某農(nóng)村夏季室外樹蔭下人體熱舒適調(diào)查研究

豆思夢 王麗娟 孔培婷

西安工程大學城市規(guī)劃與市政工程學院

0 引言

早期熱舒適研究主要集中在室內(nèi)，慢慢的向過渡空間和室外進行延伸，室外熱舒適性研究目的是尋找改善熱環(huán)境措施，而人的主觀感受是評價室外熱環(huán)境的直接途徑，通過室外熱環(huán)境參數(shù)實測，結合人體主觀感受可以得出有利于室外熱環(huán)境改善的一般性結論。舒適的室外環(huán)境可以增加人們的室外活動吸引人群，減少人們室內(nèi)停留時間，也相應地減少了空調(diào)、照明的使用，有利于節(jié)能環(huán)保減少熱能損耗。我國是一個發(fā)展中國家，村鎮(zhèn)人口占大多數(shù)，研究如何提高農(nóng)村居民室外熱舒適也顯得尤為重要。

室外環(huán)境的舒適性，一般用居民熱感覺來描述，但在不同國家和地域長期生活的居民形成具有地域特征的熱感覺，氣候環(huán)境不可統(tǒng)一而論且熱舒適研究具有地區(qū)性差異[1]。國外眾多研究者對世界不同氣候區(qū)城市室外熱環(huán)境與居民熱舒適進行了廣泛的現(xiàn)場調(diào)查研究[1-4]。我國的一些研究者對城市如廣州、大連、重慶等地夏季室外熱環(huán)境進行了研究[5-8]。采用不同的室外熱舒適評價指標對城市和高校的室外熱環(huán)境進行了研究，包括OTCD，WBGT 和PET 等室外熱舒適評價指標[9-11]。上述針對城市室外熱環(huán)境研究較為集中，很少涉及農(nóng)村室外熱環(huán)境研究且城市和農(nóng)村在室外環(huán)境布局上有較大的區(qū)別。因此，我國的評價體系應適應和滿足各種環(huán)境各種情況的需求。我國有研究對戶外夏季不同遮陽環(huán)境下熱環(huán)境參數(shù)進行了實測發(fā)現(xiàn)改善夏季戶外微環(huán)境的最佳遮陽措施是樹蔭[12-13]。因此，本次測試調(diào)研以樹蔭下熱環(huán)境進行實測為出發(fā)點，采用WBGT 作為室外樹蔭下熱環(huán)境評價指標，再結合居民樹蔭下的主觀熱感覺，對炎熱夏季室外樹蔭下人體熱舒適展開初步研究，鑒于室外熱舒適研究具有地域性等諸多差異，本次以寒冷地區(qū)咸陽農(nóng)村為例。研究結論也可以為村鎮(zhèn)的室外熱環(huán)境設計提供了參考。

1 調(diào)研測試與調(diào)研方案

1.1 調(diào)研基本信息

本次調(diào)研地點選擇咸陽市某農(nóng)村住宅區(qū)，咸陽市地處陜西關中平原腹地，是溫暖帶大陸性季風氣候。在建筑熱工氣候分區(qū)中屬于寒冷地區(qū)，四季冷熱干濕分明。寒冷地帶面積基本上占到我國國土面積的30%，因此本次調(diào)研地點針對咸陽市某村鎮(zhèn)展開初步研究。一年中夏季7 月份為最熱月份，因此本次測量時間2020 年夏季7 月份的9 日～8 月2 日08:00-20:00 時間段內(nèi)進行測量，測量期間包含晴天和陰天。調(diào)查對象為在調(diào)研地點居住時間超過一年以上的農(nóng)村住宅區(qū)附近居民，受試者基本適應了當?shù)氐氖彝鈿夂?，受試者年齡分布16～55 歲之間，男性占43.8%，女性占56.2%。室外受試者的身高，體重，年齡和服裝熱阻等信息詳見表1。

表1 人員基本信息

1.2 調(diào)研方法

本次研究采取室外熱環(huán)境參數(shù)測試和主觀問卷相結合的方式進行，得到調(diào)研樣本數(shù)據(jù)后，再結合數(shù)據(jù)分析方法得到結論。受試者均在指導下填寫問卷，無效問卷較少，本次獲得有效數(shù)據(jù)168 份。室外受試者活動水平多數(shù)是慢走（新陳代謝約115 W/m2）問卷調(diào)查的信息有：①基本信息：年齡、體重、身高和性別；②活動水平；③熱感覺：（+3）熱、（+2）暖、（+1）稍暖、（0）適中、（-1）稍涼、（-2）涼、（-3）冷；④詳細服裝熱阻；⑤在生活中人們也經(jīng)常利用各種行為調(diào)整自身的熱狀態(tài)，進而改善熱舒適狀況，調(diào)節(jié)方法（如扇子、喝冷飲、調(diào)整衣著量，改變活動量和樹蔭遮陽等等）。

1.3 測量參數(shù)和儀器

選擇路邊行人處的樹蔭下進行測量，樹蔭下為水泥磚鋪設地面。測量選擇1.1 m 處高度測量，間隔時間為5 min，由儀器自動記錄數(shù)據(jù)，受試者在現(xiàn)場指導下填寫主觀問題，本次測試的室外環(huán)境參數(shù)包括空氣溫度，黑球溫度，濕度和風速。所用到儀器是Testo400，儀器測量范圍和精度見表2。具體儀器和現(xiàn)場如圖1。

表2 測試探頭技術參數(shù)表

圖1 測量儀器與現(xiàn)場示意圖

2 結果分析

2.1 環(huán)境參數(shù)統(tǒng)計分析

測量時間2020 年夏季7 月份的9、10、19 和20 日和8 月份的2 日共計5 天時間測量，在08:00-20:00 選擇時間段，對受試者所處室外環(huán)境參數(shù)進行測量，數(shù)據(jù)具體如表3。

表3 環(huán)境要素統(tǒng)計表

2.2 熱環(huán)境評價指標

WBGT 是綜合考慮空氣溫度，濕度，風速和輻射熱四個因素的綜合評價指標，安全性評價指標也稱為熱應力指標，是確保人體在高熱環(huán)境下不受到熱損傷的一種安全技術指標，最著名的是濕黑球溫度WBGT，據(jù)ISO7243，WBGT 的定義為：

式中：Tnwb為自然濕球溫度，℃；Tg為黑球溫度，℃；Ta為空氣溫度，℃。

夏季戶外溫度較高，僅用熱感覺作為生理應變的指標往往不夠，因此本次采用WBGT 作為熱應力指標作為評價室外熱環(huán)境的指標，閾值見表4。本次室外調(diào)研的WBGT 的分布范圍是22.3～32.9 ℃，平均值為28.2 ℃，整個測量期間WBGT 分布頻率直方圖，如圖2。以7 月9 日全天的夏季樹蔭下的室外熱環(huán)境WBGT 逐時變化為例，如圖3，可以看出WBGT 溫度在11:00～12:00 出現(xiàn)最高峰值31 ℃，但并未超過休閑狀態(tài)下人的安全WBGT 限值，說明在一天的最熱時刻，樹蔭下的熱環(huán)境是較好的。研究發(fā)現(xiàn)樹蔭下所測黑球溫度和空氣溫度的相關性較強，如圖4。

表4 WBGT 評價表

圖2 WBGT 分布頻率直方圖

圖3 WBGT 逐時變化圖（7 月9 日樹蔭下）

圖4 室外空氣溫度和黑球溫度關系（7 月9 日樹蔭下）

2.3 客觀環(huán)境與人體熱感覺

2.3.1 熱中性值與可接受溫度范圍

為了分析室外人體熱感覺和室外溫度的關系（如圖3），采用溫度頻率法（Bin 法）將室外溫度以0.5 ℃間隔分為若干個有效溫度區(qū)間，以每一個溫度區(qū)間中心溫度為自變量與平均熱感覺進行線性分析，建立函數(shù)關系式如圖5，由此可得：當MTSV=0 時，得到室外熱中性溫度t0=27.4 ℃。平均熱感覺投票MTSV 在-1～1之間時，認為該溫度范圍是可接受的，代入本次研究得到的MTSV 模型計算可得到可接受的溫度范圍為23～31.8 ℃，其他各地區(qū)建立的實測熱感覺回歸方程結果對比，如表5 所示。

圖5 熱感覺隨空氣溫度變化關系圖

表5 夏季室外現(xiàn)場研究結果對比

2.3.2 風速與熱感覺

在測試中，室外的風速較小，但是也能在一定程度上改善人體的熱感覺。仿照溫度頻率法，將風速按照0.2 m/s 的間隔進行區(qū)間劃分與熱感覺線性回歸，如圖6，在偏熱的環(huán)境中，適當?shù)目諝饬鲃幽軌蚋纳迫梭w的熱感覺。

圖6 熱感覺隨風速變化關系圖

2.4 熱適應行為分析

2.4.1 適應性服裝熱阻模型建立

人們善于調(diào)整自身的服裝水平來應對不同的室外熱環(huán)境，圖7 可以看出，無論是男性還是女性均具有相同的服裝熱阻適應性調(diào)節(jié)特征，服裝熱阻和室外溫度呈現(xiàn)負相關，通過對比發(fā)現(xiàn)女性服裝熱阻略低于男性，可能是夏季女性穿衣比較偏向于輕薄。

圖7 服裝熱阻隨室外空氣溫度變化關系

2.4.2 熱適應性行為統(tǒng)計分析

在室內(nèi)，人們主要通過控制或改變周圍的環(huán)境來提高自身的舒適性。比如，開門窗、空調(diào)的使用等，但室外空間的熱適應調(diào)節(jié)方法不像室內(nèi)可以有較多選擇。在炎熱夏季服裝熱阻基本不變，服裝調(diào)節(jié)作用到達極限。夏季室外對女性來說，最為常見的是使用遮陽傘來避免太陽直射，調(diào)節(jié)熱感覺。在本次問卷調(diào)查統(tǒng)計中發(fā)現(xiàn)也有39%的人員選擇樹蔭處來提高自身的熱舒適性，如圖8。因此通過改善綠化設計對夏季室外人群的熱舒適具有良好且直接的提升效果。

圖8 室外主動調(diào)節(jié)措施

3 結論

本次研究是在炎熱的夏季室外進行熱環(huán)境實測和主觀問卷調(diào)研，對結果進行統(tǒng)計分析得到了如下的結論。

1）測試結果分析發(fā)現(xiàn)，夏季高溫天氣，樹蔭下的熱環(huán)境較好，調(diào)研結果中也有39%的人員選擇樹蔭處來提高自身的熱舒適性，建議增加農(nóng)村地區(qū)室外道路兩旁進行規(guī)范綠化設計，可有效地降低環(huán)境平均輻射溫度，提高舒適感，改善局部室外熱環(huán)境。

2）研究發(fā)現(xiàn)本次調(diào)研地點夏季室外熱中性溫度為27.4 ℃，夏季測點的平均空氣溫度為30.9 ℃，高于中性溫度，夏季室外可接受的溫度范圍是23～31.8 ℃。

3）夏季室外人們的平均服裝熱阻是0.42clo，最大值為0.62clo，隨著夏季室外溫度不斷地升高，服裝調(diào)節(jié)能力已到達極限，基本不變。