過渡季節(jié)特殊天氣下校園室外熱舒適研究

楊麗娜劉吉營任婧朱旭偉安法潤

(山東建筑大學 熱能工程學院，山東 濟南250101)

0 引言

隨著生活水平的提高和城市化的飛速發(fā)展，城市居民不僅關(guān)注室內(nèi)環(huán)境，室外環(huán)境也逐漸引起重視。良好的室外熱環(huán)境促使居民走出室內(nèi)，積極參加室外活動，有利于身心發(fā)展[1]。近年來，室外熱舒適問題得到廣泛關(guān)注，大量學者研究開發(fā)了室外熱舒適模型。LAI等[2]對美國印第安納州西拉斐特和中國天津進行熱環(huán)境實測，擬合了一種基于生理等效溫度PET(Physiological Equivalent Temperature)的室外熱環(huán)境投票和熱舒適投票動態(tài)預測模型。馮錫文[3]修正了PET、預測平均投票PMV(Predicted Mean Vote)、標準有效溫度SET*(Standard Effective Temperature)、通用熱氣候指數(shù)UTCI(Universal Thermal Climate Index)等模型在廣州的適應性，并建立了廣州地區(qū)熱舒適模型。除了熱指標外，利用數(shù)值模擬技術(shù)也已成為一種趨勢。劉吉營等[4]提出的新零方程湍流模型能夠更加快速有效地預測室外熱環(huán)境。居民的熱感覺受到氣候和景觀要素的影響，如HUANG等[5]利用3種室外熱舒適評價模型，分別比較了炎熱和寒冷天氣下，底層架空的建筑區(qū)域和開闊區(qū)域?qū)θ梭w舒適度的影響。于琦人等[6]研究了高層住宅區(qū)室外熱環(huán)境，發(fā)現(xiàn)不同樹種的降溫和增濕效果不同。

近年來，我國高校新校區(qū)不斷建設(shè)，校園室外熱環(huán)境已成為一個新的研究方向。大學校園作為一個特殊的功能用地，其人口密集、活動復雜，因此研究校園室外熱環(huán)境的對師生的日常生活有重要意義。趙凌君等[7]對廣州大學夏季校園熱環(huán)境的研究中使用SET評估校園室外熱舒適，并且建立了當?shù)厥彝鉄崾孢m模型。彭海峰等[8]對浙江農(nóng)林大學的夏季校園熱環(huán)境展開研究，同時使用PET指標評估了人員室外舒適性。此外，王琳等[9]研究了影響校園環(huán)境的因素，認為太陽輻射是影響校園室外熱環(huán)境的重要因素。目前針對校園熱環(huán)境的研究，發(fā)現(xiàn)在不同的氣候和環(huán)境背景下，改善校園室外熱環(huán)境的方法存在差異[10-12]，因此在不同地方進行有針對性的研究仍具有現(xiàn)實意義。

很多學者對夏季和冬季的室外熱環(huán)境進行了調(diào)查分析，但對過渡季節(jié)的研究還很少。在過渡季節(jié)，室外環(huán)境變化較大，人們的衣服熱阻和代謝率情況不一。對過渡季節(jié)特殊天氣下校園室外熱舒適開展研究，是有效地評估和改善校園熱環(huán)境的重要前提。因此，文章選在夏秋更替的時期，采用現(xiàn)場測試和調(diào)查問卷的方式，通過調(diào)查校園的熱感覺投票TSV(Thermal Sensation Vote)、熱舒適投票TCV(Thermal Comfort Vote)和熱偏好投票PTV(Preference Thermal Vote)，同時以PET和UTCI為評價指標，對比分析過渡季節(jié)不同地區(qū)室外熱環(huán)境舒適狀況，探索在校園環(huán)境下人員對過渡季節(jié)的熱舒適評價，為優(yōu)化校園室外熱環(huán)境提供參考。

1 研究區(qū)域概況

研究在山東濟南某高校校園內(nèi)進行。根據(jù)GB 50352—2019《民用建筑設(shè)計統(tǒng)一標準》[13]對我國氣候區(qū)的劃分，濟南屬于寒冷地區(qū)，四季分明、夏熱冬冷。大學校園總面積約為1.67 km2，使用功能分區(qū)較為明顯，可大體分為生活區(qū)、教學區(qū)、綠化區(qū)、戶外活動區(qū)等，校園中心有一小面積的觀賞人工湖。

通過對各種景觀要素組合的多方面分析，實地調(diào)查選取了4個具有代表性的測點，其分布情況和周邊環(huán)境如圖1所示。

圖1 校園內(nèi)測點分布及周邊環(huán)境圖

測點A位于操場，其場地開闊，少部分時間有建筑物和樹木遮陽。測點B選在樹蔭道，全天處于陰影狀態(tài)，位于人工湖附近。測點C在報告廳前面的廣場，旁邊有小型噴泉，幾乎全天陽光直射。測點D選在教學樓前的廣場，綠化較少，遮陽效果不好。

2 研究方法

2.1 氣象要素觀測

實地觀測的氣象參數(shù)主要包括人行高度(距地面1.5 m)處的空氣溫度、相對濕度、風速、太陽輻射和黑球溫度。測試儀器采用紐扣溫度計iButton記錄空氣溫度和相對濕度，同時使用輕質(zhì)百葉窗(防輻射通風罩)以防止輻射對測量結(jié)果的影響，采用多功能測試儀JT2020連接太陽輻射傳感器記錄太陽輻射，測試儀JA-IAQ-50記錄風速和黑球溫度，熱環(huán)境測量裝置使用三腳架固定，各項參數(shù)的記錄時間間隔均為1 min，測試儀器與技術(shù)參數(shù)見表1。

表1 測試儀器和技術(shù)參數(shù)表

測試日期為2019年9月26日至30日，處于濟南夏秋過渡的時間段，每天測試時間為9∶00至17∶00，測試期間天氣晴朗。從國家氣象局數(shù)據(jù)中心網(wǎng)站查的2011年到2019年同時段濟南氣溫數(shù)據(jù)，如圖2所示?？梢钥闯觯?019年日最高溫度明顯高于歷史平均值，平均溫差為5.6℃，9月28日溫差最高達到7℃。

圖2 2011年至2018年日最高溫度的平均值和2019年日最高溫度圖

2.2 熱舒適問卷調(diào)查

調(diào)查問卷由個人信息和整體熱環(huán)境評估組成。個人信息包括性別、年齡、身高、體重、衣著、活動狀態(tài)和所處位置。根據(jù)ASHRAE 55—2013[14]，有關(guān)服裝和活動水平的信息可以定量轉(zhuǎn)換為服裝熱阻和新陳代謝量。熱環(huán)境評估包括TSV、PTV和TCV，現(xiàn)場測試投票標尺如圖3所示。問卷調(diào)查是隨機選取以測量儀器為中心相距＜10m的人員，共收到有效問卷1 283份。

圖3 現(xiàn)場測試投票標尺示意圖

2.3 熱舒適評估指標

2.3.1 生理等效溫度

采用PET和UTCI分別作為評估室外熱環(huán)境、人體熱舒適的指標。PET是使用慕尼黑個人能量平衡模型開發(fā)的指數(shù)，定義為在普通的等溫室內(nèi)環(huán)境(空氣溫度為20℃，相對濕度為50%)中，人體熱量收支平衡的條件下，其核心溫度和皮膚溫度與要評估的室外環(huán)境相同時的室內(nèi)空氣溫度[15]。文章借助Rayman熱舒適模型計算4個測點的PET值。

2.3.2 通用熱氣候指數(shù)

UTCI是由國際生物氣象學會基于人體熱反應模型—Fiala多節(jié)點模型和熱舒適模型使用等效溫度概念開發(fā)的指數(shù)[16]，定義為在參照環(huán)境下(活動水平對應于步行4 km/h，并且環(huán)境由平靜的空氣確定，其風速為0.5 m/s、離地面距離為10 m，對應于人身水平約為0.3 m/s，無額外的熱輻射和50%的相對濕度，但蒸氣壓不超過20 hPa)，使人體產(chǎn)生與實際環(huán)境相同生理響應的氣溫[17]。該指數(shù)通過使用人體溫度調(diào)節(jié)模型和最新的服裝模型來模擬動態(tài)生理響應，從而評估生物氣象應用的室外熱環(huán)境[16]，不依賴于人的特征(年齡、性別、服裝、活動等)，是目前用來評價人在室外熱狀態(tài)的常用指標之一。采用線上資源(www.utci.org)計算得到4個測點的UTCI值。

平均輻射溫度(Tmrt)是生物氣象學和熱舒適性研究中的重要參數(shù)，也是計算PET和UTCI的輸入?yún)?shù)，其將短波和長波輻射通量轉(zhuǎn)換成攝氏度單位參數(shù)，表示假想的黑體輻射周圍環(huán)境的均勻溫度。Tmrt的計算由式(1)表示為

式中Tg為黑球溫度，℃；va為風速，m/s；D為黑球傳感器直徑(文中取0.05 m)；ε為發(fā)射率，對于黑色球體取0.95。

3 結(jié)果與分析

3.1 統(tǒng)計結(jié)果和氣象參數(shù)

收集的有效調(diào)查問卷共1 283份，其中男性、女性樣本分別有832份(64.8%)、451份(35.2%)。受試者的年齡段分布差異明顯，90%為18～24歲的大學生，其余10%受試者年齡為25～60歲。著裝主要為短袖(66.34%)和休閑褲(29.8%)，平均服裝熱阻為0.5 clo。人員的主要活動是行走(54.21%)，其平均代謝率為1.51 met，其中在橡膠操場的人員代謝率較高，平均值為1.84 met。

測試時間段內(nèi)，4個測點測量的溫度、相對濕度和風速的結(jié)果見表2，包括平均值、標準偏差、最大和最小值。最高溫度均＞30℃，平均溫度分布趨勢為教學樓＞報告廳＞操場＞樹蔭道。樹蔭道的相對濕度最高，平均值為44.5%，最高達到57.8%，其他3個測點的相對濕度平均值在35.9%～37.8%。4個測點的風速相差不大，平均值均在0.8～0.9 m/s。

表2 氣象參數(shù)對比分析表

3.2 熱舒適度

3.2.1 不同景觀空間熱感覺、熱舒適的變化

為研究人體在不同景觀中的熱感覺，將問卷得到的4個測點的熱感覺投票做柱狀分析，如圖4所示。結(jié)果顯示，B點感到溫度“適中”(TSV＝0)的比例最高，達到44.1%，比C、D兩點分別高16.4%和15.4%；A點人員熱感覺“適中”的比例(39.2%)略低于B點。受試者對溫度的感知大多集中在TSV＝1(“有點熱”)附近，除B點以外，其余3個測點“有點熱”的比例均＞50%。7.7%～14.3%的受試者感覺“熱”(TSV＝2)，感覺“非常熱”(TSV＝3)的比例很小，均＜10%。由于A點部分受試者活動強度大，因此感到“非常熱”的比例高于B點，但低于C、D兩點，說明特殊天氣下，太陽輻射是影響人體熱感覺最主要的因素。

每個測點中受試者總體舒適度投票的百分比如圖5所示?？傮w來看，對室外環(huán)境感到“舒適”和“稍不舒適”的比例相似，4個測點均＜30%。受試者感到“舒適”相對比例較高的測點依次為B點(48.9%)、A點(43.1%)、C點(39%)和D點(35.7%)。只有＜5%的受試者感到“無法忍受”，C和D兩點占比最大，分別為1.3%和3.3%。這表明A點和B點是相對舒適的地點，與周圍樹木遮擋和建筑物遮擋太陽輻射有很大關(guān)系。C點雖有小型噴泉，但對改善人體舒適度效果不明顯。C和D點一樣沒有任何遮擋，全天暴露在直射陽光下，因此舒適度低，這與熱的感覺一致。

圖4 測點的熱感覺投票百分比圖

為了比較每個測點不同時間段的舒適度，4個測點中受試者每小時投票的“舒適”(0)和“稍不舒適”(1)的總百分比如圖6所示。13∶00至14∶00是熱舒適最差的時間段，平均72%的受試者感到舒適，比16∶00至17∶00低了15.5%。其中，B點有最高的舒適度，其值達到93.3%(16∶00至17∶00)，因為B點四周樹木環(huán)繞，有效遮擋了太陽輻射，旁邊有一小面積人工湖，起到增濕效果，因此感到舒適的人員比例均＞80%，變化幅度較小。A點舒適度波動最大，13∶00至14∶00有68.3%的受試者表示舒適，16∶00至17∶00感到舒適的人員增加到92.7%，相差24.4%。這是由于A點的建筑物起到了垂直遮陽的效果，早上人員感到舒適；但隨著太陽高度的上升，舒適度下降；下午建筑物起到遮陽效果，舒適度又上升。C點舒適度最差，因為無任何遮擋，全天暴露在直射陽光下，使地面溫度升高，雖然有一小面積噴泉，但降溫效果不明顯?？梢?，人體舒適度與太陽輻射相關(guān)性較大。4個測點均表現(xiàn)出較高的舒適度，均＞60%。這表明雖然屬于高溫天氣，但大多數(shù)人員表示舒適，說明經(jīng)過炎熱的夏季后，人體已適應了高溫天氣。

圖5 測點的整體舒適度投票百分比圖

圖6 測點每小時整體舒適度投票圖

3.2.2 熱感覺和舒適度相關(guān)性分析

人體的舒適度受到諸如熱環(huán)境、情緒和生理等諸多因素的影響，而熱舒適性主導地位，這與人類對環(huán)境的熱感覺有關(guān)。4個測點的熱舒適投票和熱感覺投票之間關(guān)系的箱線圖如圖7所示。每個回歸方程的R2值較高，熱舒適度與熱感覺有強烈的非線性關(guān)系，整體舒適度隨熱量的增加逐漸降低。4個測點的TSV與TCV的二項式擬合關(guān)系分別由式(2)～(5)表示為

在過渡季節(jié)高溫天氣，最舒適的條件下，操場的TSV為-0.63、樹蔭道為-0.54、報告廳前廣場為-0.85、教學樓前廣場為-0.7。4個測點對應的TSV相差不大，并且均＜0，說明“微涼”被認為是最舒適的熱感覺，這與受試者在高溫天氣下的心理因素有關(guān)。在報告廳前廣場，有少量受試者感到“有點冷”，這是因為早上溫度較低時，噴泉增加了人體的冷感，但此時受試者仍感到舒適，與前面結(jié)論一致。

3.2.3 影響室外熱舒適度因素分析

受試者評價影響室外熱環(huán)境的因素的占比從高到低排序，加權(quán)計算各因素分值，最終折算成百分制，結(jié)果如圖8所示?？梢钥闯?，過渡季節(jié)高溫天氣下受試者認為溫度對人體舒適度影響程度占比達到47.08%，太陽輻射的影響次之(31.84%)，風速的影響最小(7.13%)。4個測點每小時溫度與前一小時溫度的差值變化如圖9所示。可以看出，9∶00至14∶00時間比溫度會持續(xù)上升，而從14∶00開始溫度下降；B點自13∶00溫度開始下降，這是由于其四周樹木環(huán)繞，受太陽輻射影響小，因此溫度下降時間早；D點溫度上升最快，從9∶00迅速增加，在12∶00達到峰值(ΔTa＝2.19℃)，而13∶00以后同一時期升溫高于其他點。因為D點是水泥地面，具有較高的反射率，加上沒有樹木和建筑物的遮擋，因此溫度上升快?？梢缘贸鼋Y(jié)論，過渡季節(jié)高溫天氣下，受試者對溫度最敏感，而太陽輻射是影響空氣溫度最重要的因素，因此，在高溫天氣下人體最需要的是遮陽。

3.2.4 熱偏好投票

將4個測點的空氣溫度、太陽輻射、相對濕度、風速偏好投票進行對比，如圖10所示。更低的溫度和太陽輻射是受試者在特殊高溫下的主要偏好。如圖10(a)所示，＞50%的受試者希望溫度降低，其中C點和D點占比例最大，分別為63.08%和63.1%，這與熱感覺一致。更多的受試者希望太陽輻射降低，如圖10(b)所示，4個地點都占到了＞70%。其中C點最高，占77.91%；B為點76.5%，而A點最少也占到了73.87%。這表明，高溫和高的太陽輻射是受試者感到不適的主要原因。

圖7 熱感覺投票和熱舒適投票之間的相關(guān)圖

圖8 影響人體熱舒適各因素重要性投票圖

對于相對濕度和風速，希望不變和更高的比例相似。4個測點的相對濕度投票如圖10(c)所示，希望不變的人員占50%，平均40.03%的受試者希望濕度更高。其中，A點和D點希望濕度更高的投票高于平均值，分別為42.21%和41.48%；B點和D點低于平均值，分別為38.38%和38.95%。這是因為B點緊挨湖泊，D點附近有噴泉，增加了空氣濕度。風速偏好投票如圖10(d)所示，＞50%的受試者回答不變，D點最高，希望不變的受試者達到61.7%，C點希望風速提高的比例最高，為47.38%，這與C點的低舒適度一致。

圖9 每小時溫差變化圖

圖10 不同測點針對溫度、太陽輻射、相對濕度和風速的偏好投票圖

3.3 熱指數(shù)

3.3.1 生理等效溫度

Rayman模型綜合了地理位置、城市結(jié)構(gòu)等因素，輸入空氣溫度、相對濕度、風速、平均輻射溫度，并在計算PET時考慮了受試者的性別、年齡、身高、體重、服裝熱阻、活動水平等參數(shù)。將TSV分別為0、1、2、3下的PET數(shù)據(jù)以箱線圖的形式分析，擬合得到PET與TSV之間的相關(guān)性，如圖11所示。得到線性關(guān)系由式(6)表示為

PET每升高1℃，TSV增加0.316；當TSV＝0時，中性PET為26.8℃，“有點熱”(TSV＝1)對應的PET為29.9℃。因 此，根 據(jù)PET指 標，氣 溫＞29.9℃，受試者會感到熱。ASHRAE標準規(guī)定各類熱感指標的范圍在該熱感值±0.5的范圍，因此熱中性范圍為-0.5～0.5℃，由此得出中性PET范圍為25.2～28.4℃。比西安城市公園(13.3～23.6℃)[18]和天津某公園(11～24℃)[19]的中性范圍窄的多，說明人體在濟南某高校校園過渡季節(jié)熱敏感明顯。比武漢居住區(qū)過渡季節(jié)(18～23℃)[20]的中性PET高9.4℃，表明人體適應了高溫天氣。

圖11 PET和TSV之間的相關(guān)性圖

3.3.2 通用熱氣候指數(shù)

將TSV分別為0、1、2、3下的UTCI數(shù)據(jù)以箱線圖的形式分析，擬合得到UTCI與TSV之間的相關(guān)性，如圖12所示。得到線性關(guān)系由式(7)表示為

y＝2.45x＋26.647(R2＝0.981)。 (7)

UTCI每升高1℃，TSV增加0.408；當TSV＝0時，中性UTCI為26.6℃，比中性PET低0.2℃；當TSV＝1時，UTCI為29.1℃，根據(jù)UTCI指標空氣溫度超過29.1℃，受試者會感到熱。由擬合關(guān)系可以得出中性UTCI的范圍為25.2～27.9℃，這比中性PET的范圍更窄，說明UTCI比PET更精確地反應人體實際熱感覺。分別比較PET、UTCI與TSV之間的相關(guān)性，發(fā)現(xiàn)UTCI和TSV之間有更高的相關(guān)性(0.981＞0.959)，這與前面的結(jié)論一致。

圖12 UTCI和TSV之間的相關(guān)性圖

研究結(jié)果與XU等[18]結(jié)論一致，發(fā)現(xiàn)太陽輻射和空氣溫度對人體熱舒適影響顯著。從理論上講，當受試者認為自己處于有點冷和有點熱之間時，相應的熱舒適介于舒適和稍不舒適之間，這與YAO等[21]研究結(jié)果一致。

4 結(jié)論

采用現(xiàn)場測試和調(diào)查問卷的方式，研究了過渡季節(jié)特殊天氣下某大學校園室外熱舒適性，得到以下主要結(jié)論:

(1)測試期間日最高氣溫比同期高5.6℃，日平均最高溫度為30.4℃，因此在特殊天氣下，人員對氣溫最敏感，受試者表示在4個環(huán)境因素中，溫度對室外熱環(huán)境的影響程度占47.8%，太陽輻射占31.84%，風速和相對濕度僅占21.08%。

(2)過渡季節(jié)“微涼”被認為是最舒適的熱感覺，平均超過50 %的人員熱感覺表示“有點熱”。4個測點均有＞60%的人感到舒適。舒適度與遮陽效果密切相關(guān)，樹蔭道是最舒適的地點，最高有93%的人員感到舒適；沒有任何遮擋的教學樓前廣場和報告廳前廣場的舒適度相對低一些(分別為79.9%和79.2%)；操場由于垂直遮陽的原因，舒適度波動較大，感到舒適人員的波動范圍為63.9%～92.7%，并且水體對改善室外熱環(huán)境效果不明顯。

(3)室外熱感覺與PET、UTCI有強的線性關(guān)系。在夏秋過渡季節(jié)，PET升高1℃，熱感覺升高0.316，UTCI升高1℃，熱感覺升高0.408。濟南某高校校園的中性PET和UTCI范圍分別為25.2～28.4℃和25.2～27.9℃，比西安城市公園和天津某公園熱敏感明顯，比武漢居住區(qū)過渡季節(jié)的中性PET高9.4℃。同時，PET＞29.9℃或UTCI＞29.1℃時，人員會感到熱。