人體熱舒適性在城市規(guī)劃領(lǐng)域的研究綜述

李 華

(西南交通大學(xué)建筑學(xué)院，四川成都610031)

人體熱舒適性是根據(jù)人體與環(huán)境之間的熱交換而制定出的生物氣象指標(biāo)，最早應(yīng)用于建筑科學(xué)領(lǐng)域，隨后在地球?qū)W、氣候與空調(diào)方面進(jìn)行了廣泛的運(yùn)用，其目的是為了評價(jià)不同氣候條件下人的舒適感受。

早在20世紀(jì)20年代歐美國家就展開了對人體熱舒適性的研究，并在20世紀(jì)60～70年代得到了迅速發(fā)展。而國內(nèi)開展相應(yīng)的研究較晚且緩慢，在20世紀(jì)80年代還處于定性描述的階段，而從20世紀(jì)90年代開始快速發(fā)展?？傮w上對人體舒適性的研究經(jīng)歷了兩個階段：第一階段主要是以定性描述或是采用經(jīng)驗(yàn)公式的定量討論，第二階段則主要借助于計(jì)算機(jī)軟件進(jìn)行各種模擬實(shí)驗(yàn)以及大范圍的現(xiàn)場測試，并開始提出各種熱感覺的評價(jià)方法[1]。

1 人體熱舒適性的影響因素

目前學(xué)界對人體舒適性的影響因素已形成統(tǒng)一的認(rèn)識，主要包括兩大類，一類是環(huán)境因素，另一類人體因素。環(huán)境因素主要涉及空氣溫度、平均輻射溫度、相對空氣流速及空氣濕度四個氣象要素；人體因素則包括服裝和活動水平兩個要素。當(dāng)然，除了以上兩類因素外，有研究表明：人體熱舒適性還受到其他因素的影響，包括心理因素、性別因素、地區(qū)因素等?？偟膩碇v，人體熱舒適性是一個多因素綜合影響的結(jié)果，但主要受環(huán)境因素的影響。本文也將從環(huán)境因素的四個要素來對人體熱舒適性進(jìn)行總結(jié)。

1.1 空氣溫度對人體熱舒適性的影響

空氣溫度是一種表示空氣冷熱程度的物理量，是影響人體熱舒適性最為重要的氣象要素。它主要是通過對流及輻射的顯熱交換方式對環(huán)境產(chǎn)生冷或熱的感覺來實(shí)現(xiàn)的，是一種直接的影響作用。正常情況下，人體產(chǎn)生熱感覺是因?yàn)榄h(huán)境溫度高于人體皮膚溫度，使得人體熱量的散失困難，并且溫度愈高，熱感覺就愈顯著；相反，就會產(chǎn)生冷的感覺。通常情況下人們根據(jù)溫?zé)岣惺芎蜕沓龊狗磻?yīng)程度將冷熱環(huán)境反應(yīng)分為7個等級(熱、較熱、暖、舒適、涼、較涼、冷)，并有大量的研究表明：人體最適宜的溫度夏季在18.0～23.4℃，而冬季適宜溫度在16.5℃。

1.2 平均輻射溫度對人體熱舒適性的影響

輻射溫度是人體與環(huán)境以輻射熱交換方式產(chǎn)生的溫度，平均輻射溫度就是指環(huán)境四周表面對人體產(chǎn)生輻射作用的平均溫度，它對人體熱舒適度的影響也是一種直接作用。

平均輻射溫度的高低取決于人體四周圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)表面的溫度以及與維護(hù)結(jié)構(gòu)表面間的相對位置關(guān)系，通常用黑球溫度計(jì)測。顯而易見的，現(xiàn)實(shí)條件下平均輻射溫度與空氣溫度都不總是均勻和相等的。例如冬季窗戶玻璃內(nèi)表面溫度要比內(nèi)墻壁表面溫度低很多，而人與窗戶的距離以及人體與窗戶的相對位置方向也會直接影響人體熱量的損失。

1.3 相對空氣流速對人體熱舒適性的影響

相對空氣流速即人們常講的風(fēng)速，它對人體熱舒適性的影響主要是通過影響溫度而間接產(chǎn)生作用的。

首先，風(fēng)通過促進(jìn)人體與空氣的熱量交換來影響人的熱代謝，從而對人體的舒適性產(chǎn)生影響。因此，在天熱時風(fēng)能夠帶給人舒適感，而天冷時則會加劇不舒適感。但當(dāng)風(fēng)速達(dá)到3.6 m/s以上時，水分蒸發(fā)量的增加也不再明顯。其次，風(fēng)速大小在一定范圍上會影響人的行為。再次，一定的風(fēng)速會對空氣質(zhì)量產(chǎn)生影響，影響人體的舒適性。如風(fēng)速較大時，會帶走地面的塵埃顆粒使空氣質(zhì)量和能見度下降，影響人的呼吸、視覺和精神舒適度感覺。甚至大風(fēng)與物體相互摩擦?xí)r產(chǎn)生的低頻噪聲，也會對人體產(chǎn)生不舒適感。有研究表明，人體最適合的風(fēng)速為2m/s[2]。

1.4 空氣相對濕度對人體熱舒適性的影響

空氣相對濕度即空氣中水汽壓與飽和水汽壓的百分比。它主要通過以下兩個方面對人體舒適性產(chǎn)生影響：

首先是對人體熱平衡的影響。人體的熱平衡主要是通過新陳代謝的熱量、機(jī)械功的熱當(dāng)量、蒸發(fā)散熱量、輻射散熱量以及對流散熱量綜合決定的。而濕度則是決定蒸發(fā)散熱量大小的決定因素。其次是對人體皮膚舒適度的影響。皮膚外表向角質(zhì)層中的鱗狀細(xì)胞可以吸收并散失水分，當(dāng)皮膚濕潤時這些細(xì)胞會膨脹變軟，手足部位將會出現(xiàn)多汗不適；而濕度過低時皮膚會收縮變硬，手足皮膚容易發(fā)生龜裂。過高或過低的濕度都會對人體產(chǎn)生不舒適感。有研究表明人體最為適宜的濕度在45 %～65 %。

1.5 影響因素間的相互作用對人體熱舒適性的影響

可以看出，氣溫、平均輻射溫度、相對濕度、風(fēng)這四個因素對人體的舒適性影響最終反映在溫度、濕度、風(fēng)三個要素上，但這三者并不能完全代表人體熱舒適性。因?yàn)槿梭w是一個復(fù)雜的系統(tǒng)，人體的熱舒適性涉及多個生理過程，受到多個氣象要素的綜合作用，不能依據(jù)某一因素來判斷舒適性。因此有必要對這幾個因素的相互作用進(jìn)行研究。

例如，溫度適中時，濕度對人體熱舒適性的影響效果并不明顯。只有當(dāng)溫度較高或較低時，濕度對人體的熱舒適性影響就較為顯著?；诖颂岢隽瞬簧偕餁夂蛑笖?shù)，如實(shí)感氣溫、卡他氣溫、等溫指數(shù)等方法。根據(jù)《室內(nèi)空調(diào)最適溫度標(biāo)準(zhǔn)(GB/T5701-2008)》表示人體感覺舒適的氣溫與濕度因季節(jié)不同分為兩種情況：在夏季溫度在24℃時，相對濕度為60 %；在冬季溫度在18℃時，相對濕度為80 %。

對于風(fēng)和溫度講，無風(fēng)天氣時即使溫度在零度以下人體也不會產(chǎn)生太冷的感覺，但當(dāng)風(fēng)速較大時即使溫度不是很低，也會讓人感覺較為寒冷。保羅(Paul gut)與迪特爾阿克奈特(Dieter Ackerknecht)在1993年通過實(shí)驗(yàn)表明，風(fēng)速每增加1m/s，人體就會感覺氣溫下降了2～3℃[3]。

對于溫度、濕度、風(fēng)三者之間相互作用對舒適性的影響，李萬珍、譚傳鳳[4]在1994年提出了人體舒適的溫、濕、風(fēng)曲線，參見圖1。如圖1的I、Ⅲ象限為舒適象限；Ⅱ、Ⅳ象限為不舒適象限。

圖1 人體舒適的溫、濕、風(fēng)曲線

2 人體熱舒適性的評價(jià)

2.1 人體熱舒適性的客觀評價(jià)

人體舒適性評價(jià)源于1959年，但經(jīng)歷了不適指數(shù)(DI)、溫濕指數(shù)，最后美國氣象局和加拿大天氣局提出了舒適度指數(shù)和舒適指數(shù)[4]。

目前應(yīng)用最為廣泛的是PMV-PPD評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。PMV指標(biāo)是由Fanger教授在舒適方程的基礎(chǔ)上以及ASHRAE的7級熱感覺指標(biāo)提出的。PPD 指標(biāo)是對熱環(huán)境不滿意的百分?jǐn)?shù)，PPD值愈高表示對熱環(huán)境感到不滿意的人數(shù)就愈多?，F(xiàn)行的熱環(huán)境舒適度評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)指出舒適區(qū)至少要滿足80%人群，PMV舒適值可以在-0.5～+0.5之間。

國內(nèi)在人體舒適性的評價(jià)上也有一定的研究成果。1994年李萬珍、譚傳鳳參考舒適指數(shù)作出了四季舒適程度評價(jià)見式(1)。

H=T+(fE-10)5/9

(1)

式中：H為舒適指數(shù)；T為空氣溫度；f為相對濕度(%)；E為某一氣溫下的飽和水汽壓。

1996年錢妙芬、葉梅以舒適和清潔為原則提出了“氣候宜人度評價(jià)”模型。此模型涵蓋了7個氣象要素(氣壓、氣溫、日照、降水、霧、濕度、風(fēng))以及大氣污染物濃度對氣候宜人程度的影響[5]。1997年陸鼎煌從環(huán)境衛(wèi)生學(xué)的角度出發(fā)并結(jié)合溫度、濕度、風(fēng)這三個要素提出了綜合舒適度指標(biāo)，見式(2)。

S=0.06(∣T-24∣)+0.07(∣RH-70∣)
+ 0.5(∣V-2∣)

(2)

式中：S為綜合舒適指標(biāo)；T為空氣溫度；RH為空氣相對濕度；V為風(fēng)速。并確定當(dāng)I≤3.5為次舒適，當(dāng)3.510為極不舒適。

張清學(xué)者在1997年提出了溫濕指數(shù)，呂偉林提出了體感溫度模型。王遠(yuǎn)飛在1999年針對上海市進(jìn)行了人體舒適性的評價(jià)研究。

目前國內(nèi)普遍的評價(jià)模型為“人體舒適度指數(shù)”，見式(3)。

SSD=(1.818T+18.18)(0.88+0.002f)
+(T-32)/(45-T)-3.2V+18.2

(3)

式中：T為溫度；f為相對濕度；V為風(fēng)速。該模型將人體舒適度指數(shù)分為9個等級，涵蓋了很熱、炎熱、偏熱、偏暖、最為舒適、偏涼、較冷(清涼)、很冷、寒冷。

除了以上四種評價(jià)模型外，國內(nèi)外還有以下較為主要的模型如美國的體感溫度模型，國標(biāo)GB/T 27963-2011中的氣候舒適度評價(jià)模型以及城市戶外熱舒適度綜合評價(jià)模型等。

2.2 人體熱舒適性的主觀評價(jià)

人體熱舒適的評價(jià)雖然可以進(jìn)行一定程度的定量研究，但是在一些情況下人體主觀的溫?zé)岣杏X往往較某些客觀的生理量度更具有意義。因此通過評價(jià)指標(biāo)和評價(jià)模型對人體熱舒適性進(jìn)行評價(jià)外，還應(yīng)將人體熱舒適性的主觀評價(jià)納入補(bǔ)充驗(yàn)證。

人體熱舒適性的主觀評價(jià)就是以熱舒適問卷調(diào)查的形式來獲取被調(diào)查者在相應(yīng)條件下對熱舒適性的主觀反應(yīng)，是研究人體熱舒適性必不可少的研究方法。關(guān)于人體熱舒適性的主觀評價(jià)方法國內(nèi)外比較著名的方法有三類，分別是Bedford 的7級評價(jià)指標(biāo)、ASHRAE的7級指標(biāo)以及熱舒適的四級指標(biāo)[6]；而我國在GB/T 27963-2011[7]中提出了人居環(huán)境舒適度的五級指標(biāo)，參見表1。

表1 國內(nèi)外主要的人體舒適性主觀評價(jià)方法一覽表

資料來源：根據(jù)資料作者整理自制

3 人體熱舒適性在城市規(guī)劃領(lǐng)域的應(yīng)用

人體舒適性的研究最初從建筑的室內(nèi)環(huán)境研究開始的，在這一領(lǐng)域成果也頗為豐富，而作為最初建立在建筑學(xué)下的二級學(xué)科在這一方面的運(yùn)用卻較少，主要集中在城市開敞空間和建筑外圍空間。

3.1 在城市開敞空間方面的應(yīng)用

如2008年李成[8]對上海冬季草坪型、落葉疏林型以及常綠疏林型廣場進(jìn)行人體舒適性的研究，得出冬季落葉疏林型的綠化形式具有較高的人體舒適性。2011年卜政花[9]在其碩士論文《城市公園溫濕效應(yīng)及人體舒適度研究》中得出四個結(jié)論：一是綠地面積、綠地結(jié)構(gòu)與綠地降溫增濕效應(yīng)呈正相關(guān)；二是隨著臨水距離的增加，濱水草地及廣場的溫度逐漸增高，相對濕度逐步降低而林地隨臨水距離的增加，溫度先升后降，相對濕度先降后升；三是不同遮蔭條件和下墊面性質(zhì)都會對氣候產(chǎn)生一定的影響且遮陰條件的作用大于下墊面的影響；四是在具有遮蔭設(shè)施的廣場和草坪人體的舒適感覺時間最長。與此同時高健等人以及徐竟成等人在其各自的研究中也得出了類似的結(jié)論，并結(jié)合實(shí)際案例進(jìn)行了分析。

3.2 在城市其他方面的應(yīng)用

如2008年李安桂對西安市春季住宅自然通風(fēng)的人體舒適性調(diào)查，得出西安市具有利用自然通風(fēng)的氣候條件并可利用這一條件進(jìn)行建筑節(jié)能和改善室內(nèi)空氣品質(zhì)[10]。2009年王宇通過對人體舒適性的比較以及對室內(nèi)風(fēng)環(huán)境的模擬比較建筑朝向、院落形態(tài)等對成都農(nóng)村住宅夏季自然導(dǎo)風(fēng)的影響，并得出結(jié)論單側(cè)開口建筑的入口速度方向應(yīng)與入口平面成一定夾角以保證室內(nèi)通風(fēng)[11]。劉飛2010年在《建筑熱環(huán)境對人體熱舒適和建筑能耗的影響》一文中通過人體舒適性的分析提出了合理設(shè)計(jì)建筑維護(hù)結(jié)構(gòu)的熱工性能、建筑物的朝向和布局以及營造有利氣候微環(huán)境等改善建筑熱環(huán)境和提高人體舒適性的措施[12]。2011年鄧高峰等人通過對北京的部分公共建筑室內(nèi)環(huán)境進(jìn)行主觀和客觀的調(diào)查建立了室內(nèi)空氣品質(zhì)預(yù)評價(jià)模型[13]。隨著研究的拓展，建筑方面的相關(guān)應(yīng)用開始向建筑外部空間延伸，如2011年陳超在其碩士論文《建筑外部空間人體風(fēng)環(huán)境舒適度研究》中通過運(yùn)用絕對風(fēng)速閾值法、風(fēng)速比法以及超越概率閾值法建立了建筑周圍人行高度下風(fēng)環(huán)境舒適度的評估手段及方法步驟[14]。

4 小結(jié)

人體熱舒適性的研究從評估到應(yīng)用具有完整體系，但在城市規(guī)劃領(lǐng)域的實(shí)際運(yùn)用卻稍顯薄弱。城市規(guī)劃領(lǐng)域的應(yīng)用主要集中在城市綠地等開放空間的結(jié)構(gòu)、植物配置、遮陽等基礎(chǔ)層面，而對其他方面的研究基本上處于空白。因此，后期為在城市建設(shè)層面推廣低技術(shù)的節(jié)能手段，可以將人體熱舒適在城市規(guī)劃領(lǐng)域進(jìn)行拓展。

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[3] Paul Gut,Dieter Ackerknecht. Climate Responsive Buildings:appropriate building construction in tropical and subtropical regions [M].SKAT, Switzerland, 1993:42

[4] 李萬珍, 譚傳鳳. 人體的氣候適宜度研究[J]. 華中師范大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版， 1994,(2)

[5] 錢妙芬, 葉梅. 旅游氣候宜人度評價(jià)方法研究[J]. 成都?xì)庀髮W(xué)院學(xué)報(bào), 1997,12(3)

[6] 劉蔚巍. 人體熱舒適客觀評價(jià)指標(biāo)研究[D]. 上海交通大學(xué),2007

[7] GB/T 27963-2011人居環(huán)境氣候舒適度評價(jià) [S]

[8] 李成, 秦俊, 徐永榮.不同綠化廣場的冬季人體舒適度研究[C]//中國園藝學(xué)會觀賞園藝專業(yè)委員會:中國觀賞園藝研究進(jìn)展.2008

[9] 卜政花. 城市公園溫濕效應(yīng)及人體舒適度研究[D]. 青島農(nóng)業(yè)大學(xué),2011

[10] 李安桂, 邱少輝, 張新記. 春季西安市住宅自然通風(fēng)環(huán)境的熱感覺調(diào)查[J]. 建筑熱能通風(fēng)空調(diào),2008,(2)

[11] 王宇. 成都地區(qū)農(nóng)村住宅夏季熱舒適性調(diào)查與研究[D]. 西南交通大學(xué),2009

[12] 劉飛, 張棟梁. 建筑熱環(huán)境對人體熱舒適和建筑能耗的影響[J]. 大眾科技, 2010,(9)

[13] 鄧高峰, 王志勇, 李增和. 公共建筑室內(nèi)空氣品質(zhì)與人體舒適性關(guān)系研究[J]. 建筑熱能通風(fēng)空調(diào),2011,5(30)

[14] 陳超. 建筑外部空間人體風(fēng)環(huán)境舒適度研究[D]. 浙江大學(xué),2011