土壤溫度對室外熱環(huán)境的影響分析

1、土壤表面溫度對室外熱環(huán)境的影響分析* 本研究得到國家“十一五”科技支撐計劃 2006BAJ02A02和重慶市自然科學基金 CSTC, 2007BB4131的支持。羅慶，李楠，丁勇，劉紅 重慶大學三峽庫區(qū)生態(tài)環(huán)境教育部重點實驗室摘要：本文針對城市化過程中非透水性材料的使用，加速了室外熱環(huán)境惡化的情況，研究了典型的天然透水性材料土壤在不同含水率情況下的動態(tài)溫度分布情況，實驗和模擬分析結果表明含水土壤的表面溫度要比干燥土壤溫度低35，充分證實了透水性材料對室外熱環(huán)境的溫度調節(jié)功能。關鍵詞：土壤；含水率；傳熱機理；室外熱環(huán)境；1 研究背景隨著經(jīng)濟的發(fā)展和城市化進程的加快，許多城鎮(zhèn)逐步被鋼筋混凝土房屋、

2、大型基礎設施、各種不透水的場地和道路所覆蓋，構成城市不透水下墊面。根據(jù)美國芝加哥、洛杉磯等10個大城市的統(tǒng)計，市內不透水下墊面占全市總面積的72.7%，北京不透水下墊面比例約為77%，上海不透水下墊面更是高達80%以上，世界上的主要城市不透水下墊面大都在50%以上【1】。城市化過程中出現(xiàn)的這些不透水下墊面，給城市室外熱環(huán)境帶來了許多負面影響：（1）不透水下墊面缺乏透水性，雨水不能滲入地下，致使不能直接給下墊面降溫；（2）不透水下墊面缺乏透氣性，極大地減少了水在下墊面中的蒸發(fā)空間，減少了與空氣的熱量的交換，缺乏對城市地表溫度的調節(jié)能力；（3）不透水下墊面面積較大，降雨后雨水很快從排水管道流失，因

3、此在城市中可供蒸發(fā)的水分少，其獲得的凈輻射用于蒸發(fā)的潛熱源少，所以用于城市地表和空氣升溫的熱量增多，這些都會嚴重損害室外熱環(huán)境【2】。目前，對透水性材料的研究主要集中在透水性能方面，國內外的許多學者【37】從透水性材料滲透系數(shù)的影響因素及其形成機制進行了大量的研究，總結出影響透水性材料滲透系數(shù)的主要因素：材料的孔隙率、孔隙大小和孔隙的連通情況等，并針對透水性材料對地下水體、生態(tài)環(huán)境、道路安全等方面進行了研究。但是，這些研究工作缺乏透水性材料對溫度調控能力方面的研究。本文針對建筑室外廣泛存在的透水性材料土壤作為研究對象，研究在不同土壤含水率情況下，土壤表面溫度分布情況。由于土壤表面溫度對室外熱環(huán)

4、境產生最直接、最重要的影響，只要知道了表面溫度的高低，就可以知道其對室外熱環(huán)境的影響程度。2 實驗分析土壤含水量的指標，用土壤含水量表示，又稱土壤含水率，常用的表示方法有：重量含水率，即土壤中水的重量與烘干后土壤固體重量的百分比；體積含水率，即土壤水分體積占土體總體積的百分比。本文為了方便，采用了重量含水率的定義，分別對0%，10%和30%三種情況做了對比研究。實驗過程中，取重慶地區(qū)典型的紅色砂土樣品，充分烘干，取出樣品，稱取樣品1.5Kg，分成相同的三份，每份0.5Kg，對其中兩份分別添加50ml和150ml的水，并充分均勻混合，然后采用容器固定性狀，固定后的性狀為直徑20cm，厚度為5cm

5、的圓盤型，這樣構成了含水率分別為0%，10%和30%的土壤樣品，如圖1所示。對這三個樣品表面采用相同的熱源進行加熱（100W/m2），同時保持其余表面與周圍空氣進行自然對流換熱，周圍空氣溫度維持在28.4。 0%含水率 10%含水率 30%含水率圖1：實驗土壤樣品圖2是不同含水率土壤表面溫度分布，圖中明顯的分為兩個溫度區(qū)域：第一區(qū)域，主要是干燥土壤，第二區(qū)域是含水土壤，兩者存在明顯的溫度差異，溫差在35之間，引起的主要原因是含水土壤在相同熱源情況下，存在水分的蒸發(fā)相變作用，由于水的相變過程的吸熱量是液態(tài)水吸熱量的700多倍，因此，在含水土壤中有充分的能力吸收熱量，并通過水的相變過程，將熱量散發(fā)

6、出去，從而維持土壤表面溫度在較低的狀態(tài)下，實現(xiàn)對室外熱環(huán)境的調節(jié)功能。圖2：不同含水率土壤表面溫度分布3 傳熱數(shù)學模型及模擬分析由于研究對象無內熱源,根據(jù)實測的原型，可以建立三維非穩(wěn)態(tài)傳熱模型，并對含水土壤考慮其水蒸發(fā)作用的影響，傳熱模型可以表達為： （1）邊界條件分別設置如下，模型的上表面即與空氣接觸的表面，采用第二類邊界條件：和第三類邊界條件：的復合換熱條件，自然對流換熱系數(shù)20W/m2.，周圍空氣溫28.4；周邊和底部采用第三類邊界條件，對流換熱系數(shù)10W/m2.；對分析的數(shù)學模型進行計算機模擬（如圖3所示），這樣可以求得整個土壤在不同時刻的非穩(wěn)態(tài)溫度分布（圖4，圖5）。圖3：計算機模型

7、圖4：含水率0%的土壤在10分鐘和20分鐘時的截面溫度分布圖5：含水率30%的土壤在10分鐘和20分鐘時的截面溫度分布4 測試與模擬對比分析為了分析模擬結果的合理性，選擇了對應時刻的土壤表面的測試值和模擬值作對比分析。圖6和圖7分別是含水率為0%和30%的土壤表面溫度測試值與模擬值對比曲線圖。圖6：含水率為0%的土壤表面溫度測試值與模擬值對比曲線圖7：含水率為30%的土壤表面溫度測試值與模擬值對比曲線從圖6和圖7可以看出，實測值和模擬值之間存在一定的差異，但是總體的溫度隨時間的動態(tài)分布規(guī)律一致，由于測試過程中的影響因素要復雜得多，而模擬過程，則忽略了一些次要影響因素，但是模擬還是能從總體上反映

8、不同含水率土壤在相同條件下的土壤溫度分布情況，為分析土壤表面溫度對室外熱環(huán)境影響規(guī)律提供了有力工具。5 對重慶地區(qū)夏季溫度調控能力的分析重慶地區(qū)是夏熱冬冷氣候區(qū)的典型代表，夏季日照強烈，氣候炎熱，室外固體壁面溫度可以達到50（圖8），產生強烈熱輻射作用，室外熱環(huán)境極其惡劣，在這種情況下，固體壁面溫度對室外熱環(huán)境有著決定性的影響。從前面的實驗可以知道，如果能夠采用透水性材料，由于能留住雨水，提供蒸發(fā)潛熱源，可以調節(jié)溫度35，對于重慶這種室外熱環(huán)境十分惡劣的情況，是非常寶貴的。圖8：重慶地區(qū)夏季固體壁面溫度分布6 結論通過對不同含水率土壤的表面溫度的測試和模擬，確定了土壤作為一種天然透水性材料，由

9、于空隙中水的相變蒸發(fā)作用，使含水土壤的溫度比干燥土壤溫度在同等條件下低35，充分體現(xiàn)了透水性材料在室外熱環(huán)境中對溫度的調控作用，對室外熱環(huán)境的改善具有非常大的潛力，從而，也說明了在城市建設過程中，采用生態(tài)透水性建筑材料的重要性和緊迫性。參考文獻：1 張洪清，宋志斌，透水性鋪裝對城市生態(tài)環(huán)境改善的分析，水科學與工程技術，2005年2 張振秋，吳曉泉，透水性混凝土路面磚的研究，混凝土，2003年第1期(總第159期)3 王進鑫，黃寶龍，王迪海，不同地面覆蓋材料對壤土渾水徑流入滲規(guī)律的影響，農業(yè)工程學報，第20卷第6期2004年11月4 吉青克，姚祖康，多孔水泥穩(wěn)定碎石組成設計，同濟大學學報，第31卷第2期