Bestratingen zijn een overvloedig stedelijk oppervlak, die ongeveer 40 procent van de Amerikaanse steden bestrijken. Maar naast het vervoer van ze kunnen ook warmte afgeven.

Vanwege wat het stedelijk hitte-eilandeffect wordt genoemd, dicht gebouwd, ondoordringbare oppervlakken zoals trottoirs kunnen zonnestraling absorberen en hun omgeving opwarmen door die straling opnieuw uit te zenden als warmte. Dit fenomeen vormt een ernstige bedreiging voor steden. Het verhoogt de luchttemperatuur met maar liefst 7 graden Fahrenheit en draagt ​​bij aan gezondheids- en milieurisico's - risico's die de klimaatverandering zal vergroten.

In antwoord, onderzoekers van de MIT Concrete Sustainability Hub (MIT CSHub) bestuderen hoe een oppervlak dat gewoonlijk stedelijke hitte-eilanden verhoogt, in plaats daarvan hun intensiteit kan verminderen. Hun onderzoek richt zich op "koele stoepen, " die meer zonnestraling reflecteren en minder warmte afgeven dan conventionele bestratingen.

Een recente studie door een team van huidige en voormalige MIT CSHub-onderzoekers in het tijdschrift van Milieuwetenschap en -technologie schetst coole trottoirs en hun uitvoering. Uit het onderzoek bleek dat ze de luchttemperaturen in Boston en Phoenix tot 1,7 graden Celsius (3 graden F) en 2,1 graden C (3,7 graden F) konden verlagen. respectievelijk. Ze zouden ook de uitstoot van broeikasgassen verminderen, het verminderen van de totale uitstoot met maximaal 3 procent in Boston en 6 procent in Phoenix. Door deze besparingen te realiseren, echter, vereist dat strategieën voor koele bestrating worden gekozen op basis van het klimaat, verkeer, en gebouwconfiguraties van elke buurt.

Steden als Los Angeles en Phoenix hebben al flink geëxperimenteerd met koele trottoirs, maar de technologie wordt nog steeds niet op grote schaal toegepast. Het CSHub-team hoopt dat hun onderzoek toekomstige coole bestratingsprojecten kan begeleiden om steden te helpen omgaan met een veranderend klimaat.

Krassen op het oppervlak

Het is bekend dat donkere oppervlakken heter worden in zonlicht dan lichtere. Klimaatwetenschappers gebruiken een metriek genaamd "albedo" om dit fenomeen te helpen beschrijven.

"Albedo is een maat voor oppervlaktereflectiviteit, " legt Hessam AzariJafari uit, de hoofdauteur van het artikel en een postdoc aan de MIT CSHub. "Oppervlakken met een laag albedo absorberen meer licht en zijn meestal donkerder, terwijl oppervlakken met een hoog albedo helderder zijn en meer licht reflecteren."

Albedo staat centraal bij het koelen van trottoirs. Typische bestratingsoppervlakken, zoals conventioneel asfalt, een laag albedo hebben en meer straling absorberen en meer warmte afgeven. Koele trottoirs, echter, hebben helderdere materialen die meer dan drie keer zoveel straling reflecteren en, bijgevolg, opnieuw veel minder warmte afgeven.

"We kunnen op veel verschillende manieren coole stoepen bouwen, " zegt Randolph Kirchain, een onderzoeker in het Materials Science Laboratory en mededirecteur van de Concrete Sustainability Hub. "Heldere materialen zoals beton en lichter gekleurde aggregaten bieden een hoger albedo, terwijl bestaande asfaltverhardingen 'cool' kunnen worden gemaakt door middel van reflecterende coatings."

CSHub-onderzoekers hebben deze verschillende opties overwogen in een studie van Boston en Phoenix. Hun analyse hield rekening met verschillende uitkomsten als ze concreet, reflecterend asfalt, en reflecterend beton verving conventionele asfaltverhardingen, die wereldwijd meer dan 95 procent van het wegdek uitmaken.

Omgevingsbewustzijn

Voor een uitgebreid begrip van de milieuvoordelen van koele trottoirs in Boston en Phoenix, onderzoekers moesten verder kijken dan alleen bestratingsmaterialen. Dat komt omdat naast het verlagen van de luchttemperatuur, koele trottoirs hebben directe en indirecte effecten op klimaatverandering.

"De enige directe impact is stralingsforcering, " merkt AzariJafari op. "Door straling terug in de atmosfeer te reflecteren, koele trottoirs oefenen een stralingsforcering uit, wat betekent dat ze de energiebalans van de aarde veranderen door meer energie uit de atmosfeer te sturen - vergelijkbaar met de poolijskappen."

Koele trottoirs oefenen ook complexe, indirecte effecten van klimaatverandering door verandering van het energieverbruik in aangrenzende gebouwen.

"Aan de ene kant, door de temperatuur te verlagen, koele trottoirs kunnen de behoefte aan airconditioning [airconditioning] in de zomer verminderen, terwijl de vraag naar verwarming in de winter toeneemt, ", zegt AzariJafari. "Omgekeerd, door licht - invallende straling genoemd - te reflecteren op nabijgelegen gebouwen, koele trottoirs kunnen constructies opwarmen, wat het AC-verbruik in de zomer kan verhogen en de vraag naar verwarming in de winter kan verlagen."

Bovendien, albedo-effecten zijn slechts een deel van de totale levenscycluseffecten van een koele bestrating. In feite, effecten van constructie en materiaalwinning (samen aangeduid als embodied impacts) en het gebruik van de verharding domineren beide de levenscyclus. De primaire impact van een trottoir in de gebruiksfase – afgezien van albedo-effecten – is een overmatig brandstofverbruik:trottoirs met gladde oppervlakken en stijve constructies veroorzaken minder overmatig brandstofverbruik in de voertuigen die erop rijden.

Het beoordelen van de klimaatveranderingseffecten van koele trottoirs, dan, is een ingewikkeld proces - een proces waarbij veel afwegingen zijn gemaakt. In hun studie hebben de onderzoekers probeerden ze te analyseren en te meten.

Een volledige reflectie

Om de ideale uitvoering van koele trottoirs in Boston en Phoenix te bepalen, onderzoekers onderzochten de levenscycluseffecten van het overschakelen van conventionele asfaltverhardingen naar drie koele verhardingsopties:reflecterend asfalt, beton, en reflecterend beton.

Om dit te doen, ze gebruikten gekoppelde fysieke simulaties om gebouwen in duizenden hypothetische buurten te modelleren. Met behulp van deze gegevens, vervolgens trainden ze een neuraal netwerkmodel om effecten te voorspellen op basis van gebouw- en buurtkenmerken. Met dit hulpmiddel op zijn plaats, het was mogelijk om de impact van koele trottoirs voor elk van de duizenden wegen en honderdduizenden gebouwen in Boston en Phoenix in te schatten.

Naast albedo-effecten, ze keken ook naar de belichaamde effecten voor alle soorten wegdek en het effect van het wegdek op het overmatige brandstofverbruik van voertuigen als gevolg van oppervlaktekwaliteiten, stijfheid, en verslechteringspercentage.

Na beoordeling van de levenscycluseffecten van elk type koel wegdek, berekenden de onderzoekers welk materiaal – conventioneel asfalt, reflecterend asfalt, beton, en reflecterend beton - profiteerde het meest van elke buurt. Ze ontdekten dat, hoewel koele trottoirs voordelig waren in Boston en Phoenix in het algemeen, de ideale materialen varieerden sterk binnen en tussen beide steden.

"Een voordeel dat universeel was voor alle buurttypes en bestratingsmateriaal, was de impact van stralingsforcering, " merkt AzariJafari op. "Dit was vooral het geval in gebieden met kortere, minder dichte gebouwen, waar het effect het meest uitgesproken was."

In tegenstelling tot stralingsforcering, echter, veranderingen in de energievraag van gebouwen verschilden per locatie. in Boston, koele trottoirs zorgden in alle buurten voor een vermindering van de energievraag, net zo vaak als voor een toename ervan. In Feniks, koele trottoirs hadden een negatief effect op de energievraag in de meeste volkstellingen als gevolg van invallende straling. Wanneer rekening wordt gehouden met stralingsforcering, Hoewel, koele trottoirs hadden uiteindelijk een netto voordeel.

Pas na overweging van de emissies en de effecten op het brandstofverbruik kwam het ideale type bestrating voor elke buurt tot uiting. Als we eenmaal rekening houden met onzekerheid over de levenscyclus, onderzoekers ontdekten dat reflecterende betonverhardingen de beste resultaten hadden, optimaal blijkt te zijn in 53 procent en 73 procent van de buurten in Boston en Phoenix, respectievelijk.

Alweer, onzekerheden en variaties werden geïdentificeerd. in Boston, conventionele asfaltverhardingen vervangen door een coole optie had altijd de voorkeur, terwijl in Phoenix betonverhardingen - reflecterend of niet - betere resultaten hadden vanwege de stijfheid bij hoge temperaturen die het brandstofverbruik van het voertuig tot een minimum beperkten. En ondanks de dominantie van beton in Phoenix, in 17 procent van de buurten bleken alle reflecterende verhardingen min of meer even effectief, terwijl in 1 procent van de gevallen, conventionele trottoirs waren eigenlijk superieur.

"Hoewel de effecten van klimaatverandering die we hebben bestudeerd talrijk zijn gebleken en vaak op gespannen voet staan, onze conclusies zijn ondubbelzinnig:koele trottoirs kunnen enorme voordelen bieden voor de beperking van de klimaatverandering voor beide steden, ', zegt Kirchain.

De verbeteringen in de luchttemperaturen zouden merkbaar zijn:het team ontdekte dat koele trottoirs de piektemperaturen in de zomerlucht in Boston met 1,7 graden C (3 graden F) en in Phoenix met 2,1 graden C (3,7 graden F) zouden verlagen. De vermindering van de CO2-uitstoot zou eveneens indrukwekkend zijn. Boston zou zijn uitstoot van kooldioxide in 50 jaar met maar liefst 3 procent verminderen, terwijl de reducties in Phoenix in dezelfde periode 6 procent zouden bedragen.

Deze analyse is een van de meest uitgebreide onderzoeken naar koele trottoirs tot nu toe, maar er valt nog meer te onderzoeken. Net als bij trottoirs, het is ook mogelijk om bouwalbedo aan te passen, die kunnen leiden tot veranderingen in de energievraag van gebouwen. Intensieve decarbonisatie van het net en de introductie van koolstofarme betonmengsels kunnen ook de emissies die worden gegenereerd door koele trottoirs veranderen.

Er is nog veel te doen voor het CSHub-team. Maar door koele trottoirs te bestuderen, ze hebben een briljante oplossing voor klimaatverandering naar voren gebracht en wegen geopend voor verder onderzoek en toekomstige mitigatie.