城市陷入了恶性循环。

特定城市区域的地表会吸收热量,而这些热量会导致城市居民使用更多的空调、水和其他资源,这反过来又需要更多的来自发电厂和水处理设施的资源。

匹兹堡大学(University of Pittsburgh)博士后助理苏索布汉·森(Sushobhan Sen)说,有必要打破这种能源密集型循环。

森和匹兹堡大学斯旺森工程学院的研究人员一起,使用计算流体动力学模型来寻找应用反射而不是吸收热量的新材料的最佳位置。

如何冷却表面

有几种方法可以冷却表面。匹兹堡大学的研究只专注于一种方法:让表面反光。

通常情况下,城市表面只能阻挡10%到20%的阳光;其余的被吸收,提高了表面和周围空气的温度。另一方面,反射表面可以阻挡50%或更多的阳光,显著降低温度。

你可以撕掉一种材料,用更轻的东西来增加表面的反射性——例如,沥青路面可以用混凝土代替,或者用商业上可用的反射涂层覆盖。

虽然这种“灰色基础设施”降低了空气温度,但改变道路是昂贵的,耗时的,并需要业主的购买。

团队的纸,发表在《自然通讯》杂志上,研究了在一个城市中,仅将较冷的表面应用于一半表面的可能性。

森说,这就是研究开始的地方:认识到城市在适应气候变化和减少热污染方面的可用资源有限。

“如果修改每个表面的理想解决方案太困难,那么有没有不那么理想的方法,比如修改一小部分表面,来降低空气温度,其中有没有最好的方法?”森告诉yabovip16.com

一个理想的解决方案是利用风能。

森的研究揭穿普遍了解城市降温策略:表面附近的城市边缘,沿着风的方向,需要反射面不到内心的部分城市,体验更高的温度,因为空气吹到他们已经加热的外表面。

“我的研究表明,这实际上是一个糟糕的策略,最佳策略是修改城市边缘的表面,在空气升温之前先发制人地冷却空气,”Sen说yabovip16.com科技简报。”通过这种方式,相对较冷的空气吹入城市的内部(所以不需要冷却太多),城市的整体冷却程度更高,即使只是表面的一小部分被修改。”

由冷表面组成的“屏障”会预先冷却热空气,而热空气又会以较低的成本冷却城市的其他地方。

对冷却的理解

等组织全球酷城联盟连接世界各地的城市,分享能源效率的想法和冷却策略。洛杉矶等城市已经采取了灰色基础设施项目,比如资助一个大型反光人行道项目。纽约市也推出了类似的项目,将反射涂层应用到屋顶上。

森说,虽然这些项目是一个良好的开端,但还不够yabovip16.com

“这种方法仍然非常随意,几乎没有考虑到谁是受城市高温影响最大的人,以及使用的解决方案是否对他们有好处,”参议员说。

换句话说,公平在很大程度上仍然缺失,他说,许多项目可能只会变成昂贵的示威,而不是创造广泛的公共利益。森说,许多发展中国家正在建设未经规划的、基于不同世纪的增长模式的城市yabovip16.com

“也需要创造性地思考解决这些地方的办法,”麦凯恩说。

森的新研究为城市规划者和土木工程师提供了一种利用有限资源建立弹性和可持续基础设施的额外方法。

这篇论文题为《反光表面的有限应用可以减轻城市热污染》(DOI:10.1038 / s41467 - 021 - 23634 - 7)由森和合著者Lev Khazanovich合著。这篇论文是最近的特色发表在《自然通讯》编辑部关于气候变化影响的重点页面。

在采访中yabovip16.com下面,森解释了更多关于这种战略方法的内容,以及它实际上是如何有点像阻止野火的。

yabovip16.com你提到了“策略性地”选择表面的重要性。选择表面进行修改/冷却的标准是什么?哪些表面应该保持不变?

Sushobhan森这个解决方案的一个简单方法是把它比作扑灭野火。通常情况下,当你的资源有限时,你需要先发制人地阻止火势蔓延,而不是在火势蔓延时追逐它。城市热也一样:不要只关注城市中非常热的部分,检查热量从哪里来,然后把它切断。这是你如何策略性地选择表面并优化使用有限资源的方法。

yabovip16.com您的CFD模型如何寻找这些标准?

Sushobhan森使用这一标准的关键方法是了解风在城市中的分布情况。在乡村,你没有高楼大厦或快速变化的表面,风在某种程度上更容易预测。但是在一个城市里,不同的地表特征和湍流的结合会让事情变得更加复杂。事实上,湍流流动是物理学和工程学中最大的挑战之一,所以这个问题是很常见的。

CFD模型,虽然远非完美,是一个很好的和实用的方法。该方法并没有完全计算所有地方的风速和风向,精确到微米级,而是使用了一种名为雷诺平均Navier-Stokes或RANS模型的平均技术,来评估城市中某一点几米范围内的平均温度。这通常就足够了,因为居住在城市里的人对周围几米的空气也很敏感,而不仅仅是他们所在位置的空气。

因此,CFD模型为城市的风速和风向创建了一个近似但可解的解决方案,从那里可以评估利用风携带较冷空气从而减轻热污染的不同方法。这项研究就是这样做的:一旦我开发并验证了CFD模型,我冷却了城市的一个地方的空气,打开模型,让它告诉我凉爽的空气是如何传播的。我这样做是为了一个简单的,原型的城市社区来证明这一点,但它可以被放大到更大更复杂的城市使用完全相同的原则,因为基本的CFD模型保持不变。

yabovip16.com:为什么有策略地放置反射表面如此重要?

Sushobhan森:策略性地选择反光表面的主要动机是认识到(或放弃)这样一个事实:每个城市的每个部分都没有足够的资金和资源来适应气候变化。最重要的是,稀缺资源如何使用存在不公平;不出所料,社会经济条件较差的社区往往吃亏。这项研究表明,与其随意使用方便(或有利)的反光表面,还不如有策略地使用它们,从而使整个城市的利益最大化。这既是一个科学严谨的问题,也是一个公平的问题。

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