人体热舒适性在城市规划领域的研究综述

李 华

(西南交通大学建筑学院，四川成都610031)

人体热舒适性是根据人体与环境之间的热交换而制定出的生物气象指标，最早应用于建筑科学领域，随后在地球学、气候与空调方面进行了广泛的运用，其目的是为了评价不同气候条件下人的舒适感受。

早在20世纪20年代欧美国家就展开了对人体热舒适性的研究，并在20世纪60～70年代得到了迅速发展。而国内开展相应的研究较晚且缓慢，在20世纪80年代还处于定性描述的阶段，而从20世纪90年代开始快速发展。总体上对人体舒适性的研究经历了两个阶段：第一阶段主要是以定性描述或是采用经验公式的定量讨论，第二阶段则主要借助于计算机软件进行各种模拟实验以及大范围的现场测试，并开始提出各种热感觉的评价方法[1]。

1 人体热舒适性的影响因素

目前学界对人体舒适性的影响因素已形成统一的认识，主要包括两大类，一类是环境因素，另一类人体因素。环境因素主要涉及空气温度、平均辐射温度、相对空气流速及空气湿度四个气象要素；人体因素则包括服装和活动水平两个要素。当然，除了以上两类因素外，有研究表明：人体热舒适性还受到其他因素的影响，包括心理因素、性别因素、地区因素等。总的来讲，人体热舒适性是一个多因素综合影响的结果，但主要受环境因素的影响。本文也将从环境因素的四个要素来对人体热舒适性进行总结。

1.1 空气温度对人体热舒适性的影响

空气温度是一种表示空气冷热程度的物理量，是影响人体热舒适性最为重要的气象要素。它主要是通过对流及辐射的显热交换方式对环境产生冷或热的感觉来实现的，是一种直接的影响作用。正常情况下，人体产生热感觉是因为环境温度高于人体皮肤温度，使得人体热量的散失困难，并且温度愈高，热感觉就愈显著；相反，就会产生冷的感觉。通常情况下人们根据温热感受和生理出汗反应程度将冷热环境反应分为7个等级(热、较热、暖、舒适、凉、较凉、冷)，并有大量的研究表明：人体最适宜的温度夏季在18.0～23.4℃，而冬季适宜温度在16.5℃。

1.2 平均辐射温度对人体热舒适性的影响

辐射温度是人体与环境以辐射热交换方式产生的温度，平均辐射温度就是指环境四周表面对人体产生辐射作用的平均温度，它对人体热舒适度的影响也是一种直接作用。

平均辐射温度的高低取决于人体四周围护结构内表面的温度以及与维护结构表面间的相对位置关系，通常用黑球温度计测。显而易见的，现实条件下平均辐射温度与空气温度都不总是均匀和相等的。例如冬季窗户玻璃内表面温度要比内墙壁表面温度低很多，而人与窗户的距离以及人体与窗户的相对位置方向也会直接影响人体热量的损失。

1.3 相对空气流速对人体热舒适性的影响

相对空气流速即人们常讲的风速，它对人体热舒适性的影响主要是通过影响温度而间接产生作用的。

首先，风通过促进人体与空气的热量交换来影响人的热代谢，从而对人体的舒适性产生影响。因此，在天热时风能够带给人舒适感，而天冷时则会加剧不舒适感。但当风速达到3.6 m/s以上时，水分蒸发量的增加也不再明显。其次，风速大小在一定范围上会影响人的行为。再次，一定的风速会对空气质量产生影响，影响人体的舒适性。如风速较大时，会带走地面的尘埃颗粒使空气质量和能见度下降，影响人的呼吸、视觉和精神舒适度感觉。甚至大风与物体相互摩擦时产生的低频噪声，也会对人体产生不舒适感。有研究表明，人体最适合的风速为2m/s[2]。

1.4 空气相对湿度对人体热舒适性的影响

空气相对湿度即空气中水汽压与饱和水汽压的百分比。它主要通过以下两个方面对人体舒适性产生影响：

首先是对人体热平衡的影响。人体的热平衡主要是通过新陈代谢的热量、机械功的热当量、蒸发散热量、辐射散热量以及对流散热量综合决定的。而湿度则是决定蒸发散热量大小的决定因素。其次是对人体皮肤舒适度的影响。皮肤外表向角质层中的鳞状细胞可以吸收并散失水分，当皮肤湿润时这些细胞会膨胀变软，手足部位将会出现多汗不适；而湿度过低时皮肤会收缩变硬，手足皮肤容易发生龟裂。过高或过低的湿度都会对人体产生不舒适感。有研究表明人体最为适宜的湿度在45 %～65 %。

1.5 影响因素间的相互作用对人体热舒适性的影响

可以看出，气温、平均辐射温度、相对湿度、风这四个因素对人体的舒适性影响最终反映在温度、湿度、风三个要素上，但这三者并不能完全代表人体热舒适性。因为人体是一个复杂的系统，人体的热舒适性涉及多个生理过程，受到多个气象要素的综合作用，不能依据某一因素来判断舒适性。因此有必要对这几个因素的相互作用进行研究。

例如，温度适中时，湿度对人体热舒适性的影响效果并不明显。只有当温度较高或较低时，湿度对人体的热舒适性影响就较为显著。基于此提出了不少生物气候指数，如实感气温、卡他气温、等温指数等方法。根据《室内空调最适温度标准(GB/T5701-2008)》表示人体感觉舒适的气温与湿度因季节不同分为两种情况：在夏季温度在24℃时，相对湿度为60 %；在冬季温度在18℃时，相对湿度为80 %。

对于风和温度讲，无风天气时即使温度在零度以下人体也不会产生太冷的感觉，但当风速较大时即使温度不是很低，也会让人感觉较为寒冷。保罗(Paul gut)与迪特尔阿克奈特(Dieter Ackerknecht)在1993年通过实验表明，风速每增加1m/s，人体就会感觉气温下降了2～3℃[3]。

对于温度、湿度、风三者之间相互作用对舒适性的影响，李万珍、谭传凤[4]在1994年提出了人体舒适的温、湿、风曲线，参见图1。如图1的I、Ⅲ象限为舒适象限；Ⅱ、Ⅳ象限为不舒适象限。

图1 人体舒适的温、湿、风曲线

2 人体热舒适性的评价

2.1 人体热舒适性的客观评价

人体舒适性评价源于1959年，但经历了不适指数(DI)、温湿指数，最后美国气象局和加拿大天气局提出了舒适度指数和舒适指数[4]。

目前应用最为广泛的是PMV-PPD评价标准。PMV指标是由Fanger教授在舒适方程的基础上以及ASHRAE的7级热感觉指标提出的。PPD 指标是对热环境不满意的百分数，PPD值愈高表示对热环境感到不满意的人数就愈多。现行的热环境舒适度评价标准指出舒适区至少要满足80%人群，PMV舒适值可以在-0.5～+0.5之间。

国内在人体舒适性的评价上也有一定的研究成果。1994年李万珍、谭传凤参考舒适指数作出了四季舒适程度评价见式(1)。

H=T+(fE-10)5/9

(1)

式中：H为舒适指数；T为空气温度；f为相对湿度(%)；E为某一气温下的饱和水汽压。

1996年钱妙芬、叶梅以舒适和清洁为原则提出了“气候宜人度评价”模型。此模型涵盖了7个气象要素(气压、气温、日照、降水、雾、湿度、风)以及大气污染物浓度对气候宜人程度的影响[5]。1997年陆鼎煌从环境卫生学的角度出发并结合温度、湿度、风这三个要素提出了综合舒适度指标，见式(2)。

S=0.06(∣T-24∣)+0.07(∣RH-70∣)
+ 0.5(∣V-2∣)

(2)

式中：S为综合舒适指标；T为空气温度；RH为空气相对湿度；V为风速。并确定当I≤3.5为次舒适，当3.510为极不舒适。

张清学者在1997年提出了温湿指数，吕伟林提出了体感温度模型。王远飞在1999年针对上海市进行了人体舒适性的评价研究。

目前国内普遍的评价模型为“人体舒适度指数”，见式(3)。

SSD=(1.818T+18.18)(0.88+0.002f)
+(T-32)/(45-T)-3.2V+18.2

(3)

式中：T为温度；f为相对湿度；V为风速。该模型将人体舒适度指数分为9个等级，涵盖了很热、炎热、偏热、偏暖、最为舒适、偏凉、较冷(清凉)、很冷、寒冷。

除了以上四种评价模型外，国内外还有以下较为主要的模型如美国的体感温度模型，国标GB/T 27963-2011中的气候舒适度评价模型以及城市户外热舒适度综合评价模型等。

2.2 人体热舒适性的主观评价

人体热舒适的评价虽然可以进行一定程度的定量研究，但是在一些情况下人体主观的温热感觉往往较某些客观的生理量度更具有意义。因此通过评价指标和评价模型对人体热舒适性进行评价外，还应将人体热舒适性的主观评价纳入补充验证。

人体热舒适性的主观评价就是以热舒适问卷调查的形式来获取被调查者在相应条件下对热舒适性的主观反应，是研究人体热舒适性必不可少的研究方法。关于人体热舒适性的主观评价方法国内外比较著名的方法有三类，分别是Bedford 的7级评价指标、ASHRAE的7级指标以及热舒适的四级指标[6]；而我国在GB/T 27963-2011[7]中提出了人居环境舒适度的五级指标，参见表1。

表1 国内外主要的人体舒适性主观评价方法一览表

资料来源：根据资料作者整理自制

3 人体热舒适性在城市规划领域的应用

人体舒适性的研究最初从建筑的室内环境研究开始的，在这一领域成果也颇为丰富，而作为最初建立在建筑学下的二级学科在这一方面的运用却较少，主要集中在城市开敞空间和建筑外围空间。

3.1 在城市开敞空间方面的应用

如2008年李成[8]对上海冬季草坪型、落叶疏林型以及常绿疏林型广场进行人体舒适性的研究，得出冬季落叶疏林型的绿化形式具有较高的人体舒适性。2011年卜政花[9]在其硕士论文《城市公园温湿效应及人体舒适度研究》中得出四个结论：一是绿地面积、绿地结构与绿地降温增湿效应呈正相关；二是随着临水距离的增加，滨水草地及广场的温度逐渐增高，相对湿度逐步降低而林地随临水距离的增加，温度先升后降，相对湿度先降后升；三是不同遮荫条件和下垫面性质都会对气候产生一定的影响且遮阴条件的作用大于下垫面的影响；四是在具有遮荫设施的广场和草坪人体的舒适感觉时间最长。与此同时高健等人以及徐竟成等人在其各自的研究中也得出了类似的结论，并结合实际案例进行了分析。

3.2 在城市其他方面的应用

如2008年李安桂对西安市春季住宅自然通风的人体舒适性调查，得出西安市具有利用自然通风的气候条件并可利用这一条件进行建筑节能和改善室内空气品质[10]。2009年王宇通过对人体舒适性的比较以及对室内风环境的模拟比较建筑朝向、院落形态等对成都农村住宅夏季自然导风的影响，并得出结论单侧开口建筑的入口速度方向应与入口平面成一定夹角以保证室内通风[11]。刘飞2010年在《建筑热环境对人体热舒适和建筑能耗的影响》一文中通过人体舒适性的分析提出了合理设计建筑维护结构的热工性能、建筑物的朝向和布局以及营造有利气候微环境等改善建筑热环境和提高人体舒适性的措施[12]。2011年邓高峰等人通过对北京的部分公共建筑室内环境进行主观和客观的调查建立了室内空气品质预评价模型[13]。随着研究的拓展，建筑方面的相关应用开始向建筑外部空间延伸，如2011年陈超在其硕士论文《建筑外部空间人体风环境舒适度研究》中通过运用绝对风速阈值法、风速比法以及超越概率阈值法建立了建筑周围人行高度下风环境舒适度的评估手段及方法步骤[14]。

4 小结

人体热舒适性的研究从评估到应用具有完整体系，但在城市规划领域的实际运用却稍显薄弱。城市规划领域的应用主要集中在城市绿地等开放空间的结构、植物配置、遮阳等基础层面，而对其他方面的研究基本上处于空白。因此，后期为在城市建设层面推广低技术的节能手段，可以将人体热舒适在城市规划领域进行拓展。

[1] 丁秀娟, 胡钦华, 李奎山,等. 人体热舒适研究进展[J]. 东莞理工学院学报,2007,(1)

[2] 潘娅英. 丽水市城市气候及其对城市规划影响的研究[D]. 南京信息工程大学,2007

[3] Paul Gut,Dieter Ackerknecht. Climate Responsive Buildings:appropriate building construction in tropical and subtropical regions [M].SKAT, Switzerland, 1993:42

[4] 李万珍, 谭传凤. 人体的气候适宜度研究[J]. 华中师范大学学报:自然科学版， 1994,(2)

[5] 钱妙芬, 叶梅. 旅游气候宜人度评价方法研究[J]. 成都气象学院学报, 1997,12(3)

[6] 刘蔚巍. 人体热舒适客观评价指标研究[D]. 上海交通大学,2007

[7] GB/T 27963-2011人居环境气候舒适度评价 [S]

[8] 李成, 秦俊, 徐永荣.不同绿化广场的冬季人体舒适度研究[C]//中国园艺学会观赏园艺专业委员会:中国观赏园艺研究进展.2008

[9] 卜政花. 城市公园温湿效应及人体舒适度研究[D]. 青岛农业大学,2011

[10] 李安桂, 邱少辉, 张新记. 春季西安市住宅自然通风环境的热感觉调查[J]. 建筑热能通风空调,2008,(2)

[11] 王宇. 成都地区农村住宅夏季热舒适性调查与研究[D]. 西南交通大学,2009

[12] 刘飞, 张栋梁. 建筑热环境对人体热舒适和建筑能耗的影响[J]. 大众科技, 2010,(9)

[13] 邓高峰, 王志勇, 李增和. 公共建筑室内空气品质与人体舒适性关系研究[J]. 建筑热能通风空调,2011,5(30)

[14] 陈超. 建筑外部空间人体风环境舒适度研究[D]. 浙江大学,2011