夏季下垫面材质类型与颜色表面温度热环境关系研究

赵令宽 朱体强 王金奎

(河北建筑工程学院，河北 张家口 075000)

0 引 言

当前，随着全球变暖和我国城市化进程的发展，城市热环境在一步步恶化，频繁发生高温现象.[1]城市热环境与下垫面之间关系较为密切，且下垫面对大气环境造成的影响尤为明显，然而在城市设计当中，下垫面的特性没有引起建设者的注意.研究表明，城市热环境的变化与城市下垫面性质有密切关系.[2]而在各种下垫面类型中，铺装材质是占据下垫面中的一大重要组成部分.国外的一些发达国家比较重视城市铺装的发展，在城市建设过程中.建设者不仅了解铺装材质的特点，还对材质生态环境方面上的又有所了解.而国内铺装材质相关研究内容较少.

城市下垫面铺装中常用的地面砖一般是水泥、混凝土材质，夏季炎热时我国大部分地区气温可达35℃以上，此时地面砖的表面温度可高达60 ℃～65 ℃，严重影响城市人居生活舒适度.[3]杨雅君等人并对城市下垫面表面对空气温度具有加热作用进行研究.[4]地表温度是城市下垫面的能量平衡的核心，各种类型下垫面材质其表面温度，通过对流和辐射等方式，影响城市热环境.运用红外热像技术测量表面温度，其结果形象、直观、准确，便于对整体表面温度做各种统计分析[5].

本实验选择张家口市大学校园中10种常见的不同铺装材质，以低碳生态环境，降低城市热岛效应研究角度出发，采用定量化研究方法，在夏季晴天高温天气同一时间相同周边自然环境，对各种铺装类型材质在表面温度变化展开研究.实验主要是采集各种材质的热像图，通过分析比较选取的各个材质的平均温度、最高温度、温度变化速率等热成像图片数据分析，研究夏季高温情况下材质日温度变化特征，以此为城市建设者在铺装材质的选择上提供更多科学依据.

1 实验研究区测量与方法

1.1 实验地自然概括

本研究实验地点位于张家口市经开区纬三路，河北建筑工程学院朝阳校区(北纬N40°45′40.27″东经E114°53′56.15″).实验采样区域位于旧操场旁如图1，各种材质类型距离较近，使其周边自然气候环境相同.运用红外线成像仪对下垫面铺装材质进行数据采集.

图1 实验地点

1.2 实验仪器

研究所使用的仪器为美国公司FLIR生产的FLIR Systems AB T250红外热像仪(表1)

表1 红外热像仪具体参数

1.3 实验内容

实验目标一：灰色水磨石广场砖、红色水磨石广场砖、黄色水磨石广场砖、大理石板、沥青混凝土路、植草砖、水泥地和草坪.实验选择夏季晴天高温天气条件，均对实验目标进行1m高度拍摄，全天材质表面均无阴影覆盖或遮挡.实验测量时间选择2019年07月03日，早上7点至晚上19点，半小时连续拍照两次、记录一次，同一类型材质拍摄两次，气象参数数据人工手持测量，保证数据保存到相机相册，以此获得材质表面温度的6个数据，以多组数据的平均值来减小误差.

实验目标二：20x20cm广场砖材质，表面效果亚光，抗冻，热震性能良好，吸水率<8%耐腐蚀性ULA、UHA，耐磨系数≤140.颜色有白色、橙红、灰白、浅灰、深灰、浅红、深红、黄色、青蓝和绿色.实验测量时间选择2019年07月23日，同样实验目标一实验方法，拍摄相同材质不同颜色铺装材质.

1.4 实验方法

本次研究采用数据统计分析方法，对热像图进行数据分析，对每个拍摄材质每张热像图上三个点进行平均数数据统计分析对比.通过分析各种材质的平均温度、最高温度、最低温度等图像数据，利用EXCEL软件对实测数据进行统计分析，研究夏季晴天同一天各个时刻的下垫面温度变化.

2 测试结果与数据分析

2.1 不同下垫面表面温度日变化特征

2019年07月03日实验点天气数据，采集于国家气象信息中心(http://data.cma.cn/).天气晴，最高气温33℃，最低21℃，温度差值较大，满足夏季典型气候.因此选取07月03号的实验数据，分析不同材质类型材质，典型夏季晴天气候条件下的日变化特征(如图2)

图2 不同材质典型夏季日变化特征

实验结果与数据分析：

(1)从图3中温度变化趋势来看，8种下垫面材质温度总体上相同，都是呈现上升再下降的单峰变化.实验从早上7点开始，正好处于早上刚出太阳，太阳辐射程度逐渐加强，空气温度也逐步上升，因此材质表面温度随之升高.不同下垫面性质不同,对太阳辐射的吸收和释放不同,导致地表温度变化程度的不同.

图3 不同材质类型材质下垫面温度的日变化特征

(2)下垫面材质测点(e)沥青材质，表面温度显著高于其它材质下垫面材质，其一天内温度日均值为48.08℃.08：00点时，实验材质初始温度为27.13℃较其它材质高5-8摄氏度，虽初始温度较高，13：00点之前的增长速率与其它材质增长速率相差较小.(如图3)一天内维持在50℃以上的时间有7个小时.13：00～15：30点时，温差值最大，较其它下垫面材质高6 ℃～10 ℃，增长速率稳定持平.15：30点至20：00点时间段，增长速率负增长，且整体较低于温度上升增长速率，下降迟缓将会持续降温至深夜或者至第二天.而草坪测点(h)，表面温度显著低于其他材质，其温度日均值为29.92℃.因此草地对热环境的影响较小,具有缓解热环境的作用.草坪下垫面间的温度增长速率与趋势也与其它材质有所不同.由此可得材质类型不同，维持高温小时数有很大差异，且材质表面温度散热较慢，对材质周围热环境影响较大.

(3)测点(h、a、c和d)草坪、灰色水磨石广场砖、黄色水磨石广场砖和大理石板均比其它下垫面温度显著较低，其温度日均值分别为29.92℃、42.44℃、39.15℃和40.04℃.实验初始材质温度较低，分别为19.40℃、22.97℃、22.13℃和20.37℃.这四种材质除草坪材质温度相差较大，对热环境影响有明显缓解之外.13：00之前增长速率相同，灰色水磨石广场砖、黄色水磨石广场砖和大理石板温度几乎同时达到峰值.(如图4)但在材质日平均值较低的这三种材质中，大理石板和黄色水磨石广场砖在13：00达到温度峰值之后，温度持续走低.维持在50摄氏度以上只有1个小时.由此可得草坪，广场砖等这四种材质，对材质周围热环境影响较大.灰色水磨石广场砖却在14：30时达到峰值为54.30℃.维持在50℃以上却有有4个小时.与有相同材质不同颜色的黄色水磨石广场砖，存在明显的差异.

图4 不同材质的增长速率

2.2 相同材质下垫面不同颜色表面温度日变化特征

2019年07月23日实验点天气数据，采集于国家气象信息中心(http://data.cma.cn/)，天气晴，最高气温31℃，最低20℃，最高温度较高，且与07月03号天气状况相似，因此选取07月23号的实验数据，实验数据为了尽可能详细与准确，实验此次从早上6点开始，保证各种类型材质周边环境一致.以分析相同材质类型不同颜色，在典型夏季晴天气候条件下的日变化特征.(图5)

图5 相同材质不同颜色材质的日变化特征

实验结果与数据分析

(1)从图中温度变化趋势来看，10种不同颜色相同下垫面材质温度总体上趋势相同，都是6：00到11：00呈现上升稳定，11：00到15：00稳定趋势中达到一个峰值，15：00到20：00再下降的单峰变化趋势.13：30为最大峰值，根据国家气象局气象站(http://www.cma.gov.cn/)，13：00时气温为25.7℃，从峰值上得到深灰色最高温度为56.30℃，白色最高温度为48.50摄氏度，两者颜色峰值差值较大，为7.8.可得深灰色表面材质得到的太阳辐射最多，并且能够更多的影响地表层温度，加剧城市热环境.

(2)在平均温度上比较，有三种颜色材质，在各个时间段上均高于其他材质，分别为深灰测点(e)、浅灰测点(d)和深红测点(g)，其8：00至17：30平均温度为48.00℃、46.91℃和46.18℃.平均温度最低的，是白色和橙红色，其8：00至17：30平均温度为41.61℃，40.81℃.平均温度相比较，较高的是普遍颜色较深的材质，较低的是普遍颜色较浅的材质.颜色深浅的判断需要将颜色的RGB转换为GrayScale[6].

图6 不同材质测点颜色灰度值

GrayScale灰度模式，这种模式包括从黑色到白色之间的256种不同深浅的灰色调.通过整数计算方法：Gray=(R*30+G*59+B*11)/100求得Gray.灰度值G大小的排名与平均温度相比大致相同.因此颜色深浅从实验数据上反应了，材质表面温度的变化趋势与颜色的深浅有很大的关联性，从而影响材质上方气温对人们带来的热感受.

3 结 语

本研究选取城市中夏季典型高温天气下，8种不同材质下垫面类型，利于热红外成像计算对其材质表面温度进行实验，较为系统的分析了各种材质类型表面温度变化的特征，主要结论如下.

(1)8种不同材质下垫面材质，一天之内的详细温度变化，总体变化趋势基本一致，处于先上升后下降的单峰变化趋势.

(2)沥青路面不管是一天内平均温度，或是峰值温度均较高，对周围热环境影响较大.除草坪之外，其它均为铺装材质的灰色水磨石广场砖、黄色水磨石广场砖和大理石板平均表面温度均较低，对热环境有较好的缓解作用.

(3)相同材质不同颜色下垫面实验，由实验测点数据可得深灰测点(e)、浅灰测点(d)和深红测点(g)平均表面温度较高.而灰度值较低的白色与橙红色，平均温度较小.而灰度值较低的颜色多为暖色调，灰度值高的颜色多为冷色调.从颜色色彩对人们心理和情感的影响来看，冷色调让人产生清凉感，暖色调增加暖意，而实验数据结论与人们所正常理解的冷热感受相矛盾，即我们应该是从什么方面来决定铺装颜色上的选择.

本文研究结果表明，下垫面表面温度与材质类型关系密切，且对于相同材质不同颜色的研究，表面与材质表面颜色有一定的相关性.城市规划师与景观设计师应根据实际情况灵活选择下垫面材质，在北方夏季通过各种合理途径，适当的增加城市绿地，植被等，使其能够较为明显改善热环境的下垫面.在铺装材质上选择颜色较浅的铺装材质，以避免热吸收，提高人对环境的舒适度.