室外公共空间夏季热舒适性评价研究——以上海当代大中型住宅区为例

■ 王 一 Wang Yi 栾沛君 Luan Peijun

室外公共空间夏季热舒适性评价研究
——以上海当代大中型住宅区为例

■ 王 一 Wang Yi 栾沛君 Luan Peijun

住宅区室外公共空间在居民日常生活中占据着重要的地位，而热舒适性则是公共空间品质和使用者评价的重要影响因素。但在住宅区规划设计中，对室外环境热舒适性的关注却较为缺失。从人体热舒适性出发，选取具有代表性的上海大中型住区为调研对象，以热舒适性数值模拟为主要手段，从建筑布局和绿化形态两个方面分析探讨住宅区空间形态与热舒适性的相互关系，并提出基于人体热舒适性的空间设计建议。

住宅区；公共空间；热舒适性；数值模拟；建筑布局

1 住区公共空间热环境研究背景与意义

住宅区室外公共空间在居民日常生活中占据着重要的地位，而热舒适性则是公共空间品质和使用者评价的重要影响因素。在当代中国大量的住宅建设中，较大规模的居住区是一个常见的开发类型，从而会在居住区内部形成规模较大的公共空间。这些空间承载着居民日常的交通、交往、休憩等功能，其品质如何直接影响居民的生活质量。特别是随着我国已经进入老龄化时期，老年人对于居住区公共空间的使用需求不断增加，能否为他们提供舒适的公共空间，已成为居住区规划设计中不容忽视的问题。

热舒适性是公共空间品质的重要因素。大量研究表明，空间热舒适性会明显地影响使用者的身体及心理状态，从而决定使用者是否愿意停留。热舒适性不佳，使用者会倾向于快速地通过而非停留，公共空间会沦为单纯的交通联系与集散空间，从而失去应有的活力。Thorsson[1]通过对日本Matsudo市一个广场空间的观测，发现行人在广场停留的时间与其热舒适性有明显的相关性。当人体感觉舒适时，停留时间可达到20～25min，反之停留时间则会最大降低5min之多（Thorsson， 2007）。但在目前的居住区规划设计中，设计者对于住宅区室外热舒适性却鲜有考虑。住宅区作为一个建筑群体，其建筑群体布局和住宅区的绿化是构成住宅区物质环境的重要组成部分，建筑群体布局直接影响公共空间的太阳辐射、风速等因子，而不同的绿化形式对人体热舒适性的作用也不尽相同，这两方面均对热舒适有着直接影响。

2 人体热舒适性

2.1 人体热舒适性的影响因素

在美国建筑节能标准《ASHRAE Standard 55-1992》中，热舒适被定义为在生理和心理的共同影响下人体对热环境满意的意识状态[2]。人处于任何环境中，人体表面都会与周围发生热交换，当这一热交换不平衡时，人就会产生“冷”或“热”的感觉，而人体的热感觉会受到心理适应和生理调节共同作用的影响，其中生理因素又主要受到环境微气候的影响。在环境因素中，影响人体热舒适性的主要四大气象参数为——空气温度、风速、相对湿度和环境辐射，其中环境辐射中的太阳辐射对室外热舒适的影响最大（图1）。

从气候特征而言，住区属于水平方向在1km以内，高度在0.1km以下的微气候，建筑布局、绿化情况及地面铺装性质等都对其有重大影响[3]。从而本文以人体热舒适性为出发点，主要对住区的整体建筑布局和绿化进行研究分析。

2.2 人体热舒适性的评价标准

对于人体热舒适性的评价标准有很多种，但总体来说主要分为稳态热环境评估和非稳态热环境评估。其中有关室内稳态热环境评估的方法已经相当成熟，如Fanger热舒适方程，标准有效温度等，对于室外非稳态环境下的热舒适评价方法近年来也在逐步完善。目前存在的众多热舒适评价标准中，大致可以分为经验性指标和理性指标。其中经验性指标多是建立在个人经验以及主观推测的基础上，忽视了人体活动强度、着衣量、个人体征等因素的影响，而随着现代数值计算技术的发展，已经发展出基于人体能量平衡、描述热传递的各项公式以及描述人体生理调节公式的理性指标。在理性指标中，本文选取了目前国际上使用最为广泛的预测平均热反应（PMV）作为评价标准，它是以Fanger的热舒适方程为基础的，并且通过增加太阳辐射的影响将其拓展到了室外。

PMV采用7级标度，与美国国家暖通工程协会7点标度（ASHRAE seven-point）的平均热反应相联系（表1）。当PMV=0时，表示最为舒适；PMV<0时，表示人体感到冷；PMV>0时，表示人体感到热，人体感到舒适的范围为-0.5~0.5。预测平均热反应PMV在人体热舒适性评价方面在国际上已经有广泛的应用，并且由于其结果与真实情况较高的相关性，也获得了广泛的认可。

2.3 人体热舒适性的模拟工具

本文使用ENVI-MET软件对住区进行数值模拟[4]。ENVI-MET是由德国Michael Bruse教授的团队开发的三维微气候数值模拟软件，从1995年至今，已经有了20年的历程。该模型是由三维核心模型（包含大气、植被、土壤、建筑4个模型）和一维边界层模型构成的（图2[5]）。模型中上部水平边界层以及垂直的上下风边界层将三维核心模型与一维边界层模型区分开来。其中三维核心模型是模拟真实环境中的所有相关进程，而一维模型则是将初始值转化为三维核心模型计算的边界条件，为了计算的准确性，一维边界模型的模拟区高度扩展到了2 500m。除此之外，ENVI-MET引入了嵌套网格（nesting grids）的概念，在建模时可在模型四周添加额外计算网格，这一部分网格下垫面的热物性被设定为核心区模型的平均值，从而使计算更为准确，同时该部分不会出现在计算结果中。

ENVI-MET的应用遍及世界各地，包括美国的校园[6]、居住区[7]、巴西的街道[8]、香港的市中心[9]、广州的居住区[10]、校园[11]、武汉的居住区等，通过实测与模拟计算结果的对比，证实了该软件对于不同气候背景下模拟城市微气候的准确性。

图1 人体热感觉的影响因素

表1 PMV7级标度

3 研究对象和方法

本文以人体热舒适性为出发点，选取上海新江湾城的两住区——合生江湾国际公寓和橡树湾（图3）为研究案例，并且通过数值模拟的手段对其进行分析。选取新江湾城的这两个住区主要出于以下几点原因：首先，新江湾城乃至上海近年来的住宅区开发容积率多为1.5～2，两住区均为1.6，在这一范围内，并且开发的住区多为纯高层或高层和多层相结合的方式，两住区各占其一，具有典型性；其次，两住区的规模均在20万m2以上，会形成核心公共空间、宅间公共空间等多种类型的空间，便于比较分析；最后，两住区在相同容积率以及相似绿地率下，有着不同的建筑组合方式和绿化方式，便于之后对建筑布局以及绿化的对比分析（表2）。

本文的研究主要分为两个部分——建筑布局和绿化对公共空间热舒适性的影响。建筑布局对热舒适性的影响又分为3个层次：首先，对比分析相同容积率不同建筑密度的住区公共空间热舒适性情况，合生江湾国际公寓和橡树湾在相同的容积率下有着不同的建筑组合方式，合生江湾国际公寓全部为高层建筑，而橡树湾则是高层建筑与多层建筑相结合；其次，对比分析高层住区与多层住区公共空间的热舒适性情况；最后，对比分析住区核心公共空间和宅间公共空间的热舒适性情况，其中核心公共空间指住区中尺度较大且居于核心位置的公共空间，宅间公共空间指住宅楼间尺度相对较小的公共空间。绿化对热舒适性的影响这一部分主要对比分析不同绿化形式下的住区公共空间热舒适性情况，两住区的绿地率相差不大，但是绿化的形式却不同，合生江湾国际公寓的绿化在草皮的基础上多为乔木，而橡树湾乔木的比例则相对较小，公共空间中有大面积的草坪。

图2 ENVI-MET模型总体结构图

图3 合生江湾国际公寓和橡树湾区位图

图4 合生江湾国际公寓和橡树湾ENVI-MET模型（建筑、植被、下垫面）

4 数值模拟与分析

首先对两住区进行模拟（图4），根据现场调研、气象数据的搜集以及相关文献的查阅（如人体活动量、着衣量等）对模型网格、边界条件以及人体参数进行设定。本文选取的模拟时间为2015年8月5日，这一天为2015年全年最高温且无雨的日期，模拟极端气温下的住宅区公共空间具有代表性。住区居民中对于室外公共空间使用频率最高的人群是老人与儿童，其活动时间多集中于16:00～18:00，因此，本研究重点分析两住区（无植被）在这一时段的热舒适性特征。

表2 合生江湾国际公寓和橡树湾住宅区概况

图5 两住区公共空间各参数平均值曲线之模拟数值比较（6：00～22:00地上1.2m处）

图6 合生江湾国际公寓和橡树湾住区公共空间的PMV分布图（17:00地上1.2m高度处）

图7 两住区高层与多层部分公共空间各参数平均值曲线之模拟数值比较（6：00～22:00地上1.2m处）

4.1 建筑布局

模拟结果可输出合生江湾国际公寓和橡树湾两住区任意室外公共空间2015年8月5日6:00～22:00各整点时间点的气象数据。为了整体比较两住区的热舒适性，本文分别将各整点时间所有公共空间的空气温度、风速、相对湿度、平均辐射温度（MRT）和预测平均热反应（PMV）取平均值进行对比。

图5为合生江湾国际公寓和橡树湾两个住区所有公共空间6:00～22:00空气温度、风速、相对湿度、平均辐射温度（MRT）（平均辐射温度（MRT）：指一个假想的等温围合面的表面温度，它与人体间的辐射热交换量等于人体周围实际的非等温围合面与人体间的辐射热交换量。见《绿色建筑热湿环境及保障技术》P147。研究表明，平均辐射温度在人体热舒适评价中比空气温度具有更多实际意义。）和预测平均热反应（PMV）平均值的对比走势图。通过对比可知，两住区总体PMV相差不大，并且与对应的MRT有着很强的相似性，证明了夏季室外热舒适性与太阳辐射有显著关系。合生江湾国际公寓PMV值在9:00～15:00时略高于橡树湾，其余白天时段均略低于橡树湾，就白天高温时段而言，橡树湾的热舒适性要优于合生江湾国际公寓，但由于居民住宅区室外活动时间多集中于16:00～18:00，这一时段合生江湾国际公寓的PMV值反而较低，热舒适性要好于橡树湾。就居民活动情况而言，合生江湾国际公寓（纯高层建筑）的热舒适性要优于橡树湾（高层与多层混合）。

图6是以2015年8月5日（2015年夏季最热日）17时为例的公共空间各点预测平均热反应（PMV）的分布图。从图中可以看出，预测平均热反应（PMV）在阴影区域的数值明显低于其它区域，原因在于太阳辐射对于人体热舒适的影响极大，从而夏季处于建筑阴影内的区域热舒适度远好于非阴影区。

图7为合生江湾国际公寓和橡树湾高层与多层部分住区公共空间6:00～22:00空气温度、风速、相对湿度、平均辐射温度（MRT）和预测平均热反应（PMV）平均值的对比走势图。通过对比可知，橡树湾多层建筑围合下的住区公共空间的预测平均热反应PMV在早晚与高层部分基本相同，但在白天时段则高于本小区的高层部分以及合生江湾国际公寓。这主要是由于有较强日照的时段，多层建筑围合的住区公共空间相较于高层建筑温度偏高、风速偏低、湿度偏高，从而造成了整体热舒适性相对不佳。对于上海夏季，16:00～18:00仍为日照期间，从而在户外活动集中时段仍然遵循上述结果。总体而言，高层住区公共空间的人体热舒适性要优于多层部分，且随着建筑高度的增加热舒适性也在逐渐变好。

图8 两住区核心公共空间与宅间公共空间各参数平均值曲线之模拟数值比较（6：00～22:00地上1.2m处）

图9 两住区公共空间添加植被前后各参数平均值曲线之模拟数值比较（6：00～22:00地上1.2m处）

图10 合生江湾国际公寓和橡树湾住区公共空间添加植被前后的PMV差值图（17:00地上1.2m高度处）

图8为合生江湾国际公寓和橡树湾两个住区所有核心公共空间、宅间公共空间6:00～22:00空气温度、风速、相对湿度、平均辐射温度（MRT）和预测平均热反应（PMV）平均值的对比走势图。通过对比可知，住区核心公共空间与宅间公共空间的温度相差不大，核心公共空间的风速、平均辐射温度高于宅间公共空间，湿度低于宅间公共空间，PMV高于宅间公共空间，总体热舒适性差于宅间公共空间。宅间公共空间相较于核心公共空间有着更好的微气候条件。在无其他辅助条件（如遮阳构筑物）下，宅间公共空间更具热舒适性优势。但是通过上述各数据参数的分析可知，影响核心公共空间热舒适性的主要因素是平均辐射温度的高低，所以可以通过采取遮阳措施来改善核心公共空间的辐射量从而达到改善热舒适性的目的。

4.2 绿化形态

本部分通过对比来分析不同植被情况下的公共空间热舒适性。合生江湾国际公寓绿地率40%，橡树湾绿地率45%，相差不大，但是合生江湾国际公寓的绿化乔木比例很高，而橡树湾多为草坪。图9、10为合生江湾国际公寓和橡树湾两个住区添加植被前后所有公共空间6:00～22:00空气温度、风速、相对湿度、平均辐射温度（MRT）和预测平均热反应（PMV）平均值的对比走势图。

通过图9的对比可知，合生江湾国际公寓添加植被前后的PMV最大差值均出现于16:00～18:00这一居民活动时间段内，植被的种植为居民的室外活动提供了更好的相对热舒适条件。通过PMV差值可以看出合生江湾国际公寓大于橡树湾，橡树湾的平均最大差值为0.7，而合生江湾国际公寓可达1.8，这说明在绿地率相差不多的情况下，乔木的比例越高，则热舒适性越好，植草对改善公共空间热舒适性的效果相对较弱。总体而言，无论乔木或植草均对住区公共空间的平均辐射温度MRT和整体热舒适性有明显改善作用，其中乔木的种植可降低平均辐射温度MRT，提高住区公共空间的整体热舒适性，但是对风的流动有阻碍作用，从而在一定程度上降低热舒适性，但是总体热舒适仍优于植草。

图10为两住区于17∶00公共空间各点添加植被前后的预测平均热反应（PMV）的差值图。通过该图可知，合生江湾国际公寓的非建筑阴影区PMV普遍降低，而建筑阴影区则略有升高。这主要是由于在非建筑阴影区，乔木等植被的遮阳减少了太阳辐射，从而改善了公共空间的热舒适性；而在建筑阴影区域中，原本就没有太阳直射，但是由于乔木的存在阻碍了风的流动，风速的下降导致了热舒适性的降低。这说明植被对于日照区热舒适性的改善要优于非日照区域。橡树湾中种植乔木的区域PMV出现了同合生江湾国际公寓同样的情况，但是下降区域比例明显较低，这主要是由于橡树湾乔木比例较少。同时，上文数据也显示出植草相较于乔木对住区公共空间PMV的影响较小。

5 结论与建议

5.1 基于热舒适性容积率相同建筑高度不同住区设计建议

高层住区公共空间的人体热舒适性要优于多层公共空间部分。相同容积率下，纯高层的住区公共空间热舒适性整体上要稍优于高层与多层混合的住区公共空间。

由此可知，在满足其它规划建筑法规（如限高，日照等）的前提下，对于给定容积率，住宅区宜采用纯高层的建筑布局方式。对于多层与高层混合的住宅区，可以通过景观处理、交通组织等方式有意识地引导公共活动区至高层建筑之间的区域。

5.2 基于热舒适性的住区核心公共空间和宅间公共空间设计建议

住区核心公共空间的平均PMV高于宅间公共空间，总体热舒适性差于宅间公共空间。

由此可知，宅间公共空间相较于核心公共空间有着更好的热舒适条件，从而在考虑人的活动时应更多地关注宅间公共空间。影响核心公共空间热舒适性的主要因素是太阳辐射， 在设计核心公共空间时应避免设置大面积草坪、水体等，应在非阴影区内种植树木或设置遮阳设施等。

5.3 基于热舒适性的住区公共空间景观绿化种植建议

植被的种植能有效改善夏热冬冷地区住区公共空间的热舒适性。夏季住区建筑并不能充分遮挡太阳辐射，植被的种植对于近地面微气候的改善尤为显著，这也为住区相对舒适空间的选择提供了更多的自由度。

在不影响使用功能的前提下尽可能使用绿地来代替硬质铺地；在绿地率一定的情况下，尽可能提高乔木的比例；住区公共空间中日照区绿化（尤其乔木）相对于阴影区的绿化更有利于改善公共空间的热舒适性。

6 结语

对于上海这样的夏热冬冷地区，夏季较高温度情况下的热舒适性矛盾比较突出。这也是本文研究限定在夏季高温条件的主要原因。但是，这并非表明冬季的热舒适性问题并不存在。而由于时间所限，本文采取的手段尚未能扩展运用到更大的时间跨度内，例如整个夏季。同时，除了本文所研究的两个案例，住宅区尚存在其它的类型。所以，对研究时间和案例两个方面跨度的扩展，将有助于提高研究成果的全面性和准确性，这也是笔者下一步研究的主要方向。

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[11]杨小山.室外微气候对建筑空调能耗影响的模拟方法研究[D].广州:华南理工大学,2012.

Study on Thermal Comfort of Outdoor Public Space in Summer --Taking Contemporary Middle to Large Residential Area of Shanghai for Instance

Outdoor public spaces of residential areas play an important role in residents' daily life, while thermal comfort is a factor having infl uence on the quality of public space and user's appraisal. Thermal comfort of outdoor environment is less concerned in planning and design of residential area. Starting from human body's thermal comfort, the paper selected representative middle and large residential areas of Shanghai as research subjects, discussed interrelationship between spatial form and thermal comfort of residential area from aspects of architectural layout and landscaping form with digital simulation of thermal comfort as main measure, and fi nally proposes human body thermal comfort based suggestion on spatial design.

residential area, public space, thermal comfort, digital simulation, architectural layout

2016-9-19）

王一，博士，同济大学建筑与城市规划学院建筑系副主任，中美生态城市设计联合实验室执行副主任，副教授、博士生导师；栾沛君，硕士，中国航空规划设计研究总院有限公司建筑师。