杭州西湖景區(qū)熱中性溫度與熱可接受溫度范圍研究

梅 欹,徐麗麗

(浙江工業(yè)大學 設計與建筑學院,浙江 杭州 310023)

戶外氣候環(huán)境是影響城市人群活動的重要因素,宜人的氣候可以提高人們在戶外空間的活動時間、社交效率和行為強度,提升人民群眾生活品質、幸福指數和健康程度。熱環(huán)境評價中的熱中性溫度是影響人體戶外熱感受的重要指標。熱中性溫度注重對個體因素(如個體健康、忍耐度和適應力等)的調查[1],其定義為在平均熱感覺投票(Mean thermal sensation vote,MTSV)與熱感覺溫度間的線性回歸中出現居中熱感覺的溫度[2]。在熱中性溫度的基礎上,有學者進一步提出使用一定的區(qū)間閾值而非固定值來評估個體對熱條件的接受程度,從而提升評價模型反映人類真實感受的效力[3]。熱可接受溫度范圍即是由此衍生出的熱評價指標。該評價指標從個體對熱環(huán)境的不同適應能力出發(fā),計算人隨著熱環(huán)境狀態(tài)和熱刺激的延續(xù)時間等多種因素波動影響產生的在一定范圍內的溫度感知閾值[4]。目前的熱評價研究以問卷或訪談為主要形式,報告結果按奇數標度劃分,得出分級個體感受,并定性分析人體熱舒適[5]。也有學者采用多元線性回歸分析、線性變換以及對不同年齡、性別和居住地人群的方差分析等量化方法[6]探討人對熱環(huán)境的評價。在已有的針對不同氣候區(qū)域的熱中性溫度或熱中心溫度范圍研究中同時存在相應的兩類獲取熱中性溫度或熱中性溫度范圍的途徑:一類是根據受訪者主觀投票,使用MTSV中位數法,推算熱中性溫度(范圍)[7-8];另一類是使用TSV和PET的線性回歸方程,在TSV=0或-0.5≤MTSV≤0.5閾值內,計算熱中性溫度與熱中性溫度范圍[9]。綜合比較各類相關數據[10-11]可以發(fā)現:尊重地域特色的設計研究越來越強調應根據特定地區(qū)的氣候條件來優(yōu)化遴選研究方法,然而突出研究方法在特定地域的適用性,并強調因方法選擇可能導致結論偏差的研究較少見。因此,筆者通過實測數據,在上述兩種研究方法中挑選更適合杭州西湖景區(qū)的方法,進一步使用多元回歸分析,計算該地區(qū)的熱中性溫度與熱中性溫度范圍。

筆者以大學生為代表的青年群體為研究對象,針對杭州西湖景區(qū)典型空間的季節(jié)性熱中性溫度(范圍)與熱可接受溫度范圍展開實證研究。擬通過實測數據分析達到以下目標:1) 明確適用于杭州西湖的熱評價方法;2) 評估杭州西湖游憩空間的熱感受季節(jié)性差異,并得出各季熱中性溫度、熱中性溫度范圍與熱可接受溫度范圍;3) 分析影響杭州西湖熱感受的氣象因素,提出預測熱感覺的經驗模型及其季節(jié)性差異。本研究對杭州西湖景區(qū)的氣候適應性空間設計以及人群出游行為均具有實際參考價值。

1 研究思路與方法

1.1 指標選取

目前應用的熱評價指標多達幾十種,其中生理等效溫度(Physiological equivalent temperature,PET)[12]是H?ppe從慕尼黑模型(Munich energy balance model for individuals,MEMI-model)發(fā)展而來的熱指標,其定義為在室內環(huán)境中,當核心溫度與皮膚溫度和實際環(huán)境相同,且保持相同的熱平衡狀態(tài)時,該等溫環(huán)境下的空氣溫度。PET指標發(fā)展至今,具有能在較復雜的戶外綜合熱條件下準確直觀地反映使用者真實熱應力和熱舒適度[13]的優(yōu)勢。該指標的優(yōu)點還在于:1) 其單位(℃)可方便地被城市規(guī)劃者、決策者、使用者理解與應用;2) PET與TSV的相關性較強,有利于進行主客觀結合的比較評價。因此,筆者采用PET作為熱指標來預測和評價戶外熱感受?；趫F隊前期研究成果[14],選用的戶外氣候環(huán)境關鍵指標包括空氣溫度、太陽輻射、平均風速和空氣相對濕度。

1.2 實驗方案

1.2.1 實測時間

筆者統計了過去30年杭州的氣象數據(圖1),結果顯示:杭州夏季普遍從每年的6月初開始到10月初結束,占據近半年時間,其他3季分別依次持續(xù)2～3個月。在預實驗過程中發(fā)現,春末的梅雨季節(jié)和秋初頻繁出現的臺風天氣導致該時間段內戶外游憩人數大幅下降,無法滿足實驗樣本數量要求。因此依照氣象學物候法(即在連續(xù)5 d的單位時間內,平均氣溫超過22 ℃視為夏季,低于10 ℃視為冬季,從冬季到夏季的過渡季節(jié)為春季,從夏季到冬季的過渡時間為秋季。)對四季的劃分方法,將春秋兩季共同視為過渡季,合并統計數據。實驗選取了各季典型氣象日(表1),在每日08:00—18:00展開,其中2021年冬季由于受到新冠疫情影響,未能實際開展實驗。

表1 實測時間

圖1 杭州近30年氣象數據概況

1.2.2 測點布置

研究對比杭州西湖景區(qū)的游憩空間類型、日常使用率與氣象因素等條件,選取杭州西湖環(huán)線中較為典型的4個風景園林空間作為實驗測點,每個測定安排1臺測試儀器和若干實測人員。4個測點分別位于西湖東北角的湖濱晴雨、東南角的長橋公園、西南角的望山橋和西北角的平湖秋月,均具有臨水空間且有可供人群聚集的小型廣場。測點布置與實驗照片如圖2所示,圖2中地圖改繪自百度地圖。

圖2 測點位置圖與實驗照片

1.2.3 實測儀器

采用YGY-QXY手持式氣象儀測量空氣溫度、太陽輻射、平均風速和空氣相對濕度等氣象指標。儀器測量范圍、精度及數據采集頻率符合ISO 7726:1998相關規(guī)定,測量間隔設為15 min。在滿足世界氣象組織的氣象測定規(guī)范的基礎上,于距離地面約1.5 m高度(即與人等高)處采集氣象數據。

1.2.4 問卷設計

問卷設計基于ISO 10551:2019熱環(huán)境人體工程學和GB/T 18977—2003,使用奇數投票法評估熱環(huán)境對人體的影響。問卷內容包含:1) 受訪者基本信息,包括性別、年齡和在杭時長等;2) 受訪者的熱感覺投票、熱可接受度投票。在客觀氣象數據收集的同時進行主觀問卷調查與信息采集。

2 實驗結果

為滿足同類樣本數量,受訪對象均為在校大學生。受訪對象雖來自不同地區(qū),但在杭時長均已超過兩年,已適應杭州氣候條件,可以排除原住地帶來的干擾。實驗總計發(fā)放問卷400份,收回387份,有效問卷360份,分別為過渡季155份,夏季118份,冬季87份。由于冬季受氣候環(huán)境與新冠疫情影響,無法開展長期實驗,統計人數較另兩季偏少。問卷數據綜合信度Cronbachα系數為0.813,α>0.8,說明數據信度質量高,可用于進一步分析。

2.1 氣象數據測定結果

分季節(jié)采集的各氣象指標(表2)最大值分別是:過渡季的太陽輻射為1 037 wat/m2、夏季氣溫為43.6 ℃、空氣相對濕度為72.3%、冬季平均風速為4.4 m/s。太陽輻射日均差最大為夏季的1 063.0 wat/m2,最小為冬季的558.0 wat/m2;最大氣溫日均差為過渡季的24.8 ℃,高出夏季7 ℃;平均空氣相對濕度的日均最大差值為夏季的34.5%,最小差值為過渡季的23.5%;平均風速日均差值最大為冬季的4.4 m/s,最小為夏季的2.2 m/s。

表2 氣象測試結果統計

2.2 熱感覺投票

問卷采用ASHRAE 7級量表統計TSV結果(圖3)。雖然每季的TSV最高投票數都集中在“適中”選項,但投票結果仍呈現鮮明的季節(jié)差別。過渡季投票表現出偏涼趨勢,81.31%的投票落在“適中”“稍涼”“涼”3類選項;夏季的投票則集中在“適中”“稍暖”“暖”,三者總得票率為82.81%;冬季91.78%的投票分布在“稍涼”“適中”“稍暖”區(qū)間。由于TSV屬主觀投票,易受即時心理變化與個體經歷等因素的影響,因此該投票結果的季節(jié)性差異較明顯。

圖3 TSV季節(jié)性比較

2.3 熱偏好投票

針對空氣溫度、太陽輻射、平均風速和空氣相對濕度指標分“更弱”“不變”“更強”3個等級進行季節(jié)性偏好投票統計,結果如圖4所示。受訪者在過渡季對空氣相對濕度的偏好感受最為明顯,約有一半人認為濕度偏高;夏季人群對空氣溫度與平均風速的主觀感受偏好較為強烈,大部分人認為夏季溫度過高,同時希望能有更大的風速;冬季受訪者的關注點則集中在太陽輻射和平均風速,相對偏好更強的日照和更低的風速。由圖4可知:影響過渡季的主要氣象指標集中在平均風速和空氣相對濕度,夏季集中在空氣溫度和太陽輻射,冬季則集中在空氣溫度和空氣相對濕度。過渡季在各項指標中選擇“不變”的投票率之和最高,夏冬兩季該選項的投票率則相對偏低,初步推測受訪人群對過渡季的熱評價最佳。

圖4 熱偏好投票對比

3 討論與分析

3.1 熱中性溫度(范圍)與熱可接受溫度范圍

與其他地區(qū)的熱舒適研究結論[15]一致,本研究的實驗結果表明TSV與PET之間存在強相關,證實PET指數可以較好地用于預測西湖景區(qū)的熱評價。下面通過比較兩者的關系,在中位數法與TSV=0法中選取更適合杭州西湖景區(qū)的方法進行后續(xù)研究。

3.1.1 中位數法

根據中位數不受干擾數據影響且可以準確反映主體數據的特性,以TSV為類別軸,PET為變量,繪制各季箱線圖(圖5)。統計實驗數據中各季節(jié)PET值的上四分位數和下四分位數,位于兩四分位數之間的閾值被視為熱可接受范圍,由此得出的熱可接受溫度范圍為過渡季10.8～25.7 ℃,夏季17.4～26.4 ℃,冬季7.1～24.4 ℃,全年13.0～25.7 ℃。中性點的溫度被視為熱中性溫度,分別為過渡季22.2 ℃、夏季23.6 ℃、冬季12.0 ℃、全年21.0 ℃。根據ASHRAE Standard 55標準[16],可接受的熱條件即熱可接受溫度范圍應為同一空間中至少90%的受訪者表示可接受,即允許小于10%的使用者不接受該熱條件。按此標準,分別有3.6%,5.9%,9.2%的受訪者對過渡季、夏季、冬季的氣候環(huán)境保持“不可接受”態(tài)度。其中,冬季熱不接受百分率最高,過渡季最低。熱可接受溫度范圍為過渡季10.8～25.7 ℃、夏季17.4～26.4 ℃、冬季7.1～24.4 ℃、全年13.0～25.7 ℃。

3.1.2 TSV=0法

TSV=0法采用平均熱感受投票MTSV作為計算指標。MTSV是指在1 ℃ PET間隔(PET=±0.5 ℃)內的TSV平均值。把MTSV=0代入線性回歸模型中計算熱中性溫度(圖6),討論PET和MSTV的關系。ASHRAE標準規(guī)定各類熱感值應在該熱感值±0.5的范圍內,因此在-0.5≤MTSV≤0.5閾值內計算熱中性溫度范圍。全年各季計算式分別為

圖6 PET與MTSV線性回歸分析

MTSV過渡季=0.111 8PET-1.678 6

R2=0.714,p<0.01

(1)

MTSV夏季=0.159 6PET-3.237 1

R2=0.842,p<0.01

(2)

MTSV冬季=0.137 8PET-2.338 7

R2=0.723,p<0.01

(3)

MTSV全年=0.124 9PET-2.158 8

R2=0.754,p<0.01

(4)

熱可接受范圍劃定為-1≤MTSV≤1閾值范圍[17],也就是將MTSV<-1或TSV>1作為熱不接受范圍。通過MTSV=0計算的熱中性溫度分別為過渡季15.0 ℃、夏季20.3 ℃、冬季17.0 ℃、全年17.3 ℃,使用式(1～4)計算的熱可接受溫度范圍分別為過渡季6.1～24.0 ℃、夏季14.1～26.5 ℃、冬季9.7～24.2 ℃、全年9.3～25.3 ℃。

3.1.3 結果比較與方法選取

使用中位數法與TSV=0法分別得出杭州熱中性溫度(范圍)與熱可接受溫度范圍,結果如表3所示。由表3可知:兩種方法存在較大差異,中位數法得出的熱中性溫度季間變化相對穩(wěn)定,變化幅度較小;TSV=0法得出的熱中性溫度季間波動幅度大,其中過渡季、夏季與全年熱中性溫度偏低,冬季偏高。將以上兩種方法得出的熱中性溫度(范圍)與由實測氣象數據計算得出的PET溫度(范圍)作進一步比對,發(fā)現中位數法的結果更接近PET值,即更符合杭州西湖景區(qū)的實際氣象環(huán)境狀況。因此,選擇中位數法作為研究方法,并依據中位數法的實驗數據進行后續(xù)討論。

表3 兩種方法得出的熱中性溫度與熱中性溫度范圍比較

3.2 熱感受比較

在熱可接受溫度的季節(jié)性差異方面,研究數據表明杭州大學生群體更適應過渡季節(jié)的溫和氣候條件。剩余兩季中,相比寒冷的冬季氣候條件,他們更容易忍受炎熱的夏季。這與濕熱地區(qū)的廣州[3]、長沙[18]以及干燥地區(qū)的德黑蘭[2]、北京[19]等地的戶外溫度感知變化研究結論相似,這些實驗一致認為受試者更適應暖熱的氣候條件。也有一些學者持不同看法,認為如寒冷地區(qū)的天津[20]、西安[21]等地的受試人群更適應低溫狀態(tài)。雖然學者們對冬夏季節(jié)極端氣候狀況的接受程度存在一定的認同差異,但基本都認同戶外空間使用者對夏冬兩季的熱可接受度要低于過渡季節(jié),換言之,過渡季的氣候最為舒適,這也證實了前文的推測。因此,杭州西湖景區(qū)的氣候適應性設計應優(yōu)先考慮冬季與夏季,繼而考慮過渡季的設計策略。

在實驗對象的年齡差異方面,本研究針對青年人群得到的熱中性溫度與方小山等[22]針對廣州老齡群體得到的熱中性溫度相比整體偏低,和上海[23]與長沙[18]的全齡性實驗結果相近。出現這種區(qū)別的原因與本實驗對象的年齡、體質等特征有關。大學生這類青年群體對熱環(huán)境的變化具有較好的感知力和適應性,具備較高的熱耐力[24],即個體自適應力較強。該結論證明了研究對象的年齡選取對實驗結果存在一定影響。

在實驗地點的地域空間差異方面,筆者將熱中性溫度(范圍)、熱可接受溫度范圍與北半球近年的相關研究成果進行了比較(表4)。結果發(fā)現:杭州的熱中性溫度比廣州[3,23]低,與上海[24-25]和長沙[18]相近;熱中性溫度范圍與同為亞熱帶季風氣候的長沙[18]、上海[24]和青島[26]相仿。杭州與廣州[3]熱中性溫度差別的原因在于兩地雖同處濕熱地區(qū),但廣州所處緯度較低,全年氣溫偏高,熱中性溫度范圍整體閾值偏高的結果符合廣州人群適應暖熱氣候的特征。位于高緯度溫帶大陸性氣候區(qū)的華沙[27]具有最為廣泛的熱中性溫度范圍。杭州的緯度位于廣州與華沙的緯度之間,與上海、長沙兩地的緯度相近,受試人群對熱環(huán)境的感受閾值分布較為適中。由此可推測城市所屬的緯度越高或城市氣象因子變化越劇烈,人群的熱適應力就越強,熱接受范圍也越廣。該假設同時也在熱可接受溫度范圍的比較結果中得到印證。杭州的熱可接受溫度范圍與熱帶季風氣候區(qū)的達卡[28]、熱帶地區(qū)的臺中[29]、溫帶季風氣候區(qū)的西安[22]相仿。綜上所述,熱中性溫度、熱中性溫度范圍和熱可接受溫度范圍除了與氣候帶相關外,與緯度也存在關聯。

表4 戶外熱感受研究結果比較

3.3 經驗模型

筆者將空氣溫度、太陽輻射、平均風速和空氣相對濕度等氣象指標與MTSV結果進行線性擬合,結合多重線性回歸分析,建立全年各季的熱感受模型。所有模型的顯著性p<0.01,且衡量多重共線性程度的方差膨脹系數VIF<10,表明回歸模型具有統計學意義。MTSV的計算式分別為

MTSV過渡季=0.151Ta-0.041Va-3.268

R2=0.818,p<0.01

(5)

MTSV夏季=0.136Ta+0.004SR-0.018Va-4.983

R2=0.897,p<0.01

(6)

MTSV冬季=0.150Ta+0.003SR-0.010Va-3.942

R2=0.769,p<0.01

(7)

MTSV全年=0.113Ta+0.002SR-0.084Va-2.242

R2=0.810,p<0.01

(8)

式中:MTSV為平均熱感受投票;Ta為空氣溫度;SR為太陽輻射;RH為空氣相對濕度;Va為平均風速。

模型建立的相關性表現良好,皮爾遜相關系數接近,均處于較高水平。這說明杭州西湖景區(qū)的實際氣候狀況與TSV投票結果較為吻合,統計結果適用于該地區(qū)的熱感受評估。

各季模型均表明空氣溫度和太陽輻射指標與MTSV呈正相關關系,空氣溫度和太陽輻射值的升高會導致熱感受溫度增加。其中,空氣溫度對熱感受的影響系數高于太陽輻射。模型同時證明平均風速與MTSV呈負相關關系,平均風速越大,MTSV越低,這與橫濱[34]、歐洲6城[11]、香港[35]等地的實驗結論高度一致。

每項氣象指標都可能對MTSV產生影響,各氣象指標對熱舒適度的影響系數在每個季節(jié)中均有不同表現。過渡季中太陽輻射對MTSV的影響系數為0,因此過渡季模型的影響因素缺少太陽輻射這項指標。綜合各季節(jié)模型呈現的相同之處,總體而言空氣溫度對熱舒適的影響最大,其次平均風速對熱舒適也具有較明顯的作用,而太陽輻射的影響作用最弱。對比各季節(jié)模型的不同之處,在過渡季較為舒適的天氣條件下,空氣溫度和平均風速是影響熱舒適的最主要氣候指標;而太陽輻射在冬夏極端氣候下也會對人體熱感受產生影響。

空氣濕度與平均風速指標存在強烈的共線性關系,在回歸分析過程中,空氣相對濕度變量被自動剝離。這與Fang等[36]在廣州得出的結論相似,該研究提出的春、夏、秋、冬季經驗模型中均出現了平均風速或空氣相對濕度變量的缺失。然而香港[35]、新加坡[37]和長沙[18]等地的經驗模型卻同時涵蓋這兩類指標。這種地域性差別又一次證明在剖析構成變量及其關系的過程中,針對不同地區(qū)和不同研究對象,必須采用不同的評估方法與模型,找到適應當地熱條件的預測方法是提高熱預測準確度的關鍵。

4 結 論

筆者討論了處于濕熱地區(qū)的杭州西湖景區(qū)熱中性溫度與熱可接受溫度范圍,在環(huán)杭州西湖的4個典型風景園林空間采集了18 d的氣象數據,收集了360份有效問卷,發(fā)現使用中位數法的熱評價更符合以大學生為代表的青年群體在杭州西湖的實際熱感受。本研究雖然僅局限于青年群體,但仍可為杭州西湖景區(qū)及類似氣候條件的城市戶外空間氣候適應性設計與研究提供參考依據。杭州西湖景區(qū)過渡季、夏季、冬季及全年熱中性溫度(范圍)和熱可接受范圍分別如下:熱中性溫度為過渡季22.2 ℃、夏季23.6 ℃、冬季12.0 ℃、全年21.0 ℃;熱中性溫度范圍為過渡季10.3～22.6 ℃、夏季18.4～24.35 ℃、冬季10.2～21.5 ℃、全年12.0～23.9 ℃;熱可接受溫度范圍為過渡季10.8～25.7 ℃、夏季17.4～26.4 ℃、冬季7.1～24.4 ℃、全年13.0～25.7 ℃。由于杭州年度氣溫波動強烈,受訪群體對冬季戶外空間氣候條件的接受度最低,對夏季的接受度適中,最容易接受的是過渡季的氣候。因此,在杭州西湖景區(qū)周邊開展氣候適應性空間設計時,應優(yōu)先考慮滿足冬季和夏季的熱需求。季節(jié)性經驗模型表明空氣溫度和平均風速是影響杭州西湖景區(qū)熱評價的最主要氣象原因,除此之外太陽輻射在極端氣候中也產生了比較大的影響。