都市熱島效應改善措施相關技術

由於熱島效應現象形成之主要原因為都市地表過多人造鋪面，大多由低 反照率之材質所組成，其低反照率無法有效反射太陽輻射，而高吸收率之熱 物理性質反而吸收大量熱量，造成種種問題，故提升反照率為近年來之研究 改善重點。下圖 2. 3 為熱島效應改善措施。

熱島效應改善措施 Heat Island Mitigation Measures

涼植栽 Cool Tree

涼地景 Cool Landscape 涼表面

Cool Surface

涼鋪面 Cool Pavements

涼屋頂 Cool Roofs

涼水泥混凝土 Cool Cement Concrete

涼塗料 Cool Coating 涼瀝青混凝土

Cool Asphalt Concrete

其他涼建材 Cool Materials

圖 2. 3 熱島效應改善措施

近年來國際間已由早期的熱島效應理論研究，進展至著手實施各種改善 措施。目前可行的技術主要有「涼地景(Cool Landscape)」、「涼表面(Cool Surfaces)」與「涼植栽(Cool Tree)」。涼地景為整體區域之規劃範疇，可透 舖面(Cool Pavements)、涼屋頂(Cool Roofs)與綠屋頂(Green Roofs)三種技術。

涼鋪面與涼屋頂依材料種類又可分類為：涼水泥混凝土(Cool Cement

Concrete)、涼瀝青混凝土(Cool Asphalt Concrete)、涼塗料(Cool Coating)以及 其他涼建材(Cool Materials)等多種技術。[4]

「涼鋪面」技術主要應用三種材料性質以降低鋪面對熱島效應之增溫影 響，分別為：反照率、發射率與滲透性。(1)反照率：增加鋪面反照率，可減 少太陽輻射熱能之吸收，降低鋪面表面溫度，進而減少由地表對流進入鄰近 空氣之熱通量而降低氣溫。據美國 Lawrence Berkeley 國家實驗室之研究 (Heat Island Group, 2007)[47]，反照率每提高 0.1 則舖面溫度約可降低

4℃~5℃。(2)發射率：發射率用以衡量物體表面輻射熱能的速率，高發射率 物體其輻射熱能的速度較快，有利降低夜間之熱島效應。(3)滲透性：滲透性 (Permeability)或多孔性(Porosity)之鋪面結構可藉由水份之蒸發作用達到冷 卻降溫之效果。通常多孔性鋪面之對流傳導能力亦較佳，有利於降低鋪面表 面溫度。涼鋪面技術可應用在鋪面新建、重建或維護等各種情況(Cambridge Sysyematics, 2005; Houston Urban Heat Island Effect, 2007)[26,44]。

涼鋪面技術可分類為四種：

(1)高反照率瀝青混凝土鋪面：

傳統新鋪瀝青混凝土鋪面之反照率僅約 0.05，雖然一段時間使用後(約 3~5 年)，可逐漸提升至 0.15，與較理想之反照率 0.3~0.4 有一段差距，目前 主要改良技術有：(a)使用具有高反照率之淺色粒料(如石灰岩)，可提升反照 率至 0.3 左右。(b)使用碎石封層(Chip Seal)技術，可加速粒料顯現材質本色，

如使用淺色粒料則效果更佳，但碎石封層技術不適於高運量道路使用。(c) 使用脫色(淡色)瀝青配合淺色粒料之表層處理，可供停車場與低速車道使用。

(2)高反照率水泥混凝土鋪面：

新鋪之水泥混凝土鋪面具有較高之反照率約在 0.35~0.4，經使用後會逐 漸降低至 0.25~0.3，仍比傳統瀝青混凝土鋪面為高，因此適用於加鋪在瀝青 鋪面之表層，相關技術如下：(a)選用淺色骨材配合白水泥，可提升反照率至 0.6~0.7。(b)於瀝青混凝土鋪面加鋪水泥混凝土面層(Whitetopping)或超薄混 凝土面層(Extra-Thin Whitetopping)，均可有效提升瀝青鋪面之反照率。

國外高反照率水泥混凝土之研究中，Marceau(2007)等人研究指出，使用 淺色水泥和高爐水泥可將水泥混凝土反照率提高至 0.6 以上。 Levinson(2002) 等人指出水泥之反照率為影響水泥混凝土反照率之最主要條件，細骨材之影 響較小，粗骨材的部份在沒有磨損的情況下並不影響反照率，並指出使用白 水泥的混凝土反照率比使用傳統水泥還高出 0.18-0.39。Boriboonsomsin(2007) 研究中若鋪面反照率增加 70%則可以節省能源 44 % ，並減低 20-60%的溫 室效應氣體排放，並節省冷卻能源需求和改善都市空氣品質。American Concrete Pavement Association(美國混凝土鋪面協會)發表，眾多資料顯示白 水泥能提高反照率，進一步達到降溫效果，是在鋪面設計上一種有利之選擇 [18,19,25,35]。

(3)多孔性鋪面：

多孔性鋪面應用蒸發散作用以達到降溫機制，主要應用在停車場、自行 車道與步道等場合，包括：透水性瀝青鋪面、透水性混凝土鋪面、連鎖磚鋪 面、植草磚鋪面與各種開放性未封閉表層鋪面。

(4)高反照率塗料：

採用淺色塗料於鋪面表層可提升反照率。但太明亮的鋪面易造成視覺刺 激，不利於行車安全。因此目前朝向發展各種深色高反照率塗料(Dark Colored High Albedo Coating)，利用可見光範圍(400-700nm)之低反照率與近 紅外光之高反照率特質(如下圖 2.4)，可有效提升整體之反照率並改善過於 明亮刺眼之問題[4]。

2.2.1.1 涼屋頂

「涼屋頂」技術分為提高表面反射率與屋頂隔熱技術。由於以目前建築 屋頂隔熱技術來說已經相當成熟，提高屋頂反照率可同時降低室內外溫度要 比增加隔熱效率來得有效，因此屋頂材料反照率之改善成了主要探討之課 題。通常較淺的顏色反照率較高，較深的顏色反照率較低。建築設計必須有 不同顏色的需求，尤其是斜屋頂需考慮美觀條件，因此許多研究學者開始朝 非可見光區域之高反照率的塗料研究，如此便可兼顧設計需求與提高反照率

圖 2.4 特殊深色塗料之反照率與波長關係[4]

兩方面。涼屋頂能提供緩和都市熱島效應、降低煙霧效應、有助公共健康、

降低尖峰用電量等益處。

國外已有各式的涼屋頂建材開始研發製作，並且透過上述類似之機構與 組織發展檢驗標準來認證，因此涼技術的發展有待國內產業界與學術界的研 究與投入。目前已有數個相關單位與組織，制定反照率與輻射率相關之涼屋 頂標準，其相關內容(如表 2. 1)[7,30]：

能源之星(Energy Star^○R

ASHRAE 90.1 標準：美國冷凍空調學會(ASHRAE) 90.1 標準，涼屋頂之 初始反照率必須大於 0.70，輻射率必須大於 0.75。

)：美國環保署能源之星標章要求，低斜屋頂材料 之反照率需大於 65%，三年老化後之反照率應大於 50%；而陡斜屋頂(斜率 大於 1:6)之反照率需大於 25%，而三年老化後亦應大於 15%。

ASHRAE 90.2 標準：美國冷凍空調學會(ASHRAE) 90.2 標準採用太陽反 射指數(SRI)規範涼屋頂，SRI 需大於 75 方符合涼屋頂之要求。

涼屋頂評等協會(Cool Roof Rating Council)：加州成立的涼屋頂組織規 定，新建的低斜屋頂反射率為 65%以上，輻射率 0.8 以上，或以 ASTM 1980 標準之 SRI 值最小應達 75%。而陡斜屋頂為 40%以上，輻射率 0.8 以上或 ASTM 1980 標準之 SRI 值最小應達 41%。

美國 LEED 綠建築評估系統：其規定最小應有 75%的屋頂面積為涼屋 頂，SRI 值對於低斜屋頂應大於 78；陡斜屋頂應大於 29。設置「綠色屋頂」

至少一半以上的屋頂面積。

表 2. 1 涼屋頂相關規範彙整表[7]

2.2.2 熱島改善之效益分析

2.2.2.1 改善都市熱島之降溫效益

在提升反照率對都市熱島之降溫效益方面，鋪面(或屋頂)反照率提升對 都市氣溫降溫之貢獻，可應用 Pomerantz 等人(2000)所導證之公式加以評估 [38]：

(

)

(

)

×

=

∆T_a T_a A /A _{L H} / (2)

上式中，

△Ta：提升反照率後氣溫降低量 Ta：日夜溫差(Ta =TaM－Tam) TaM：全日最高氣溫

Tam：全日最低氣溫

A′/A：改善鋪面(或屋頂)比率 A′：改善鋪面(或屋頂)之面積 A：都市總面積

αL：改善後鋪面(或屋頂)吸收率 αH：改善前鋪面(或屋頂)吸收率 <α>：都市地表平均吸收率

Taha(1997)[45]以三維數值模式模擬美國加州地區提升鋪面反照率之降 溫效益，改善前鋪面吸收率 αH = 0.9，改善後鋪面吸收率 αL = 0.65，亦即 鋪面反照率提升 0.25，實施鋪面改善之面積佔都市總面積比率A′/A = 0.125，結果顯示氣溫降低量為 0.61°C(Rosenfeld et al., 1998)。模擬地區夏季

日夜最大溫差 Ta = 14°C，都市地表平均吸收率<α> = 0.8，以上述同樣數據 應用公式(1)計算結果得△Ta = 0.55°C，與三維數值模擬結果頗為接近，兩者 誤差僅約 10%，因此可應用公式(1)作為簡易快速之評估公式(Pomerantz et al., 2000)[38]。

美國都市地區土地使用情況，鋪面覆蓋率約佔 37%、屋頂約佔 22%，綠 地約佔 29%、其他為 12%(Cambridge Systematics, 2005)[26]。假設夏季日夜 最大溫差 Ta = 14°C，地表平均吸收率<α> = 0.8，依 Akbari 等人(2008)之研 究，以現有之涼鋪面技術，鋪面反照率可由目前平均約 0.1 提升至 0.25，屋 頂反照率由目前平均約 0.2 提升至 0.45，應用公式(1)計算，涼鋪面之改善降 溫效益△Ta = 0.97°C，涼屋頂之改善降溫效益△Ta = 0.96°C，兩者之效益相 當[16]。

Rosenfeld 等人[15]模擬洛杉磯區域熱島現象之研究顯示，如將鋪面反照 率提升 0.25，屋頂反照率提升 0.35，並配合涼植栽，夏日平均氣溫可降低約 3℃，大概能省下 10%的空調用電，換算成電價來計算每年約可以節省 10 億美元的電費，如再將因降低光化學煙霧與臭氧濃度以及室外氣溫之降溫效 果等間接效益加以計算，則其總效益約達 20 億美元，下表 2. 6 為各地區涼 表面效益分析[15]。

表 2. 2 涼表面技術提升效益[15]

地點 方式 能源節省 文獻來源

Sacramento,

California 可移動式教室 冷卻節能 46％，峰

值功率節省 20％ Akbari et al. (1997) California 使用白色塗料，將屋頂

反照率提升至 0.7

能源節約

31-39 W-hr/m²/day Akbari (2003)

Florida 反射塗料屋頂 住宅節能 19% Parker et al. (1998)

Sacramento 高反照率屋頂

辦公室、博物館、

安養院分別節省能 源 17%、26%、39%

Hildebrandt et al. (1998)

Georgia 鍍鋅屋頂塗上白色

丙烯酸 節約能源 28% Akridge (1998) Mississippi 使用高反照塗層 節約能源 22% Boutwell and Salinas

(1986)

從 Akbari [39]的研究中可以看出以洛杉磯為例，如果改善都市熱島效應 而降溫 3℃ ，其中涼植栽降溫 1.5℃、涼屋頂降溫 0.87℃、涼鋪面降物 0.63

℃，所產生之效益如下表 2. 7[39]：

表 2. 3 改善都市熱島效應所產生之效益評估[39]

效益評估 熱島效應改善方法

涼屋頂 涼鋪面 涼植栽 合計 直接效益

涼屋頂及植栽所節約之能源(百萬美金/年) 46 0 58 104

尖峰發電(GW) 0.4 0 0.6 1

間接效益

降溫 3℃ 所節省之能源(百萬美金/年) 21 15 35 71 尖峰發電(百萬美金/年) 0.2 0.1 0.3 0.6 光化學煙霧影響

減量 12%之臭氧(百萬美金/年) 104 76 180 360 總合

上述所有的效益(百萬美金/年) 171 91 273 535 降低總尖峰發電(GW) 0.6 0.1 0.8 1.6

以前述之公式(2)，配合台灣四大都市台北市、台中市、台南市和高雄市

1.50°C~1.64°C，平均為 1.56°C。由上述結果顯示，台灣都市地區採用涼表 面技術(即涼鋪面加涼屋頂)，大約可降低熱島效應 1.56°C，而涼屋頂之降溫 效果較佳，約為涼鋪面降溫效果之 3 倍。如再加上涼植栽技術，其降溫效果 估計為涼表面技術之二分之ㄧ，亦即可降溫 0.78°C，則總降溫效果可達 2.34°C。涼鋪面、涼植栽與涼屋頂之降溫效果恰好成 1:2:3 之比率[9]。

透過回顧國內外的研究，可以瞭解都市熱島效應主要發生的原因，在於 都市化的過程中增加了許多的鋪面與屋頂，這些鋪面與屋頂皆為易於吸收太 陽輻射熱的材質，在吸收熱能後再慢慢釋放到空氣中使得都市氣溫升高。而 都市中也發現有溫度較低的區域，這些區域大多是綠地與水域空間，這再一

透過回顧國內外的研究，可以瞭解都市熱島效應主要發生的原因，在於 都市化的過程中增加了許多的鋪面與屋頂，這些鋪面與屋頂皆為易於吸收太 陽輻射熱的材質，在吸收熱能後再慢慢釋放到空氣中使得都市氣溫升高。而 都市中也發現有溫度較低的區域，這些區域大多是綠地與水域空間，這再一