城市热岛缓解中凉爽沥青路面技术的现场实证：温度、反射率与行人热舒适权衡

《Transportation Research Record》：Exploring Cool Asphalt Pavement Technologies: A Field-Based Experimental Analysis of Temperature, Reflectivity, and Thermal Comfort

　　

城市热岛（Urban Heat Islands, UHIs）因全球变暖而加剧，显著影响环境质量和公共健康。凉爽路面通过降低表面温度和周围空气温度来缓解这些影响。本研究评估四种沥青路面技术在真实条件下的热性能、反射率和行人级热舒适。在奥地利维也纳一个受控试验场开展现场实验，结合长期监测和在长期干旱期后无云、静风条件下进行的聚焦1天测量活动。四种路面变体，多孔沥青（Porous Asphalt, PA8）、浅色沥青混凝土（Asphalt Concrete, AC8-Light）、参考沥青混凝土（AC8-Ref）和黄色颜料沥青混凝土（AC8-Yellow），安装了温度传感器、日射强度计（pyranometer）、黑球温度计（globe thermometer）和热像仪（thermal camera），以捕获表面、地下和空气温度、太阳反射率和热舒适指数。AC8-Yellow始终表现出最低的表面和地下温度，比PA8低至9.5°C，归因于其较高的反照率（albedo）。现场反照率值排序为AC8-Yellow（0.229）、AC8-Light（0.188）、AC8-Ref（0.155）和PA8（0.106）。AC8-Yellow的现场值在1年后远低于其实验室基准（0.46）。然而，AC8-Yellow也产生了最高的近地表空气温度和生理等效温度（Physiological Equivalent Temperature, PET），表明反射辐射增加了行人热负荷。AC8-Ref和AC8-Light表现出相似的热行为，表明使用1年后骨料颜色不是主要因素。PA8的多孔结构在干燥条件下未提供冷却效益，反而充当热绝缘体。研究结果强调了路面表面冷却与行人舒适之间的复杂权衡，凸显了制定特定场地策略以优化UHI缓解的必要性。

研究背景方面，城市热岛（Urban Heat Island, UHI）指城市区域温度显著高于周边郊区的现象。全球变暖使城市暴露于更频繁、强烈和持久的热浪，增加居民热风险，对老年人和社经弱势群体影响更高。城市热缓解需系统规划。铺装表面约占城市景观29%–39%，凉爽路面可降低表面温度、改善户外舒适，并因减少车辙和热裂而延长路面寿命。凉爽路面可分为反射型、蒸发型和储热改性型。反射型通过浅色骨料、透明粘结剂与颜料、TiO₂和ZnO等提高反射率，但高反射不一定缓解UHI，因反射太阳辐射留在城市微气候，且可能引起眩光、增加紫外线暴露、降低行人热舒适。蒸发型依赖潜热，包括“Stockholm solution”或海绵城市原则、透水砖和多孔沥青；但存在耐久性下降、堵塞以及长期干燥时可能加重UHI的问题。储热改性包括能量收集、高导热和相变材料（Phase Change Materials, PCMs），但初始成本高、施工复杂、长期经验有限。既有热性能多来自实验室和数值模拟，现场研究也偏重表面热性能与太阳反射率，较少整合连续多深度温度监测、基于PET的行人热舒适以及同服役段实验室与现场老化反照率比较。故研究人员在维也纳受控现场试验场评估四种沥青技术：蒸发型多孔沥青（Porous Asphalt, PA8）、反射型AC8-Light和AC8-Yellow、参考AC8-Ref，目标为评估材料特性与微气候效应间的复杂相互作用。研究新颖性在于整合长期监测与1天高分辨率测量：24个永久PT1000传感器跨七个垂直水平，从结构层下到2.0 m空气，量化路面热扰动垂直范围及行人热舒适后果；并评估约1年环境老化对太阳反射率影响，比较现场反照率与实验室基准。

关键技术方法概述如下：试验段来源为奥地利维也纳公共公园，四段20 m×3.5 m，2024-09-30施工，2025-08-19和2026-07-03测量。长期布设24个PT1000温度传感器于结构层界面，5 min间隔；1天活动用日射强度计（pyranometer）测入射与反射太阳辐射并计算反照率（albedo），黑球温度计（globe thermometer）与热像仪（thermal camera）测辐射温度和表面温度，气象站测空气温度、风速、湿度、气压和太阳辐射；以PET评估热舒适，并汇总67个夏季日12–1时地下温度；统计用配对t检验、有效样本量、Wilcoxon符号秩和Friedman检验。

环境与气候长期监测（Environmental and Climatic Long-Term Monitoring）：2025年8月热条件高于平均，299日照，26 mm降水。长期监测显示PA8峰值中位43.8°C，AC8-Light为42.3°C，AC8-Ref为42.0°C，AC8-Yellow为33.9°C，比PA8低9.9°C；AC8-Yellow因森林午后阴影而峰值较早。12:39同等辐射下AC8-Yellow比其它变体低4.7–5.3°C。PA8四分位距较大。空气峰值为26.5°C。表面-空气温差为7.4–17.3°C。MP1–MP2相关分析中，PA8、AC8-Light和AC8-Ref的R²为0.940–0.998，AC8-Yellow较低。67个夏季日12–1时，PA8中位40.2°C，AC8-Light为39.5°C，AC8-Ref为39.4°C，AC8-Yellow为34.7°C；AC8-Yellow平均低4.6–5.1°C，热日比PA8低5.9°C，p<0.001；AC8-Light与AC8-Ref配对差仅0.01°C，95%置信区间?0.11至+0.08°C，p=0.78。结论是AC8-Yellow冷却稳定，浅色骨料单独不显著影响地下热输入。

温度剖面（1-Day Measurement Campaign on August 19, 2025）：12–1时，PA8表面44.3°C最热，AC8-Yellow为34.8°C，差9.5°C；AC8-Light为38.7°C，AC8-Ref为38.5°C，差0.2°C。?0.03 m处PA8为41.1°C，AC8-Ref为39.0°C，AC8-Light为38.8°C，AC8-Yellow为33.5°C。+0.5 m空气AC8-Yellow最高32.7°C，PA8为27.0°C，AC8-Light为27.3°C，AC8-Ref为25.8°C；+1.1 m插值AC8-Yellow为28.9°C，AC8-Light为25.7°C，PA8为25.5°C，AC8-Ref为24.8°C。结论是表面冷却与近地表空气升温发生逆转，反射短波增加了行人和周围表面的辐射负荷。

太阳辐射与反照率（1-Day Measurement Campaign on August 19, 2025）：1:15–1:30，现场与GeoSphere入射相关R²=0.983，现场低估<5%。反照率为AC8-Yellow（0.229±0.013）、AC8-Light（0.188±0.004）、AC8-Ref（0.155±0.010）、PA8（0.106±0.002）。PA8多孔结构截留反射。与实验室比较，PA8现场低0.05，AC8-Yellow低0.23（实验室0.46，现场0.229），归因于11个月环境老化与污染。结论是高反照率向上反射短波，被物体和行人吸收并通过对流加热邻近空气，实验室基线不能代表现场长期性能。

户外人体热舒适评估（1-Day Measurement Campaign on August 19, 2025）：12–1时，2.0 m平均风速0.98 m/s，1.1 m约0.87 m/s，为轻风。PET中位值AC8-Yellow为35.35°C，80.65%超过35°C，属“Hot”；AC8-Ref为32.35°C，属“Warm”；PA8为34.33°C，属“Warm”，16.13%为“Hot”；AC8-Light为33.49°C，属“Warm”。AC8-Yellow比AC8-Ref高3.00°C（相对增加9.3%），比PA8高1.02°C。结论是AC8-Yellow行人热负荷最高，主要因高反照率提高平均辐射温度（T_mrt）；表面温度差异未等比例转化为行人热负荷；PA8在干燥下蒸发冷却未激活，成为绝热层并保留地下热。

验证活动（Validation Campaign）：2026-07-03约11个月后，干燥后热浪结束4天。反照率为PA8（0.097±0.003）、AC8-Light（0.174±0.005）、AC8-Ref（0.192±0.002）、AC8-Yellow（0.236±0.002）；极端值重现于0.01内，AC8-Yellow无进一步反射损失；AC8-Light与AC8-Ref顺序反转，差异在可重复性内。?0.03 m处12–1时PA8最热，AC8-Yellow最冷，AC8-Light与AC8-Ref差0.2°C且顺序反转；AC8-Yellow比PA8低5.4°C。PET中AC8-Yellow最高33.9°C，其他变体低1–3°C；风更大（2.4 m/s），降低PET。结论是核心排序可重复，风影响行人热负荷。

局限性（Limitations）：AC8-Yellow位置受午后森林阴影影响；只测短波反照率，未测长波热红外；单个黑球温度计顺序测量，Kruskal–Wallis检验未检出变体显著效应（p=0.28和p=0.72）；半开放场地不能直接转移到密集城市峡谷。

讨论与结论总结及研究结论翻译：讨论指出，没有一种变体在所有标准上最佳。AC8-Yellow在反照率和表面、地下温度最低，但行人PET最高；PA8表面最热、反照率最低、PET中间；AC8-Light与AC8-Ref地下温度统计无差异，反照率接近，PET最低。有效UHI缓解需系统级方法，结合材料选择、水文管理、微气候设计和长期维护，半开放场地结果向密集城市峡谷转移需进一步研究。研究结论为：现场试验分析了四种沥青路面技术在真实条件下的热性能、反射率和行人热舒适。表面温度降低方面，AC8-Yellow在整个监测期最低，1天12–1时比PA8表面低9.5°C；2025年8月同等辐射下低4.7–5.3°C；67个夏季日低4.6–5.1°C（p<0.001），证实其通过增强太阳反射减少路面吸热。反照率方面，约1年老化后AC8-Yellow最高0.229，AC8-Light为0.188，AC8-Ref为0.155，PA8为0.106；近2年验证极端值重现于0.01内，无进一步反射损失。AC8-Light与AC8-Ref差0.033，说明浅色骨料颜色非反射率主因；长期监测中两者地下温度不可区分（p=0.78）。现场与实验室差异显著，AC8-Yellow现场比实验室低50.2%（0.229 vs 0.46），反映环境老化、污染、积尘和交通磨损影响。近地表空气温度和热舒适差异方面，AC8-Yellow虽表面冷却，+0.5 m为32.7°C，+1.1 m插值28.9°C；反射短波增加上方物体和行人辐射负荷；低风速（峰值1.3 m/s）和长期干热使对流不足以消散热量；PET中位35.35°C，80.65%“Hot”，而AC8-Ref为32.35°C“Warm”。静风放大平均辐射温度影响，部署凉爽路面需评估场地风况。多孔路面性能方面，PA8尽管开级配，表面峰44.3°C，PET中位34.33°C，16.13%“Hot”；无降雨或补灌时蒸发冷却未激活，多孔基质作为热绝缘层保留地下热，说明多孔沥青热效益依赖水分，饱和或实验室性能不能外推干旱。垂直热梯度方面，地下、表面、+0.5、+1.1和+2.0 m测量显示路面热扰动随高度迅速衰减，材料差异主要在1 m内，+1.1 m差异缩小；需在行人高度评估而非仅表面温度；约1.0 m以上大气混合快，影响行人暴露和传感器布设。没有变体在所有标准最佳。有效城市热缓解需系统级方法，耦合材料选择、水文管理、微气候设计和长期维护。半开放场地结果向密集城市峡谷转移需进一步研究，持续监测将验证多时间尺度和多样气象条件下的设计原则。