过渡季节特殊天气下校园室外热舒适研究

杨丽娜刘吉营任婧朱旭伟安法润

(山东建筑大学 热能工程学院，山东 济南250101)

0 引言

随着生活水平的提高和城市化的飞速发展，城市居民不仅关注室内环境，室外环境也逐渐引起重视。良好的室外热环境促使居民走出室内，积极参加室外活动，有利于身心发展[1]。近年来，室外热舒适问题得到广泛关注，大量学者研究开发了室外热舒适模型。LAI等[2]对美国印第安纳州西拉斐特和中国天津进行热环境实测，拟合了一种基于生理等效温度PET(Physiological Equivalent Temperature)的室外热环境投票和热舒适投票动态预测模型。冯锡文[3]修正了PET、预测平均投票PMV(Predicted Mean Vote)、标准有效温度SET*(Standard Effective Temperature)、通用热气候指数UTCI(Universal Thermal Climate Index)等模型在广州的适应性，并建立了广州地区热舒适模型。除了热指标外，利用数值模拟技术也已成为一种趋势。刘吉营等[4]提出的新零方程湍流模型能够更加快速有效地预测室外热环境。居民的热感觉受到气候和景观要素的影响，如HUANG等[5]利用3种室外热舒适评价模型，分别比较了炎热和寒冷天气下，底层架空的建筑区域和开阔区域对人体舒适度的影响。于琦人等[6]研究了高层住宅区室外热环境，发现不同树种的降温和增湿效果不同。

近年来，我国高校新校区不断建设，校园室外热环境已成为一个新的研究方向。大学校园作为一个特殊的功能用地，其人口密集、活动复杂，因此研究校园室外热环境的对师生的日常生活有重要意义。赵凌君等[7]对广州大学夏季校园热环境的研究中使用SET评估校园室外热舒适，并且建立了当地室外热舒适模型。彭海峰等[8]对浙江农林大学的夏季校园热环境展开研究，同时使用PET指标评估了人员室外舒适性。此外，王琳等[9]研究了影响校园环境的因素，认为太阳辐射是影响校园室外热环境的重要因素。目前针对校园热环境的研究，发现在不同的气候和环境背景下，改善校园室外热环境的方法存在差异[10-12]，因此在不同地方进行有针对性的研究仍具有现实意义。

很多学者对夏季和冬季的室外热环境进行了调查分析，但对过渡季节的研究还很少。在过渡季节，室外环境变化较大，人们的衣服热阻和代谢率情况不一。对过渡季节特殊天气下校园室外热舒适开展研究，是有效地评估和改善校园热环境的重要前提。因此，文章选在夏秋更替的时期，采用现场测试和调查问卷的方式，通过调查校园的热感觉投票TSV(Thermal Sensation Vote)、热舒适投票TCV(Thermal Comfort Vote)和热偏好投票PTV(Preference Thermal Vote)，同时以PET和UTCI为评价指标，对比分析过渡季节不同地区室外热环境舒适状况，探索在校园环境下人员对过渡季节的热舒适评价，为优化校园室外热环境提供参考。

1 研究区域概况

研究在山东济南某高校校园内进行。根据GB 50352—2019《民用建筑设计统一标准》[13]对我国气候区的划分，济南属于寒冷地区，四季分明、夏热冬冷。大学校园总面积约为1.67 km2，使用功能分区较为明显，可大体分为生活区、教学区、绿化区、户外活动区等，校园中心有一小面积的观赏人工湖。

通过对各种景观要素组合的多方面分析，实地调查选取了4个具有代表性的测点，其分布情况和周边环境如图1所示。

图1 校园内测点分布及周边环境图

测点A位于操场，其场地开阔，少部分时间有建筑物和树木遮阳。测点B选在树荫道，全天处于阴影状态，位于人工湖附近。测点C在报告厅前面的广场，旁边有小型喷泉，几乎全天阳光直射。测点D选在教学楼前的广场，绿化较少，遮阳效果不好。

2 研究方法

2.1 气象要素观测

实地观测的气象参数主要包括人行高度(距地面1.5 m)处的空气温度、相对湿度、风速、太阳辐射和黑球温度。测试仪器采用纽扣温度计iButton记录空气温度和相对湿度，同时使用轻质百叶窗(防辐射通风罩)以防止辐射对测量结果的影响，采用多功能测试仪JT2020连接太阳辐射传感器记录太阳辐射，测试仪JA-IAQ-50记录风速和黑球温度，热环境测量装置使用三脚架固定，各项参数的记录时间间隔均为1 min，测试仪器与技术参数见表1。

表1 测试仪器和技术参数表

测试日期为2019年9月26日至30日，处于济南夏秋过渡的时间段，每天测试时间为9∶00至17∶00，测试期间天气晴朗。从国家气象局数据中心网站查的2011年到2019年同时段济南气温数据，如图2所示。可以看出，2019年日最高温度明显高于历史平均值，平均温差为5.6℃，9月28日温差最高达到7℃。

图2 2011年至2018年日最高温度的平均值和2019年日最高温度图

2.2 热舒适问卷调查

调查问卷由个人信息和整体热环境评估组成。个人信息包括性别、年龄、身高、体重、衣着、活动状态和所处位置。根据ASHRAE 55—2013[14]，有关服装和活动水平的信息可以定量转换为服装热阻和新陈代谢量。热环境评估包括TSV、PTV和TCV，现场测试投票标尺如图3所示。问卷调查是随机选取以测量仪器为中心相距＜10m的人员，共收到有效问卷1 283份。

图3 现场测试投票标尺示意图

2.3 热舒适评估指标

2.3.1 生理等效温度

采用PET和UTCI分别作为评估室外热环境、人体热舒适的指标。PET是使用慕尼黑个人能量平衡模型开发的指数，定义为在普通的等温室内环境(空气温度为20℃，相对湿度为50%)中，人体热量收支平衡的条件下，其核心温度和皮肤温度与要评估的室外环境相同时的室内空气温度[15]。文章借助Rayman热舒适模型计算4个测点的PET值。

2.3.2 通用热气候指数

UTCI是由国际生物气象学会基于人体热反应模型—Fiala多节点模型和热舒适模型使用等效温度概念开发的指数[16]，定义为在参照环境下(活动水平对应于步行4 km/h，并且环境由平静的空气确定，其风速为0.5 m/s、离地面距离为10 m，对应于人身水平约为0.3 m/s，无额外的热辐射和50%的相对湿度，但蒸气压不超过20 hPa)，使人体产生与实际环境相同生理响应的气温[17]。该指数通过使用人体温度调节模型和最新的服装模型来模拟动态生理响应，从而评估生物气象应用的室外热环境[16]，不依赖于人的特征(年龄、性别、服装、活动等)，是目前用来评价人在室外热状态的常用指标之一。采用线上资源(www.utci.org)计算得到4个测点的UTCI值。

平均辐射温度(Tmrt)是生物气象学和热舒适性研究中的重要参数，也是计算PET和UTCI的输入参数，其将短波和长波辐射通量转换成摄氏度单位参数，表示假想的黑体辐射周围环境的均匀温度。Tmrt的计算由式(1)表示为

式中Tg为黑球温度，℃；va为风速，m/s；D为黑球传感器直径(文中取0.05 m)；ε为发射率，对于黑色球体取0.95。

3 结果与分析

3.1 统计结果和气象参数

收集的有效调查问卷共1 283份，其中男性、女性样本分别有832份(64.8%)、451份(35.2%)。受试者的年龄段分布差异明显，90%为18～24岁的大学生，其余10%受试者年龄为25～60岁。着装主要为短袖(66.34%)和休闲裤(29.8%)，平均服装热阻为0.5 clo。人员的主要活动是行走(54.21%)，其平均代谢率为1.51 met，其中在橡胶操场的人员代谢率较高，平均值为1.84 met。

测试时间段内，4个测点测量的温度、相对湿度和风速的结果见表2，包括平均值、标准偏差、最大和最小值。最高温度均＞30℃，平均温度分布趋势为教学楼＞报告厅＞操场＞树荫道。树荫道的相对湿度最高，平均值为44.5%，最高达到57.8%，其他3个测点的相对湿度平均值在35.9%～37.8%。4个测点的风速相差不大，平均值均在0.8～0.9 m/s。

表2 气象参数对比分析表

3.2 热舒适度

3.2.1 不同景观空间热感觉、热舒适的变化

为研究人体在不同景观中的热感觉，将问卷得到的4个测点的热感觉投票做柱状分析，如图4所示。结果显示，B点感到温度“适中”(TSV＝0)的比例最高，达到44.1%，比C、D两点分别高16.4%和15.4%；A点人员热感觉“适中”的比例(39.2%)略低于B点。受试者对温度的感知大多集中在TSV＝1(“有点热”)附近，除B点以外，其余3个测点“有点热”的比例均＞50%。7.7%～14.3%的受试者感觉“热”(TSV＝2)，感觉“非常热”(TSV＝3)的比例很小，均＜10%。由于A点部分受试者活动强度大，因此感到“非常热”的比例高于B点，但低于C、D两点，说明特殊天气下，太阳辐射是影响人体热感觉最主要的因素。

每个测点中受试者总体舒适度投票的百分比如图5所示。总体来看，对室外环境感到“舒适”和“稍不舒适”的比例相似，4个测点均＜30%。受试者感到“舒适”相对比例较高的测点依次为B点(48.9%)、A点(43.1%)、C点(39%)和D点(35.7%)。只有＜5%的受试者感到“无法忍受”，C和D两点占比最大，分别为1.3%和3.3%。这表明A点和B点是相对舒适的地点，与周围树木遮挡和建筑物遮挡太阳辐射有很大关系。C点虽有小型喷泉，但对改善人体舒适度效果不明显。C和D点一样没有任何遮挡，全天暴露在直射阳光下，因此舒适度低，这与热的感觉一致。

图4 测点的热感觉投票百分比图

为了比较每个测点不同时间段的舒适度，4个测点中受试者每小时投票的“舒适”(0)和“稍不舒适”(1)的总百分比如图6所示。13∶00至14∶00是热舒适最差的时间段，平均72%的受试者感到舒适，比16∶00至17∶00低了15.5%。其中，B点有最高的舒适度，其值达到93.3%(16∶00至17∶00)，因为B点四周树木环绕，有效遮挡了太阳辐射，旁边有一小面积人工湖，起到增湿效果，因此感到舒适的人员比例均＞80%，变化幅度较小。A点舒适度波动最大，13∶00至14∶00有68.3%的受试者表示舒适，16∶00至17∶00感到舒适的人员增加到92.7%，相差24.4%。这是由于A点的建筑物起到了垂直遮阳的效果，早上人员感到舒适；但随着太阳高度的上升，舒适度下降；下午建筑物起到遮阳效果，舒适度又上升。C点舒适度最差，因为无任何遮挡，全天暴露在直射阳光下，使地面温度升高，虽然有一小面积喷泉，但降温效果不明显。可见，人体舒适度与太阳辐射相关性较大。4个测点均表现出较高的舒适度，均＞60%。这表明虽然属于高温天气，但大多数人员表示舒适，说明经过炎热的夏季后，人体已适应了高温天气。

图5 测点的整体舒适度投票百分比图

图6 测点每小时整体舒适度投票图

3.2.2 热感觉和舒适度相关性分析

人体的舒适度受到诸如热环境、情绪和生理等诸多因素的影响，而热舒适性主导地位，这与人类对环境的热感觉有关。4个测点的热舒适投票和热感觉投票之间关系的箱线图如图7所示。每个回归方程的R2值较高，热舒适度与热感觉有强烈的非线性关系，整体舒适度随热量的增加逐渐降低。4个测点的TSV与TCV的二项式拟合关系分别由式(2)～(5)表示为

在过渡季节高温天气，最舒适的条件下，操场的TSV为-0.63、树荫道为-0.54、报告厅前广场为-0.85、教学楼前广场为-0.7。4个测点对应的TSV相差不大，并且均＜0，说明“微凉”被认为是最舒适的热感觉，这与受试者在高温天气下的心理因素有关。在报告厅前广场，有少量受试者感到“有点冷”，这是因为早上温度较低时，喷泉增加了人体的冷感，但此时受试者仍感到舒适，与前面结论一致。

3.2.3 影响室外热舒适度因素分析

受试者评价影响室外热环境的因素的占比从高到低排序，加权计算各因素分值，最终折算成百分制，结果如图8所示。可以看出，过渡季节高温天气下受试者认为温度对人体舒适度影响程度占比达到47.08%，太阳辐射的影响次之(31.84%)，风速的影响最小(7.13%)。4个测点每小时温度与前一小时温度的差值变化如图9所示。可以看出，9∶00至14∶00时间比温度会持续上升，而从14∶00开始温度下降；B点自13∶00温度开始下降，这是由于其四周树木环绕，受太阳辐射影响小，因此温度下降时间早；D点温度上升最快，从9∶00迅速增加，在12∶00达到峰值(ΔTa＝2.19℃)，而13∶00以后同一时期升温高于其他点。因为D点是水泥地面，具有较高的反射率，加上没有树木和建筑物的遮挡，因此温度上升快。可以得出结论，过渡季节高温天气下，受试者对温度最敏感，而太阳辐射是影响空气温度最重要的因素，因此，在高温天气下人体最需要的是遮阳。

3.2.4 热偏好投票

将4个测点的空气温度、太阳辐射、相对湿度、风速偏好投票进行对比，如图10所示。更低的温度和太阳辐射是受试者在特殊高温下的主要偏好。如图10(a)所示，＞50%的受试者希望温度降低，其中C点和D点占比例最大，分别为63.08%和63.1%，这与热感觉一致。更多的受试者希望太阳辐射降低，如图10(b)所示，4个地点都占到了＞70%。其中C点最高，占77.91%；B为点76.5%，而A点最少也占到了73.87%。这表明，高温和高的太阳辐射是受试者感到不适的主要原因。

图7 热感觉投票和热舒适投票之间的相关图

图8 影响人体热舒适各因素重要性投票图

对于相对湿度和风速，希望不变和更高的比例相似。4个测点的相对湿度投票如图10(c)所示，希望不变的人员占50%，平均40.03%的受试者希望湿度更高。其中，A点和D点希望湿度更高的投票高于平均值，分别为42.21%和41.48%；B点和D点低于平均值，分别为38.38%和38.95%。这是因为B点紧挨湖泊，D点附近有喷泉，增加了空气湿度。风速偏好投票如图10(d)所示，＞50%的受试者回答不变，D点最高，希望不变的受试者达到61.7%，C点希望风速提高的比例最高，为47.38%，这与C点的低舒适度一致。

图9 每小时温差变化图

图10 不同测点针对温度、太阳辐射、相对湿度和风速的偏好投票图

3.3 热指数

3.3.1 生理等效温度

Rayman模型综合了地理位置、城市结构等因素，输入空气温度、相对湿度、风速、平均辐射温度，并在计算PET时考虑了受试者的性别、年龄、身高、体重、服装热阻、活动水平等参数。将TSV分别为0、1、2、3下的PET数据以箱线图的形式分析，拟合得到PET与TSV之间的相关性，如图11所示。得到线性关系由式(6)表示为

PET每升高1℃，TSV增加0.316；当TSV＝0时，中性PET为26.8℃，“有点热”(TSV＝1)对应的PET为29.9℃。因 此，根 据PET指 标，气 温＞29.9℃，受试者会感到热。ASHRAE标准规定各类热感指标的范围在该热感值±0.5的范围，因此热中性范围为-0.5～0.5℃，由此得出中性PET范围为25.2～28.4℃。比西安城市公园(13.3～23.6℃)[18]和天津某公园(11～24℃)[19]的中性范围窄的多，说明人体在济南某高校校园过渡季节热敏感明显。比武汉居住区过渡季节(18～23℃)[20]的中性PET高9.4℃，表明人体适应了高温天气。

图11 PET和TSV之间的相关性图

3.3.2 通用热气候指数

将TSV分别为0、1、2、3下的UTCI数据以箱线图的形式分析，拟合得到UTCI与TSV之间的相关性，如图12所示。得到线性关系由式(7)表示为

y＝2.45x＋26.647(R2＝0.981)。 (7)

UTCI每升高1℃，TSV增加0.408；当TSV＝0时，中性UTCI为26.6℃，比中性PET低0.2℃；当TSV＝1时，UTCI为29.1℃，根据UTCI指标空气温度超过29.1℃，受试者会感到热。由拟合关系可以得出中性UTCI的范围为25.2～27.9℃，这比中性PET的范围更窄，说明UTCI比PET更精确地反应人体实际热感觉。分别比较PET、UTCI与TSV之间的相关性，发现UTCI和TSV之间有更高的相关性(0.981＞0.959)，这与前面的结论一致。

图12 UTCI和TSV之间的相关性图

研究结果与XU等[18]结论一致，发现太阳辐射和空气温度对人体热舒适影响显著。从理论上讲，当受试者认为自己处于有点冷和有点热之间时，相应的热舒适介于舒适和稍不舒适之间，这与YAO等[21]研究结果一致。

4 结论

采用现场测试和调查问卷的方式，研究了过渡季节特殊天气下某大学校园室外热舒适性，得到以下主要结论:

(1)测试期间日最高气温比同期高5.6℃，日平均最高温度为30.4℃，因此在特殊天气下，人员对气温最敏感，受试者表示在4个环境因素中，温度对室外热环境的影响程度占47.8%，太阳辐射占31.84%，风速和相对湿度仅占21.08%。

(2)过渡季节“微凉”被认为是最舒适的热感觉，平均超过50 %的人员热感觉表示“有点热”。4个测点均有＞60%的人感到舒适。舒适度与遮阳效果密切相关，树荫道是最舒适的地点，最高有93%的人员感到舒适；没有任何遮挡的教学楼前广场和报告厅前广场的舒适度相对低一些(分别为79.9%和79.2%)；操场由于垂直遮阳的原因，舒适度波动较大，感到舒适人员的波动范围为63.9%～92.7%，并且水体对改善室外热环境效果不明显。

(3)室外热感觉与PET、UTCI有强的线性关系。在夏秋过渡季节，PET升高1℃，热感觉升高0.316，UTCI升高1℃，热感觉升高0.408。济南某高校校园的中性PET和UTCI范围分别为25.2～28.4℃和25.2～27.9℃，比西安城市公园和天津某公园热敏感明显，比武汉居住区过渡季节的中性PET高9.4℃。同时，PET＞29.9℃或UTCI＞29.1℃时，人员会感到热。