《都市的夏天為什麼愈來愈熱?》:都市環境的散熱方式,就像一杯咖啡的散熱過程

  发布时间:2024-05-16 19:12:00   作者:玩站小弟   我要评论
文:林子平平衡:留在都市中的熱量有多少除非從都市的熱平衡來解釋,否則僅從單一面向來看都市熱島是毫無意義的。大型住宅開發案若規劃了大面積綠地雖有利於降溫,但大量住戶也將增加空調排熱;沿河岸的建築若加大棟 。

文:林子平

平衡:留在都市中的都市的夏都市的散熱量有多少

除非從都市的熱平衡來解釋,否則僅從單一面向來看都市熱島是天為毫無意義的。

大型住宅開發案若規劃了大面積綠地雖有利於降溫,什麼式像散熱但大量住戶也將增加空調排熱;沿河岸的愈來愈熱建築若加大棟距將有利於空氣對流,但堤外柏油停車場可能加熱了河面上吹來的環境涼風。本章將由都市熱平衡的熱方角度,將所有進入都市,杯咖以及返回天空的過程熱量整體說明,才能找出城市的都市的夏都市的散高溫病因,對症下藥。天為

一、什麼式像散熱從洗手槽的愈來愈熱蓄水理解都市熱平衡

探討都市熱平衡前要先界定探討範圍,也就是環境這個「都市系統」的邊界。水平範圍即是熱方要探討的都市區域,垂直範圍則由其地底下方的杯咖土壤,向上延伸到地面上方大概100到300公尺左右。在這個系統內包含了實體的部分,如自然的土壤、水域、植栽,以及人工的建築、鋪面、道路、交通工具。還包含虛體的部分,即大氣及室內空氣。

有些熱量會進入系統,有些會流出系統。如果把都市系統比喻成洗手槽(如圖5-1),淨輻射量(Q*)及人工發熱量(QF)就像水龍頭流出的水一樣,持續流入都市系統中,而顯熱傳遞(QH)及潛熱傳遞(QE)這兩種散熱方式就像排水口的功能,能將能量流出系統外,同時也需考量在都市周邊是否有其它水平對流熱變化(ΔQA),使熱量流入或流出系統。

把上述五種進出的能量相加減,就可得出系統中蓄積的熱量,稱為都市的蓄熱量(ΔQS)。當流入的熱量高於流出的熱量時,蓄熱量就為正值,就像水槽內累積的水位高度一樣,熱量會蓄積在系統中。這些熱量可能蓄積在系統內的實體及虛體中。但不論存在何處,均會直接或間接,或快或慢地讓都市的溫度提高。因此,當蓄熱量愈高時,代表都市熱島的潛在威脅較大。

5-1-sPhoto Credit: 商周出版提供

上述提到的淨輻射量,是指進入到都市系統內的輻射(含短波及長波)扣除離開系統的輻射後所得的淨值。淨輻射量愈大,代表有愈多的輻射熱量蓄積在系統中。而顯熱與潛熱的傳遞均與風及對流有密切的關係,依材料乾燥或溼潤的特性來採取散熱的方式(在本章第2節會詳細說明)。而人工發熱量是除了自然的輻射量外唯一進入系統的熱源,也是都市發展下人類生活、工作、移動等行為的必然結果重要特徵(詳見本章第3節)。

水平對流熱變化,是指這個都市系統可能鄰接一個較涼的綠地及水域,而流出熱量,使系統蓄熱量降低;但也可能鄰接一個更熱的工業區及市鎮,而流入熱量,使系統蓄熱量升高。善用水平對流熱變化將對於都市降溫有所幫助,例如上風處的綠帶將有助於下風處的市區降溫,我們將在第8章第3節中進一步說明。

二、乾燥及溼潤材料的散熱

你手裡拿著一個大型馬克杯,盛滿了剛煮好的咖啡,滾燙得難以入口,你仔細地觀察它是如何散熱降溫的(如圖5-2)。首先,咖啡將熱量傳導到馬克杯的內緣,杯子很薄,熱量很快地傳到馬克杯的外緣讓表面溫度升高,你的手觸碰到杯子表面溫度可能達到50℃,這比外界的空氣溫度高出甚多,因此空氣會透過對流方式將杯子外緣的熱量帶走。另外,咖啡是高溫的液體,你也會看到表面會有明顯的蒸發現象,大量的水氣從咖啡的表面徐徐上升,也同時把熱量帶走。你還會發現,當你用風扇吹拂馬克杯,或是嘴巴對著咖啡吹氣,都能讓咖啡加速降溫。

5-2Photo Credit: 商周出版提供
咖啡杯的散熱是都市散熱的縮影,包含了傳導、對流、及蒸發的熱傳遞現象。

這杯咖啡的散熱過程,非常類似都市環境中的散熱方式。都市中乾燥表面——如建築、人工鋪面的散熱,就像熱量從馬克杯外緣傳遞到空氣中;而都市中的溼潤表面——如綠地、水域的散熱,就像熱量直接由咖啡表面的水氣直接蒸發到空氣中;而都市中較高的風速,更是加快散熱的利器。以下就由都市中物質及材料乾燥或溼潤的特性,來描述都市如何散熱。

乾燥表面的緩慢熱釋放

當輻射熱被建築物的牆壁吸收,或是戶外空氣溫度較高,牆外側的表面溫度會逐漸升高,牆壁兩側的溫差會使熱量從高溫的牆外側傳遞到低溫的牆內側,使室內氣溫上升。這種靠著介質間接觸,將熱量由高溫處傳遞到低溫處的熱傳遞行為,稱為熱傳導,並用熱傳導係數來描述材料傳遞熱量的能力,你可以想像成是熱量在材料中移動的速度——材料的熱傳導係數愈高,代表熱在材料中移動時的阻礙愈小,熱會愈快速地傳遞到材料內部,蓄積更多熱量。

都市中人工製造的材料,例如混凝土、磚瓦、石材、瀝青、金屬等,通常有較高的熱傳導係數,而自然材料如木材、土壤、草的熱傳導係數則較低。

白天時建築物及地面持續吸收太陽熱量,並透過熱傳導的方式傳入材料內部,把大量的熱量蓄積在建築物的屋頂及牆壁、地表的道路及鋪面、自然的植栽或土壤。而在傍晚之後空氣溫度降低,但材料的溫度仍高,熱量會透過熱傳導的方式再傳出至材料表面。為了釋放這些熱量,除了以熱輻射方式放射到天空之外,也會以熱對流的方式——即利用材料和空氣之間的較大溫差,以及較高的風速,來進行較高效率的熱交換而釋放更多的熱量。

我們將上述這種結合了傳導及對流方式,在乾燥物質和空氣之間的熱交換方式,稱為顯熱傳遞。顯熱的熱量傳遞會直接顯現在溫度的變化,就像乾燥高溫的牆面或鋪面將熱量傳遞給空氣,會使氣溫升高,這個現象容易感知也顯而易見。然而,透過顯熱傳遞方式來散熱的效率不佳,最好的改善方式是增強風速並降低氣溫,可以更快將表面熱量傳遞到大氣以散熱。

溼潤表面的高效率散熱

顯熱所描述的是乾燥材料的熱傳遞,而在實際的地表環境中,會有湖泊、河川、水池等長時間蓄積水的區域,也有自然土壤、透水鋪面等多孔隙材料能在降雨後涵養雨水。這些溼潤的表面會有蒸發作用,讓液體轉變為氣體逸散出去。另外,植栽行光合作用時會有蒸散作用,從根部吸收土壤水分,經過植物組織然後轉變成水蒸氣,從葉子氣孔散失。上述這兩種應用水分蒸發或植栽蒸散的散熱方式,稱為潛熱傳遞,過程中液態水會轉變成水蒸氣,同時吸收大量周圍熱量。當環境的氣溫愈高、相對溼度愈低、風速愈大時,潛熱傳遞的效率愈好。

一個區域的潛熱占比愈高,散熱效果愈好


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