WBGT和UTCI标准在有效阴影区测试中的适用性分析★

陈 敬 王 芳

(1.西安建筑科技大学，陕西 西安 710055; 2.西部绿色建筑协同创新中心，陕西 西安 710055)



·绿色环保·建筑节能·

WBGT和UTCI标准在有效阴影区测试中的适用性分析★

陈 敬1,2王 芳1,2

(1.西安建筑科技大学，陕西 西安 710055; 2.西部绿色建筑协同创新中心，陕西 西安 710055)

以人在街区内的舒适性为研究内容，介绍了WBGT指数及UTCI指数两种常用的评价室外热舒适性的方法，从适用范围、计算方法、测试方法、评价标准四方面，进行了对比分析，阐明了两种方法对于提取有效阴影区的适用性。

WBGT指数，UTCI指数，有效阴影区，亚热带地区

在基于阴影区理论的室外步行街生态设计中，人在街区内的热舒适性是重要的研究内容。目前国内关于室外人体舒适性的研究方法比较多，但是如何找到一种有效的评价方法，将室外的热环境评价能够量化并转化成为可供设计参考的空间边界，这是界定有效阴影区边界的重要依据，也是基于阴影区理论的室外步行街生态设计方法的重要内容。目前国际上常用的评价室外热舒适性的方法主要有WBGT指数与UTCI指数。本文将针对这两种不同的测试方法，根据其自身的特点及其实测的数据来判断其在亚热带地区室外步行街生态设计中的适用性。

1 WBGT指数测定方法

1.1 WBGT指数简介

WBGT指数亦称为湿球黑球温度，是综合评价人体接触作业环境热负荷的一个基本参量，单位为℃。国内根据WBGT指数分别颁布GB/T 17244—1998，GB T4200—2008等标准，其中GB/T 17244—1998热环境 根据WBGT指数对作业人员热负荷的评价为在室外热环境条件下作业人员的热负荷提供了一定的评价标准[1-3]。

1.2 适用范围

该方法可以用来评价在整个工作周期中人体所受的热强度，适用于评价工业领域工作场所以及建筑室外的热环境状况。不适宜于评价短时间内或热舒适区附近的热强度。

1.3 计算方法

WBGT综合考虑空气温度、风速、空气湿度和辐射热四个因素，能够较好的预测中暑的室外环境。它由黑球温度(tg)、自然湿球温度(tnw)、干球温度(ta)三个部分温度构成，并由下列式计算得出结果。其中，式(1)为无太阳辐射条件下的WBGT指数计算方法，式(2)为有太阳辐射条件下的WBGT指数计算方法:

WBGT1=0.7tnw+0.3tg

(1)

WBGT2=0.7tnw+0.2tg+0.1ta

(2)

1.4 测试方法

以其中一天的测试过程为例，将两台热压指数测试仪器分别布置于太阳直接照射的区域与阴影区内进行测试，获取日照区和阴影区范围的自然湿球温度、黑球温度、空气干球温度数值；根据自然湿球温度、黑球温度、空气干球温度数值和式(1)，可以确定室外无太阳辐射时WBGT值。进一步根据式(2)可以确定室外有太阳辐射时WBGT值。

1.5 评价标准

式(1)和式(2)是根据人体室外热舒适标准GB/T 17244—1998中关于室外人体热安全性确定的，其中，GB/T 17244—1998为《热环境 根据WBGT指数对作业人员热负荷的评价》。在该标准中的表1为WBGT指数评价标准，表2为能量代谢率分级。在本研究案例中，考虑到步行街中的行为主要以低代谢率的闲步为主。而表2中的1低代谢率和表1中的平均能量代谢率等级中的1级，对应的温度范围为30 ℃～32 ℃之间，也就是说在以闲步为主的活动中，WBGT指数超过31 ℃时，人的热感知就会比较差，存在中暑的可能性。而31 ℃又会分成在太阳辐射条件下以及在没有太阳辐射的条件下(例如在阴影区中)，在没有太阳辐射的条件下的WBGT指数超过31 ℃时，也就是说在这个时刻以后，阴影区利用也难以解决热环境的问题，需要考虑采用其他的方法来缓解极端热环境所带来的不利影响。

2 UTCI测定方法

2.1 UTCI指数简介

UTCI(Universal Thermal Climate Index)通用热气候指标是德国2009年在Cost Action 730提出的，它提供了一种建立在等价生理动态响应等生物气象学应用的户外热环境评价方法，其中还通过观测直肠温度，结合菲亚特等国际上先进的服装模型，符合人体工程学标准[4]。

2.2 适用范围

这种方法可以较为准确的评价在室外气候条件下的人体的热舒适情况。

2.3 计算方法

UTCI的计算方法较为复杂，但在UTCI网站中给出了较为简便的计算程序，UTCI指标在计算过程中会涉及到气温(Ta/℃)、辐射温度(Tmrt/K)、水蒸气压力(Water vapour pressure/hPa)、相对湿度(RH/%)、风速(Wind speed/m/s)等相关的参数。将这些参数代入UTCI网站给定的计算器中(UTCI Calculation)就可以计算出相应的UTCI指标。

2.4 测试方法

在UTCI指标的相关参数中，气温(Ta/℃)、相对湿度(RH/%)、风速(Wind speed/m/s)的数据可以通过实地直接测试的方法得到相关数据。水蒸气压力(Water vapour pressure/hPa)通过UTCI网站中 Richard DeDear教授给出的相关程序，可以计算出相应的数值。ΔTmrt可以根据公式ΔTmrt=Tmrt-Ta计算得出。其中，Tmrt为平均辐射强度，W·m-2·s-1；Ta为气温，℃。Tmrt，Ta可以通过仪器直接测定。测试过程以一天内日出到日落为一个测试周期，采用每半小时为固定时段进行逐时测试，将相关的数据进行记录。

2.5 评价标准

UTCI指数的评价标准分为10个等级(见图1)。其中9 ℃～26 ℃为标准的舒适温度。高于这个区间的温度热感觉会逐渐加剧，而低于这个区间的温度冷感觉会逐渐加剧。这个评价标准类似于室内热环境评价中常用的PMV评价方法。不同于PMV的是，UTCI指数的等级划分的更加的精细，并且对每一个等级中给出明确的可供参考的温度指标。

3 两种方法对于提取有效阴影区的适用性

3.1 实测数据分析

图2～图5是根据WBGT指数测试方法采集到的相关数据。从图3～图5可以看出，太阳辐射强度从7:00左右开始一直在加强，在13:15左右达到最高值。图4表明的是从7:00开始，在直接太阳辐射下，WBGT指数在7:40左右达到31 ℃。随着太阳辐射强度的增加，在太阳辐射下的WBGT指数会持续增加。而在阴影区中，WBGT指数除了个别时间点外，大多数时间都不大于31 ℃。这说明依靠阴影区是可以有效控制室外热环境的(即可以控制在中暑的边界温度之内)。

图6～图9根据UTCI指数测试方法采集到的相关数据。在进行数据处理的时候，同样采用的是在阴影区内采集的数据(即图1中的数据)。在计时上也是采用8:00开始，为的是可以对比UTCI指数测试方法与WBGT指数测试方法之间的差异性。根据图9测试结果表明UTCI指数的变化范围在33.7 ℃～37.5 ℃之间变化。对照图1UTCI指数评价标准可以看出街区在测试的时间段内属于强热压的范围，不能满足热舒适度(no thermal stress或moderate heat stress)的要求。

3.2 实测方法适用性分析

由于基于阴影区理论的室外步行街生态设计中需要挑选出有效阴影区的范围，那么在实际的测试过程中需要一个明确的测试边界，从而可以测试出明确的时间段内的阴影区的范围。

在WBGT指数测试方法中，其自身存在以下的特点：

1)具有明确的可供参考的规范标准。

GB/T 17244—1998标准中给出了明确的行为方式以及测试温度的边界值，因此在测试的过程中可以以31 ℃为测试边界，无论是在太阳辐射条件下还是在无太阳辐射条件下(阴影区中)。只要超过这个边界，我们就可以认为人有中暑的可能性。

2)区分了在有太阳辐射和无太阳辐射的情况。

在GB/T 17244—1998标准中区分了在太阳辐射条件下和无太阳辐射条件下(阴影区中)的计算方法，这为界定有效阴影区和无效阴影区提供了标准。因为在冬季或是清晨，即使是在太阳辐射条件下，WBGT指数不大于31 ℃，甚至更低，对人会产生积极的影响，所以这个时候，阴影区存在的意义并不明显。而在太阳辐射下WBGT指数大于31 ℃时，阴影区存在的意义就会凸显出来。

而在UTCI指数测试方法中，其测试的参数并没与涉及到与太阳辐射直接相关的参数，无法直接断定是否是在太阳辐射条件下，所以难以与阴影区产生直接的联系，另一方面，由于在UTCI指数测试方法中并没有给定明确的测试边界，根据对海口市中山路的实测表明，即使在阴影区中其UTCI指数的范围是在33.7 ℃～37.5 ℃之间，也是不符合人体舒适度要求的。其测试结果并没有明确的设计导向性，也无法给出解决问题的策略，因此在基于阴影区理论的室外步行街生态设计方法中并不适用,只可以采用本方法对有效影区内的热舒适状况研究进行补充说明。

[1] GB T4200—2008,高温作业分级[S].

[2] GB/T 17244—1998,热环境 根据WBGT指数对作业人员热负荷的评价[S].

[3] 谭琳琳,甘永祥.WBGT指数与中暑预防[J].中国高新技术企业，2008(22):182,185.

[4] 唐进时,申双和,华荣强，等.热气候指数评价中国南方城市夏季舒适度[J].气象科学，2015,35(6):769-774.

Applicability analysis of WBGT and UTCI index in valid shaded area test★

Chen Jing1,2Wang Fang1，2

(1.Xi’anUniversityofArchitectureandTechnology,Xi’an710055,China；2.WesternGreenBuildingCollaborativeInnovationCenter,Xi’an710055,China)

Taking people’s comfort degree in street as the research contents, the paper introduces two kinds of common indoor and outdoor thermal comfort evaluating methods of WBGT index and UTCI index, carries out comparative analysis from four aspects of application scope, calculation methods, testing methods and evaluating criteria, and explores their applicability for extracting effective shadow region.

WBT index, UTCI index, effective shadow region, subtropical region

1009-6825(2017)18-0173-03

2017-03-27★：国家自然科学基金青年项目“华南地区商业步行街室外空间生态设计模式研究”(51508437)；国家自然科学基金重大项目“极端热湿气候区超低能耗建筑模式及科学基础”(51590913)

陈 敬(1981- )，男，副教授

TU201.5

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