摘要：城市下垫面的不透水性是导致城市热岛现象的主要原因之一。透水铺装作为一种新型多孔人工路面铺装形式，与不透水铺装相比，其不仅可渗透水分而且可在面层材料内截流一定的水分并利用水分蒸发带走累积的热量，从而降低铺装表面温度，进而缓解城市热岛效应。然而，透水铺装蒸发降温性能受其面层材料性能影响较大，且该性能多被生产厂家所忽略，这为通过推广透水铺装缓解城市热岛带来了极大障碍。本研究首次从透水铺装面层材料吸水及保水性能的角度出发，明确了吸水、保水及反射率对透水铺装面层材料蒸发降温的影响程度，建立了典型透水铺装面层材料累计蒸发量数据库，回归并验证了利用蒸发阻力计算透水铺装面层材料蒸发速率的方程，给出了合理的透水铺装淋水方式。该研究为合理利用透水铺装缓解室外热环境的奠定了基础。

　　关键词：室外热环境；透水铺装；吸水及保水特性；蒸发降温特性

　　一、研究背景

　　随着人类对于人居环境的重视，各种生态、友好的环境发展理念逐渐被人们所接受。在我国，“海绵城市”作为典型的低影响生态开发策略在我国被大力推广，而透水铺装（也称 “透水路面”、“透水地面”及“透水铺装路面”）作为“海绵城市”建设中的雨水回收利用的重要载体之一也随之发展起来。

　　为解决透水铺装研究及实践中遇到的相关问题，本文以我国湿热地区为研究范围，开展针对透水铺装蒸发降温特性的研究。本文设定研究目标为：

　　（一）针对大部分研究集中在透水铺装面层材料的蒸发降温过程，而缺少其吸水及保水相关数据，本文选取典型透水铺装面层材料，采用不同实验方法对其吸水及保水性能进行综合测试，以提出透水铺装面层材料的吸水及保水性能评价的合理方法；

　　（二）针对铺装材料蒸发降温效果较难评价的问题，采用热湿性能的透水铺装面层材料，分析材料的热湿物理性质对其蒸发降温性能的规律，并提出透水铺装面层材料蒸发降温性能的预评价指标，以期为不同铺装材料之间的相互比较提供参考；

　　（三）针对铺装材料蒸发量难以预计的问题，建立湿热地区典型透水铺装面层材料的蒸发降温数据库，以方便后续模拟研究带入。此外，尝试借鉴土壤学蒸发阻力的计算方式，回归出典型透水铺装面层材料的蒸发阻力计算公式；

　　（四）针对透水铺装对室外热环境的影响涉及到的相关研究较少的问题，通过室外铺设透水路面样本，进行透水铺装室外热环境现场测试，以此获得透水铺装对室外环境影响的关键指标。

　　二、研究思路

　　首先，采用实地调研及文献调研的方式，分析透水铺装的使用现状及研究现状，并选取典型透水铺装面层材料。重点获取所选取的典型透水铺装面层材料的吸水及保水数据，并建立相应的吸水及保水性能评价方法；其次，采用室内实验的方法，依托热湿气候风洞，分析不同透水铺装面层材料的蒸发降温差异，并建立材料蒸发降温的预评价指标，并回归出蒸发量计算公式；最后，采用室外样本实验，通过铺设室外样本，评价透水铺装蒸发降温对室外热环境的影响。

图2-1技术路线图

　　三、研究内容

　　（一）确立了透水铺装面层材料吸水及保水性能的实验方法

　　透水铺装面层材料在接受降雨或者人工淋水后，水分会逐渐向材料内部渗透。在该过程中，毛细吸力、重力及降雨强度等综合决定了其水分吸收速率。较强的吸水速率能够保证材料能在短时间内快速的吸收水分，而透水铺装面层材料的保水率最终决定了材料最终的储水性能。较高的含水率则能够使得砖体截留充足的水分用于后续的蒸发。因此，吸水及保水性能对透水铺装面层材料的最终保水性能有重要影响。本研究选取了我国华南地区广泛使用的5种透水铺装面层材料：陶瓷透水砖CB、普通混凝土透水砖PB、再生透水混凝土砖RB、透水混凝土PC和透水沥青PA，采用真空饱和实验、整体浸泡实验、毛细吸水实验和人工模拟降雨实验的测量了上述透水铺装面层材料的孔隙率、吸水及保水性能。通过上述测试，本文获得了典型透水铺装面层材料的吸水及保水特性关键参数，并分析了孔隙特征对铺装材料的吸水及保水性能的影响。同时，推荐用单面浸泡实验去衡量透水铺装面层材料的吸水及保水性能，该方法一方面可以避免采用人工模拟降雨实验所需要的复杂实验装备及场地，又可以保障实验结果的准确性。

　　（二）厘清了透水铺装面层材料蒸发降温特性差异

　　通过热湿气候稳态风洞实验，对比研究了4种不同类型表面颜色相同（灰色）的透水铺装面层材料的蒸发降温性能差异，并分析了透水铺装面层材料的吸水性能及保水性能对蒸发降温性能的影响；此外，采用不同颜色的陶瓷透水砖（红色和黄色）作为样本，对比了反射率与蒸发潜热对于透水铺装面层材料入射太阳辐射的消耗量的差异。研究发现，透水铺装面层材料较高的吸水、保水性能及反射率对材料的蒸发降温有着促进的作用，尤其较高的吸水性能对于维持透水铺装面层材料前期低温有着重要的增益作用。此外，以上结果也可得出，可利用透水铺装面层材料的吸水、保水性能及反射率指标初步预判透水铺装面层材料的蒸发降温能力，方便厂家操作。吸水率较大，且表面颜色较浅的透水铺装面层材料能有着更低的降温幅度。

　　（三）建立了透水铺装面层材料动态蒸发量数据库和模型

　　透水铺装面层材料的蒸发量及相应的蒸发速率及是衡量其降温能力的重要指标，也是进行蒸发降温模拟需要带入的重要参数之一。选取了湿热地区典型代表城市广州的夏季典型气象日，并将其设定为逐时刻开始的24组工况，每组工况持续24小时。其次，利用热湿气候风洞实验平台复现上述24组环境工况，并选用典型透水铺装面层材料陶瓷透水砖CB、透水混凝土PC和透水沥青PA，分别获得了上述三种材料在24组工况下的蒸发量数据。其次，采用傅立叶二级函数对上述三种透水铺装面层材料的24小时总体蒸发量进行了回归，以方便CFD通用模拟软件调用并进行相关的研究。采用R2作为回归指标，对总体蒸发量的回归精度做了检验。三种材料的回归数据R2均维持在0.90以上，保证了较高的精度。

　　借助土壤学领域的蒸发阻力模型计算蒸发量的方法，对典型透水铺装面层材料蒸发量进行了预测。本节选取陶瓷透水砖CB、透水混凝土PC和透水沥青PA作为样本，采用不同等级太阳辐射（300W/m2、600W/m2和900W/m2）的三组稳态风洞实验，获得了透水铺装面层材料的体积含水率、逐时蒸发速率，表面温度和空气温度等蒸发阻力回归模型的关键参量。其次，借助土壤学蒸发阻力与含水率指标的通用回归形式，采用指数函数的形式回归了两种材料体积含水率与蒸发阻力的关系方程。为避免在第一阶段由于透水铺装面层材料蒸发阻力小而带来的误差，本节采用分段回归的形式，对陶瓷透水砖CB、透水混凝土PC和透水沥青PA的蒸发的第一和第二阶段分别进行回归，并采用R2作为回归指标。回归结果显示，两阶段均保持了较高的R2指标，显示为0.85以上。且研究发现，对于陶瓷透水砖CB、透水混凝土PC和透水沥青PA而言，当其体积含水率分别低于6.5%、11.8%及8.0%时，蒸发阻力明显呈上升状态，且增幅较大。

　　（四）明确了透水铺装蒸发降温对室外热环境的影响

　　本章选址湿热地区的典型代表城市广州，参考相关标准，铺设了透水铺装室外样本，开展了透水铺装对室外热环境的影响研究。通过对地表温度、近地面空气温度、相对湿度等相关物理指标的观测，结合WBGT及THI等指标，探明了透水铺装对室外热环境的影响效果。研究结果表明：在室外条件下，透水铺装面层材料能有效降低地表温度，其中陶瓷透水砖CB能有效降低约10°C，而透水混凝土PC则能降低约5°C左右，透水铺装面层材料类型对蒸发降温的影响较大。其次，近地面空气温度方面，研究发现，两种铺装材料可使近地面0.3~0.9m高度处的空气温度降低约0.5~1.0°C，但超过上述范围后，受风速等室外气象影响，空气温度降低程度不明显。此外，陶瓷透水砖CB能使地表0.5m处黑球温度降低约为1~3°C，而透水混凝土PC则仅能降低约为0.5~1.0°C，降低幅度有限。室外热环境指标WBGT显示，陶瓷透水CB能降低WBGT约为1.0°C，透水混凝土PC的WBGT能降低约1°C左右。THI指标显示，两种透水铺装面层材料在淋水状态下同干燥状态相比，均能降低约为0.5°C。

　　建立了透水铺装一维非稳态传热模型，并可以带入第四章节建立的蒸发阻力模型用来预测蒸发量。本章使用室外实测样本数据，采用RMSE作为模拟精度指标显示，对模型进行了检验。结果显示，模拟精度较好，其中陶瓷透水砖CB和透水混凝土PC的模拟精度分别为1.31°C和1.64°C。此外，为了取得最大的淋水降温效果，基于该模型，采用陶瓷透水砖CB为研究对象，选择了一天内的7个淋水时间点进行研究。研究结果发现，在清晨的7：00~11：00时之间淋水效果最佳，此时太阳辐射刚刚由弱转强，能有效削弱后期由太阳辐射导致的温度上升，从而削减温度波峰。

　　四、创新点与特色

　　本文从蒸发降温角度的出发，解决透水铺装面层材料在湿热环境下的蒸发量量化问题。并基于室外样本实验阐明了透水铺装对于不同室外热环境的改善程度。本文的创新点主要有以下几点：

　　（一）完善透水铺装面层材料性能数据库

　　首次采用整体浸泡实验、单面浸泡实验和人工模拟降雨实验对比分析了典型透水铺装面层材料的吸水及保水性能差异，完善了透水铺装面层材料吸水及保水性能参数数据库，确立了单面浸泡实验作为评价透水铺装面层材料吸水及保水性能的方法。

　　（二）揭示透水铺装面层材料表面降温性能

　　揭示了透水铺装面层材料吸水及保水性能对其蒸发过程的影响规律，对比了反射率和蒸发速率对透水铺装面层材料表面降温性能的贡献程度，明确了蒸发性能对透水铺装面层材料表面降温性能的主导地位。

　　（三）建立并验证了透水铺装面层材料蒸发阻力模型

　　建立了湿热地区典型透水铺装面层材料蒸发量数据库及蒸发阻力模型，采用广州夏季典型气象日，建立了三种不同类型典型透水铺装面层材料逐时刻起始的累计蒸发量数据库，回归了上述典型透水铺装面层材料蒸发阻力方程并通过室外样本实验进行了验证。

　　五、成果市场推广应用前景分析

　　随着“海绵城市”建设在广东省的深入推进，透水铺装的产量与应用范围将越来越宽广。《绿色建筑评价标准》（GB/T 50378-2019）和《城市居住区热环境设计标准》（JGJ286-2013）都有针对透水铺装的条文规定。其中，《绿色建筑评价标准》（GB/T 50378-2019）中规定硬质铺装地面中透水铺装面积的比例达到50%，得3分。《城市居住区热环境设计标准》（JGJ286-2013）中规定：居住区户外活动场地和人行道路地面应有雨水渗透与蒸发能力且渗透地面的构造应满足场地渗透和抗压强度要求。根据《广东省“十三五”建筑节能与绿色建筑发展规划》中提出，“十三五”期间，我省将新增绿色建筑约2亿平方米。透水铺装作为绿色建筑中绿色建材的一部分，将会得到更加广泛的应用。

　　但由于透水铺装蒸发降温效果相关评价指标不健全，导致透水铺装产品的质量及效果并不能达到预期的要求。课题组也通过前期的室外实验研究发现不同类型透水铺装蒸发降温性能差异巨大，且有些类型透水铺装几乎无蒸发降温性能，但却被大量的应用在海绵城市建设中。本项目的研究成果将对科学管控透水铺装质量以提升其蒸发降温性能产生极大的促进作用，推进透水铺装相关产业升级。

　　六、实施成效

　　研究成果于2022年5月通过了审查，得到了评审专家的一致认可，认为是有创新意义和改革成效的研究项目。该项目的完成对于明确透水铺装缓解城市内涝和改善城市热环境的双重功效提供强有力的科学支撑，取得了一系列成果，主要包括：

　　（一）发表高水平论文5篇，系统解决了透水吸水和蒸发的评价问题，并明确了其对室外热环境的改善效果。

　　1、J. Wang, Q. Meng, K. Tan, L. Zhang, Y. Zhang, Experimental investigation on the influence of evaporative cooling of permeable pavements on outdoor thermal environment, Building and Environment 140 (2018) 184-193.（JCR一区，IF 7.09）.

　　2、J. Wang, Q. Meng, L. Zhang, Y. Zhang, B.-J. He, S. Zheng, M. Santamouris, Impacts of the water absorption capability on the evaporative cooling effect of pervious paving materials, Building and Environment 151 (2019) 187-197. （JCR一区，IF 7.09）.

　　3、J. Wang, M. Santamouris, Q. Meng, B.-J. He, L. Zhang, Y. Zhang, Predicting the solar evaporative cooling performance of pervious materials based on hygrothermal properties, Solar Energy 191 (2019) 311-322.（JCR一区，IF 7.19）.

　　4、汪俊松,孟庆林,张玉,张磊.透水砖吸水及保水性能研究[J].建筑科学,2017,33(10):45-52.（中文核心）

　　5、汪俊松,张玉,孟庆林,张磊,任鹏.透水路面蒸发降温效应研究综述[J].建筑科学,2017,33(04):142-149.（中文核心）

　　（二）授权软件著作权一项，解决了透水铺装蒸发降温效果难以准确模拟的问题。

　　本软件主要用于建筑节能设计领域。用于计算建筑绿化对建筑围护结构传热的影响，可以根据输入的建筑围护结构参数、气象参数，计算出有无建筑绿化时，建筑围护结构的各节点温度和传热量。

　　（三）为全国透水铺装的标准化提供科学依据。

　　本项目将根据广东省海绵城市、绿色建筑等的发展需求，对接广东省建筑节能协会，联合多家相关行业的生产或施工企业，对本研究的科研成果进行转化以指导透水铺装产业发展。随着透水铺装生产的规范化，其产品也将会更好的被市场所接纳，产生更多的经济效益。从社会效应的角度出发，透水铺装的科学化发展也为广东省所辖城市的宜居和可持续发展提供了有力支撑。