室外公共空間夏季熱舒適性評價研究
——以上海當代大中型住宅區(qū)為例

■ 王 一 Wang Yi 欒沛君 Luan Peijun

室外公共空間夏季熱舒適性評價研究
——以上海當代大中型住宅區(qū)為例

■ 王 一 Wang Yi 欒沛君 Luan Peijun

住宅區(qū)室外公共空間在居民日常生活中占據(jù)著重要的地位，而熱舒適性則是公共空間品質和使用者評價的重要影響因素。但在住宅區(qū)規(guī)劃設計中，對室外環(huán)境熱舒適性的關注卻較為缺失。從人體熱舒適性出發(fā)，選取具有代表性的上海大中型住區(qū)為調研對象，以熱舒適性數(shù)值模擬為主要手段，從建筑布局和綠化形態(tài)兩個方面分析探討住宅區(qū)空間形態(tài)與熱舒適性的相互關系，并提出基于人體熱舒適性的空間設計建議。

住宅區(qū)；公共空間；熱舒適性；數(shù)值模擬；建筑布局

1 住區(qū)公共空間熱環(huán)境研究背景與意義

住宅區(qū)室外公共空間在居民日常生活中占據(jù)著重要的地位，而熱舒適性則是公共空間品質和使用者評價的重要影響因素。在當代中國大量的住宅建設中，較大規(guī)模的居住區(qū)是一個常見的開發(fā)類型，從而會在居住區(qū)內部形成規(guī)模較大的公共空間。這些空間承載著居民日常的交通、交往、休憩等功能，其品質如何直接影響居民的生活質量。特別是隨著我國已經(jīng)進入老齡化時期，老年人對于居住區(qū)公共空間的使用需求不斷增加，能否為他們提供舒適的公共空間，已成為居住區(qū)規(guī)劃設計中不容忽視的問題。

熱舒適性是公共空間品質的重要因素。大量研究表明，空間熱舒適性會明顯地影響使用者的身體及心理狀態(tài)，從而決定使用者是否愿意停留。熱舒適性不佳，使用者會傾向于快速地通過而非停留，公共空間會淪為單純的交通聯(lián)系與集散空間，從而失去應有的活力。Thorsson[1]通過對日本Matsudo市一個廣場空間的觀測，發(fā)現(xiàn)行人在廣場停留的時間與其熱舒適性有明顯的相關性。當人體感覺舒適時，停留時間可達到20～25min，反之停留時間則會最大降低5min之多（Thorsson， 2007）。但在目前的居住區(qū)規(guī)劃設計中，設計者對于住宅區(qū)室外熱舒適性卻鮮有考慮。住宅區(qū)作為一個建筑群體，其建筑群體布局和住宅區(qū)的綠化是構成住宅區(qū)物質環(huán)境的重要組成部分，建筑群體布局直接影響公共空間的太陽輻射、風速等因子，而不同的綠化形式對人體熱舒適性的作用也不盡相同，這兩方面均對熱舒適有著直接影響。

2 人體熱舒適性

2.1 人體熱舒適性的影響因素

在美國建筑節(jié)能標準《ASHRAE Standard 55-1992》中，熱舒適被定義為在生理和心理的共同影響下人體對熱環(huán)境滿意的意識狀態(tài)[2]。人處于任何環(huán)境中，人體表面都會與周圍發(fā)生熱交換，當這一熱交換不平衡時，人就會產(chǎn)生“冷”或“熱”的感覺，而人體的熱感覺會受到心理適應和生理調節(jié)共同作用的影響，其中生理因素又主要受到環(huán)境微氣候的影響。在環(huán)境因素中，影響人體熱舒適性的主要四大氣象參數(shù)為——空氣溫度、風速、相對濕度和環(huán)境輻射，其中環(huán)境輻射中的太陽輻射對室外熱舒適的影響最大（圖1）。

從氣候特征而言，住區(qū)屬于水平方向在1km以內，高度在0.1km以下的微氣候，建筑布局、綠化情況及地面鋪裝性質等都對其有重大影響[3]。從而本文以人體熱舒適性為出發(fā)點，主要對住區(qū)的整體建筑布局和綠化進行研究分析。

2.2 人體熱舒適性的評價標準

對于人體熱舒適性的評價標準有很多種，但總體來說主要分為穩(wěn)態(tài)熱環(huán)境評估和非穩(wěn)態(tài)熱環(huán)境評估。其中有關室內穩(wěn)態(tài)熱環(huán)境評估的方法已經(jīng)相當成熟，如Fanger熱舒適方程，標準有效溫度等，對于室外非穩(wěn)態(tài)環(huán)境下的熱舒適評價方法近年來也在逐步完善。目前存在的眾多熱舒適評價標準中，大致可以分為經(jīng)驗性指標和理性指標。其中經(jīng)驗性指標多是建立在個人經(jīng)驗以及主觀推測的基礎上，忽視了人體活動強度、著衣量、個人體征等因素的影響，而隨著現(xiàn)代數(shù)值計算技術的發(fā)展，已經(jīng)發(fā)展出基于人體能量平衡、描述熱傳遞的各項公式以及描述人體生理調節(jié)公式的理性指標。在理性指標中，本文選取了目前國際上使用最為廣泛的預測平均熱反應（PMV）作為評價標準，它是以Fanger的熱舒適方程為基礎的，并且通過增加太陽輻射的影響將其拓展到了室外。

PMV采用7級標度，與美國國家暖通工程協(xié)會7點標度（ASHRAE seven-point）的平均熱反應相聯(lián)系（表1）。當PMV=0時，表示最為舒適；PMV<0時，表示人體感到冷；PMV>0時，表示人體感到熱，人體感到舒適的范圍為-0.5~0.5。預測平均熱反應PMV在人體熱舒適性評價方面在國際上已經(jīng)有廣泛的應用，并且由于其結果與真實情況較高的相關性，也獲得了廣泛的認可。

2.3 人體熱舒適性的模擬工具

本文使用ENVI-MET軟件對住區(qū)進行數(shù)值模擬[4]。ENVI-MET是由德國Michael Bruse教授的團隊開發(fā)的三維微氣候數(shù)值模擬軟件，從1995年至今，已經(jīng)有了20年的歷程。該模型是由三維核心模型（包含大氣、植被、土壤、建筑4個模型）和一維邊界層模型構成的（圖2[5]）。模型中上部水平邊界層以及垂直的上下風邊界層將三維核心模型與一維邊界層模型區(qū)分開來。其中三維核心模型是模擬真實環(huán)境中的所有相關進程，而一維模型則是將初始值轉化為三維核心模型計算的邊界條件，為了計算的準確性，一維邊界模型的模擬區(qū)高度擴展到了2 500m。除此之外，ENVI-MET引入了嵌套網(wǎng)格（nesting grids）的概念，在建模時可在模型四周添加額外計算網(wǎng)格，這一部分網(wǎng)格下墊面的熱物性被設定為核心區(qū)模型的平均值，從而使計算更為準確，同時該部分不會出現(xiàn)在計算結果中。

ENVI-MET的應用遍及世界各地，包括美國的校園[6]、居住區(qū)[7]、巴西的街道[8]、香港的市中心[9]、廣州的居住區(qū)[10]、校園[11]、武漢的居住區(qū)等，通過實測與模擬計算結果的對比，證實了該軟件對于不同氣候背景下模擬城市微氣候的準確性。

圖1 人體熱感覺的影響因素

表1 PMV7級標度

3 研究對象和方法

本文以人體熱舒適性為出發(fā)點，選取上海新江灣城的兩住區(qū)——合生江灣國際公寓和橡樹灣（圖3）為研究案例，并且通過數(shù)值模擬的手段對其進行分析。選取新江灣城的這兩個住區(qū)主要出于以下幾點原因：首先，新江灣城乃至上海近年來的住宅區(qū)開發(fā)容積率多為1.5～2，兩住區(qū)均為1.6，在這一范圍內，并且開發(fā)的住區(qū)多為純高層或高層和多層相結合的方式，兩住區(qū)各占其一，具有典型性；其次，兩住區(qū)的規(guī)模均在20萬m2以上，會形成核心公共空間、宅間公共空間等多種類型的空間，便于比較分析；最后，兩住區(qū)在相同容積率以及相似綠地率下，有著不同的建筑組合方式和綠化方式，便于之后對建筑布局以及綠化的對比分析（表2）。

本文的研究主要分為兩個部分——建筑布局和綠化對公共空間熱舒適性的影響。建筑布局對熱舒適性的影響又分為3個層次：首先，對比分析相同容積率不同建筑密度的住區(qū)公共空間熱舒適性情況，合生江灣國際公寓和橡樹灣在相同的容積率下有著不同的建筑組合方式，合生江灣國際公寓全部為高層建筑，而橡樹灣則是高層建筑與多層建筑相結合；其次，對比分析高層住區(qū)與多層住區(qū)公共空間的熱舒適性情況；最后，對比分析住區(qū)核心公共空間和宅間公共空間的熱舒適性情況，其中核心公共空間指住區(qū)中尺度較大且居于核心位置的公共空間，宅間公共空間指住宅樓間尺度相對較小的公共空間。綠化對熱舒適性的影響這一部分主要對比分析不同綠化形式下的住區(qū)公共空間熱舒適性情況，兩住區(qū)的綠地率相差不大，但是綠化的形式卻不同，合生江灣國際公寓的綠化在草皮的基礎上多為喬木，而橡樹灣喬木的比例則相對較小，公共空間中有大面積的草坪。

圖2 ENVI-MET模型總體結構圖

圖3 合生江灣國際公寓和橡樹灣區(qū)位圖

圖4 合生江灣國際公寓和橡樹灣ENVI-MET模型（建筑、植被、下墊面）

4 數(shù)值模擬與分析

首先對兩住區(qū)進行模擬（圖4），根據(jù)現(xiàn)場調研、氣象數(shù)據(jù)的搜集以及相關文獻的查閱（如人體活動量、著衣量等）對模型網(wǎng)格、邊界條件以及人體參數(shù)進行設定。本文選取的模擬時間為2015年8月5日，這一天為2015年全年最高溫且無雨的日期，模擬極端氣溫下的住宅區(qū)公共空間具有代表性。住區(qū)居民中對于室外公共空間使用頻率最高的人群是老人與兒童，其活動時間多集中于16:00～18:00，因此，本研究重點分析兩住區(qū)（無植被）在這一時段的熱舒適性特征。

表2 合生江灣國際公寓和橡樹灣住宅區(qū)概況

圖5 兩住區(qū)公共空間各參數(shù)平均值曲線之模擬數(shù)值比較（6：00～22:00地上1.2m處）

圖6 合生江灣國際公寓和橡樹灣住區(qū)公共空間的PMV分布圖（17:00地上1.2m高度處）

圖7 兩住區(qū)高層與多層部分公共空間各參數(shù)平均值曲線之模擬數(shù)值比較（6：00～22:00地上1.2m處）

4.1 建筑布局

模擬結果可輸出合生江灣國際公寓和橡樹灣兩住區(qū)任意室外公共空間2015年8月5日6:00～22:00各整點時間點的氣象數(shù)據(jù)。為了整體比較兩住區(qū)的熱舒適性，本文分別將各整點時間所有公共空間的空氣溫度、風速、相對濕度、平均輻射溫度（MRT）和預測平均熱反應（PMV）取平均值進行對比。

圖5為合生江灣國際公寓和橡樹灣兩個住區(qū)所有公共空間6:00～22:00空氣溫度、風速、相對濕度、平均輻射溫度（MRT）（平均輻射溫度（MRT）：指一個假想的等溫圍合面的表面溫度，它與人體間的輻射熱交換量等于人體周圍實際的非等溫圍合面與人體間的輻射熱交換量。見《綠色建筑熱濕環(huán)境及保障技術》P147。研究表明，平均輻射溫度在人體熱舒適評價中比空氣溫度具有更多實際意義。）和預測平均熱反應（PMV）平均值的對比走勢圖。通過對比可知，兩住區(qū)總體PMV相差不大，并且與對應的MRT有著很強的相似性，證明了夏季室外熱舒適性與太陽輻射有顯著關系。合生江灣國際公寓PMV值在9:00～15:00時略高于橡樹灣，其余白天時段均略低于橡樹灣，就白天高溫時段而言，橡樹灣的熱舒適性要優(yōu)于合生江灣國際公寓，但由于居民住宅區(qū)室外活動時間多集中于16:00～18:00，這一時段合生江灣國際公寓的PMV值反而較低，熱舒適性要好于橡樹灣。就居民活動情況而言，合生江灣國際公寓（純高層建筑）的熱舒適性要優(yōu)于橡樹灣（高層與多層混合）。

圖6是以2015年8月5日（2015年夏季最熱日）17時為例的公共空間各點預測平均熱反應（PMV）的分布圖。從圖中可以看出，預測平均熱反應（PMV）在陰影區(qū)域的數(shù)值明顯低于其它區(qū)域，原因在于太陽輻射對于人體熱舒適的影響極大，從而夏季處于建筑陰影內的區(qū)域熱舒適度遠好于非陰影區(qū)。

圖7為合生江灣國際公寓和橡樹灣高層與多層部分住區(qū)公共空間6:00～22:00空氣溫度、風速、相對濕度、平均輻射溫度（MRT）和預測平均熱反應（PMV）平均值的對比走勢圖。通過對比可知，橡樹灣多層建筑圍合下的住區(qū)公共空間的預測平均熱反應PMV在早晚與高層部分基本相同，但在白天時段則高于本小區(qū)的高層部分以及合生江灣國際公寓。這主要是由于有較強日照的時段，多層建筑圍合的住區(qū)公共空間相較于高層建筑溫度偏高、風速偏低、濕度偏高，從而造成了整體熱舒適性相對不佳。對于上海夏季，16:00～18:00仍為日照期間，從而在戶外活動集中時段仍然遵循上述結果?？傮w而言，高層住區(qū)公共空間的人體熱舒適性要優(yōu)于多層部分，且隨著建筑高度的增加熱舒適性也在逐漸變好。

圖8 兩住區(qū)核心公共空間與宅間公共空間各參數(shù)平均值曲線之模擬數(shù)值比較（6：00～22:00地上1.2m處）

圖9 兩住區(qū)公共空間添加植被前后各參數(shù)平均值曲線之模擬數(shù)值比較（6：00～22:00地上1.2m處）

圖10 合生江灣國際公寓和橡樹灣住區(qū)公共空間添加植被前后的PMV差值圖（17:00地上1.2m高度處）

圖8為合生江灣國際公寓和橡樹灣兩個住區(qū)所有核心公共空間、宅間公共空間6:00～22:00空氣溫度、風速、相對濕度、平均輻射溫度（MRT）和預測平均熱反應（PMV）平均值的對比走勢圖。通過對比可知，住區(qū)核心公共空間與宅間公共空間的溫度相差不大，核心公共空間的風速、平均輻射溫度高于宅間公共空間，濕度低于宅間公共空間，PMV高于宅間公共空間，總體熱舒適性差于宅間公共空間。宅間公共空間相較于核心公共空間有著更好的微氣候條件。在無其他輔助條件（如遮陽構筑物）下，宅間公共空間更具熱舒適性優(yōu)勢。但是通過上述各數(shù)據(jù)參數(shù)的分析可知，影響核心公共空間熱舒適性的主要因素是平均輻射溫度的高低，所以可以通過采取遮陽措施來改善核心公共空間的輻射量從而達到改善熱舒適性的目的。

4.2 綠化形態(tài)

本部分通過對比來分析不同植被情況下的公共空間熱舒適性。合生江灣國際公寓綠地率40%，橡樹灣綠地率45%，相差不大，但是合生江灣國際公寓的綠化喬木比例很高，而橡樹灣多為草坪。圖9、10為合生江灣國際公寓和橡樹灣兩個住區(qū)添加植被前后所有公共空間6:00～22:00空氣溫度、風速、相對濕度、平均輻射溫度（MRT）和預測平均熱反應（PMV）平均值的對比走勢圖。

通過圖9的對比可知，合生江灣國際公寓添加植被前后的PMV最大差值均出現(xiàn)于16:00～18:00這一居民活動時間段內，植被的種植為居民的室外活動提供了更好的相對熱舒適條件。通過PMV差值可以看出合生江灣國際公寓大于橡樹灣，橡樹灣的平均最大差值為0.7，而合生江灣國際公寓可達1.8，這說明在綠地率相差不多的情況下，喬木的比例越高，則熱舒適性越好，植草對改善公共空間熱舒適性的效果相對較弱?？傮w而言，無論喬木或植草均對住區(qū)公共空間的平均輻射溫度MRT和整體熱舒適性有明顯改善作用，其中喬木的種植可降低平均輻射溫度MRT，提高住區(qū)公共空間的整體熱舒適性，但是對風的流動有阻礙作用，從而在一定程度上降低熱舒適性，但是總體熱舒適仍優(yōu)于植草。

圖10為兩住區(qū)于17∶00公共空間各點添加植被前后的預測平均熱反應（PMV）的差值圖。通過該圖可知，合生江灣國際公寓的非建筑陰影區(qū)PMV普遍降低，而建筑陰影區(qū)則略有升高。這主要是由于在非建筑陰影區(qū)，喬木等植被的遮陽減少了太陽輻射，從而改善了公共空間的熱舒適性；而在建筑陰影區(qū)域中，原本就沒有太陽直射，但是由于喬木的存在阻礙了風的流動，風速的下降導致了熱舒適性的降低。這說明植被對于日照區(qū)熱舒適性的改善要優(yōu)于非日照區(qū)域。橡樹灣中種植喬木的區(qū)域PMV出現(xiàn)了同合生江灣國際公寓同樣的情況，但是下降區(qū)域比例明顯較低，這主要是由于橡樹灣喬木比例較少。同時，上文數(shù)據(jù)也顯示出植草相較于喬木對住區(qū)公共空間PMV的影響較小。

5 結論與建議

5.1 基于熱舒適性容積率相同建筑高度不同住區(qū)設計建議

高層住區(qū)公共空間的人體熱舒適性要優(yōu)于多層公共空間部分。相同容積率下，純高層的住區(qū)公共空間熱舒適性整體上要稍優(yōu)于高層與多層混合的住區(qū)公共空間。

由此可知，在滿足其它規(guī)劃建筑法規(guī)（如限高，日照等）的前提下，對于給定容積率，住宅區(qū)宜采用純高層的建筑布局方式。對于多層與高層混合的住宅區(qū)，可以通過景觀處理、交通組織等方式有意識地引導公共活動區(qū)至高層建筑之間的區(qū)域。

5.2 基于熱舒適性的住區(qū)核心公共空間和宅間公共空間設計建議

住區(qū)核心公共空間的平均PMV高于宅間公共空間，總體熱舒適性差于宅間公共空間。

由此可知，宅間公共空間相較于核心公共空間有著更好的熱舒適條件，從而在考慮人的活動時應更多地關注宅間公共空間。影響核心公共空間熱舒適性的主要因素是太陽輻射， 在設計核心公共空間時應避免設置大面積草坪、水體等，應在非陰影區(qū)內種植樹木或設置遮陽設施等。

5.3 基于熱舒適性的住區(qū)公共空間景觀綠化種植建議

植被的種植能有效改善夏熱冬冷地區(qū)住區(qū)公共空間的熱舒適性。夏季住區(qū)建筑并不能充分遮擋太陽輻射，植被的種植對于近地面微氣候的改善尤為顯著，這也為住區(qū)相對舒適空間的選擇提供了更多的自由度。

在不影響使用功能的前提下盡可能使用綠地來代替硬質鋪地；在綠地率一定的情況下，盡可能提高喬木的比例；住區(qū)公共空間中日照區(qū)綠化（尤其喬木）相對于陰影區(qū)的綠化更有利于改善公共空間的熱舒適性。

6 結語

對于上海這樣的夏熱冬冷地區(qū)，夏季較高溫度情況下的熱舒適性矛盾比較突出。這也是本文研究限定在夏季高溫條件的主要原因。但是，這并非表明冬季的熱舒適性問題并不存在。而由于時間所限，本文采取的手段尚未能擴展運用到更大的時間跨度內，例如整個夏季。同時，除了本文所研究的兩個案例，住宅區(qū)尚存在其它的類型。所以，對研究時間和案例兩個方面跨度的擴展，將有助于提高研究成果的全面性和準確性，這也是筆者下一步研究的主要方向。

[1]S·Thorsson,T·Honjo, F·Lindberg,,et.al. Thermal comfort and outdoor activity in Japanese urban public places[J]. Environment and Behavior,2007,39（5）:660-684.

[2]ASHRAE Standard 55-1992,American Society of Heating[S].Refrigerating and Air-conditioning Engineers,Inc. Atlanta,GA30329.

[3]吉沃尼著,陳士磷譯.人·氣候·建筑[M].中國建筑工業(yè)出版社,1999:103-105.

[4] Bruse·M,Fleer H·Simulating surface-plant-air interactions inside urban environments with a three dimensional numerical model [J]. Environment Modeling and software,1998,13（3/4）: 373-384.

[5]詹慧娟,解濰嘉,孫浩,黃華國.應用ENVI-met模型模擬三維植被場景溫度分布[J].北京林業(yè)大學學報,2014（04）.

[6] Chow W·T·L,Pope R·L,Martin C. A,et al. Observing and modeling the nocturnal park cool island of an arid city: horizontal and vertical impacts[J]. Theoretical and Applied Climatology,2011,103（1）:197-211.

[7] Chow W·T·L,Brazel A·J. Assessing xeriscaping as a sustainable heat island mitigation approach for a desert city[J]. Building and Environment,2012,47:170-181.

[8] Kruger E. L,Munella F·O,Rasia F. Impact of urban geometry on outdoor thermal comfort and air quality from field measurements in Curitiba,Brazil[J]. Building and Environment,2011,46（3）: 621-634.

[9] 李磊,胡非,程雪玲等.Fluent 在城市街區(qū)大氣環(huán)境中的一個應用[J].中國科學院研究生學報,2004,21（4）:476-480.

[10] 陳卓倫.綠化體系對濕熱地區(qū)建筑組團室外熱環(huán)境影響研究[D].廣州:華南理工大學,2010.

[11]楊小山.室外微氣候對建筑空調能耗影響的模擬方法研究[D].廣州:華南理工大學,2012.

Study on Thermal Comfort of Outdoor Public Space in Summer --Taking Contemporary Middle to Large Residential Area of Shanghai for Instance

Outdoor public spaces of residential areas play an important role in residents' daily life, while thermal comfort is a factor having infl uence on the quality of public space and user's appraisal. Thermal comfort of outdoor environment is less concerned in planning and design of residential area. Starting from human body's thermal comfort, the paper selected representative middle and large residential areas of Shanghai as research subjects, discussed interrelationship between spatial form and thermal comfort of residential area from aspects of architectural layout and landscaping form with digital simulation of thermal comfort as main measure, and fi nally proposes human body thermal comfort based suggestion on spatial design.

residential area, public space, thermal comfort, digital simulation, architectural layout

2016-9-19）

王一，博士，同濟大學建筑與城市規(guī)劃學院建筑系副主任，中美生態(tài)城市設計聯(lián)合實驗室執(zhí)行副主任，副教授、博士生導師；欒沛君，碩士，中國航空規(guī)劃設計研究總院有限公司建筑師。