场地绿色基础设施对户外热舒适的影响

刘滨谊 魏冬雪

摘要：绿色基础设施作为城市生态支撑体系的重要部分，能夠从物理和心理2个层面影响城市户外热舒适。文章回顾了透水性铺装、绿色街道、生物屋顶与垂直绿化、城市公园4种场地绿色基础设施对于户外热舒适的物理心理影响，分析数据包括模拟和现场实测研究；研究所讨论的内容清晰地反应了融入气候因素的设计导则可以直接促进户外热舒适。

关键词：户外热舒适，物理心理，绿色基础设施

1.引言

由于全球变暖和城市化，在2l世纪，全球平均地表温度和空气温度将分别增加2.6℃～4.8℃和2℃～4℃，城市地区尤其严峻。过高的热应力引起热中风和热死亡，威胁城市居民健康，城市环境热舒适问题已引起关注。

研究证实绿色基础设施能够有效减少城市热岛促进户外热舒适。透水性铺装、绿色街道、垂直绿化与生物屋顶、城市公园是4类场地绿色基础设施实施的有效类型。

本研究从环境物理和大众心理感知2个层面回顾上述4类场地绿色基础设施户外热舒适。文献回顾主要关注空气温度、空气湿度、风速、热辐射4种小气候变量对于户外热舒适的综合影响，重点回顾使用基于能量平衡的热舒适指标对户外热舒适进行的评估。

2.户外热舒适

热舒适被定义为“在热环境感到满意的状态”，此定义表明热舒适是一种主观感觉。户外热舒适，涉及大众心理感知和环境物理2个方面。在大众心理感知方面，基于美国采暖、制冷与空调工程师学会（ASHRAE）的定义，热舒适区是80%静坐或进行轻量活动的人们认为环境是“热可接受的”范围：在环境物理层面，热舒适区范围则是空气温度、空气湿度、风速和热辐射等一系列环境参数的集成。

目前。已有的评估户外热舒适方法以基于人体能量平衡的机理指标为主。常见的指标为预测平均投票（PMV）、户外标准有效温度（OUT_SET）和生理等效温度（PET）等。计算这些指标需要获得空气温度、空气湿度、风速和热辐射。评估户外热舒适方法之一是对上述4种小气候变量进行现场实测进而计算热舒适指标，另一种方法是使用计算机软件进行数值模拟，常用模拟软件有：ENVI-met，COMFA，SOLWEIG和Green-MC。

由于人们对环境条件需求以及压力反应不同，对环境的感知和评估也存在差异，在户外环境中通过问卷调查获得主观人体热感觉的方法被广泛认可。就热舒适感知而言，一些研究表明文化差异和环境态度影响热舒适感知：还有一些研究则证明了热舒适涉及到环境的自然性、审美性和积极体验。环境心理学研究认为自然体验能够快速缓解疲劳和恢复注意力与没有植被的城市环境相比较.人们偏好绿色环境。更多的绿色空间能够增加居民对于环境的满意度。

微气候营造在风景园林规划设计中近人小尺度的层面上应当引起重视.目的是构建舒适宜人的环境。从设计视角，一方面可以通过影响太阳辐射、地面辐射和风等气候参数来获得场地绿色基础设施的户外热舒适：另一方面考虑到户外热舒适感知受到视觉感知和偏好的影响。可以通过规划设计手段来改善其自然性、审美性、体验性等来促进人们热舒适感知。

3.场地绿色基础设施对户外热舒适的物理心理影响

3.1透水性铺装

透水性铺装是指能够使雨水通过，直接渗入路基的铺装材料。透水性铺装能降低地表温度，缓解户外热舒适。史源等使用ENVI-met软件对北京西单商业街进行冬夏两季热舒适模拟，模拟显示，过多使用非渗透性硬质铺地表面会导致室外热舒适度的严重恶化，渗透性差的硬质铺地与渗透性较好的自然土壤表面的预测平均投票（PMV）差值达到2.0。

草地对于户外热舒适在环境物理和心理感知2个方面都有促进作用。在意大利图灵，马佐塔（Mazzota）比较了新型透水铺装、草地、草地与混凝土混合铺装的热性能，实测显示，新型透水铺装获得的热量低于混凝土与沥青，高于草地。该研究还调查了85人对3种材料的心理热感觉.38%的受试者对于混合铺装与草地的热舒适感到满意，仅有25%的受试者对新型透水铺装材料的热舒适感到满意。在意大利佩鲁贾，罗索（Rosso）等使用问卷调查了66个受试者对于屋顶和城市铺装材料热的和视觉的感知，结合现场实测数据证实了草地比碎石、沥青在热舒适和视觉舒适上更具优越性。

3.2绿色街道

绿色街道是一种集合绿色透水表层、树木覆盖与景观元素的街道。尽管街道朝向、街道高宽比对于街道热舒适起着重要作用，绿色行动仍然是获得街道热舒适的重要手段。在北京西单商业街，ENVI-met模拟显示。在夏季.街道绿化区域与非绿化区域的PMV差值高达3.0以上。当街道高宽比小于0.5时，无论何种朝向，植被的数量和形态对户外热舒适都起着重要作用。

不同绿化形式对于街道热舒适的促进作用也有差异。赵敬源与刘加平使用数值模拟的方法分析了西安东西向高宽比值为1的街道热环境，在乔木、灌木、草坪3种绿化形式当中，树木对街道热环境的改善效果最好，在正午12时，树冠下方1.1m高处SET值比无绿化时降低了6.44℃，草坪上方的SET值比灌木上方低0.17℃。劳巴卡罗（Lobac-caro）和阿西罗（Acero）使用ENVI-met模拟了不同绿化形式对毕尔巴鄂3类街道夏季热环境的改善能力，在低层紧凑型（B/T=0.8，H/W=3.5）、中高层紧凑型（B/T=0.6，H/W=1.5）、高层开敞型（B/T=0.4，H/W=1.3）3类街区中，相比于硬质铺地.草坪作为街道中央绿化对PET的最大改善分别是4.22℃、2.96℃和3.16℃，草坪与树木共同作为街道中央绿化对PET的最大改善分别是6.7℃、5.99℃和4.74℃。模拟显示草坪的使用能够较长时间减少白天人行层面的热不舒适.从更长的时间来看，与全部是草坪的街道相比较，树木的作用仅仅是在树叶覆盖的区域.其对热舒适的影响依赖于树木的几何形态（高度、形状和冠幅）和树冠的叶密度。

树木通过降低空气温度和提供遮荫来促进街道空间热舒适。在新加坡的实测研究证实了街道中的成年树木提供了足够的遮荫.促进了行人层面户外热舒适。在西安，数值模拟表明，树木叶面积指数（LAI）影响户外热舒适，当LAI从1增加到5时，树荫区域的SET值下降5.7℃，树种选择至少要保证LAI值为3，才可以对街谷热环境带来实质性改善。此外，树木种植的密度对户外热舒适有决定性影响。沙书亚（shashua）等通过Green-MC模拟显示.在城市雅典.当街道植被覆盖从8%增加到50%时，PET值减少8.2 K。Hwang等提出在台湾地区，使用落叶树木能够促进该地区街道全年热舒适。

树木对于街道热舒适的改善效果不单单取决于树木的属性，还受到周边环境的影响，如街道朝向、高宽比等。阿里图德（Ali-Toudert）使用ENVI-met模拟了干热气候盖尔达耶夏季白天植被对于街道热舒适的影响，当街道高宽比为2，东西朝向时，街道北侧种植单排树木树冠下的PET值比没有树木时低22K：当街道高宽比为1，南北朝向时，街道中央有两排树木比没有树木的街道PET值低24K。莫拉金约（Morakinyo）使用ENVI-met模拟树木形态、规划布局对于街道热舒适的影响，研究表明。在湿热地区.树木能够将街道的热感觉从“非常热”降低到“热”，即降低一个热感觉评级。该研究指出街道树木的种植不能取决于单个参数，需要综合街道高宽比、树木高冠比、叶面积指数、叶面积密度（LAD）和种植布局与排列来促进街道热舒适。

在心理方面，克莱姆（Klemm）在荷兰选择了3种类型的街道，进行了夏季热环境感知分析。这3种街道类型分别是类型I没有绿化.类型Ⅱ街道两侧是大的行道樹，类型Ⅲ街道两侧有花园和小的行道树。在物理层面发现，类型I的平均辐射温度最高，类型Ⅱ高于类型Ⅲ的平均辐射温度值为2.2K。通过问卷对行人进行的热舒适感知显示.类型Ⅲ的热舒适感知高于类型Ⅱ。克莱姆（Klemm）认为，视野里丰富的植被类型和高度变化促使人们获得了更好的热感知。

3.3生物屋顶与垂直绿化

植被完全覆盖或部分覆盖的屋顶被称作绿色屋顶或生物屋顶.其重要功能是减少暴雨径流，附加价值是减少热岛效应。垂直绿化是建筑物或构筑物中的垂直绿化元素，其不仅能够降低空气温度，还能够降低户外平均辐射温度。亚力山大（Alex.andri）和琼斯（Jones）通过在不同气候条件下小尺度二维模拟研究表明，在低矮建筑围合的浅街谷（高5m、宽10m、东西朝向），绿色屋顶和垂直绿化能够促进夏季人行层面的户外热舒适。以雅典城市气候为例.光秃混凝土墙面在夏季的PET值超过45℃，而植被覆盖的墙面，PET值超过30℃的时间仅仅是4h。在白天的大多数时间，直接暴露在太阳辐射下的屋顶的PET值在20℃～35℃，处于舒适和微暖水平，植被覆盖的屋顶的PET值处于微凉和舒适水平。尽管有研究认为绿色屋顶对于人行层面的降温作用十分微弱，对于没有足够土地提供城市绿色空间的高密度城市。生物屋顶和垂直绿化仍是最佳的绿化覆盖形式。至今，未发现有关垂直绿化或生物屋顶对于户外热舒适的心理影响方面的研究。

3.4城市公园

大量基于实测的现场研究揭示了“公园冷岛”对其周边的建筑环境具有降温作用，城市公园作为重要的场地绿色基础设施能够增加户外热舒适。布朗（Brown）使用COMFA模拟不同气候区公园舒适度时空差异发现.通过遮荫减少太阳辐射对于热感觉的影响最有效。Lin等提出在台湾为了应对小气候的逐日和逐季的变化，需要在公园内提供多种遮荫类型和遮荫水平。在寒冷季节，公园应该整合落叶和常绿树木作为遮荫空间，提供多种遮荫设施的同时，兼顾人们的视觉偏好。克莱姆（K1-emm）在荷兰对13个城市公园进行调研显示，在白天，公园的PET值要比城市外围草地低5K，比城市中心低1.9K：公园总的热条件受到树冠覆盖和上风向植被覆盖的影响，PET值和树冠覆盖显著相关，公园内10%的树木覆盖能够减少PET值1.5K。马蒙德（Mahmoud）通过实测计算了公园内9个不同区域的PET值，发现该数值受到风速和天空视觉因子（SVF）影响，城市公园内复杂的表面结构能够形成不同的特殊小气候，影响人们的热舒适感知。

在心理方面的研究显示.相比于水体和建筑环境，人们普遍认为绿色的城市环境是热舒适的户外环境。景观元素对于人们的热舒适有一定的促进作用，人们的心理体验影响了户外热舒适的感知。施奈尔（schnell）使用心率变异率（HRV）结合热舒适指标计算和主观问卷验证了城市公园在热压力、空气质量和噪音方面提供了更为健康的环境，即便是小尺度的城市公园，也能提供更为舒适、有助于人们放松和恢复的户外环境。

4.场地绿色基础设施户外热舒适研究趋势

城市户外空间热环境关乎居民健康。本文从环境物理和大众心理感知2个方面回顾了透水性铺装、生物屋顶与垂直绿化、绿色街道和城市公园对于户外空间热舒适的促进作用。已有实证研究成果为更加精确地实施规划策略和绿化干预提供了科学依据。

4种场地绿色基础设施对于户外热舒适的影响研究中，绿色街道占有较高比重。绿化种类和绿化形式对于街道户外热舒适起着重要作用，每个城市都应结合已有街区建筑密度、街道走向、街道高宽比等街道空间形态确定更为具体细致的绿化策略。从更大范围上争取全年更长时间的街道户外热舒适，促进人们对于街道空间的使用。

城市公共开放空间的建设已经重视使用透水铺装来促进人们的户外热舒适，在未来的研究中需要结合具体户外空间环境，明确不同反射率或吸收率铺装材料的适用条件。生物屋顶和垂直绿化是高密度城市中促进户外热舒适的重要手段，未来的研究需要厘清垂直绿化对于行人层面热舒适的影响范围.为具体的设计实施提供依据。

在城市公园中.乔木是促进户外热舒适的重要景观元素，对于热舒适的促进主要通过提供遮荫，蒸发和改变风环境，通过增加乔木数量获得更多遮荫的同时需要注意其对于风向和风速的影响。规划设计需要更多地掌握场地的气候条件，具体空间设计需要对树木种类、叶面积指标、树高、树冠形态、枝下高、是否落叶和树龄等进行综合考量。

需要注意的是，这些实证研究成果不具备普适性。有必要结合每个城市的地理特征、气候特点以及已有建成环境全面开展户外热舒适研究.进而制定相应的规划设计策略。在环境物理方面，结合城市自身气候条件，制定常绿与落叶植物比例；充分考虑地区季节性条件制约.正确选择植物种类和植株形状，合理规划种植密度，创造出冬夏两季皆舒适的户外热环境。在大众心理感知方面，应进一步探求景观元素、景观空间等对于热舒适感知的影响机制.在此基础上，结合当地居民的审美和行为习惯进行规划设计。