用。因此提升铺装材料的保水性是优化透水铺装的重要途径。2.2
8、保水构造新技术相对于我国目前常用的透水混凝土铺装、透水沥青铺装和透水砖铺装，目前出现了两种提升铺装构造保水性的新技术：一是在传统的面层材料中添加亲水材料，例如加入粉煤灰、高炉粉、矿渣及生物炭等亲水填料6；二是增设保水构造，以此增加面层材料储水量。以下介绍两种设置了保水构造的铺装技术。2.2.1 保水型透水砖图 1（a）为一种新型保水性透水砖7，砖的中心部分为透水混凝土，四周与底部由不透水砂浆围护，因此雨水可以存留在透水砖而不下渗，从而延长蒸发降温的时间。相关实验结果显示，尽管这种透水砖的反射比一般透水铺装与不透水铺装分别低 0.050.10 和 0.100.15，但是表面温度仍然可以比这两种材
9、料低 210。图 1（a）中的透水砖当降雨量超过其最大保水量时，会产生径流，因此对图 1（a）透水砖进行了优化，得到了图 1（b）的透水砖8。图 1（b）改进型透水砖增加了内部填充透水混凝土的排水管，该排水管上口比砖顶面低10mm，下口与透水垫层相通，当降雨量过大，溢流的雨水可以通过排水管向下方的透水垫层排放。相关研究显示，这种改进型的透水砖相比常规混凝土铺装，日间和夜间降低表面温度 13和 38。2.2.2 毛细增强型铺装构造常规的透水混凝土或者透水沥青铺装，由于材料的特性，通常保水性不强。田宇翔的研究显示，透水沥青面层的持水率与附水率不到 2%，碎石垫层的持水率不到5%9。入渗的雨水不断通
10、过多孔材料中较大的孔隙向下渗透，与此同时，材料中细小孔隙的毛细作用将深处的水分向上提升，发挥了维持蒸发降温的重要作用。为了增强透水铺装中的毛细作用，Liu 等研发了图 2 所示的毛细增强型的透水铺装构造10。该构造底部设置了不透水层，可以在构造中蓄积一定量的雨水。最重要的是在构造中设置了陶质的毛细柱，陶质材料中的细小孔隙可以将下部积蓄的雨水通过毛细作用向上方提升，从而通过面层的大孔隙进行蒸发降温。这种毛细增强型透水铺装可以大大延长蒸发降温的时间，相比常规透水铺装可以降低表面温度 9.4。3 热反射铺装新技术3.1 技术应用现状太阳辐射对铺装下垫面的热平衡有着重要影响，提高铺装材料的热反射性能可
11、以将部分太阳辐射反射回大气层，从而减少铺装材料得热。材料的热反射性能一般与铺装材料的颜色和粗糙度有着很大的关系，例如面层粗糙、颜色深的硬质铺装比面层光滑、颜色浅的硬质铺装会吸收更多的太阳辐射。常用的热反射铺装技术包括在硬质铺装表面涂装高反射率的涂层、红外反射涂层或者热变色涂层，或者在铺装材料中采用带有热反射涂层的骨料、混凝土中采用粉煤灰和矿渣等11。热反射铺装可以降低硬质铺装的表面温度，但作为缓解热岛强度的技术措施是有条件的。只有当入射的辐射被反射回大气层，才有缓解热岛强度的作用。夏季如果太阳辐射被反射至周围的行人与建筑表面，反而会增加行人的得热，降低室外环境的热舒适性，增大相邻建筑的空调负图
12、 1 保水型透水砖（图片来源：作者自绘）图 2 毛细增强型透水铺装（图片来源：作者自绘）透水骨 料垫层蒸发降温透水面层毛细柱溢流不透水层砂滤层+土工布不透水砂浆透水混凝土透水砖平面透水砖剖面改进型透水砖平面改进型透水砖平面内部填充透水混凝土的排水管（a）（b）22城市建筑 Urbanism and Architecture/2023.03荷。因此，热反射铺装的应用范围受到限制，只能用于远离行人与建筑的区域。3.2 热回射铺装新技术针对这一问题，一种新的热反射铺装技术热回射铺装（retro-reflectivepavement）应运而生12。热回射铺装能够将入射的太阳辐射以相同的角度反射回大气，
13、不会产生通常的漫反射，因而可以大大降低热反射铺装对周围行人、建筑、车辆等的不利影响。热回射铺装的机理如图 3 所示。热回射铺装材料主要分为两类：玻璃球类或者玻璃棱镜类。热回射铺装相关研究显示，与通常白色的漫反射铺装相比，热回射铺装可以降低铺装表面温度3713。这种铺装形式由于热反射需要，表面光滑，因此抗滑是技术需要进一步优化的重要方面。4 产能/换热铺装如今，可再生能源利用成为全球减碳的重要手段。由于铺装长期暴露于室外，因此有效利用铺装接收的太阳能成为新技术的一个突破点。4.1 产能铺装新技术之一是将太阳能光伏板嵌入铺装构造中，据研究可以降低铺装表面温度 514。利用铺装表面与底部的温差也可以
14、进行热电发电，温差 5时采用碲化铋晶体的热电发电机可以产生 250MW 的电力15。这种热电发电机可以直接埋置在构造层中，或者与埋置在构造层中不同深度的换热水管相连，获得温差16。4.2 换热铺装4.2.1 空气换热在铺装构造中埋设管道，以空气作为换热流体，低温空气从较低的位置进入管道，利用烟囱效应的热压，推动空气流经面层进行换热，让温度较高的空气从类似于“烟囱”的开口处排出17。有研究显示可以降低铺装温度 6左右18。4.2.2 水换热该技术类似于空调的地源热泵系统，以水为换热介质，在铺装中铺设水平的换热管路，在周边土层中钻孔铺设垂直的换热管路。夏季，铺装层管道中的高温水通过流动与土层进行换
15、热，回流回面层，从而降低铺装温度；冬季，土层中的温度较高的水通过铺装面层时，可以融化铺装上的积雪19。Mirzanamadi 对 175m2的铺装采用了上述水换热铺装，结果显示每年可以收集太阳能 352.1kWh/m2，降低铺装表面温度 520。在瑞士的一个 1300m2桥梁沥青铺装工程中，采用了 91 个 61m的换热钻孔，夏季收集了 1000h 的热量，被用于冬季1000h 的融冰雪防滑21。4.2.3 增强传热铺装增强传热铺装是通过高导热性的铺装材料，将铺装表面的得热快速传导至铺装下部的垫层中。由于铺装下部垫层具有更大的热容，因此可以降低铺装的表面温度。增强传热铺装可以分为单向传热22与
16、双向传热两种23。单向传热铺装如图 4（a）所示，材料的导热系数由上向下增大，从而将热量向基层引导。通常将石墨粉末k=129W/（mK）和氧化铝粉末 k=33W/（mK）混入铺装材料，以调整材料的导热系数。相关研究显示，与传统沥青铺装相比，单向传热铺装白天可以降低表面温度 3.4，夜间可以降低 1.2。双向传热铺装如图 4（b），是在单向传热铺装顶层设置热反射层，这样可以进一步降低铺装的得热量。针对单向传热铺装与双向传热铺装的对比研究显示，两者可以分别降低表面温度 2.38和 7.76。4.2.4 相变材料铺装夏季，白天相变材料铺装可以吸收热量，从固态变为液态。夜间，相变材料放热，由液态变为固态。因此，采用相变铺装材料可以降低温度峰值，从而缓解温度的剧烈变化。由于将相变材料直接用于沥青材料会对沥青的物理性质与黏性产生不利影响，直接用于混凝土材料会影响水泥的水化反应，从而影响强度，因此相变材料常采用封装的方式。一种封装的方式是在相变材料表面图 3 热回射铺装的热机理（图片来源：作者自绘）入射太阳辐射反射太阳辐射保护层固定层基层玻璃球入射太阳辐射反射太阳辐射保护层基层玻璃棱镜（a）玻璃球类