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1、摘要夏天的城市气温往往格外炎热，产生热岛效应。有专家提出，白屋顶计划可减小对阳光的吸收率，可以使城市的气温降低，进而达到节能和环保的效果。本论文正是对白屋顶计划做出论证，以验证其可行性与实际应用价值。首先我们在不同颜色屋顶中找到白色屋顶对太阳光的反射率最大，所以其可以反射掉大量的热，因此减少了室内空调的使用，节约了电能，然而我国是个火力发电大国，从而节约煤炭的燃烧量，减少了的排放量，从根本上解决了城市的热岛效应。通过查阅资料与对过去一些与此相关数据的分析，运用， 软件对数据进行处理。对于模型我们建立了屋顶颜色与吸收温度线性相关模型，分别找出黑色屋顶、灰色屋顶、白色屋顶进行计算，最终得到白色屋顶
2、的反射率最大，即其对太阳光的吸收最少，其对应的热岛强度小，热岛效应现象弱。对于模型我们建立了减排模型，我们根据能量的等价转化，即白屋顶反射掉的热量是空调平衡掉的热量，而空调平衡这些热量所须的电能来源于发电厂，众所周知我国是个火力发电大国，燃烧煤炭会产生大量的。建立白屋顶可以减少这些的排放，从而从根本上解决了城市的热岛效应。对于模型我们建立了城市受益模型，分别以热带、温带、寒带城市的夏天、冬天的最高与最低温度进行计算，根据计算结果可以知道在热带和温带城市建立白屋顶可大量减少空调的使用量，从而减少了的排放量。然而在寒带城市建立白屋顶反而会增加空调的使用量，因为白屋顶反射掉了大量的热，人们使用空调取
3、暖，这样就会增加的排放量。所以在寒带我们不建议建立白屋顶。最后我们对这些问题进行了系统的评价，并对我们建立的模型进行了误差分析和模型的检验，并且对其进行了优缺点评价和推广。热岛效应热岛效应是由于人们改变城市地表而引起小气候变化的综合现象，是城市气候最明显的特征之一。由于城市化的速度加快，城市建筑群密集、柏油路和水泥路面比郊区的土壤、植被具有更大的热容量和吸热率，使得城市地区储存了较多的热量，并向四周和大气中大量辐射，造成了同一时间城区气温普遍高于周围的郊区气温，高温的城区处于低温的郊区包围之中，如同汪洋大海中的岛屿，大城市散发的热量可以达到所接收的太阳能的2/5.从而使城市的温度升高，人们把这
4、种现象称之为城市热岛效应。 符号说明： 被物体表面反射的光通量；：入射到物体表面的光通量；：在波长为的光谱反射率； ：白色屋顶的吸收率； ：白色屋顶的反射率；： 到达白色屋顶表面太阳总辐射量；：屋顶表面反射量；：屋顶表面与周围空气进行对流换热部分热量；：屋顶吸收的热量；：屋顶表面与大气物体之间的长波热辐射量；：透射率S：城市总面积：房屋屋顶面积：房屋屋顶面积：城市日平均光照热量:白色屋顶反射率:普通屋顶反射率:城市的年平均温度W: 耗电量基于光谱反射率的屋顶最佳配色模型 模型的分析 对于一般的屋顶来讲，屋顶处于自然环境之中，经受着各种自然因素周期性的影响，如太阳辐射、气温、 降雨、降雪和风速等
5、。温度的升高主要来源于太阳光中可见光照射、红外线辐射和空气对流。这些因素与屋顶表面进行热能交换，构成了屋顶的光热环境。普通的屋顶是一种灰黑色屋顶，其热吸收率通常达到 90%，温度极易升高。因此，如果在屋顶表面涂一层太阳热反射率高的物质或颜色，增强屋顶的反射率，使大部分热量在进入屋顶之前被反射掉，则可有效降低屋顶的温度。同时据研究表明，如果屋顶吸收的太阳能平均值从 90%降至 65%，那么大气温度的最高值将会降低 0.6。从而可以使城市的气温降低。因此，针对屋顶高温引起的室内高温和加剧城市热岛效应问题，本模型拟通过在屋顶表面涂上白色物料，增加对太阳光的反射来降低屋顶的温度，以期达到有效降低室内高
6、温和缓解城市热岛效应的目的。由图可以看出，投射到屋顶的热辐射：包括太阳直接辐射、散射辐射、大气逆辐射等；屋顶对投射来的太阳热辐射响应：包括屋顶对太阳热辐射的反射、吸收、屋顶热辐射、对流换热等。但无论在屋顶的内部还是外部，能量之间都是以传导、对流和辐射三种方式进行传递。产生城市热岛效应主要是由屋顶与大气物体之间的长波热辐射量决定的。城市中的机动车、工业生产以及居民活动等产生的大量氮氧化物、二氧化碳排放物也会吸收城市屋顶热辐射，增加局部温室效应，进一步推升城市大气的温度，加剧城市热岛效应。所以要减轻城市热岛效应，就必须对城市屋顶的热力属性进行改变。本模型利用传热学和能量平衡原理，对屋顶建立了热量平
7、衡方程，由此求出屋顶对周围环境的热辐射量与屋顶表面温度的关系。模型的建立 1、 光谱反射率的定义1入射光通量与反射光通量，在不透明体反射光的程度，可用光反射率来 表示。光反射率可以定义为“被物体表面反射的光通量与入射到物体表面的光通量 之比。”可表示为从色彩的观点来说，每一个反射物体对光的反射效应，能够以光谱反射率分布曲线来描述。光谱反射率定义为“在波长的光照射下，样品表面反射的光通量与入射光通量”表示为：若用光谱反射率来分析，如果在入射白光光谱中蓝色光和绿色光部分被吸收，即蓝、绿光的吸收率接近于零;只有红色光部分的辐射能被反射，具有较大反射率，故该物体表面呈红色。由此可见，白色涂层可以反射所
8、有颜色的光辐射能，故物体表面呈白色，反射的辐射能越多，则反射率越高。所以白色涂层的反射率明显高于其它涂层的反射率。2.光的基本性质 将吸收、反射和穿过物质的能力与投射在物体上的总能量的比值分别定义为吸收率a ，反射率和透射率r，则对于总投入能量有：对于不透明介质，则有：白色屋顶属于不透明介质，适用于白色屋顶的吸收率和反射率测量。根据以上的分析可知，可推到出屋顶的吸收率为：所以，当屋顶涂成白色时，吸收率明显低于其它涂层的吸收率，使屋顶表面温度降低。热传导过程遵循物理学中的热力学定律和能量首恒定律。在屋顶材质均匀，热传导动态平衡的基础上，设到屋顶阳光辐射能量，屋顶表面反射的能量，屋顶吸收的能量，屋
9、顶周围物体的辐射能量，屋顶表面与空气之间的自然热量。模型的建立与求解建立能量方程有： 其中是在热量平衡状态下物体吸收的热量。由热量平衡方程可解得屋顶表面与大气物体之间的长波热辐射量为：其中要求出屋顶表面与大气物体之间的长波热辐射量，还需知道对流换 热热量的大小和屋顶吸收的热量。1.对流换热热量测量2对流换热热量的大小，一般通过屋顶表面温度和周围空气温度差值来计算。在完全静止的状态下，屋顶表面和周围空气之间为自然对流换热。因此，可利用牛顿冷却公式将对流换热量表示如下：式中，表示自然对流换热系数，表示白色屋顶表面温度，表示周围空气温度；A表示与空气进行热交换的屋顶表面面积。由公式可知，对流换热热量
10、在测量太阳辐射吸收率时所占比例较低，对流换热系数的变化基本不会造成太阳辐射吸收率的变化。根据传热学原理以及工程经验，取：屋顶吸收热量测量2对于白色屋顶吸收热量，屋顶吸收热量可借用热流计量测得到。热阻式热流计是目前常用的热量测量工具。当有热流通过热流计探头时，在探头的热阻层上产生温度梯度，由此可以得到通过热流探头的热流密度：又因为热流密度，所以式中，q表示热流密度，表示温度梯度，是热流计的导热系数。由上式可以求得白色屋顶吸收热量为：因此可解得屋顶表面与大气物体之间的长波热辐射量为由模型一可算出，黑色屋顶的反射率约为 0.1，灰色屋顶的反射率越为 0.5，白色屋顶的反射率约为0.8。其中太阳辐射值
11、、热流计修正值，表面温度，空气温度的数值2。黑色屋顶时间总辐射表面温度空气温度10:45685.8760.1357.9511:00703.9562.2459.8611:30735.9565.6263.0412:00728.9967.7364.7312:30723.4369.8466.8513:00703.9571.3268.7613:30666.3971.9569.1814:00628.8372.1669.81灰色屋顶时间总辐射表面温度空气温度10:45627.4354.6752.9511:00659.4358.715611:30663.6162.3158.212:00659.4365.560
12、.412:30639.9667.6262.213:00616.369.3263.413:30538.466.986314:00474.468.0462白色屋顶时间总辐射表面温度空气温度10:45627.4346.3446.5111:00659.4349.0654.1911:30663.6151.15612:00659.4353.1457.8112:30639.9654.7258.9413:00616.356.0859.1713:30538.453.8255.7814:00474.455.457.36屋顶漆成白色所占有的面积最大，即其反射率最大；漆成灰色所占图形面积适中，反射率较白色稍差；漆成黑
13、色占有面积最小，则说明黑色对太阳光的反射最差。从而得出屋顶漆的颜色与反射率有直接关系，即颜色越深反射率越低1。高温物体对周边环境辐射热量的能力要高于低温物体，而温度较高的屋顶向周边环境和室内辐射热能的能力也要明显高于温度较低的屋顶。屋顶温度的差异决定了室内温度及舒适度的不同，对周边环境热岛效应的加剧程度也不同。白色屋顶保证了相对低的室内温度，减少了能耗，提高了室内舒适度，缓解了局部微观环境的热岛效应。建议在不影响视觉效果及对周围建筑无不良影响的前提下，屋顶表面成白色涂层，并尽量使屋顶表面平整。从物理角度分析可知，白色物体是由于物体将照射的太阳光大部分反射回大气中，所以看到的为白色，因此白色物体
14、对太阳光的反射率最大；太阳光中包含有大量的热能，将太阳光反射的多，也即接收到的太阳光少，吸收的能量也少，辐射的能量相对也就很少，所以产生的热岛效应弱。相反，黑色屋顶将太阳光全部吸收掉，得到了阳光中所含热量的大部分，进而会向周围辐射热量，使周围温度升高，所以黑色物体的热岛效应剧烈。通过对比可知，白色屋顶能有效抑制热岛效应。再次我们定量的分析白色屋顶的好处。对于白色屋顶计划对节能减排和抑制全球变暖的作用变得很有价值。评估本文就白色屋顶对太阳热量的吸收量相对于灰色屋顶减少量以及实施后城市的用电量的减少量和二氧化碳的排放量的减少量等方面运用定量分析法来评估白屋顶计划对节能减排和抑制全球变暖的作用。首先
15、我们对二氧化碳造成温室效应的原因进行分析，主要是因为二氧化碳对由地面反射来的长波辐射吸收强度很大，二氧化碳气体吸收长波辐射造成了温度的升高。因此我们以一个城市为例研究对白屋顶的使用后对节能减排和抑制全球变暖的作用。以一个城市为例衡量白色屋顶对节能减排和抑制气候变暖的作用。施行白色屋顶计划与没用实行白色屋顶计划相比少吸收一部分热量，因为少吸收了这部分热量会使环境降低一定的温度，如果仅用空调去降低这部分热量话，会消耗电能，假设只用煤发电，那么就建立了白屋顶少吸收的热量与节约的电能之间的定量关系，而煤燃烧会释放二氧化碳，这就建立了白屋顶少吸收的热量与排放的二氧化碳之间的定量关系。节能减排假设城市的总面积为，白屋顶的总面积为，为白
