沥青路面洒水降温影响及方案研究

吴文亮，袁魁浩，李智

(华南理工大学土木与交通学院，广东广州510641)

0 引言

随着改革开放的发展，我国城市规模逐渐扩大。但城市热岛效应也在逐渐加重，严重影响了城市的生态环境。道路等建筑在受到太阳辐射快速提升温度，从而影响周围建筑及路面上层空气温度，成为了热岛效应非常大的影响因素。因此，为了缓解城市热岛效应问题，改善道路路面温度变得尤为重要。

针对如何改善道路路面温度，国内外学者大多数的研究方向分为两大类：太阳热反射涂层及透水路面。加藤宽道等[1-6]对太阳热反射涂层材料、现状、问题、未来发展趋势展开了重点探究，但路面材料由于雨水冲刷，车辆磨损易使涂层剥落，涂层的耐久性问题一直未能得到解决。同时，反射涂料只是单方面地降低路面的温度，却由于反射增加周围建筑的温度，在缓解城市热岛效应方面未能取得满意的效果。在透水路面方向上，张玉等[7-11]究了透水沥青路面的材料组成、结构组合、性能对比等方向，但透水路面由于本身空隙率大，在易储存水分的同时也会吸附灰尘，使用久后影响水分蒸发降温效果。

路面洒水降温是目前我国最常见的道路降温方法，在特定的时间通过洒水车洒水能有效降低路面温度，同时清洗路面灰尘，相较于热反射涂层材料和透水路面显得更加简便、有效及环保。本文拟通过室内洒水试验及Fluent有限元模拟研究沥青路面在风速、洒水量、路面辐射吸收率和空气湿度等影响因素变化下的洒水降温效果，并根据影响特性探究实际一天内的最佳洒水次数和最佳洒水时间。

1 沥青路面室内洒水试验

影响沥青路面洒水降温的因素主要包括风速、空气湿度、单次洒水量和辐射吸收率。由于实际实验条件的限制，室内试验中只研究分析风速和单次洒水量对路面洒水降温的影响，其余因素控制为常量。

1.1 实验准备

本次实验场地选择在华南理工大学道路工程研究所内进行，研究所内因环境较为密闭，且有上面建筑物的遮挡，所以空气湿度和太阳辐射量能维持在一个相对稳定的值，利于采用控制变量法去研究。实验所需要用到的器材和功能见表1。

表1 实验器材及功能Tab.1 Laboratory equipment and functions

1.2 试件制备

本次试验所采用的试件为沥青混凝土车辙板，通过控制风速和单次洒水量的变化，保持空气湿度和路面辐射吸收率不变，洒水后记录车辙板表面的温度，以研究路面洒水降温的影响特性。在材料选择方面，其中沥青选用SBS改性沥青，集料采用经初步筛选后的10～18、5～10、3～5 mm碎石和0～3 mm机制砂，填料采用普通矿粉。根据矿料筛分结果，算出密集配沥青混凝土的配合比，并根据该比值合成最终沥青混合料的级配见表2。

表2 沥青混合料矿料级配组成及要求Tab.2 Asphalt mixture mineral grade composition and requirements

根据设计规范[12]要求制备车辙板300 mm×300 mm×50 mm，一共制备6个。试验开始前在所有车辙板侧边贴上锡箔纸，以确保侧边不受外部传热的影响。为对路面温度进行初始化，全部将车辙板置于原先设置为60 ℃的烘烤箱中。在试验地方架起碘钨灯，使用太阳辐射测量器测量路面处的辐射值，通过反复调试碘钨灯到车辙板的距离[13]使其达到一年最大的辐射值962 W/m2。

1.3 风速及单次洒水量对路面洒水降温的影响

研究风速对路面洒水降温的影响时，需控制单次洒水量为固定值，其余影响因素因试验场地原因可维持在一个固定值。从烘烤箱中取出1个车辙板，使用橡胶板作为垫面以确保底面不受外部传热影响。根据SASS[14]的研究，沥青路面洒水后最大的吸附量1 kg/m2，超过1 kg/m2的部分会发生径流。根据车辙板面积换算后1 kg/m2所对应的洒水重量为90 g。实验开始前，打开可调速风扇，使用风速仪控制路面上方的风速为2 m/s。称取90 g水均匀喷洒到路面上，用测温仪记录路面表面随时间变化的温度。待路面恢复至稳定温度时，结束本组实验。再次取出另一车辙板，重复以上实验，依次记录车辙板表面在风速1 m/s、0 m/s下随时间变化的温度，绘制温度—时间关系如图1所示。

当研究单次洒水量对路面洒水降温的影响时，需控制风速为固定值。同样从烘烤箱中取出1个车辙板，使用橡胶板作为垫面以确保底面不受外部传热影响。打开可调速风扇，使用风速仪调试路面上方风速，使其保持在恒定值1 m/s，然后根据单次洒水量0.6 kg/m2换算的质量为54 g，称取54 g水均匀喷洒到路面上，用测温仪记录路面表面随时间变化的温度。重复以上实验，分别记录车辙板表面在单次洒水量为0.8 kg/m2和1 kg/m2下随时间变化的温度，绘制的温度—时间关系如图2所示：

通过图1可以看出，当风速为0 m/s时，曲线的变化趋势较为平稳；而当风速为1 m/s和2 m/s时，曲线下降速率明显增快。风速越大，路面温度降温幅度也越大，从曲线上表现为谷值越低，但路面恢复后稳定值会越低。这是因为风速除了提高水分蒸发速率外，还会促进空气的对流换热，从而增大路面的降温幅度。而幅度的增大，会增加路面温度恢复稳定值的时间。其次，在风速持续影响下，空气的对流换热会使路面长时间保持在相对较低的温度，故最终路面温度稳定值会随着风速的增大而减小。

图1 风速变化下温度—时间关系图Fig.1 Temperature-time relationship diagram under wind speed change

图2 单次洒水量变化下温度—时间关系图Fig.2 Temperature-time relationship diagram under a single sprinkling volume change

通过图2可以看出，在前期洒水量足够的情况下，路面温度下降速率不会随着洒水量的增加而增加。但是随着洒水量的增大，路面的降温幅度和降温时间会增加，相应路面的恢复时间也增加。而从曲线最终的稳定值可以看出，洒水量的增加，对路面温度的稳定值影响甚微。从以上曲线变化中可以看出，洒水量作为外部影响因素不会改变洒水蒸发吸热的性质，包括降温速率和温度恢复程度。但是洒水量的增加，能延长水分蒸发降温的时间，进一步影响温度的下降程度。

2 沥青路面模型建立及洒水蒸发模拟

由于室内试验的条件限制，只是对洒水路面影响因素中的风速和单次洒水量进行了分析，为更加充分地分析路面辐射吸收率及空气湿度的影响特性，本文拟采用Fluent有限元模拟洒水蒸发，同时确定在不同情况下的详细洒水方案，包括洒水量、洒水次数和洒水时间。

2.1 蒸发公式的选用[15]

由于Fluent系统内未自带洒水蒸发系统，需选用合适的蒸发公式建立USD(user subroutine dflux)进行分析计算。根据路面水分蒸发的外部条件和原理，采用质交换准则公式来模拟洒水降温。

质交换准则公式中水蒸发的质通量和热通量由以下公式确定：

(1)

qe=MAγ，

(2)

式中：MA蒸发质通量；hD为质交换系数；RA为空气摩尔数；T为空气温度；pA,1为蒸发面水蒸气分压；pA,2为空气中水蒸气分压；qe为蒸发热通量；γ为水的蒸发潜热。

由于在蒸发过程中存在着风速和汽车运行过程中所带的空气流动，故可视为受迫对流，其中质交换系数可由以下公式确定：

(3)

(4)

(5)

式中:D为质扩散系数；D0为T0=273 K时的扩散率；T0为初始空气温度；ν为运动粘度；L为定型尺寸；Sc为施米特数；Sh为宣乌特数；当Re<5×105时，Sh=0.664Re1/2Sc1/3；当Re>5×105时，Sh=(0.037Re0.8-870)Sc1/3，Re为雷诺数。

2.2 沥青路面模型建立及参数设置

结合路面实际组成结构，于Ansys系列产品中的ICEM CFD建立300 cm×300 cm×10 cm的三维沥青路面模型。同时，为模拟空气和路面的传热过程，根据路面尺寸在原来路面模型上方叠加模型300 cm×300 cm×90 cm，整体的模型尺寸为300 cm×300 cm×100 cm。建立物理模型后，在软件中设置映射关系，并将长宽方向均设定为30节点，高度方向设定为10节点，划分网格。

划分网格结束后，将保存的文件使用Read功能导入进Fluent中进行求解设置。具体求解设置流程如图3所示。根据残差曲线中最终的分布，可见各指标均趋于稳定，因此可判定计算结果收敛。

图3 Fluent各参数求解设置流程图Fig.3 Fluent parameter setting flow chart

2.3 路面辐射吸收率及空气湿度对路面洒水降温的影响

当研究路面辐射吸收率对路面洒水降温的影响时，模拟设置时需保持其余变量不变，根据fluent设置流程，将风速设置为1 m/s，单次洒水量设置为1 kg/m2，空气湿度设置为20 %。在Fluent路面区域选定SourceTerms选项卡，在Energy中分别设置路面辐射吸收率为90 %、85 %、80 %和70 %，以模拟路面温度在不同辐射吸收率下随时间的变化情况。最终根据模拟计算结果绘制的温度—时间关系如图4所示。

当研究空气湿度对路面洒水降温的影响时，模拟设置时同样需保持其余变量不变。其中风速设置为1 m/s，单次洒水量设置为1 kg/m2，路面辐射吸收率设置为90 %。在边界条件设置中选择Inlet面，在Species选项卡中分别输入空气湿度值，以模拟计算空气湿度为20 %、40 %、60 %、80 %时路面洒水后的温度变化，经汇总后的温度—时间关系如图5所示。

从图4得知，路面辐射吸收率的变化对曲线的下降速率和恢复速率均影响不大。但是辐射吸收率增大时，会使得降温幅度减小，温度稳定值增大。这是因为辐射吸收率和路面吸收的热量息息相关，辐射吸收率越小，路面吸收的热量也越小。而吸收热量的减小表观上为路面温度更低，降温幅度更大，温度稳定值更低。而降温幅度越大时，降温时间会越长，整体路面的降温持续时间也越长。

从图5可得知，空气湿度的增加，会降低路面温度的下降速率和恢复速率，整体的降温持续时间会增大。这是因为水分蒸发微观上实则为空气和路面的水分相互流动的互逆过程，当空气湿度变大时，会延迟两过程趋向平衡的时间，表观上为增大了降温时间和恢复时间。但是，由于在太阳辐射的持续作用下，路面上的水分总会蒸发完，故当洒水量不变时温度的最低值和稳定值是不变的。这一现象说明了空气湿度对路面洒水的降温幅度影响甚微。

图4 辐射吸收率变化下温度—时间关系图Fig.4 Temperature-time relationship diagram under the change of radiation absorption rate

图5 空气湿度变化下温度—时间关系图Fig.5 Temperature-time relationship diagram under changes in air humidity

3 一天内沥青路面在不同情况下洒水方案研究

上文已经对路面洒水降温的影响特性进行详细地研究，为得到具体的洒水方案，还需通过Fluent分情况模拟一天内路面的具体洒水时间和洒水次数。考虑到沥青的最低软化点在50 ℃以下，如AH-90为45.2 ℃[16]。故在洒水时机选择上可设置为当路面温度达到50 ℃时需要洒水，这样既能保证沥青路面的结构安全，也能起到降温的作用。

计算前，保留之前的计算模型，并按照参数要求在具体的选项中设置。但在初始设置中，关掉Patch功能，表示一开始尚未洒水。创建点Point1(150 cm,150 cm, 10 cm)，打开Monitor选项卡，将此点设为温度监控点，以判断洒水时机。另为了模拟一天内气温和辐射量的变化情况，需在计算过程中按时暂停计算，并人为地补充更换设置。

在计算过程中，当路面每次升温至50 ℃时暂停计算，打开Patch功能设置往路面洒水再继续计算。路面温度会经历先下降后上升过程。待路面再次达到50 ℃时重复以上操作，直至路面不再回升至50 ℃。另外根据民用建筑热工设计规范查阅一天每时段的辐射量和温度，从10∶00到18∶00每隔1 h暂停计算更换路面辐射值和空气温度，以模拟真实一天的情况。同时，洒水次数相对于洒水量来说成本更高，为探究更加合理的洒水方案，故洒水量均默认为沥青路面的最大吸附量1 kg/m2。

3.1 不同车流量下路面洒水方案研究

图6 不同车流量下温度—时间关系图Fig.6 Temperature-time relationship diagram under different traffic flows

在路面水分蒸发的过程中，风速对水分蒸发的影响和车辆在行驶过程中所带动空气流动对水分蒸发影响实质上非常相似，均为通过影响空气对流换热来影响水分蒸发，所以在研究不同车流量变化时可通过设置风速来简化控制。在实际变量控制中，通过控制风速为2 m/s和0 m/s来简化模拟车流量的“大”和“小”，其余变量设置为固定值。为方便统计洒水次数和洒水时间，建立“50 ℃洒水线”。当温度超过该线时开始洒水，超过该线的时间即为洒水时间，最终一天内超过该线的顶点个数即为洒水次数。根据定义绘制的温度—时间关系如图6所示。

根据上图分析，随着车流量的减小，由于风速越小路面升温速率越快，故更加提前达到洒水点。其次，虽然风速越小降温时间越大，但是温度会因为空气对流换热较弱急剧上升，整体的降温持续时间会更短。从一天内比较可以发现12∶00～14∶00期间洒水持续时间更短，降温幅度更小，这是因为太阳在此时段的辐射值最大，温度最高。最终结果：当车流量较小时，需要洒水6次。当车流量较大时，则需要洒水3次。

3.2 不同使用年限路面洒水方案研究

在研究不同使用年限路面洒水方案时，根据LI等[17]的研究，沥青路面的使用年限越长，其路面辐射吸收率会越小。故在实际变量控制中，通过控制辐射吸收率为0.9 m/s和0.75 m/s来简化模拟路面的“新”和“旧”，其余变量设置为固定值。最终根据计算结果绘制的温度—时间关系如图7所示。

根据上图分析，随着路面辐射吸收率减小，路面所吸收的太阳辐射量也减小，升温速度变慢，故较为延迟达到洒水点。同时路面使用年限变大时，降温时间和恢复时间都变长。最终结果：当路面使用年限较小时，需要洒水5次。当路面使用年限较大时，需要洒水3次。

3.3 不同湿度地区路面洒水方案研究

在研究不同湿度地区路面洒水方案时，在实际变量控制中，通过控制空气湿度为80 %和20 %来简化模拟不同地区湿度的“大”和“小”，其余变量设置为固定值。最终根据计算结果绘制的温度—时间关系如图8所示：

图7 不同使用年限路面下温度—时间关系图Fig.7 Temperature-time relationship diagram for pavement under different service life

图8 不同湿度地区路面下温度—时间关系图Fig.8 Temperature-time relationship diagram under different roads in different regions

根据上图分析，当空气湿度变小时，路面升温的抑制效果减弱，故较为提前达到洒水点。同时随着空气湿度的减小，降温时间和升温时间变短，洒水间隔变短，洒水次数增多。最终结果：当路面处于小湿度地区时，需要洒水4次。当路面处于大湿度地区时，则需要洒水3次。

3.4 不同情况下路面洒水方案汇总

上文已经对路面在不同情况下的洒水方案进行了详细地研究，但得出的洒水时机和洒水次数仍有些凌乱，需对上面结果进行汇总。从不同情况下的温度—时间图(图6～图8)可以看出，最早的洒水时间为11∶02，最迟的洒水时间为15∶57。故可将所有洒水时机简化选为11∶00～16∶00，洒水间隔计算下：

另外上述的洒水次数只是考虑了单方面的情况，当多情况叠加时，如大湿度地区车流较大的路段，可考虑按照最不利情况考虑，即按照洒水次数较大的情况来考虑，各情况叠加后洒水次数汇总见表3。

表3 多情况组合下洒水方案表/次数Tab.3 Multi-case combination sprinkling scheme

4 结论

本文通过沥青路面室内洒水试验和Fluent有限元模拟对影响路面洒水降温的各因素进行了分析，并结合分析结果进一步探究不同路面情况下的洒水方案，包括洒水时机和洒水次数。最终得出的结论如下：

①通过室内试验得知，风速越大，洒水后路面温度降幅越大，降温所持续的时间越长；单次洒水量越大，洒水后路面温度降幅越大，降温所持续的时间越长。

②Fluent有限元软件结合质交换准则一定程度上能模拟洒水蒸发降温的过程。

③通过Fluent模拟分析得知，路面辐射吸收率越大，洒水后路面温度降幅越小，降温所持续的时间越短；空气湿度越大，降温所持续的时间越大，但洒水后路面温度降幅变化不显著。

④当车流量较小时，需要洒水6次；当车流量较大时，需要洒水3次。当路面使用年限较小时，需要洒水5次；当路面使用年限较大时，则需要洒水3次。当路面处于小湿度地区时，需要洒水4次；当路面处于大湿度地区时，则需要洒水3次。

⑤洒水时机统一选为11∶00～16∶00，时间间隔视洒水次数而定。

⑥当路面多情况叠加时，按照最不利情况来决定洒水次数。