湖南省大學生研究性學習和創(chuàng)新性實驗計劃
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項目名稱：緩解熱島效應的低吸熱路面功能指標
同步測試方法
項目編號： 3010101-1009
學生姓名： 朱航、顏鈺婷、張磊、鄭偉、左瑞芳
所在學校和院系：長沙理工大學交通運輸工程學院
項目實施時間： 2014年03月-2015年12月
指導教師： 錢國平
聯(lián)系電話： 15675128420
填表日期： 2015年12月
湖 南 省 教 育 廳
2014年制
一、基本情況
項目名稱
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緩解熱島效應的低吸熱路面功能指標同步測試方法
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立項時間
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2014年3月
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完成時間
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2015年12月
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項
目
主
要
研
究
人
員
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序號
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姓 名
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學號
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專業(yè)班級
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所在院（系）
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項目中的
分 工
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1
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朱 航
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201310010214
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道路卓越1301班
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交通運輸工程學院
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統(tǒng)籌項目
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2
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顏鈺婷
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201310010202
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道路卓越1301班
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交通運輸工程學院
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理論分析、報告撰寫
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3
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張 磊
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201321030221
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汽機機制1302班
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汽車與機械工程學院
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資料處理、模型設計與編程
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4
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鄭 偉
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201209020110
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道路卓越1201班
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交通運輸工程學院
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理論分析、資料處理
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5
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左瑞芳
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201214020113
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道路卓越1201班
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交通運輸工程學院
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儀器設計分析、資料處理
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二、研究成果簡介
項目研究的目的、意義；研究成果的主要內(nèi)容、重要觀點或?qū)Σ呓ㄗh；成果的創(chuàng)新特色、實踐意義和社會影響；研究成果和研究方法的特色。限定在2000字以內(nèi)。
1 項目研究和實驗目的及意義
在全球氣候變暖和高速城市化的大背景下，世界上許多城市都出現(xiàn)了高強度的城市熱島效應，城市熱環(huán)境質(zhì)量日趨惡化極大地影響著城市生態(tài)環(huán)境和城市居民的日常生活。城市地表結構物是城市熱島效應的主要影響因素之一，而路面作為最主要的城市地表結構物對城市熱島效應的影響尤為顯著。開展具有降溫效果顯著、成本低且施工方便等優(yōu)點的瀝青路面太陽熱反射涂層及瀝青路面結構的研究開始得到重視。
本項目研究出的一套路面材料光熱性能測定裝置及方法，可以很大程度上模擬真實環(huán)境，進行低吸熱路面功能指標定量測量，為國內(nèi)外開發(fā)提高路面表層材料對熱輻射的反射率、增強道路結構對熱輻射傳導的低吸熱路面提供定量評價指標，以有效分析城市道路交通熱環(huán)境的影響及評價新型低吸熱路面降溫效果的優(yōu)劣，緩解城市熱島效應。
項目研究和實驗的目的是：
u 分析比較國內(nèi)外有關表征材料熱學性能的指標，確定出可用于低吸熱路面的功能指標，提出城市道路地表熱環(huán)境影響因素及定量評價體系；
u 在國內(nèi)外相關研究成果基礎上，針對所確定的低吸熱路面的功能指標，分析不同測試方法的共性和優(yōu)劣，開發(fā)可以同時對多種低吸熱路面功能指標進行測量的簡易測試方法；
u 根據(jù)測試方法設計一種可以用于實驗室測量的路面材料光熱性能同步測量裝置，解決單項測試低吸熱路面不同功能指標時環(huán)境條件差異和效率低下的問題，從而簡化低吸熱路面功能指標的測試過程。
2 研究成果的主要內(nèi)容
2.1 城市道路地表熱環(huán)境影響因素及定量評價體系
對典型城市道路路基路面材料溫縮及熱傳導性能實地調(diào)研測試，建立模型分析城市道路地表熱環(huán)境狀況及其對外在影響變化規(guī)律。
圖1 路面基層材料溫度收縮系數(shù)
圖2 路面基層材料濕度收縮系數(shù)
圖3 路面面層結構溫度熱傳導性能測試
圖4 相應的路表溫度與濕度測試結果
圖5 不同環(huán)境條件下相關路面溫度隨深度變化情況
圖6 通常環(huán)境條件下路面溫度場時空變化情況
結合實地調(diào)研結果，比較國內(nèi)外有關表征材料熱學性能的指標，確立了以降溫效果、太陽熱反射率、太陽反射比、導熱系數(shù)、導溫系數(shù)5種功能指標評價低吸熱路面熱環(huán)境的變化規(guī)律及因瀝青路面造成周邊增溫的狀況。并從結構傳熱和熱反射性能不同途徑分析構建低吸熱路面的思路，比較低吸熱路面功效的影響因素和功能指標，推演路面熱環(huán)境定量計算方法，確定了低吸熱路面功能性的定量評價指標體系。
2.2 低吸熱路面功能性指標的測試方法
針對確定的5項熱物性相關指標，綜合各個指標在各個行業(yè)的不同測試方法，分析確認適合城市道路路面功能性測試方法。方法見《附件一：低吸熱路面功能性指標測試方法》。
2.3 低吸熱路面功能性多指標的同步測試裝置
分析整合上述測試方法，設計可以模擬室外不同環(huán)境條件下同步測量上述5項低吸熱路面功能性多指標體系的路面材料光熱性能測定裝置，實現(xiàn)多指標體系相同條件下的高效測定，為低吸熱路面的開發(fā)與應用提供測試手段。見《附件二：測試裝置產(chǎn)品說明書》
3 成果的創(chuàng)新特色、實踐意義和社會影響
3.1 成果的創(chuàng)新特色
在國內(nèi)外關于熱環(huán)境物理參數(shù)的測試方法研究方面，大多進行的是單項熱性能指標測試方法與測試儀器的研究，未進行過綜合性多指標同步測量儀器的研發(fā)工作。該測試裝置及測試方法可用于同步測量太陽反射比、熱反射率、降溫效果、導溫系數(shù)、導熱系數(shù)，集低吸熱路面的5項功能指標的檢測于一體，簡化實驗過程，避免了多指標分步測量而造成的低吸熱路面性能檢測效率低下的問題，達到了以多個指標同時表征路面熱反射材料與結構降溫效果及緩解城市熱島效應能力的目的。
本項目研發(fā)的路面材料光熱性能測定裝置的環(huán)境箱內(nèi)部在可控光照強度為20-1200W/㎡的氙燈光照的同時，配置制冷系統(tǒng)及溫度傳感器，可精確控制室內(nèi)溫度，調(diào)節(jié)風速系統(tǒng)模擬室外風速，更逼真地模擬室外環(huán)境條件，為實際應用提供真實可靠的數(shù)據(jù)支持。且外壁設置的三個卡槽，與固定PSP的機械臂配套，可測試不同高度太陽反射比。
3.2 成果的實踐意義和社會影響
面對越來越嚴重的城市熱島效應和日趨惡化的城市熱環(huán)境質(zhì)量，開發(fā)低吸熱功能型路面迫在眉睫，隨著國內(nèi)外在路面熱反射材料與結構研究工作的逐步深入，利用多項指標綜合評價吸熱路面材料與結構的降溫特性已成為重要課題。國內(nèi)外對低吸熱路面功能指標測試方法雖然進行了不少試探性的研究，但都未開展系統(tǒng)性的研究工作。
本路面材料光熱性能測定裝置填補了低吸熱路面功能指標同步測試方法的空白，為未來相關研究提供測試方法和實踐經(jīng)驗。隨著吸熱路面材料的不斷發(fā)展和更新，公路工程中大量應用成為趨勢，這足以體現(xiàn)裝置具有較大的市場需求和實踐意義。
4 研究成果和研究方法的特色
（1）綜合性強，操作簡單。本項目開發(fā)的綜合性測試儀器相對于普通單項測試儀器，可以對5項低吸熱路面功能性能指標進行同步測量，簡化了測試過程。
（2）環(huán)境相似度高。本項目通過氙燈模擬的太陽光源，由制冷和制熱控制風速裝置控制環(huán)境溫度及風速，再通過改變氙燈光照強度模擬不同時間段的太陽光強度大小，可很好地模擬室外不同環(huán)境條件，測試結果更接近實際效果，具有代表性。
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三、項目研究總結報告
1 項目執(zhí)行情況總結
1.1 預定計劃執(zhí)行情況
本項目于2014年3月份立項，預計在2015年12月份結題，故項目小組擬定了在此研究期段內(nèi)項目執(zhí)行的預定計劃，主要為以下六個階段：
◆查閱文獻、實地調(diào)研
小組通過中國知網(wǎng)、外文學術期刊檢索系統(tǒng)和學校圖書館等途徑，大量查閱國內(nèi)外與項目相關的文獻資料，了解導致熱島效應的主要原因、低吸熱路面的研究現(xiàn)狀、國內(nèi)外有關表征材料熱學性能的指標、低吸熱路面功能性指標測試方法與測試裝置及其評價方法；并進行實地調(diào)研測試分析，建立模型分析城市道路地表熱環(huán)境狀況及其對外在影響變化規(guī)律。
◆初步設計低吸熱路面試件多功能測試裝置
通過前期查閱資料，了解國內(nèi)外測試裝置的研發(fā)現(xiàn)狀，總結其中的不足。完成項目設計的測試裝置的環(huán)境模擬部分、測量部分設計、數(shù)據(jù)集成輸出系統(tǒng)的設計，畫出設計圖紙；
◆制作低吸熱路面試件多功能測試裝置
聯(lián)系裝置制作廠家，通過雙方協(xié)商，確定路面材料光熱性能測定裝置最終樣式，根據(jù)儀器設計圖進行裝置樣機的制作；
◆進行低吸熱路面試驗，測試及改進實驗裝置
在實驗室內(nèi)，制作低吸熱路面試驗樣塊，利用測試裝置進行實驗，驗證裝置的可行性，是否能準確測量低吸熱路面的功能性指標，達到預期的設計目的和要求。找出測試裝置存在的缺陷，為測試裝置的后續(xù)研究課題提供改進和升級的意見；
◆發(fā)表相關論文，申請專利；
預期發(fā)表有關路面材料光熱性能測定裝置開發(fā)與試驗測試及從道路交通方面有效緩解城市熱島效應的學術論文2~3篇；申請國家專利1~2項；
◆完成項目結題報告。
1.2 項目研究和實踐情況
（1）查閱文獻及實地調(diào)研
項目課題自2014年3月立項至2014年5月，小組成員通過大量查閱國內(nèi)外相關文獻，了解城市熱島效應產(chǎn)生的主要原因、當前低吸熱路面的研究現(xiàn)狀、低吸熱路面的主要功能性評價指標以及其測試裝置的研發(fā)現(xiàn)狀和測試方法。
在此過程中，小組發(fā)現(xiàn)在道路交通中，路面的熱效應以及道路近地表熱環(huán)境對城市熱島效應的產(chǎn)生有一定貢獻。而當前國內(nèi)外對低吸熱路面緩解城市熱島效應的研究方向多是太陽熱反射涂層顏色的多樣性和節(jié)能型太陽熱反射涂層的研發(fā)以及單項熱性能指標測試方法與測試儀器的研究，且大多處于起步階段，存在較大的研究拓展空間。
項目組設計實驗，對典型城市道路路基路面材料溫縮及熱傳導性能實地調(diào)研測試，建立模型分析城市道路地表熱環(huán)境狀況及其對外在影響變化規(guī)律。基于調(diào)研結果，針對當前低吸熱路面測試裝置測試指標單一、測試方法缺乏綜合性的不足，小組計劃設計一套能同步測試低吸熱路面材料主要功能性指標的路面材料光熱性能測定裝置及測試方法。
（2）設計低吸熱路面試件多功能測試裝置
2014年5月至2014年12月，小組主要進行的是測試裝置的設計。
以下是小組討論得到的第一版測試裝置設計樣式剖面圖：
圖7 第一版測試裝置設計樣式剖面圖
主要由箱內(nèi)環(huán)境模擬、功能性指標數(shù)據(jù)測量和數(shù)據(jù)輸出三部分組成。其中，箱內(nèi)環(huán)境模擬中，氙燈光照強度可調(diào)且調(diào)節(jié)精度較高，能準確模擬太陽光照情況，噴水器和軸流風機可有效模擬風雨天氣情況；功能性指標數(shù)據(jù)（主要為降溫效果、太陽反射比、熱反射率、導熱系數(shù)以及導溫系數(shù)）主要通過傳感器以及各類測試儀器測量得到；輸出設備則通過編寫計算機程序，能實時輸出顯示在控制面板的屏幕上。
在此階段，由于組內(nèi)部分成員的個人原因，無法繼續(xù)跟進項目的研究進展，故經(jīng)指導老師批準，上報學校說明情況后，決定變更3名項目成員。
新小組在討論設計方案后，提出了各自的改進意見和看法，并繪出了第二版測試裝置的設計圖，如下：
圖8 第二版測試裝置的設計圖
主要改進為：
a.確定了測試裝置的尺寸大??；
b.調(diào)整了溫度計、日射強度計和溫度傳感器的測量位置，更加合理準確；
c.考慮到成本問題，省去了數(shù)據(jù)輸出部分的設計，改為測量數(shù)據(jù)采集及處理的方法對數(shù)據(jù)進行整理和分析；
d.調(diào)整了試驗樣本容器的布置，通過空白樣本和試驗樣本的反應測試，對比得到試驗結果，更加科學有效。
e.考慮到儀器用于測試熱物性指標，主要是模擬夏季高溫環(huán)境，故省去噴水器。
（3）制作低吸熱路面試件多功能測試裝置
項目成員廣泛了解裝置所需測試儀器的性能及價格，結合實際條件，對比選擇符合本項目設計研發(fā)裝置的各部分零件。2015年4月，小組通過調(diào)研，確定與廣州斯派克環(huán)境儀器有限公司簽訂合同，交由該公司負責生產(chǎn)項目設計裝置。
通過雙方溝通和討論，結合實際制作條件同時滿足裝置各項要求下，確定最終的測試裝置設計圖如下：
圖9 裝置正視圖
圖10 裝置左視圖
圖11 裝置俯視圖
測試裝置包括箱體及設于箱體上方用于模擬太陽光源對待測試件進行照射的裝置，還包括光強控制裝置，箱溫調(diào)節(jié)裝置，太陽輻射能測試裝置，測溫裝置及一個獨立的片式加熱裝置。所述光強調(diào)節(jié)裝置可供使用者在調(diào)節(jié)范圍內(nèi)選擇合適的光照強度準確模擬太陽光照；箱溫調(diào)節(jié)裝置可準確控制箱內(nèi)溫度，與光強調(diào)節(jié)裝置一起使用可以準確模擬太陽照射路面的環(huán)境；測溫裝置可以測量所測試件的降溫效果；太陽輻射能測試裝置可以測量光照輻射能；獨立的加熱片可以給試件提供常功率平面熱源。
（4）進行低吸熱路面試驗，測試及改進實驗裝置
目前，測試裝置的制作已經(jīng)完成，廠家正在進行儀器的測試工作，故目前暫未開展低吸熱路面的試驗。但后期的項目計劃和安排，小組仍然會繼續(xù)跟進。
2 研究工作中取得的主要成績和收獲
2.1 申請專利情況
項目組在研究開發(fā)過程中，拓展研究成果已向國家知識產(chǎn)權局申請國家發(fā)明專利2項（均已進入實審階段）。
u 2014年6月13日申請國家發(fā)明專利“光催化降解漏油污染的路面表層效果的測試方法”受理號：201410263427.0；
u 2014年6月13日申請國家發(fā)明專利“路面油污現(xiàn)場光催化降解處治效果監(jiān)測方法”受理號：201410263471.1。
2.2 發(fā)表論文情況
項目組在項目研究開發(fā)過程中，通過對實驗結果進行整理分析和總結，已發(fā)表論文2篇，投稿論文5篇。
u 研究前期拓展性成果論文《路面漏油污染的光催化降解試驗研究》載于中文核心期刊《環(huán)境科學與技術》（2015年6月 第38卷 第6期）；
u 研究前期拓展性成果論文《Research on Biological Purification Pool Purify Pavement Runoff by Simulation Experiment》載于“2015 International Conference on Energy and Environmental System Engineering（EESE2015）”（May 17-18, 2015）；
u 研究前期成果論文“瀝青和混凝土路面的熱物理性質(zhì)”、“控制路面溫度的方法與分析”、“可持續(xù)光催化降解車輛尾氣中氮氧化物和二氧化硫的瀝青路面”、“紫外光對二氧化鈦降解效率的影響”、“二氧化鈦光催化降解路面氮污染物的動態(tài)研究”均已投稿至中文核心期刊《中外公路》。
2.3 競賽獲獎情況
項目組積極參加各類與課題相關的學術研究競賽活動，取得了一定成績。
u 2015年7月階段成果獲“第十一屆挑戰(zhàn)杯湖南省大學生課外科技學術作品競賽”省級二等獎、校級一等獎；
u 2015年4月階段成果獲“第十屆全國大學生交通科技大賽”校級一等獎；
u 2014年11月階段成果獲“2014年全國高等學校土木工程專業(yè)本科生優(yōu)秀創(chuàng)新成果獎”鼓勵獎；
u 2014年11月在長沙理工大學學生科技立項中獲校級一等獎兩項；
u 2014年5月18日在“第七屆節(jié)能減排大賽”獲校級二等獎。
以上證明材料詳見《附件三：專利、論文及獲獎證明》
3 研究工作中的問題及建議
3.1 研究中的不足
u 由于檢測低吸熱路面的5項功能指標的環(huán)境要求或?qū)嶒炘嚇硬煌?，雖然利用測試裝置能連續(xù)檢測5項指標，但還無法做到同步檢測；
u 由于廠家無法提供精密日射強度計，導致整個儀器未能完全一體化。
3.2 尚需深入研究的問題
u 深入探究5項指標的測試原理，解決其測試環(huán)境限制及實驗試樣限制，改進測試裝置，做到5項指標同步測試；
u 通過對低吸熱路面各功能指標的測定，自主設計出低吸熱路面功能層。
3.3 研究中的困難、問題和建議
u 由于小組成員對機械設計制造方面的知識掌握不足，導致對于一些專業(yè)儀器了解不夠，在儀器設計階段十分困難；并且在與廠家聯(lián)系儀器制作生產(chǎn)時，由于缺乏相關知識，期間花費了較長時間，導致項目的計劃進度延遲，尚未進行低吸熱路面試驗、測試裝置的測試及改進。
u 半球發(fā)射率的檢測需真空環(huán)境，且測量半球發(fā)射率的輻射計價格昂貴，將大大提高儀器裝置的成本，故裝置設計未考慮低吸熱路面的半球發(fā)射率指標的測量；
u 對于太陽反射比的測量，由于紫外、可見、近紅外分光光度計價格較為昂貴，若采用光譜法進行檢測，國內(nèi)僅有大的測試機構和有實力的科研單位能夠承受。故本項目采用精度相對較高的精密日射強度計進行測量。
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四、經(jīng)費使用情況
經(jīng)費合計116963元，其中，學校配套資助20000元，學院（所）配套資助 元，其他經(jīng)費96963元。
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經(jīng)費支出情況：
（1）項目調(diào)研及交通費6800元；
（2）項目資料打印復印等費用5623元；
（3）試驗材料購置費2540元；
（4）試驗測試元件購置費4000元；
（5）測試裝置加工制作費98000元
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五、指導教師及學院（系）審核意見
項目指導教師對結題的意見，包括對項目研究工作和研究成果的評價等。
負責人簽章：
年 月 日
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項目主持人所在學院（系）對結題的意見，包括對項目研究工作和研究成果的評價等
負責人簽章：
年 月 日
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六、學校結題審核意見
學校對項目研究的任務、目標、方法和研究成果水平等進行評價，是否結題。
年 月 日
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附件目錄
附件一 低吸熱路面功能性指標測試方法…………………………17
附件二 測試裝置產(chǎn)品說明書………………………………………24
附件三 專利、論文及獲獎證明……………………………………33
附件一 低吸熱路面功能性指標測試方法
本多功能儀器主要考慮測量5個熱物性相關指標，包括：降溫效果、熱反射率、太陽反射比、導溫系數(shù)、導熱系數(shù)。下面闡述各個指標的概念及擬采用的測試方法及所借鑒的相關裝置圖。
1 降溫效果
指標定義：降溫效果即為暴露于熱輻射下的使用隔熱方式制品的外表面溫度與內(nèi)表面溫度的差異，該指標可以直觀地反映使用隔熱方式的降溫效果。
測試原理：該指標的測試采用模擬熱箱法。然后利用溫度傳感器等測量元件和溫度采集儀，可以記錄氙燈模擬照射下的試件的內(nèi)外表面的直觀溫度差。
樣板制備：300*300*50mm車轍板，方案橫向比選時可以選擇150*300*50mm車轍板。
測試環(huán)境：選用合適的氙燈為熱源模擬太陽光照，將輻照度定位（1000±20）W/m2，通過軸流風機產(chǎn)生速度為（1.0±0.5）m/s的微風，實驗室溫度控制在（23±2）℃。
測試方法：打開氙燈電源，十分鐘之后，開始記錄上下表面的溫度數(shù)據(jù)，每隔2分鐘記錄一次，連續(xù)記錄1小時。
圖1 降溫效果測試裝置結構示意圖
測試元件：
（1）1個氙燈：輻照強度可以調(diào)節(jié)。
（2）1個穩(wěn)壓電源
（3）10個溫度傳感器，
（4）1個溫度自動顯示記錄儀
（5）1個軸流風機
（6）1個輻照能傳感器
（7）保溫隔熱材料。
2 太陽熱反射率
指標定義：太陽熱反射率指投射到物體的熱射線中被物體表面反射的能量與投射到物體的總能量之比。
測試原理：用氙燈替代太陽光源，照射在涂有涂料的金屬板上，測量金屬板的背面（非涂層面）溫度變化，與黑板對照并計算其反射率。
樣板制備：用溶劑擦干凈三塊鋁樣板，樣板規(guī)格尺寸為150*75*1mm,并符合QQ-A-250/4規(guī)定。在兩塊樣板上噴涂復合規(guī)范TT-E-489規(guī)定的黑色磁漆，其干膜厚度介于0.03-0.04mm之間。在另一塊樣板上噴涂待試驗的涂料，干膜厚度與前兩塊樣板相同，并將兩種樣板都各自干72小時。
測試環(huán)境：室溫28.8±0.5℃，恒溫。
測試方法：
（1）將兩塊噴涂黑磁漆（可選擇高色素炭黑，吸收比>97%）的鋁板平行放在聚苯乙烯泡沫塑料上，噴漆的一面朝上，兩樣版邊緣相距5cm，位于燈泡的正下方；
（2）調(diào)節(jié)燈泡與樣板之間的距離（初選600mm），使兩樣板在30min內(nèi)達到（87.8±1）℃；
（3）達到平衡溫度5分鐘后立即撤走一塊黑樣板，換上一塊待測的熱反射涂料樣板；
（4）經(jīng)15min溫度重新達到平衡后，記錄平衡時的熱反射涂料樣板的溫度t2和黑樣板的溫度t1；
（5）利用反射率公式計算反射率
式中，ρ為反射率，t1為標準黑板溫度，t2為樣板溫度，t3為當時的室溫，一般固定在28.8℃。
圖2 太陽熱反射率測試裝置結構示意圖
1 熱反射涂料 2 兩塊樣板 3 聚苯乙烯泡沫塑料
4 250W碘鎢燈兩個 5 穩(wěn)壓電源 6 溫度傳感器
7 溫度記錄儀 h 為370mm t 為60mm
測試元件：
（1）2個溫度傳感器
（2）三塊鋁樣板噴涂黑色磁漆
（3）聚苯乙烯泡沫塑料
3 太陽反射比
指標定義：太陽反射比是物體反射到半球空間的太陽輻射通量與入射在物體表面上的太陽輻射通量的比值，也稱陽光反射比、陽光反射率。太陽反射比是評價熱反射性能最重要的技術指標，也是對熱反射涂料進行節(jié)能計算時必須輸入的熱工參數(shù)之一。擬采用日射強度計法，為了評估材料表面對實際太陽輻射的反射能力，ASTM編制了E1918標準方法，該方法是用精密日射強度計，在現(xiàn)場測量水平或低坡度（小于9.5℃）表面的太陽反射比。
測試步驟：將精密日射強度計固定在支架的機械臂端頭，交替朝向上方和朝向被測表面，通過輸出設備讀取太陽輻照強度和被表面反射回的輻照強度，被測表面的太陽反射比即為反射輻照度與入射輻照度的比值。
圖3 太陽反射比測試裝置結構示意圖
測試元件：
（1）美國Eppley日射強度計（簡稱PSP）。
（2）輸出設備。
3 導熱系數(shù)、導溫系數(shù)
指標定義：導熱系數(shù)是指在穩(wěn)定傳熱條件下，1m厚的材料，兩側(cè)表面的溫差為1度，在1秒內(nèi)通過1平方米面積傳遞的熱量，λ單位為瓦/米·度（W/m·K）。導溫系數(shù)（熱擴散系數(shù)）α表征物體被加熱或冷卻時，物體內(nèi)各部分溫度趨向均勻一致的能力。
測試方法：本裝置擬采用的常功率平面熱源法，為非穩(wěn)態(tài)測試法。
測試環(huán)境：保持室溫恒定。
測試原理：它基于常熱流邊界條件下半無限大物體內(nèi)溫度場變化的規(guī)律，來測定瀝青混合料的導溫系數(shù)，并能同時測出導熱系數(shù)以及計算比熱容。初始溫度為t0的無限大均質(zhì)物體，當表面被常功率熱流加熱時，溫度場有以下導熱微分方程求解。
（1）
初始條件： 
，
（2）
邊界條件： 
，
（3）
式中：θ為過余溫度，以
時刻為基準。例如，
時刻離表面距離
的點的過余溫度
。
q為熱流密度，W/m2；λ為導熱系數(shù)，（W/m·℃）
在（2）、（3）的條件下，求解式（1）得：
（4）
式中：
為高斯誤差補函數(shù)的一次積分，可查表。
根據(jù)式（4），若物體初始溫度為，從0時刻開始以常熱流q加熱，測出時刻的表面溫度
以及
時刻離表面距離處的溫度
（為設定的測點位置），則由下列運算可得出該物體的導溫系數(shù)及導熱系數(shù)。
在時刻，由式（4），應為：
（5）
在時刻，由式（4），應為：
（6）
以式（5）除以式（6）并消去q和λ，整理后的
（7）
令 
則可得導溫系數(shù)α： 
（8）
通過（5）得到： 
（9）
通過試驗，測得、、、后，帶入式（7）可求得
，再由誤差函數(shù)表查出
的數(shù)值，從而可以得到導溫系數(shù)α。再由式（9）求出導熱系數(shù)，即本方法可以同時測量導溫系數(shù)和導熱系數(shù)。
熱流采用電壓表和電流表測量熱流量的大小，用電源開關控制熱流的供給。計算公式：
，除以2是由于熱量一半向上傳播。
此方法測出的數(shù)據(jù)，可認為是平均溫度
時的導熱系數(shù)。
注：過余溫度表示物體真實溫度與系統(tǒng)初始溫度之差。
圖4 導熱系數(shù)、導溫系數(shù)測試裝置結構示意圖
試樣制備：試驗前將試樣加工成尺寸為150*150*50mm的試樣兩塊，150*150*15mm的試樣一塊。滿足條件：
（
為試樣厚度，L為試樣寬度和長度）
測試步驟：
1）試樣放置順序為先放置一塊150*150*50mm的試樣，上面放置加熱片，之后在加熱片的中心放置溫度傳感器1，再放置尺寸為150*150*15mm的試樣一塊，再放置溫度傳感器2，再放置尺寸為150*150*50mm的試樣一塊。
2）待初始溫度
穩(wěn)定之后，通電加熱試樣，用秒表計時，記錄熱量q。
3）
時，記錄
；
h時，記錄
4）測量中間試樣的高度以及密度
注意事項：實驗開始前，應測試一次及
處的溫度，如果倆者溫度一致，表明每塊試材溫度相同。
測試元件：
（1）1個電阻值穩(wěn)定的平面加熱片
（2）1個電壓表
（3）1個電流表
（4）個溫度傳感器
（5）1個溫度采集儀
（6）1個直流穩(wěn)壓電源
附件二 測試裝置產(chǎn)品說明書
路面材料光熱性能測定裝置設計說明書
設計者：劉佩，朱航，顏鈺婷，張磊，鄭偉，左瑞芳
指導教師：錢國平
長沙理工大學，交通運輸工程學院，長沙市，410114
作品內(nèi)容摘要
在全球氣候變暖和高速城市化的大背景下，世界上許多城市都出現(xiàn)了高強度的城市熱島效應，城市熱環(huán)境質(zhì)量日趨惡化極大地影響著城市生態(tài)環(huán)境和城市居民的日常生活。城市地表結構物是城市熱島效應的主要影響因素之一，而路面作為最主要的城市地表結構物對城市熱島效應的影響尤為顯著。開展具有降溫效果顯著、成本低且施工方便等優(yōu)點的瀝青路面太陽熱反射涂層及瀝青路面結構的研究開始得到重視。
本課題為低吸熱路面性能檢測提供了一種模擬室外熱環(huán)境的測試裝置，該裝置具有可控溫、輻照強度可調(diào)且范圍大等特點，可用于檢測低吸熱路面五個功能指標——降溫效果、太陽熱反射率、太陽反射比、導熱系數(shù)、導溫系數(shù)，便于進行熱反射路面涂層的開發(fā)與研究，具有很高的科研價值和廣闊的市場應用前景。
關鍵詞：低吸熱路面；太陽反射比；降溫效果；導溫系數(shù)；導熱系數(shù)；熱反射率；測試系統(tǒng)
1 項目研究的背景及意義
在全球氣候變暖和高速城市化的大背景下，世界上許多城市都出現(xiàn)了高強度的城市熱島效應、城市熱環(huán)境質(zhì)量日趨惡化等現(xiàn)象，極大地影響著城市生態(tài)環(huán)境和城市居民的日常生活。城市地表結構物是城市熱島效應的主要影響因素之一，而路面作為最主要的城市地表結構物對城市熱島效應的影響尤為顯著，其主要是通過路面熱傳導、路表熱輻射和熱對流3種方式作用于路表及環(huán)境的溫度場影響城市熱島效應。
針對我國城市道路越來越嚴重的熱島效應現(xiàn)象和日趨惡化的熱環(huán)境問題，開展具有降溫效果顯著、成本低且施工方便等優(yōu)點的瀝青路面太陽熱反射涂層及瀝青路面結構的研究已迫在眉睫。因而，分析其熱環(huán)境的影響、提高路面表層材料對熱輻射的放射率、增強道路結構對熱輻射的傳導并且用相應指標評價體系來評價其路面對熱輻射的貢獻就顯得尤為重要。本路面材料光熱性能測定裝置可以很大程度上模擬真實環(huán)境，能定量測試低吸熱路面的功能指標，分析新型低吸熱路面降溫效果的優(yōu)劣。
2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀
2.1 低吸熱路面功能指標測試方法研究現(xiàn)狀
目前，航天器熱控涂層測量太陽反射比的普遍方法是光譜法，利用帶積分球的紫外、可見、近紅外分光光度計可以精確測量材料不同波長的反射比，根據(jù)太陽光在一定波長范圍內(nèi)的相對能量分布，通過加權平均計算材料在上述波長范圍內(nèi)的太陽反射比。但是由于紫外、可見、近紅外分光光度計價格較為昂貴，國內(nèi)僅有大的測試機構和有實力的科研單位能夠承受，其應用受到了一定的限制[1]。
美國材料測試協(xié)會標準ASTM C1549[2]規(guī)定了一種用便攜式反射比測試儀測定材料常溫下太陽反射比的方法。該方法具有測量精度較高，數(shù)顯分辨率為0.001、測量方式靈活、選擇多樣等特點，且該測試方法快速、準確，且儀器的價格相對低廉。
ASTM編制了E1918標準方法[3]，評估材料表面對實際太陽輻射的反射能力，該方法是用精密日射強度計(PSP)，在現(xiàn)場測量水平或低坡度（小于9.5o）表面的太陽反射比。這種方法簡單直觀，能夠?qū)崟r監(jiān)測表面對太陽輻射反射的變化情況，反映了材料對實際太陽輻射的反射能力。缺點是易受環(huán)境因素制約，多云和薄霧天氣嚴重影響測量工作。因此測試期間天氣應該晴朗、無云、無霧霾。
GJB2502.《3航天器熱控涂層試驗方法3部分：發(fā)射率測試》中的輻射計法和ASTM C1371Standard Test Method for Determination of Emittance of Materials Near Room Temperature Using Portable Emissometers 是常溫下用輻射計測量材料半球發(fā)射率的方法。利用輻射計探測器的輸出信號與被測試樣的發(fā)射率呈線性關系，通過比較高、低發(fā)射率標準板與被測試樣輸出信號的大小，得出被測試樣的發(fā)射率[4-5]。
ASTM E1980[6]指出所謂的“陽光反射指數(shù)SRI”（Solar Reflectance Index）是指在標準大氣環(huán)境與太陽輻照下，材料表面穩(wěn)態(tài)溫度與標準黑板（SRI=0，太陽反射比0.05，半球發(fā)射率0.9）和標準白板（SRI = 100，太陽光反射比為0.80，半球發(fā)射率為0.9）表面溫度的相關性。陽光反射指數(shù)可以衡量某種材料（表面）在陽光直射下保持低溫的能力，SRI越高，那么這種材料在陽光直射下的溫度就越低。并給出了SRI的計算公式和相關參數(shù)的選取方法。
JG/T235規(guī)定了熱反射涂料隔熱溫差的測試方法：用紅外加熱燈分別照射固定于測溫箱開口處的空白試板和熱反射涂料試板，測量試板背面溫度，待達到熱平衡后，空白試板和熱反射涂料試板背面溫度之差即是這種熱反射涂料的隔熱溫差。劉翼等對此方法進行了改進，同時考慮到熱源輻照度、環(huán)境風速、空氣溫度等對測試的影響，研發(fā)出隔熱溫差試驗機[7]。
化工行業(yè)標準《金屬表面用熱反射隔熱涂料》中推薦了一種隔熱溫差的模擬試板測試法[8]，這種方法的特點是使用了旋轉(zhuǎn)托盤，保證了樣板接受熱輻射的均勻性。另外，試板和空白板溫度同時測量，可減小因分次測量帶來的誤差。缺點是用紅外線儀測量放在支架上的樣板背面溫度操作上有一定的困難，另外紅外燈的光譜與太陽光譜相差較大，削弱了熱反射材料在兩種熱輻射源下測試結果的可比性。該方法適于熱反射涂料研發(fā)過程中的橫向比較和配方篩選。
楊文頤等[9]指出模擬熱箱法和模擬試板法都是在實驗室里模擬實際工況測試熱反射材料的隔熱效果，雖然具有復現(xiàn)性好、試驗周期短等優(yōu)點，但實驗室模擬與實際自然環(huán)境畢竟存在著一定的差異，為了評價熱反射材料在自然條件下的隔熱降溫效果以及隨時間變化周圍環(huán)境因素對其的影響，可將表面覆有熱反射材料的具有一定體積的試驗箱置于空曠的戶外，或者直接將熱反射材料應用于建筑等實體對象，測試太陽輻射下試驗物體和對照物體外表面溫度、內(nèi)表面溫度和內(nèi)部氣溫，比較其差異、研究溫度變化情況。另外，如果是實體建筑，可在試驗房和對比房內(nèi)安裝空調(diào)，調(diào)節(jié)空調(diào)溫度使二者一致，通過計量在一段時間內(nèi)空調(diào)的耗電量可以計算應用熱反射材料時的節(jié)電量。
2.2 研究現(xiàn)狀評價
綜合國內(nèi)外的研究資料可以看出，國內(nèi)外研究重點是單項熱性能指標測試方法與測試儀器的研究，并未進行綜合性多指標同步測量儀器的研發(fā)工作，也沒有推廣應用，特別是低吸熱路面的實驗室測試階段。
熱性能測試裝置有著廣闊的推廣應用前景，但是低吸熱路面功能指標同步測試裝置在國內(nèi)外雖然進行了不少試探性的研究，但都未開展系統(tǒng)性的研究工作。因此，緩解熱島效應的低吸熱路面功能指標同步測試方法急需要進一步的研究。
3 設計方案
小組成員在國內(nèi)外已有研究成果的基礎上，比較不同測試方法的共性和優(yōu)劣，開發(fā)了一種可以很大程度上模擬真實環(huán)境的低吸熱路面功能指標定量測量裝置及測試方法，可以同時對多項低吸熱路面功能指標進行測量，以便分析不同低吸熱路面降溫效果的優(yōu)劣。同時解決在單獨測試低吸熱路面不同功能指標時，由于測試環(huán)境條件差異導致的效率低下問題。簡化了低吸熱路面功能指標的測試過程以及復雜程序。
本多功能儀器主要測量5個熱物性相關指標：太陽反射比，降溫效果，導溫系數(shù)，導熱系數(shù)，熱反射率。
3.1 裝置整體結構
測試裝置外部結構尺寸為：寬×深×高（W1400×H1100×D2000）；內(nèi)反應室尺寸為：寬×深×高（W900×H600×D800），標稱內(nèi)容積為：360L。
測試裝置整體三視圖如下：
圖1 裝置正視圖
圖2 裝置俯視圖
圖3 裝置左視圖
整套系統(tǒng)具有良好的氣密性能，反應室內(nèi)部結構簡單，反應過程穩(wěn)定，數(shù)據(jù)采集準確度高，控溫穩(wěn)定，能有效模擬室外熱環(huán)境。
3.2 內(nèi)室大門
采用能自然平滑地旋轉(zhuǎn)開啟、關閉的鉸鏈門；門上配中空玻璃觀測窗一個，配有遮光裝置，能防紫外線等強光。
顯示屏為TFT彩色LCD顯示器，中文菜單，觸摸屏方式輸入。
3.3 控制面板
控制面板安裝在內(nèi)室門的右側(cè)，包括溫度和光照控制顯示屏、溫度記錄儀、超溫保護設定裝置和照明開關。
3.4 配電控制柜
配電控制柜包括散熱風機、配電板、總電源漏電斷路器、發(fā)光驅(qū)動器、測光裝置、調(diào)光與控光裝置。
3.5 機械室
機械室中包括制冷機組、風機以及配電控制柜。
3.6 加熱器
加熱器采用鎳鉻合金電熱絲式加熱器，其控制方式為無觸點等周期脈沖調(diào)寬，SSR（固態(tài)繼電器）。
環(huán)境箱內(nèi)溫度可調(diào)范圍為+10～+60 ℃（此范圍內(nèi)任意溫度可調(diào)且恒定），波動值為±1℃，溫度偏差為±2.0℃。
3.7 制冷系統(tǒng)
制冷系統(tǒng)位于內(nèi)箱下部，采用活塞式壓縮機，其工作方式為機械壓縮制冷方式。
制冷機控制方式：控制系統(tǒng)的PLC(可編程邏輯控制器)根據(jù)試驗條件自動調(diào)節(jié)制冷機的運行工況；壓縮機回氣冷卻回路 。
制冷劑采用R404a（臭氧耗損指數(shù)為0,是環(huán)保制冷劑）。
3.8 空氣調(diào)節(jié)通道
空氣調(diào)節(jié)通道位于內(nèi)箱后側(cè)，包括風機、加熱器、蒸發(fā)器（兼除濕器）。
3.9 安全保護裝置
制冷系統(tǒng)：壓縮機超壓；壓縮機電機過熱；壓縮機電機過流。
試驗箱：可調(diào)式的超溫保護；風機電機過熱。
其他：總電源相序和缺相保護；漏電保護；負載短路保護。
3.10 溫圍護結構
內(nèi)箱為 SUS304 不銹鋼板，鋼板經(jīng)啞光處理，可最大程度的減少反射光的影響。外箱為鍍鋅鋼板，經(jīng)過除銹，磷化處理；夾層為聚氨酯發(fā)泡棉保溫材料，該材料具有質(zhì)量輕，免維護，耐腐蝕，阻燃，保溫性能卓越等優(yōu)點。
3.11 光源
（1）氙燈(1800W~2500W)位于內(nèi)箱上部，附有濾光玻璃和聚光罩。氙燈裝置內(nèi)尺寸為0.5m×0.9m×0.8m,聚光罩下方的可操作預留高度為0.5m。照射高度60cm-70cm及以上,照射面積350*700mm（在此面積內(nèi)光照強度均勻）,照射面積為中間處，光照強度20-1200W/m2連續(xù)可調(diào)。選定光照強度后，輻照度的波動不大于5%。光譜范圍：0.29-0.8μm。選定輻射強度時的光照波動偏差(測光誤差)在50W/m2內(nèi)。測光精度1W/m2。光感應探頭的位置設于距內(nèi)箱底0.1m處。
平均燈管壽命為1000 小時，燈管過濾器采用可更換內(nèi)外濾片，輻照度控制為自動微機控制。
（2）氙燈散熱系統(tǒng)：氙燈采用風冷散熱，儀器頂部設有一個進氣口，三個排氣孔。
3.12 溫傳感器
共10個溫度傳感器，均為接觸式測溫。其中2個片式溫度傳感器，8個常用溫度傳感器。測溫范圍為0-100℃，測溫精度：0.1℃以下。
3.13 置精密日射強度計
本裝置采用美國Eppley日射強度計TSP/PSP（以下簡稱PSP），直徑14.6英寸,高9.5英寸，重量為3.18千克，儀器靈敏度9μV/Wm2，響應時間為1秒(1/e信號)，用于測量太陽總輻射能量。擁有更快的響應速度，減少了夜間熱補償，改進了余弦響應以及溫度依賴性。
4 創(chuàng)新點
（1）裝置可用于太陽反射比、熱反射率、降溫效果、導溫系數(shù)、導熱系數(shù)等五項低吸熱路面的功能指標的檢測，避免了五個指標分步測量而造成的低吸熱路面性能檢測效率低下的問題；
（2）裝置采用環(huán)境箱設計，擁有完善的控溫系統(tǒng)，可對實驗箱進行恒溫控制，避免了由于氙燈照射而引起的低吸熱路面溫度改變過快的現(xiàn)象，更接近道路實際情況，提高了實驗的準確度；
（3）裝置內(nèi)置的氙燈光源可控光照強度為20-1200W/㎡，通過調(diào)節(jié)氙燈及測光裝置來控制光照強度，可實現(xiàn)不同的光照強度值，滿足不同時間段、不同天氣條件下的光照強度模擬，具有廣泛的應用價值；
（4）裝置環(huán)境箱內(nèi)部在氙燈光照的同時，配置制冷系統(tǒng)及溫度傳感器，精確控制室內(nèi)溫度，配合風速系統(tǒng)模擬的風速，更真實地模擬室外環(huán)境條件，為實際應用提供真實可靠的數(shù)據(jù)支持；
（5）在太陽反射比測試中，儀器外壁設置三個卡槽，與固定PSP的機械臂配套，可測試不同高度的太陽反射比?？ú塾上鹉z塞封閉，保證光照控溫實驗系統(tǒng)的密閉性。
（6）用于測試太陽反射比的PSP，可進行力臂拆卸，節(jié)約空間，且未固定的PSP可用于測試現(xiàn)場路面太陽反射比，實現(xiàn)測試儀器多功能應用。
參考文獻：
[1] GJB 2502.2-2006航天器熱控涂層試驗方法.第2部分:太陽吸收比測試
[2] ASTM C1549 Standard Test Method for Determination of Solar Reflectance Near Ambient Temperature Using a Portable Solar Reflectometer.
[3] ASTM C1918 Standard Test Method for Measuring Solar Reflectance of Horizontal and Low-Sloped Surfaces in the Field
[4] GJB2502.3-2006航天器熱控涂層試驗方法 第3部分:發(fā)射率測試
[5] ASTM C1371 Standard Test Method for Determination of Emittance of Materials Near Room Temperature using Portable Emissometers
[6] ASTM E1980 Standard Practice for Calculating Solar Reflectance Index of Horizontal and Low-Sloped Opaque Surfaces
[7] 建工行業(yè)標準.熱反射金屬屋面板(征求意見稿)
[8] 化工行業(yè)標準.金屬表面用熱反射隔熱涂料(報批稿)
[9] 楊文頤.熱反射涂料熱性能測試方法綜述[J].中國建筑材料檢驗認證中心，2012.2.
附件三 專利、論文及獲獎證明
u 國家發(fā)明專利“光催化降解漏油污染的路面表層效果的測試方法”受理號：201410263427.0。
發(fā)明專利進入實質(zhì)審查通知書。
