苏州地铁站夏季热环境和热舒适性研究

2021-01-06徐敏凯赵书杰

苏州科技大学学报(工程技术版) 2020年4期

徐敏凯，赵书杰

（苏州科技大学建筑与规划学院，江苏苏州215011）

进入21世纪以来，国内外城市化进程迅速发展，但是在发展过程中，也出现了很多对城市不友好的因素。例如人口超载、交通拥堵、土地短缺和建筑空间紧张等，给城市的建设和发展增加了巨大的压力。因此，伴随着经济的持续发展和城市化进程的加剧，向地下发展已成为必然选择，尤其城市的地下轨道交通系统逐渐成为人们出行最多的选择。

国外越来越多的人投入到热舒适的研究中[1]。Humphreys等[2]发现调研得到的热中性温度大多低于实验研究的结果；Stuart Barlow等[3]发现环境日平均温度值和平均热感觉投票、人体日平均温度之间有着密切的关系；Conceic等[4]提出适用于幼儿的aPMV（复合儿童生理心理特点的热舒适投票指标）的概念，证明年龄也是影响热舒适性的因素；K.Alexis等[5]证明了生活习惯和所处地区的气候也会影响人的热舒适性；C.Y.CHUN等[6]发现地上百货商店的热环境参数和使用者的心理评估方面都比地下购物中心稳定；Mohamed Marzouk等

[7]通过WSN（无线传感器网络）和BIM（建筑信息模型）的集成系统，从而实现了不同环境下，对地铁车厢各方面参数的可视化监控；Katie Jenkins等[8]收集、提供了乘客乘坐地铁时受未来气候影响的不适及不满意的预估天数；还得出了在考虑车厢温度降低2～4℃的情况下，车内冷却适应方式的初步评估。

国内也取得了一些研究成果：赵荣义等[9]对位于北京的多处自然通风建筑进行了调研，结果显示测量所得的TSV（热感觉投票）一般低于PMV（预计平均热感觉指数）值；李百战等[10]认为生活习惯的差异会导致热感觉的差异；陈良等[11]建议根据地理位置、气候条件的不同，设定不同的热舒适性指标。王昭俊等[12]认为可能是人群的生活背景对其热舒适度造成了影响；龙惟定等[13]建议结合主观调查和客观测试两个方面对舒适度进行综合评价，才能得到更加贴近现实的结果；蒋淳潇等[14]并对热舒适与SBS（病态建筑综合征）的关系进行了研究分析。刘赛可等[15]以桂林某火车站为研究对象对夏季候车室的热舒适现状进行了分析,研究结果表明,大多乘客希望室内温度降低。

热舒适的影响因素有很多，地下空间的热环境和热舒适性特征与地面建筑的有很大差别，适用于地面建筑的研究成果不能完全适用于地下建筑，对于轨道交通站点则更是如此，本文正是基于此进行探索。

1 调查内容和方法

1.1 调研目的

针对苏州的气候特点，以苏州市的轨道交通1、2号线路站点为研究对象，采用现场测量和问卷调查相结合的方式，研究苏州地铁站热环境与人群热舒适性。研究结果可以为进一步完善地铁站热环境设计提供真实可靠的第一手数据，并为推动地铁站建筑的健康设计做出有价值的贡献。

1.2 调研对象

调研对象选择的站点应当具有广泛的代表性。中间站选取山塘街站，在换乘站中选取广济南路站，在终点站中选取木渎站，作为本次调研的调研目标。

1.3 现场调研与测试

测试时间选择的是2018年的8月7日、8月9日、8月13日，分别对苏州地铁山塘街站、广济南路站和木渎站进行调研，现场调研测试分为热环境参数测试和现场问卷调查两个方面。

1.3.1 热环境参数测试测量的物理参数为：空气温度、空气湿度、风速等。本次调研选用的测量仪器为TES-1361C记忆式温湿度表和testo 405-V1风速仪仪器，主要参数如表1所列。

表1 测试器材及参数

1.3.2 问卷调查在测量物理参数的同时，选择乘客和工作人员为问卷调研对象，并指导其填写问卷，由于地铁站工作人员较少，所以其中90%以上为乘客，工作人员所占比例较少。调查对象尽量选择18至60周岁的健康人群，同时也要考虑到男女比例均衡、年龄分布均衡等因素。人们对热舒适的感受主要包括：热感觉、湿度感觉、吹风感、热舒适性等等，各主观评价分级如表2所列。

表2 主观感受评价分级

2 调查结果统计分析

2.1 受试者背景

完成问卷调研后，除去一些不满足要求的问卷，本次调研得到的夏季相关问卷共321份，其中男性占比52%，女性占比48%。受试者的其他相关背景参数如表3所列。

表3 受试者背景特征

2.2 实地调研

2.2.1 热环境参数由于地铁站中人们停留的大部分时间是在站台层，所以主要研究站台层的热环境参数。在2018年夏季最炎热的8月份，选取7日、9日、13日这三天，分别对山塘街站、广济南路站和木渎站的物理参数进行连续性地测量，从8:00到18:00每隔1 h读取一次数据，将测量到的物理参数统计如表4所列。

表4 问卷对应的站台层热环境参数

2.2.2 PMV、PPD分析PMV、PPD分析PMV-PPD指标是指预测平均投票数和不满意百分比数。但是受试人群的个体上存在差异，所以PMV不能代表所有人的感觉。因此，又提出了预测不满意百分数PPD指标，表示受试人群中对室内热环境不满意的占总人数的百分数。同时也提出了PMV和PPD之间的定量关系。PMV-PPD指标被ISO7730标准应用，推荐值为-0.5～+0.5，也就是说90%的人员感到满意[16-17]。

根据实测的数据和问卷调研的相关数据，可以计算出相关的PMV和PPD值。见表5所列。

表5 夏季站台PMV和PPD值

由表5可知：山塘街站台的PMV值相对比较稳定，在0.33～0.79之间，平均值为0.54，人们的感受是稍暖的；PPD的值在7%～18%之间，平均值为11%，没有达到国际标准组织定的标准[17]“PMV在-0.5～0.5之间时，相对应的PPD在10%以下”，但还是比较能够接受的范围。广济南路站台PMV值在0.7～1.33之间，平均值为0.95，人们的感受是暖的，相对不是特别舒适；PPD的值在15%～42%之间，平均值为24%，超出标准较多。木渎站台的PMV值相对比较稳定，在0.47～0.88之间，平均值为0.65，人们的感受是稍暖的；PPD的值在10%～21%之间，平均值为14%，没有达到国际标准组织定的标准。三个测试点的差异相对较大。

2.3 受试者热舒适

2.3.1 热感觉热感觉是人体对于所在环境冷热的最直观的反映，它的大小可以比较清楚地反映出当前环境的冷热情况。根据ASHRAE55的7级热感觉标度[18]（数值+3：热、+2：暖、+1：稍暖、0：中性、-1：微凉、-2：凉、-3：冷），对夏季受试者的热感觉进行统计，统计结果如图1和图2所示。

由图1、图2可以看出：夏季，感到舒适的人群相对较少，只有35.7%，感觉稍凉的占26.1%，凉占18.1%，冷占11.8%，微暖占8.3%，没有人觉得暖、热。通常认为介于-1～1之间为居民满意度，居民满意度达到80%就是居民满意。综合夏季问卷数据，介于-1～1之间的投票值比例为70.1%，不满足要求。受试者期望温度保持不变的比例在70.4%，同时希望温度再高一点的达到27.8%，而希望温度再低一些的是7.8%，期望温度变高比例远高于是期望温度变低的比例。可总结概括为：受试者大多期望温度维持不变，或有所升高。

2.3.2 湿感觉湿感觉是人体对于所在环境湿度的反映，它的大小可以比较清楚地反映出当前环境的干湿情况。统计结果如图3与图4所示。根据ASHRAE55的7级湿感觉标度[18]（数值+3：很干燥、+2：干燥、+1：有点干、0：舒适、-1：有点潮、-2：潮湿、-3：很潮湿），对夏季受试者的湿感觉进行统计。

图1 夏季受试者热感觉分布率

图2 夏季受试者温度期望投票分布率

图3 夏季受试者湿感觉分布频率

图4 夏季受试��者��湿��感觉分布频率

由图3、图4可以看出：夏季，大多数人感觉有点潮，占42.7%，其余舒适占31.1%，有点干占5.6%，潮湿占15.1%，很潮湿占5.5%。通常认定介于-1～1之间的投票总和达到80%，说明居民满意。而图中介于-1～1之间的湿感觉投票频率有79.4%，基本达到居民满意的80%。虽然苏州的夏季较潮湿（地下空间更是如此），但是由于空气温度较低，即便大部分受试者感觉潮湿，也还没有达到不舒适的程度。可见虽然湿度较高，但对人体热舒适感觉影响不大。受试者期望湿度保持不变的比例在61.9%，同时希望湿度再低一点的达到30.3%，而希望湿度再高一些的是7.8%，期望湿度变低比例远高于是期望湿度变高的比例。可总结概括为：受试者大多期望湿度维持不变，或有所降低。

2.3.3 吹风感吹风感是人体对于所在环境风速的反映，它的大小可以比较清楚地反映出当前环境的风速情况。根据ASHRAE55的7级吹风感标度[18]（+3：风很大、+2：风有点大、+1：舒适有风、0：舒适无风、-1：有点闷、-2：闷、-3：很闷），对夏季受试者的吹风感进行统计，统计结果如图5所示。

由图5可以看出：夏季大多数人感觉舒适有风，占45.2%，其余舒适无风占26.1%；有点闷占11.9%，风有点大占12.6%，闷占4.2%。通常认定介于-1～1之间的投票总和达到80%，说明居民满意。而图中介于-1～1之间的湿感觉投票频率有83.2%，达到居民满意的80%。地铁站的风一直变化，在峰值时有可能超过1.5 m/s，不同时段到达站台层的吹风感是不同的，但是人群在地铁站内并不是静止的，是不断运动的，就算候车的时候通常也只停留几分钟，处于运动状态下的人体对风速的感受相对不太敏感，导致虽然地铁站风速有时比较大，但是没有达到使受试者感到不舒适的程度，对热舒适感觉影响不大。

2.3.4 整体热环境可接受度整体环境可接受度调查是让受试者直接判断对于其所处的热环境是否可接受。标度设定为——+2：完全可接受、+1：中等可接受、0：一般可接受、-1：一般不可接受、-2：中等不可接受、-3：非常不可接受。其中投票值：+2为完全可接受，+1为中等可接受，0为一般可接受。

图6 给出了夏季受试者对地铁站的热接受率分布频率。从图6中可以看出：有7.8%的受试者觉得热环境完全可接受，有28.7%的受试者觉得热环境中等可接受，有34.2%的受试者觉得热环境一般可接受，有16.4%的受试者觉得热环境一般不可接受，有9.8%的受试者觉得热环境中等不可接受，有3.1%的受试者觉得热环境非常不可接受。认为投票值在+2、+1和0的受试者认为可接受，所以共有70.7%的受试者认为地铁站的热环境可接受。

2.3.5 问卷调研与PMV-PPD结果比较将三个站点的问卷分别进行统计，将PMV与AMV、PPD与实际不满意率进行对比，得到表6所列。

图5 夏季受试者吹风感分布率

图6 夏季受试者热可接受度投票分布率

表6 夏季调研与PMV-PPD结果比较分析

从表可以看出：PMV模式下，人们对广济南路站的热舒适是最不满意的；而在AMV模式下，人们对广济南路站的热舒适却是最满意的；而且除了广济南路站两种模式下的热感觉都是偏暖的，山塘街站和木渎站的PMV模式下人们的热感觉是偏暖的，而在AMV模式下热感觉确实偏凉的。证明PMV-PPD指标与实际调研得出的人的感受是有偏差的，在设计地铁站热环境时要将两者综合考虑。

3 热舒适性研究

本节主要是将夏季通过现场热环境物理数据实测和主观问卷调查得到的数据相结合，通过回归分析法得出苏州市地铁站夏季的热中性温度、期望温度和热接受率。并于现场实测数据进行对比分析，研究苏州地铁站的夏季热舒适性。

3.1 热中性温度

取受试者填写问卷时相对应的现场实测温度为空气温度的输入值，将受试者对苏州市地铁站夏季热环境的平均热感觉与空气温度进行线性回归分析（见图7），得到夏季MTS（实际平均热感觉投票）的回归方程

热中性温度的回归方程的相关系数R2为0.900 4，说明空气温度与平均投票值的线性关系很强。令MTS=0，带入式（1），可求出苏州市地铁站夏季的热中性温度为26.28℃。比山塘街站夏季站台层平均温度高1.46℃，比广济南路地铁站夏季站台层平均温度低0.29℃，比木渎站地铁站夏季平均温度高1.05℃。这说明山塘街站和木渎站的夏季空气温度是偏冷的，而广济南路因为体量大、空气温度高、受试者的满意度就相对偏高，这与主观问卷调查所得结果一致。

3.2 期望温度

期望温度的计算方式选用直接法，以0.5℃为组距，统计每组中期望空气温度比此刻稍冷或稍暖的受试者占其中受试者的百分比。分别进行线性回归分析（见图8），得到夏季空气温度冷投票回归方程式

苏州市地铁站夏季空气温度热投票回归方程式

可以看出，冷投票回归方程的相关系数R2=0.895 7，热投票回归方程相关系数R2=0.917 4，线性相关性强。两条回归线的交点对应的期望温度为26.49℃，比热中性温度高0.21℃，基本相同。比山塘街站夏季站台层平均温度高1.67℃，比广济南路地铁站夏季站台层平均温度低0.08℃，比木渎站地铁站夏季平均温度高1.26℃。与主观问卷调查结果一致，广济南路地铁站热期望与冷期望较低，而山塘街站和木渎站热期望与冷期望较高。

3.3 热接受率

热期望率的计算方式也选用直接法，以每一个0.5℃为区间，计算每个温度区间内的可接受的受试者人数占总受试者人数的百分比。对其进行回归分析（见图9），然后根据ASHARE55标准[18]，以80%的接受率来确定舒适温度范围。苏州市地铁站夏季热可接受率的回归方程式为

可以看出热接受率的回归方程的相关系数相关系数R2=0.846 1，相关性较强。ASHARE标准55-2004，以PPD≤20%为判断标准，也就是热接受率大于80%，可获得苏州市地铁站夏季可接受温度范围为25.28～27.00℃。只有广济南路站的平均温度在可接受温度范围内，山塘街站和木渎站的平均温度都低于可接受温度范围。与问卷调研结果广济南路站偏暖，山塘街站和木渎站偏凉一致。

图7 苏州地铁站夏季热中性温度分析

图8 夏季期望温度分析

图9 夏季热接受率分析

3.4 综合分析

由表7可知，山塘街站、木渎站的夏季平均温度低于热中性温度、期望温度和热舒适范围；广济南路站的夏季平均温度高于热中性温度和期望温度，并在是热舒适范围内；期望温度低于热中性温度。

根据所处地区气候不同，人们的期望热环境也有所差异。人们愿意接受的温度通常在热中性温度左右，天气比较热地区的人们期望的热环境位于偏低的一侧，而寒冷地区的人们期望的热环境则位于偏暖一侧，而夏季人们的期望温度却高于热中性温度，可能是因为人们是从室外进入地铁站，而室外温度很高，且在地铁站停留时间不长，所以人们对温度的期望偏高。