Imødegå klimaændringer med kølige fortove

Fortove er en rigelig byoverflade, dækker omkring 40 procent af amerikanske byer. Men udover at transportere trafik, de kan også afgive varme.

På grund af det, der kaldes den urbane varmeø-effekt, tæt bygget, uigennemtrængelige overflader som fortove kan absorbere solstråling og opvarme deres omgivelser ved at genudsende denne stråling som varme. Dette fænomen udgør en alvorlig trussel mod byerne. Det øger lufttemperaturerne med op til 7 grader Fahrenheit og bidrager til sundheds- og miljørisici - risici for, at klimaændringer vil forstørre.

Som svar, forskere ved MIT Concrete Sustainability Hub (MIT CSHub) studerer, hvordan en overflade, der normalt hæver byvarmeøer, i stedet kan mindske deres intensitet. Deres forskning fokuserer på "seje fortove, " som reflekterer mere solstråling og udsender mindre varme end konventionelle belægningsflader.

En nylig undersøgelse foretaget af et hold af nuværende og tidligere MIT CSHub-forskere i tidsskriftet for Miljøvidenskab og -teknologi skitserer seje fortove og deres implementering. Undersøgelsen viste, at de kunne sænke lufttemperaturerne i Boston og Phoenix med op til 1,7 grader Celsius (3 grader F) og 2,1 grader C (3,7 grader F), henholdsvis. De vil også reducere drivhusgasemissionerne, reducere de samlede emissioner med op til 3 procent i Boston og 6 procent i Phoenix. For at opnå disse besparelser, imidlertid, kræver, at kølige belægningsstrategier vælges i henhold til klimaet, Trafik, og bygningskonfigurationer af hvert kvarter.

Byer som Los Angeles og Phoenix har allerede udført betydelige eksperimenter med seje fortove, men teknologien er stadig ikke bredt implementeret. CSHub -teamet håber, at deres forskning kan guide fremtidige seje belægningsprojekter for at hjælpe byer med at klare et forandret klima.

Ridser overfladen

Det er velkendt, at mørkere overflader bliver varmere i sollys end lysere. Klimaforskere bruger en metrik kaldet "albedo" til at hjælpe med at beskrive dette fænomen.

"Albedo er et mål for overfladereflektivitet, " forklarer Hessam AzariJafari, papirets hovedforfatter og en postdoc ved MIT CSHub. "Overflader med lav albedo absorberer mere lys og har tendens til at være mørkere, mens overflader med høj albedo er lysere og reflekterer mere lys."

Albedo er central for kølige fortove. Typiske belægningsflader, som konventionel asfalt, har en lav albedo og absorberer mere stråling og udsender mere varme. Fede fortove, imidlertid, har lysere materialer, der reflekterer mere end tre gange så meget stråling og, følgelig, genudsende langt mindre varme.

"Vi kan bygge fede fortove på mange forskellige måder, " siger Randolph Kirchain, en forsker i Materials Science Laboratory og meddirektør for Concrete Sustainability Hub. "Lysere materialer som beton og lysere tilslag giver højere albedo, mens eksisterende asfaltbelægninger kan gøres 'afkølede' gennem reflekterende belægninger."

CSHub-forskere overvejede disse flere muligheder i en undersøgelse af Boston og Phoenix. Deres analyse betragtede forskellige resultater, når de var konkrete, reflekterende asfalt, og reflekterende beton erstattede konventionelle asfaltbelægninger – som udgør mere end 95 procent af belægningerne på verdensplan.

Situationsbevidsthed

For en omfattende forståelse af de miljømæssige fordele ved kølige fortove i Boston og Phoenix, forskere måtte se ud over blot belægningsmaterialer. Det skyldes, at ud over at sænke lufttemperaturerne, kølige fortove har direkte og indirekte påvirkninger på klimaændringer.

"Den ene direkte påvirkning er strålende tvang, " bemærker AzariJafari. "Ved at reflektere stråling tilbage i atmosfæren, kølige fortove udøver en strålingskraft, hvilket betyder, at de ændrer Jordens energibalance ved at sende mere energi ud af atmosfæren - svarende til de polare iskapper."

Cool fortove udøver også komplekse, indirekte klimaændringer påvirker ved at ændre energiforbruget i tilstødende bygninger.

"På den ene side, ved at sænke temperaturen, kølige belægninger kan reducere behovet for AC [klimaanlæg] om sommeren og samtidig øge varmebehovet om vinteren, " siger AzariJafari. "Omvendt, ved at reflektere lys - kaldet indfaldende stråling - på bygninger i nærheden, kølige fortove kan varme strukturer op, som kan øge AC-forbruget om sommeren og sænke varmebehovet om vinteren."

Hvad mere er, albedo-effekter er kun en del af de overordnede livscykluspåvirkninger af en kølig belægning. Faktisk, påvirkninger fra byggeri og materialeudvinding (tilsammen benævnt indbyggede påvirkninger) og brugen af ​​belægningen dominerer begge livscyklussen. Den primære brugsfasepåvirkning af en fortov – bortset fra albedo-effekter – er overskydende brændstofforbrug:Fortove med glatte overflader og stive strukturer forårsager mindre overskydende brændstofforbrug i de køretøjer, der kører på dem.

Vurdering af klimaændringsvirkningerne af kølige fortove, derefter, er en indviklet proces - en, der involverer mange afvejninger. I deres undersøgelse, forskerne søgte at analysere og måle dem.

En fuld refleksion

For at bestemme den ideelle implementering af seje fortove i Boston og Phoenix, forskere undersøgte livscyklusvirkninger ved at skifte fra konventionelle asfaltbelægninger til tre fede belægningsmuligheder:reflekterende asfalt, beton, og reflekterende beton.

At gøre dette, de brugte koblede fysiske simuleringer til at modellere bygninger i tusinder af hypotetiske kvarterer. Ved at bruge disse data, de trænede derefter en neural netværksmodel til at forudsige påvirkninger baseret på bygnings- og nabolagskarakteristika. Med dette værktøj på plads, det var muligt at estimere virkningen af ​​kølige fortove for hver af de tusindvis af veje og hundredtusindvis af bygninger i Boston og Phoenix.

Ud over albedo -effekter, de så også på de indbyggede påvirkninger for alle belægningstyper og virkningen af ​​belægningstypen på køretøjets overskydende brændstofforbrug på grund af overfladekvaliteter, stivhed, og forringelseshastighed.

Efter vurdering af livscykluspåvirkninger af hver kølig belægningstype, forskerne beregnede hvilket materiale - konventionel asfalt, reflekterende asfalt, beton, og reflekterende beton - gavnede hvert kvarter mest. De fandt ud af, at selvom kølige fortove var fordelagtige i Boston og Phoenix generelt, de ideelle materialer varierede meget inden for og mellem begge byer.

"En fordel, der var universel på tværs af nabolagstype og belægningsmateriale, var virkningen af ​​strålende tvang, " bemærker AzariJafari. "Dette var især tilfældet i områder med kortere, mindre tætte bygninger, hvor virkningen var mest udtalt."

I modsætning til strålingskraft, imidlertid, ændringer i bygningens energibehov var forskellig fra sted til sted. I Boston, kølige fortove reducerede energibehovet lige så ofte, som de øgede det i alle kvarterer. I Phoenix, kølige fortove havde en negativ indvirkning på energibehovet i de fleste folketællingsområder på grund af indfaldende stråling. Når der tages højde for strålingskraft, selvom, kølige fortove havde i sidste ende en nettofordel.

Først efter at have overvejet legemlige emissioner og påvirkninger på brændstofforbruget manifesterede den ideelle belægningstype sig for hvert kvarter. Når man engang har taget højde for usikkerhed over livscyklussen, forskere fandt, at reflekterende betonbelægninger havde de bedste resultater, viser sig at være optimal i 53 procent og 73 procent af kvartererne i Boston og Phoenix, henholdsvis.

Endnu engang, usikkerheder og variationer blev identificeret. I Boston, at erstatte konventionelle asfaltbelægninger med en cool mulighed har altid været foretrukket, mens i Phoenix betonbelægninger - reflekterende eller ej - havde bedre resultater på grund af stivhed ved høje temperaturer, der minimerede køretøjets brændstofforbrug. Og på trods af betonens dominans i Phoenix, i 17 procent af sine kvarterer viste alle reflekterende belægningsmuligheder sig mere eller mindre som effektive, mens det i 1 procent af tilfældene konventionelle fortove var faktisk overlegne.

"Selvom de klimaændringspåvirkninger, vi undersøgte, har vist sig adskillige og ofte i modstrid med hinanden, vores konklusioner er utvetydige:kølige fortove kan tilbyde enorme klimaforandringer for begge byer, "siger Kirchain.

Forbedringerne til lufttemperaturerne ville være mærkbare:holdet fandt ud af, at kølige fortove ville sænke de højeste sommerlufttemperaturer i Boston med 1,7 grader C (3 grader F) og i Phoenix med 2,1 grader C (3,7 grader F). Reduktionerne af kuldioxidemissioner ville ligeledes være imponerende. Boston ville reducere sine kuldioxidemissioner med så meget som 3 procent over 50 år, mens reduktionerne i Phoenix ville nå op på 6 procent i samme periode.

Denne analyse er en af ​​de mest omfattende undersøgelser af kølige fortove til dato - men der er mere at undersøge. Ligesom med fortove, det er også muligt at justere bygningsalbedo, hvilket kan medføre ændringer i bygningers energibehov. Intensiv dekarbonisering af nettet og introduktionen af ​​kulstoffattige betonblandinger kan også ændre emissionerne fra kølige fortove.

Der er stadig masser af jord at dække for CSHub-holdet. Men ved at studere seje fortove, de har løftet en strålende klimaændringsløsning og åbnet muligheder for yderligere forskning og fremtidig afbødning.