天津市老舊居住區(qū)室外熱舒適研究

袁景玉, 田凱越， 姚 勝

(河北工業(yè)大學(xué) 建筑與藝術(shù)設(shè)計學(xué)院， 天津300130)

室外熱環(huán)境是居住區(qū)室外空間環(huán)境營造中非常重要的內(nèi)容[1]。天津市現(xiàn)存老舊居住區(qū)大多建于八九十年代，建筑布局、空間等的設(shè)計相對隨意[2]，居住區(qū)熱環(huán)境存在明顯的缺陷，而后期的改造、維護(hù)中，也更注重建筑本身的處理，對室外熱環(huán)境考慮較少，從而影響了居住區(qū)室外的熱舒適[3]。

對于居住區(qū)室外熱環(huán)境的研究，Carlestam等[4]通過對納維亞半島熱環(huán)境的分析，發(fā)現(xiàn)由于當(dāng)?shù)鼐暥容^高，晝短夜長，且寒冷期較長，因此居民更偏好在太陽輻射強(qiáng)烈的地方建造居住和活動場地。美國舊金山市規(guī)劃部[5]提出當(dāng)?shù)氐慕ㄖO(shè)計必須要兼顧居民對風(fēng)速和太陽輻射的需求。近來年，針對居住區(qū)熱環(huán)境分析與改善的課題逐漸增多。在國內(nèi)，蔣存妍等[6]通過調(diào)研分析給出了嚴(yán)寒地區(qū)過渡季基于熱環(huán)境的規(guī)劃啟示。劉樂[7]通過實(shí)測分析西安居住區(qū)的室外熱環(huán)境，進(jìn)而對小區(qū)內(nèi)規(guī)劃布局提出改造措施。周峰等[8]在提出熱環(huán)境影響因素的基礎(chǔ)上，通過ENVI-met軟件模擬獲得建筑空間形態(tài)、密度、容積率等對熱環(huán)境的量化影響關(guān)系。黃澤峰[9]對綿陽地區(qū)大學(xué)校園進(jìn)行實(shí)測調(diào)研分析，得到相應(yīng)的熱感覺及熱舒適規(guī)律，并以生理學(xué)等價溫度PET為指標(biāo)，通過軟件模擬得到不同規(guī)劃設(shè)計因子對熱環(huán)境舒適度的定量影響。

對于熱舒適的研究，F(xiàn)anger[10]提出了基于人體熱舒適平衡方程的預(yù)測平均熱感覺指標(biāo)PMV。Mayer等[11]提出了慕尼黑能量平衡模型MEMI。H?ppe[12]根據(jù)MEMI模型開發(fā)了生理等效溫度PET。國際生物氣象學(xué)協(xié)會(ISB)[13]開發(fā)了人體自動調(diào)節(jié)狀態(tài)下的多節(jié)點(diǎn)通用熱氣候指數(shù)UTCI。隨著熱舒適指標(biāo)應(yīng)用研究的增多，Cheng等[14]在香港預(yù)測了PMV指標(biāo)在冬夏季室外太陽輻射、風(fēng)速影響下的準(zhǔn)確性，證明PMV并不適用于相對復(fù)雜的室外熱環(huán)境的舒適度評價。Lin等[15]對臺灣月潭進(jìn)行實(shí)地調(diào)研，得到臺灣地區(qū)熱舒適的PET范圍，并證明了通過當(dāng)?shù)貙?shí)測和人體熱感受相關(guān)性分析可以得到不同地區(qū)的熱舒適指標(biāo)。賴達(dá)祎[16]通過對天津市室外熱舒適的實(shí)測研究，就PMV、PET和UTCI適應(yīng)性做出判斷，指出適合天津的范圍。雷永生[17]通過對哈爾濱不同室外空間的實(shí)測調(diào)研分析，建立了嚴(yán)寒地區(qū)各季節(jié)多維度室外熱舒適預(yù)測模型。席天宇等[18]對哈爾濱旅游景點(diǎn)進(jìn)行調(diào)研，分析了不同地區(qū)游客的熱適應(yīng)模式。方小山等[19]通過調(diào)研與實(shí)測提出了廣州地區(qū)夏季老年人室外熱舒適模型。魏宇迪等[20]對武漢市城區(qū)進(jìn)行調(diào)研分析，建立了夏季熱舒適回歸模型，并提出了熱舒適改進(jìn)意見。

綜上，隨著對室外熱環(huán)境的認(rèn)識以及研究方法的發(fā)展，大多數(shù)研究主要集中在針對室外熱環(huán)境的改造及熱舒適指標(biāo)的適用性理論問題上[21]，對于建筑群體內(nèi)普遍存在的熱舒適問題，尚缺少具體可行的實(shí)測和分析方法對其作出定量的評判。天津市作為全國最早的老年型城市之一，老舊居住區(qū)所占比重大，將其老舊居住區(qū)布局形式與室外空間熱舒適存在的問題相結(jié)合尚待進(jìn)行深入的研究。

本文通過對天津市老舊居住區(qū)居住者感受的調(diào)研與物理環(huán)境的實(shí)測，定量地評價室外熱環(huán)境的舒適度，并提出相應(yīng)的居住區(qū)布局優(yōu)化措施，希望能為居住區(qū)室外活動空間熱舒適的改善提供幫助，也為之后新建小區(qū)的布局設(shè)計提供一定的參考。

1 研究方法

1.1 對象選取

利用Google Earth地圖對天津市內(nèi)40多個老舊居住區(qū)進(jìn)行詳細(xì)觀測與記錄，通過資料收集與統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，天津市老舊住區(qū)多為行列式、圍合式及混合式3種布局形式。選取燕宇藝術(shù)家園(行列式)、佳安里(圍合式)、佳寧里(混合式)3個典型小區(qū)(見圖1)進(jìn)行分析，并在每個小區(qū)中選取人們經(jīng)?；顒拥牡攸c(diǎn)(見表1)進(jìn)行下一步調(diào)研測試分析。

表1 測點(diǎn)位置分布表Tab.1 Distribution of measuring points

1.2 現(xiàn)場測試

為了研究熱環(huán)境的客觀影響因素，對居住區(qū)的主要熱環(huán)境物理要素溫度、濕度、風(fēng)速、黑球溫度進(jìn)行實(shí)測，也為各測點(diǎn)平均輻射溫度(Tmrt)以及生理學(xué)等價溫度PET的計算提供數(shù)據(jù)支持，其中平均輻射溫度的計算見式(1)。測試中用到的儀器設(shè)備主要有溫濕度記錄儀、熱敏式風(fēng)速計以及黑球溫度計等，其具體參數(shù)見表2。

表2 測試儀器參數(shù)Tab.2 Parameters of test instruments

(1)

式中：Tg為黑球溫度(℃)；Ta為空氣溫度(℃)；Va為風(fēng)速(m/s)；ε為發(fā)射率，對于黑球ε=0.95；D為黑球溫度計黑球直徑(m)，取0.15 m。

春季作為過渡季，天氣變化較緩，適宜進(jìn)行戶外活動，良好的居住區(qū)室外熱環(huán)境則顯得非常重要。調(diào)研中實(shí)測時間為2019年4月27日，天氣晴朗，分別在10:00和15:00這兩個居民活動較多的時間點(diǎn)同時對3個小區(qū)進(jìn)行測試。每個小區(qū)從1號點(diǎn)出發(fā)，記錄測點(diǎn)1.5 m高度處測點(diǎn)的物理參數(shù)，每個點(diǎn)停留3 min便迅速轉(zhuǎn)移到下一點(diǎn)進(jìn)行測試。

1.3 問卷調(diào)研

實(shí)測的同時在小區(qū)的大空間活動廣場發(fā)放調(diào)查問卷，在測試者的解釋引導(dǎo)下完成，每次在每個大空間活動廣場發(fā)放10份，共180份。本次調(diào)研受試者為在活動廣場停留的50歲以上的老年人，男性116人(64.4%)，女性64人(35.6%)，其中51～60歲之間84人(46.7%)，61～70歲之間70人(38.9%)，70歲以上26人(14.4%)。

調(diào)查問卷的主要內(nèi)容包括受訪人員的基本信息(如年齡、性別、體重、身高、衣物熱阻以及活動類型、活動地點(diǎn)和活動時間的長短等)，對公共空間的熱感覺、對熱環(huán)境參數(shù)的偏好以及對小區(qū)熱舒適改造的建議?？紤]到天津市過渡季的氣候特征，熱感受采用ASHRAE推薦的7級分度標(biāo)尺中的涼(-2)、微涼(-1)、中性(0)、微暖(+1)、暖(+2)等5級標(biāo)度。

1.4 優(yōu)化模擬

通過對3個居住區(qū)室外熱環(huán)境物理要素的現(xiàn)場測試數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析，選取典型居住區(qū)進(jìn)行建筑布局的優(yōu)化設(shè)計與模擬，其中選用Phoenics軟件計算室外的風(fēng)速場和溫度場，Ecotect軟件計算太陽輻射場。就小區(qū)內(nèi)1.5 m(人員呼吸區(qū)域)高度處15∶00的物理參數(shù)模擬結(jié)果進(jìn)行重點(diǎn)分析，同時提取代表性測點(diǎn)的數(shù)據(jù)輸入RayMan熱舒適模型中計算得到相應(yīng)的PET值，并與優(yōu)化前進(jìn)行比較。

2 結(jié)果與分析

2.1 現(xiàn)場實(shí)測結(jié)果分析

由于太陽方位的原因，下午小區(qū)內(nèi)熱環(huán)境存在更多的問題。因此，對3個小區(qū)15:00的熱環(huán)境參數(shù)進(jìn)行分析。

見圖2，燕宇藝術(shù)家園的室外溫度介于16～18 ℃，而佳安里與佳寧里分別為16～18.5 ℃、18～20 ℃，各小區(qū)內(nèi)不同位置測點(diǎn)的溫度出現(xiàn)輕微波動，但總體上佳寧里的室外空氣溫度明顯高于佳安里與燕宇藝術(shù)家園約2 ℃，可見圍合度越高，小區(qū)內(nèi)熱環(huán)境溫度也越高。見圖3，燕宇藝術(shù)家園的濕度分布于46.8%～49.5%之間，而佳安里與佳寧里小區(qū)分別為45.4%～47.3%、43.8%～48%，其中因燕宇藝術(shù)家園9、10測點(diǎn)有局部景觀水體、佳寧里活動空間1、2、3、11測點(diǎn)布置有集中綠化，濕度與同一小區(qū)內(nèi)其他測點(diǎn)相比存在明顯的波動，而佳安里小區(qū)由于不存在景觀水體與集中綠化的影響，其濕度波動相對較小。

圖2 不同位置溫度分布Fig.2 Temperature distribution at different locations

圖3 不同位置濕度分布Fig.3 Humidity distribution at different locations

見圖4，燕宇藝術(shù)家園的風(fēng)速波動最大，佳安里次之，佳寧里最小，而平均風(fēng)速佳安里最小，燕宇藝術(shù)家園最大。大空間活動空間測點(diǎn)受位置的影響差異較大，燕宇藝術(shù)家園測點(diǎn)2受行列式豎向狹管效應(yīng)的影響，測點(diǎn)3由來風(fēng)向角隅風(fēng)的作用，風(fēng)速可達(dá)1.8 m/s；而佳安里和佳寧里測點(diǎn)2由建筑的布局造成風(fēng)速差異較大。佳安里和佳寧里山墻間測點(diǎn)4～6由狹管效應(yīng)形成驟增的風(fēng)口；燕宇藝術(shù)家園測點(diǎn)4和6形成豎向氣流，風(fēng)速較大，而測點(diǎn)5由于周邊建筑錯列布局，風(fēng)速平穩(wěn)。此外，建筑宅前空間風(fēng)速均相對平穩(wěn)。3個居住區(qū)受其排布方式的影響，其中燕宇藝術(shù)家園宅間活動小廣場在建筑錯列布局的影響下，穩(wěn)定在0.8 m/s左右；而佳寧里和佳安里則由于西側(cè)建筑的遮擋，風(fēng)速更小。

圖4 不同位置風(fēng)速分布Fig.4 Wind speed distribution at different locations

平均輻射溫度(Tmrt)值由實(shí)測的黑球溫度間接計算得出，15:00太陽位置偏西，居住區(qū)內(nèi)太陽輻射較上午存在明顯問題，此時仍屬于居民外出活動的高峰時段。由圖5可看出，由于燕宇藝術(shù)家園為行列式布局，其室外空間太陽輻射良好，Tmrt值普遍較高；佳安里建筑以圍合式布局為主，下午部分空間受西側(cè)建筑遮擋的影響，太陽輻射偏低，整個小區(qū)Tmrt值波動大。相對而言，佳寧里內(nèi)部空間Tmrt波動性最小。燕宇藝術(shù)家園、佳寧里大空間活動廣場Tmrt值均較高，佳安里測點(diǎn)2為西側(cè)建筑圍合形成的空間，由于太陽方位的變化，下午僅有少量直射陽光的存在，Tmrt值低于其他測點(diǎn)，在27 ℃左右；其他大空間活動廣場測點(diǎn)Tmrt值在34～38 ℃之間。建筑山墻間的測點(diǎn)受建筑不同程度的遮擋，3個小區(qū)有不同的Tmrt值。宅前空間受建筑高度和住宅間距的影響，3個小區(qū)Tmrt值不同。對于宅間活動小廣場，佳安里測點(diǎn)10、11、12和佳寧里測點(diǎn)10、12受西側(cè)建筑遮擋的影響，低于其他測點(diǎn)；燕宇藝術(shù)家園活動小廣場Tmrt值良好。

圖5 不同位置平均輻射溫度分布Fig.5 Mean radiation temperature distribution at different locations

2.2 調(diào)查問卷結(jié)果分析

見圖6，從3個小區(qū)的舒適度問卷統(tǒng)計結(jié)果可以看出燕宇藝術(shù)家園居民的整體感覺偏涼，佳安里適中，佳寧里小區(qū)偏暖，其中燕宇藝術(shù)家園居民熱感覺中涼、微涼各占36.7%、53.3%，佳安里小區(qū)微涼、適中、微暖分別占35%、37.5%、17.5%，而佳寧里居民熱感覺適中、微暖、暖的比例分別為27.5%、40%、7.5%。

圖6 熱感覺投票分布Fig.6 Distribution of thermal sensation vote

見圖7，在3個小區(qū)內(nèi)，居民偏好的熱環(huán)境主要集中在對溫度、風(fēng)速和太陽輻射方面的優(yōu)化，而對濕度變化的需求不明顯?？傮w上56%以上的居民認(rèn)為當(dāng)時的溫度處在適中范圍內(nèi)，其中燕宇藝術(shù)家園居民對溫度的滿意度最低，有63%的居民希望增高空氣溫度，佳安里則有34%的居民希望增高溫度。60%以上的居民都能夠適應(yīng)所在小區(qū)的室外濕環(huán)境，可見居民對于濕度的偏好不明顯。就室外風(fēng)速而言，燕宇藝術(shù)家園的居民有64%希望降低風(fēng)速，而佳安里和佳寧里分別有45%和71%的居民希望風(fēng)速保持不變。此外，燕宇藝術(shù)家園的居民對太陽輻射的滿意度最高，達(dá)到67%，而佳安里受建筑遮擋的影響，有47%的居民希望獲得更多的太陽輻射，佳寧里也有31%的居民認(rèn)為有必要加大太陽輻射。

圖7 熱環(huán)境偏好投票分布Fig.7 Distribution of votes for thermal environment preference

2.3 熱舒適指標(biāo)計算與分析

生理學(xué)等價溫度PET是評價室外熱環(huán)境舒適度的定量指標(biāo)[12]。選用RayMan軟件對PET值進(jìn)行計算，其準(zhǔn)確性已經(jīng)得到證實(shí)[22]。在初始階段根據(jù)現(xiàn)場測試數(shù)據(jù)輸入：空氣溫度、空氣濕度、風(fēng)速、平均輻射溫度、計算的日期和時刻、地理位置以及人員的年齡、性別、體重、身高、活動強(qiáng)度和衣服熱阻等參數(shù)值，進(jìn)而計算得出不同測點(diǎn)的PET值，其中活動的代謝率取1.0 met，衣服熱阻取0.9 clo[23]。

由圖8可看出，佳寧里內(nèi)部空間熱環(huán)境較穩(wěn)定，PET值波動最小。平均PET值燕宇藝術(shù)家園最小，在16～21 ℃之間；佳寧里最大，在17～24 ℃之間。大空間活動廣場PET值波動較大，其中燕宇藝術(shù)家園測點(diǎn)2、3風(fēng)速大，溫度低，佳安里測點(diǎn)2受西側(cè)建筑遮擋太陽輻射較低，佳寧里測點(diǎn)2位于居住區(qū)外，建筑群體的不合理布局導(dǎo)致風(fēng)速偏大，這些因素都使活動廣場的PET值偏低。而佳安里、佳寧里測點(diǎn)1、3太陽輻射良好，風(fēng)速穩(wěn)定，PET值較高。對于建筑山墻間測點(diǎn)，受風(fēng)速影響，PET值普遍較低，測點(diǎn)5由于建筑的錯列布局，PET值較高。宅前空間的間距影響了熱環(huán)境的變化，進(jìn)而影響了各居住區(qū)的PET值分布。宅前小廣場燕宇藝術(shù)家園各測點(diǎn)由于錯列布局營造的活動空間PET值普遍較高，佳安里測點(diǎn)10、11、12和佳寧里測點(diǎn)10、12受太陽輻射影響，PET值偏低。

圖8 不同位置生理學(xué)等價溫度分布Fig.8 Distribution of physiological equivalent temperature at different locations

通過對小區(qū)內(nèi)室外熱環(huán)境的實(shí)測、熱舒適指標(biāo)PET值的計算以及對居民熱感覺的調(diào)查，建立了春季天津市老舊居住區(qū)老年人主觀熱感覺投票值TSV與基于實(shí)測值的熱舒適指標(biāo)生理學(xué)等價溫度PET之間的對應(yīng)關(guān)系。運(yùn)用SPSS 17.0軟件，取問卷調(diào)研中TSV的平均值，以0.5 ℃PET進(jìn)行間隔分組，用加權(quán)線性回歸的方法得到兩者的關(guān)系曲線見圖9，擬合效果良好，其方程式為：

圖9 主觀熱感覺投票與生理學(xué)等價溫度相關(guān)性Fig.9 Correlation between subjective thermal sensation vote and physiological equivalent temperature

TSV=0.103PET-2.195 (R2=0.816)

(2)

可以看出，當(dāng)TSV=0時，PET=21.3 ℃，即老年人春季室外熱中性PET值為21.3 ℃。以TSV在-0.5～+0.5之間的PET范圍為熱舒適范圍依據(jù)，可知春季天津市老年人的熱舒適生理學(xué)等價溫度區(qū)間為16.5～26.2 ℃。考慮到老年人新陳代謝和機(jī)體調(diào)節(jié)能力較弱，喜歡溫度更高的室外環(huán)境且可承受的外界溫度變化范圍較小，因此這一結(jié)論與賴達(dá)祎[16]在關(guān)于中國北方地區(qū)室外熱舒適的研究中得到的天津市居民熱感覺對應(yīng)的PET適中尺度為11～24 ℃基本一致。

2.4 優(yōu)化措施與模擬結(jié)果分析

建筑群體的布局形式不同，居住區(qū)內(nèi)不同的室外空間會帶給人們不一樣的熱舒適感受。由以上實(shí)測的分析結(jié)果可知，居住區(qū)規(guī)劃布局中，選擇在建筑來風(fēng)向一側(cè)進(jìn)行圍合，內(nèi)部采用行列式的混合式布局其室外熱環(huán)境PET值更高，波動更小。因此，以佳寧里為原型，進(jìn)行建筑布局的優(yōu)化設(shè)計與模擬，優(yōu)化設(shè)計平面圖見圖10。

圖10 優(yōu)化設(shè)計平面圖Fig.10 Optimization design plan

1) 對于外側(cè)圍合部分，下午受西側(cè)建筑遮擋，太陽輻射低，在這些空間人們更愿意擁有充足的光照來提高戶外舒適度。在建筑來風(fēng)一側(cè)布置東西向建筑，形成一個連續(xù)封閉的二層高擋風(fēng)面，使左側(cè)底層建筑和道路也有一定的太陽輻射，同時避免外側(cè)建筑角隅風(fēng)的影響，改善內(nèi)部的通風(fēng)效果。

2) 內(nèi)側(cè)行列式布局的豎向空間以及建筑山墻間空間的狹管效應(yīng)均導(dǎo)致風(fēng)速過大，溫度降低，PET值低于熱舒適范圍，對于此類活動空間，人們更想降低其風(fēng)速。因此，可選擇錯列式的布局方式，增加山墻間的間距，使流向小區(qū)內(nèi)部的氣流速度變緩。

3) 建筑宅前空間的間距需滿足日照和通風(fēng)需求。對于大空間活動廣場，合理布置其位置，沿住宅的山墻面加建帶狀二層配套用房，圍合成私密的內(nèi)向活動空間，其間距增加至3倍日照間距，此活動廣場的設(shè)計能滿足老年公寓公共服務(wù)設(shè)施的要求，也可以保證穩(wěn)定的室外熱環(huán)境。

經(jīng)過前面的實(shí)測分析可知，每個小區(qū)內(nèi)的濕度分布相對均勻，模擬中采用實(shí)測加權(quán)平均值作為其計算依據(jù)。太陽輻射、風(fēng)速、溫度等物理參數(shù)的模擬分析結(jié)果見圖11，優(yōu)化前后室外空間平均PET值的對比見表3。

圖11 優(yōu)化后15:00模擬分析圖Fig.11 Simulation analysis diagram at 15:00 after optimization

表3 優(yōu)化前后平均PET值對比表Tab.3 Comparison table of average PET valuebefore and after optimization 單位：℃

經(jīng)過優(yōu)化設(shè)計后，居住區(qū)內(nèi)各測點(diǎn)溫度分布相對均勻，風(fēng)速也趨于穩(wěn)定。居住區(qū)內(nèi)靜風(fēng)區(qū)有所減少，同時入口處風(fēng)速也得到降低，在實(shí)際設(shè)計中，開口附近及建筑圍合空間的綠化設(shè)計，還會使其風(fēng)速有所降低。通過建筑高度的調(diào)整，受西側(cè)影響嚴(yán)重的空間內(nèi)太陽輻射值得到大幅提高。此外，各測點(diǎn)的PET值也有所提高，并分布更加均勻，不同活動空間測點(diǎn)的PET平均值均維持在一個合理的范圍內(nèi)。因此通過優(yōu)化設(shè)計可明顯改善居住區(qū)的室外熱環(huán)境，為居民提供更加舒適的戶外活動空間。

3 結(jié) 論

1) 天津市老舊居住區(qū)內(nèi)春季室外溫度、濕度波動較小，其中圍合程度較高的混合式小區(qū)佳寧里平均溫度最大，濕度最??；行列式布局的燕宇藝術(shù)家園居住區(qū)風(fēng)速波動及平均值均最大；圍合式居住區(qū)佳安里平均輻射溫度波動最大，平均輻射溫度偏低。綜合各熱環(huán)境參數(shù)的影響，混合式布局的佳寧里小區(qū)生理學(xué)等價溫度波動小且平均值最高。

2) 針對大空間活動廣場，行列式布局的燕宇藝術(shù)家園居民的整體感覺偏涼，圍合式居住區(qū)佳安里適中，而混合式的佳寧里小區(qū)則偏暖。此外，居民偏好的熱環(huán)境主要集中在對溫度、風(fēng)速和太陽輻射方面的優(yōu)化，而對濕度變化的需求不明顯。

3) 就天津市老舊居住區(qū)室外空間而言，春季老年人室外熱中性生理學(xué)等價溫度約為21.3 ℃，其熱舒適生理學(xué)等價溫度范圍為16.5～26.2 ℃。

4) 在新建居住區(qū)設(shè)計中，宜采用在建筑來風(fēng)向一側(cè)圍合，內(nèi)部為行列式分布的混合式布局形式，合理安排建筑間的空間組合，滿足居住區(qū)功能及熱舒適需求。