夏熱冬冷地區(qū)秋冬季節(jié)室外熱舒適研究

水滔滔，符扣鎖，李金偉

（1. 安徽建筑大學(xué) 環(huán)境與能源工程學(xué)院，安徽 合肥 230601；2. 安徽省BIM 工程中心，安徽 合肥 230601；3. 安徽省綠色建筑先進(jìn)技術(shù)研究院，安徽 合肥 230601）

隨著城市現(xiàn)代化進(jìn)程推進(jìn)，人們對生活環(huán)境提出了更高要求。室外熱舒適性是評價(jià)城市宜居性的一項(xiàng)重要標(biāo)準(zhǔn)，人們會花更多時(shí)間在具有舒適性條件的戶外[1]。因此，隨著城市微氣候受到重視，室外熱舒適性的研究越來越具有現(xiàn)實(shí)意義。

從20 世紀(jì)40 年代提出風(fēng)冷卻指數(shù)，學(xué)界即開始了對室外熱舒適的研究。60 年代后期，出于節(jié)能的需要，熱舒適研究進(jìn)展迅速，人們認(rèn)識到保持良好的熱舒適環(huán)境既有助于身體健康，又能提高工作效率。因此，迄今國內(nèi)外學(xué)者在熱舒適方面做了大量研究。早期研究主要針對室內(nèi)熱環(huán)境的適應(yīng)性，近年來，關(guān)于室外環(huán)境的熱舒適性研究逐漸增多。Tseliou A 等[2]的研究證實(shí)了氣候和舒適條件之間存在密切關(guān)系，空氣溫度和太陽輻射是舒適性的重要決定因素；Kenny NA 等[3]的研究評估了COMFA 戶外熱舒適模型對進(jìn)行中度—?jiǎng)×疫\(yùn)動的受試者的表現(xiàn)；Yin 和Zheng 等[4]廣泛調(diào)查露天空間的熱舒適條件，研究了亞熱帶季風(fēng)氣候地區(qū)室外的環(huán)境如何影響人們的熱感，并確定導(dǎo)致夏季人類熱舒適響應(yīng)變化的因素；Zhao 等[5]采用現(xiàn)場測量和問卷調(diào)查相結(jié)合的方法，在亞熱帶地區(qū)廣州大學(xué)校園內(nèi)進(jìn)行熱舒適性研究，為廣州地區(qū)開發(fā)新的熱舒適指標(biāo)模型。國內(nèi)呂芳等[6]調(diào)查天津地區(qū)夏季的舒適度，并與以往測試進(jìn)行對比分析，確定了舒適區(qū)域；錢煒[7]以PMV 模型為基礎(chǔ)，推導(dǎo)出戶外熱環(huán)境舒適性評價(jià)模型OTCD；陳慧梅等[8]采用現(xiàn)場調(diào)查與實(shí)地測量相結(jié)合的方法，分析了人們對亞熱帶地區(qū)廣州夏季自然通風(fēng)建筑的適應(yīng)性，得出了該地區(qū)自然通風(fēng)建筑的熱中性溫度與可接受溫濕度上限。但是目前我國關(guān)于亞熱帶地區(qū)的熱舒適研究主要集中于夏季，對于秋冬季節(jié)室外熱舒適的研究相對較少。本文旨基于合肥市某大學(xué)校園的室外熱環(huán)境，采用實(shí)地測量與調(diào)查問卷相結(jié)合的方式，研究了合肥地區(qū)秋冬兩季室外熱舒適的影響因素及受訪者的主觀期望情況，并在此基礎(chǔ)上建立熱感覺預(yù)測模型，為以合肥地區(qū)為代表的夏熱冬冷地區(qū)室外建筑熱環(huán)境設(shè)計(jì)規(guī)劃提供參考。

1 研究方法

1.1 問卷調(diào)查方式

為了研究合肥地區(qū)過渡季前后的室外熱舒適情況，本研究于2019 年9 月23 日至2020 年1 月4 日進(jìn)行共計(jì)33 次問卷調(diào)查，發(fā)出并收集了638份有效問卷。根據(jù)合肥市氣候資料，合肥市秋季為9 月21 日至11 月15 日，冬季為11 月16 日至3月25 日。因此，本次調(diào)查中，以9 月23 日至11 月11 日為秋季階段，11 月18 日至次年1 月4 日為冬季階段。

本次實(shí)驗(yàn)研究的開展地點(diǎn)為合肥某校園，調(diào)查的主要對象為在校大學(xué)生。為消除人體對環(huán)境的適應(yīng)性對結(jié)果的影響，本次調(diào)查的受訪者均在合肥生活半年以上，平均年齡為20 歲，平均身高為169 cm，平均體重為60 kg。在調(diào)查時(shí)，受訪者進(jìn)食時(shí)間均超過30 min 并且未從事劇烈運(yùn)動，主要活動均為慢走或靜止，進(jìn)一步消除了活動狀態(tài)對實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響。

本調(diào)查的研究數(shù)據(jù)主要包括受訪者的生理參數(shù)、著裝情況、活動量以及其對當(dāng)前環(huán)境的熱感覺與熱舒適投票情況。為消除測試區(qū)域周圍環(huán)境對結(jié)果的影響，本次選取五個(gè)測試地點(diǎn)，周圍環(huán)境和下墊面情況均相似（見圖1 的L1～L5），同時(shí)，為方便被調(diào)查者及時(shí)有效填寫問卷，本次問卷以電子問卷和紙質(zhì)問卷相結(jié)合為主。

圖1 氣象站位置、測試區(qū)域、現(xiàn)場環(huán)境、魚眼照片和SVF

此類實(shí)驗(yàn)常用的熱感覺投票（Thermal Sensation Vote，TSV）采用7 級標(biāo)度，但是考慮到合肥地區(qū)氣候特點(diǎn)以及部分極端情況，增加了“非常熱”熱感覺標(biāo)度，并相應(yīng)在冷感覺加入了“非常冷”的熱感覺標(biāo)度。故此，本次TSV 實(shí)驗(yàn)采用9 級標(biāo)度，其標(biāo)度劃分見表1；而熱舒適投票（Thermal Comfort Vote，TCV）則采用7 級劃分標(biāo)度，見表2。

表1 TSV 熱感覺標(biāo)度

表2 TCV 熱舒適標(biāo)度

1.2 數(shù)據(jù)采集方法

使用錦州陽光PC-8 型物聯(lián)網(wǎng)氣象環(huán)境站采集數(shù)據(jù)，將其置于校園內(nèi)一棟五層樓高建筑的樓頂，見圖1（S1），主要數(shù)據(jù)為環(huán)境溫度（T）、風(fēng)速（V）、相對濕度（RH）和太陽總輻射（S），并且設(shè)定每5 min 記錄一次當(dāng)前氣象數(shù)據(jù)。

2 調(diào)查結(jié)果及數(shù)據(jù)分析

2.1 對熱環(huán)境水平的分析

合肥地區(qū)為典型的亞熱帶濕潤季風(fēng)氣候，秋季時(shí)長短，氣溫下降快；冬季較為寒冷，雨雪天氣少。本文測量了合肥某校園秋冬兩季各時(shí)段周邊熱環(huán)境參數(shù)，環(huán)境溫度、相對濕度、太陽輻射與風(fēng)速如圖2 所示。由圖可知，測試時(shí)段秋季溫度為16～23 ℃，冬季為4～12 ℃，秋冬季溫差約為10 ℃，溫差較為明顯，但兩季溫度趨勢大致相同，均在13:00～15:00達(dá)到日溫度最高值；秋冬季相對濕度變化趨勢基本相同且差異較小，整體在25%～80%波動；秋冬季太陽輻射的日均值變化趨勢大致相同，但冬季白天太陽輻射基本高于秋季，且冬季日平均太陽輻射最高值約為850 W/m2，明顯高于秋季最高值600 W/m2。此外，秋季平均風(fēng)速約為0.8 m/s，而冬季約為1.5 m/s，冬季風(fēng)速總體高于秋季。

表3 氣象站參數(shù)

圖2 秋冬季各時(shí)段室外環(huán)境氣象參數(shù)逐時(shí)平均值

2.2 受訪人群主觀接受情況

圖3 為秋冬季受訪者主觀接受分布情況，分析受訪者問卷數(shù)據(jù)可得：受訪者對秋冬兩季室外熱環(huán)境的接受程度整體較高，秋季受訪人群可接受程度達(dá)91%，冬季為79%。由此可推測知：受訪者均具備自身的生理調(diào)節(jié)以及活動行為上的調(diào)節(jié)能力，從而使得兩季整體可接受程度較高。對比秋冬兩季節(jié)來看，在秋季，合肥地區(qū)室外熱舒適人群可接受情況較好，推測是由于大多數(shù)受訪者秋季可結(jié)合自身的生理情況，通過調(diào)節(jié)穿衣，達(dá)到可接受室外熱環(huán)境的程度。而在冬季，受訪者“不可接受”的投票占比較秋季有明顯上升，由9%上升至21%，猜測對于部分人群，僅依靠人體生理和活動行為調(diào)節(jié)，仍難以適應(yīng)并接受冬季的室外熱環(huán)境。

圖3 秋冬季可接受情況投票分布

2.3 主觀熱舒適影響比重與期望分析

圖4、圖5 為室外氣象環(huán)境對人體主觀熱舒適影響的投票統(tǒng)計(jì)?？梢钥闯鍪茉L者關(guān)于溫度、濕度、風(fēng)速與太陽輻射等4 個(gè)氣象因素對熱舒適的影響程度在秋冬兩季排序相同，具體排序結(jié)果均為溫度、風(fēng)速、輻射和濕度。選擇溫度為主要影響因素的人分別高達(dá)68.89%與73.4%，說明受訪者認(rèn)為，秋冬季合肥地區(qū)室外溫度對人體舒適度的影響最大。風(fēng)速對舒適度的影響程度均排名第二，僅次于溫度，原因在于調(diào)查期間合肥室外溫度下降明顯，因此受訪者對自身熱量的散失感知有所上升，風(fēng)速略微變化即可引起不適。相比溫度和風(fēng)速，秋冬兩季太陽輻射對受訪者的舒適度影響均有限，分別占比10.22%與5.85%。而濕度則是對舒適度影響最小的因素。

圖4 影響人體熱舒適最大因素投票百分比（秋季）

圖5 影響人體熱舒適最大因素投票百分比（冬季）

圖6、圖7 為受訪者對秋冬兩季不同氣象因素的期望投票統(tǒng)計(jì)。對比分析發(fā)現(xiàn)，秋冬兩季，過半的受訪者希望太陽輻射保持不變，但是期望太陽輻射升高的比例由秋季的17%增至冬季的40.4%，增幅約為138%，表明在氣溫較低時(shí)，提高太陽輻射有利于提高受訪者的舒適度；對濕度的期望基本相同，主要為相對濕度保持不變；對風(fēng)速的期望變化則較為明顯，更多人希望在冬季降低風(fēng)速，其比例由秋季的13.50%增至冬季的39.20%，增幅約為193%，表明風(fēng)速對受訪者的熱舒適影響巨大，溫度較低時(shí)，受訪者更希望降低風(fēng)速減少熱量散失，從而保證自身的舒適性；對溫度的期望變化同樣劇烈，在秋季，超過半數(shù)的受訪者期望溫度保持不變，而在冬季，67.30%的受訪者期望溫度升高，增幅明顯。

圖6 秋季受訪者對不同氣象因素的期望

圖7 冬季受訪者對不同氣象因素的期望

通過此類調(diào)查的對比分析可以得出，溫度依然是影響受訪者熱舒適的最主要因素，受訪者更期望通過調(diào)節(jié)溫度以最快、最直接地提升熱舒適性；其次，當(dāng)溫度處于較低水平時(shí)，受訪者期望降低風(fēng)速，以減少或減慢熱量散失速率，或期待提高太陽輻射，以保證熱舒適性；至于相對濕度，受訪者對其期望較少，在秋冬兩季基本無大幅度變化，可以認(rèn)為相對濕度對熱舒適影響與改善的意義較小。

2.4 熱舒適與熱感覺的變化關(guān)系

本研究為接續(xù)性研究，目的是深入分析受訪對象的熱感覺與熱舒適變化情況[9]。因此，圖8 和圖9 給出了本次調(diào)查秋季和冬季部分時(shí)期熱感覺及熱舒適的變化情況。由圖可知，秋季人體熱感覺主要集中在“涼”和“稍暖”之間，舒適感小幅度波動，這與合肥地區(qū)秋季氣候變化密切相關(guān)：秋末常有寒潮入侵，氣溫陡降，人體感知為“涼”，并出現(xiàn)“不舒適”的情況，但熱舒適整體處于較為穩(wěn)定的狀態(tài)。進(jìn)入冬季，人體熱感覺投票全部處于負(fù)值，集中在“稍涼”和“冷”之間。而在秋末到初冬的過渡期間，熱舒適變化較為劇烈，人體熱舒適投票結(jié)果為“不舒適”，且維持了一段時(shí)間。推測原因?yàn)闅鉁赝蛔?，說明氣溫變化對人體熱舒適有著很大的影響。12 月中旬，熱感覺投票集中在“稍涼”和“涼”之間，熱舒適度投票主要集中在“適中”和“較不舒適”，相較于剛進(jìn)入冬季，熱舒適度有所緩和，這可能與人體對氣候變化的適應(yīng)性和增添衣服保暖有關(guān)。

圖8 秋季熱感覺與熱舒適隨時(shí)間的變化關(guān)系

圖9 冬季熱感覺與熱舒適隨時(shí)間的變化關(guān)系

為了探究秋冬過渡季節(jié)人群熱感覺與熱舒適的變化關(guān)系，基于同一季節(jié)中相同的熱感覺投票所對應(yīng)的熱舒適投票值進(jìn)行平均求值，得出同一季節(jié)中每一種熱感覺投票對應(yīng)的平均熱舒適投票，并進(jìn)行擬合分析，如圖10 所示，反映熱感覺與平均熱舒適投票的變化關(guān)系。

由圖10 可見，調(diào)查期間受訪者的熱舒適度隨著熱感覺的上升出現(xiàn)差異。秋季，當(dāng)熱感覺為“非常冷”“冷”和“涼”時(shí)，受訪者的平均熱舒適表現(xiàn)為不舒適，此外“熱”和“非常熱”也會導(dǎo)致不適感；冬季，當(dāng)受訪者的熱感覺為“非常冷”“冷”“涼”和“稍涼”時(shí)，受訪者會感覺到不舒適。同時(shí)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)熱感覺為“稍涼”時(shí)，秋季的舒適度較為良好，而在冬季，受訪者卻表現(xiàn)出不舒適。當(dāng)受訪者熱感覺為“中性”時(shí)，無論是秋季還是冬季，受訪者普遍感到舒適。當(dāng)受訪者的熱感覺略微上升，直至兩擬合曲線產(chǎn)生交點(diǎn)，此時(shí)受訪者在秋季與冬季的熱舒適感相同，而在此之前，受訪者無論處于何種熱感覺狀態(tài)，在秋季的舒適度均好于冬季。過此交點(diǎn)后，受訪者在冬季的熱舒適度均好于秋季，同時(shí)，秋季的熱舒適度隨熱感覺呈下降趨勢，但一直保持在舒適狀態(tài)，直至當(dāng)熱感覺稍高于“暖”時(shí)，受訪者開始產(chǎn)生不適，而冬季受訪者一直保持著舒適狀態(tài)。

圖10 秋冬兩季熱感覺與熱舒適的變化關(guān)系

分析可知：在過渡季節(jié)的秋季，受訪者的熱舒適情況會隨著熱感覺的變化發(fā)生明顯波動。當(dāng)熱感覺略低于“稍涼”時(shí)或者高于“暖”時(shí)，受訪者產(chǎn)生不舒適；當(dāng)熱感覺處于兩者之間時(shí)，舒適度均為良好。而進(jìn)入冬季，由于氣溫低，受訪者的熱感覺上升時(shí)，總會使熱舒適度增加，一旦熱感覺略高于“稍涼”，即感到舒適。

2.5 人體不同身體部位對熱舒適性影響分析

圖11 給出了秋冬季人體各部位對熱舒適影響的占比分布。調(diào)查發(fā)現(xiàn)：在合肥地區(qū)，秋冬兩季，對受訪者熱舒適影響最大的人體部位均為面部，占比約為44%；上肢部位對人體熱感覺的影響也基本相同，占比約19%；不同的是，在秋季，手部對人體熱感覺的影響占所有調(diào)查部位的10%，而到冬季時(shí)，這一數(shù)值上升至21%；但除手部因素外，其他因素占比均略微下降，其中腿部受影響程度較秋季下降50%，腳部下降60%，背部約下降67%，頸部基本沒有變化，而腰部以及腹部均下降到0。

圖11 秋冬季人體各部位對熱舒適影響的占比分布

此現(xiàn)象可能是因?yàn)椋锒瑑杉臼茉L者面部始終暴露在室外環(huán)境中，室外環(huán)境的變化會對面部產(chǎn)生最直接的影響。同時(shí)，手部是受訪者最主要使用與活動的部位，暴露在室外環(huán)境的時(shí)間較長，接觸外界物體最多，與室外條件下物體的傳熱最頻繁劇烈，當(dāng)溫度變化較為劇烈時(shí)，手部對熱舒適性的影響即增大。而其他部位均為未暴露或少暴露部位，在不同的室外氣象環(huán)境下，受訪者可通過增減衣物，滿足該部位的熱舒適要求。

3 熱感覺模型建立

測量環(huán)境中溫度、風(fēng)速、相對濕度、太陽輻射等熱環(huán)境參數(shù)，利用多元線性回歸方法，建立熱感覺模型。該模型不僅可以量化環(huán)境中各氣象參數(shù)對熱感覺的影響，而且可以利用預(yù)測模型，直接計(jì)算環(huán)境氣象參數(shù)和人體參數(shù)，得到人群室外平均熱感覺情況[10]。SET*與PET 常被用于室外熱舒適的評價(jià)中，因此，在本研究中采用這兩個(gè)指標(biāo)來建立熱感覺預(yù)測模型，從而評價(jià)受訪者室外的熱舒適性。

3.1 PET 預(yù)測熱感覺模型

以生理等效溫度PET 作為自變量，以平均熱感覺投票（MTSV）作為因變量，繪出散點(diǎn)圖（圖12），通過線性擬合得出秋冬兩季熱感覺的回歸方程式[9]，見式（1）與式（2）：

圖12 PET 預(yù)測熱感覺模型

由圖12 可知：秋季的關(guān)系式斜率較大，表明秋季熱感覺相對于PET 的變化率大；冬季的斜率較小，即當(dāng)PET 的變化量相同時(shí)，冬季的熱感覺變化較小。由此可知，合肥地區(qū)，秋季PET 對人體的熱感覺影響較大，這符合合肥地區(qū)秋季氣溫波動大的氣候特點(diǎn)；進(jìn)入冬季后，合肥地區(qū)的氣溫相對穩(wěn)定，當(dāng)人體適應(yīng)該變化后，熱感覺波動也逐漸減小，表現(xiàn)為冬季PET 對人體的熱感覺影響程度小于秋季。

3.2 SET*預(yù)測熱感覺模型

以標(biāo)準(zhǔn)有效溫度作為自變量，以平均熱感覺投票MTSV 作為因變量，繪出散點(diǎn)圖（圖13），并通過線性擬合得出秋冬兩季熱感覺的回歸方程式，見式（3）與式（4）：

由圖13 中可知：秋季的關(guān)系式斜率比冬季大，表明秋季熱感覺相對于SET*的變化率比冬季大，即當(dāng)SET*的變化量相同時(shí)，秋季的熱感覺變化比冬季的熱感覺變化大。出現(xiàn)這種情況的主要原因同樣為合肥地區(qū)秋季氣溫比冬季氣溫波動大。

圖13 SET*預(yù)測熱感覺模型

3.3 氣象參數(shù)預(yù)測熱感覺模型

本研究的室外氣象參數(shù)為溫度（T）、相對濕度（RH）、太陽輻射（S）和風(fēng)速（V）。為了了解以上室外氣象環(huán)境參數(shù)與人體熱感覺的關(guān)系及影響程度，以上氣象參數(shù)為自變量，以人體熱感覺投票為因變量，進(jìn)行多元回歸分析，得出以氣象參數(shù)預(yù)測人體熱感覺的模型，見式（5）與式（6）：

式中：TSV 為人體熱感覺投票；T 為室外溫度，℃；RH 為相對濕度，%；S 為太陽輻射，W/m2；V 為風(fēng)速，m/s。

式中：TCV 為人體熱舒適投票；T 為室外溫度，℃；RH 為相對濕度，%；S 為太陽輻射，W/m2；V 為風(fēng)速，m/s。

根據(jù)模型可知，秋冬兩季溫度、太陽輻射和濕度均與人體熱感覺呈正相關(guān)關(guān)系。其中，濕度對熱感覺投票的影響最小，而溫度的影響最大。此研究雖然表明溫度是對人體熱感覺投票影響最大的因素，但是其擬合后的系數(shù)較小，僅為0.129，表明熱感覺隨溫度變化較慢，此結(jié)論已有相關(guān)研究證明[2]。僅有風(fēng)速與人體的熱感覺呈負(fù)相關(guān)性。參考發(fā)現(xiàn)其他學(xué)者也運(yùn)用此種方法擬合得出了秋冬季節(jié)室外熱舒適模型，表明了人體熱舒適與溫度和太陽輻射呈正相關(guān)，而與風(fēng)速呈負(fù)相關(guān)[11-14]。

4 結(jié)論

根據(jù)此前的研究，進(jìn)一步深入細(xì)化研究了合肥地區(qū)秋冬季節(jié)的室外熱舒適的變化情況及其影響因素，結(jié)論如下：

（1）由氣象數(shù)據(jù)實(shí)測分析發(fā)現(xiàn)，合肥地區(qū)秋冬季環(huán)境溫度、相對濕度、太陽輻射與環(huán)境風(fēng)速白天各時(shí)段變化趨勢基本相同；但秋冬兩季溫差較為明顯，相對濕度接近，同時(shí)，冬季太陽輻射與環(huán)境風(fēng)速均高于秋季。調(diào)查過程中，受訪者對于秋冬季節(jié)環(huán)境因素影響舒適度重要性的排序均為：溫度、風(fēng)速、太陽輻射、相對濕度。

（2）合肥地區(qū)秋冬兩季受訪者對室外熱環(huán)境的可接受程度整體較高，但對秋季的可接受程度更高，統(tǒng)計(jì)占比約91%；而對冬季熱環(huán)境不可接受的程度較高，統(tǒng)計(jì)占比達(dá)21%。同時(shí)，秋冬兩季，面部對受訪者熱舒適影響最大。

（3）受訪者熱舒適較熱感覺變化的程度更為劇烈，秋季變化程度遠(yuǎn)高于冬季。在秋季，受訪者的熱舒適度與熱感覺呈簡單的二次函數(shù)相關(guān)性；冬季，受訪者熱舒適度與熱感覺呈正相關(guān)，伴隨熱感覺增強(qiáng)，受訪者的熱舒適度呈上升趨勢。

（4）通過線性擬合得到了合肥地區(qū)秋冬季以PET 和SET*預(yù)測熱感覺的數(shù)學(xué)模型，此外，通過多元回歸建立了基于氣象參數(shù)的人體熱感覺預(yù)測模型。