西北寒冷地区校园室外热舒适研究

2022-08-16西安交通大学人居环境与建筑工程学院

建筑与文化 2022年8期

文／甄蒙西安交通大学人居环境与建筑工程学院

王凯旭西安交通大学人居环境与建筑工程学院（通讯作者）

郭桢中西安交通大学人居环境与建筑工程学院

引言

近年来我国经济飞速发展，居民对于生活品质的要求逐步提高，其对于良好室外空间的需求也在逐步增大。室外热环境是评价室外空间的重要因素。良好的热环境可以引导人群更多走向室外，提高生活品质并有益身心健康。大学校园作为承载学生生活的主要空间，其室外空间的塑造与学生生活密切相关。近年来，室外空间的热舒适得到了国内外学者的广泛重视。赵凌君等在广州地区校园进行热环境舒适性研究[1]，得出广州夏季中性温度为23.9℃。李坤明等研究湿热地区室外热舒适特点，回归分析得到广州不同季节热舒适阈值[2]。杨丽娜、刘吉营等在济南某高校校园研究过渡季节特殊天气下的校园室外热舒适[3]，得出温度对室外热环境的影响程度占47.8%，树荫道有93.3%被测人员感到舒适。

西安地处寒冷地区，本文以PET 作为评价指标，采用问卷调查与实地测试的方法探究西安交通大学兴庆校区校园室外热舒适。

1 研究方法

1.1 研究地点

西安市（108.98°E，34.25°N）地处西北寒冷地区，调研时间为2021 年3 月10 日至5 月28 日。本次研究选取西安市西安交通大学兴庆校区五处典型室外空间作为调研区域。五处测点分别为：A-康桥苑下沉广场、B-四大发明广场、C-腾飞塔、D-梧桐东路、E-樱花东路。

1.2 问卷调查

调研采用问卷调查与实地测试相结合的方法。问卷主要由三部分组成。第一部分收集受访者个人信息，包括性别、年龄、收入、籍贯、健康状况、活动情况、服装热阻等；第二部分收集室外空间人群对当前热环境的判断，包括热感觉、热舒适、物理环境可接受度、热期望，对于花香与雾霾的感受以及防护措施；第三部分为客观环境测试数据，包括空气温度、相对湿度、PM2.5 等。热感觉与热舒适评价标尺如下（表1）。

表1 热感觉、热舒适评价标尺

该研究在校园内五个测点随机选取受试者进行调研，共计收集有效问卷300 份。调研期间无阴雨天气。

2.研究结果与分析

2.1 热环境水平

表3 展示了五个测点在测试期间的空气温度、相对湿度和风速的平均值和最值。在温度方面，四大发明广场平均温度最高，为23.26℃，最低温度出现在四大发明广场测点（14℃）。在相对湿度方面，各测点平均相对湿度由高到低依次为樱花东路（62.51%）、腾飞塔水池边（58.47%）、康桥苑西侧下沉广场（51.75%）、四大发明广场（49.49%）、梧桐东路（40.45%）。平均风速由高到低分别为梧桐东路（1.82m/s）、康桥苑西侧下沉广场（1.66m/s）、四大发明广场（0.96m/s）、腾飞塔水池边（0.62m/s）、樱花东路（0.52m/s）。

表3 气象参数平均值

图1 调研地点

2.2 各测点热感觉与热舒适投票分布

五个测点分别为：A-康桥苑下沉广场、B-四大发明广场、C-腾飞塔水池边、D-梧桐东路、E-樱花东路。图2 表示各测点受访人群整体热感觉和热舒适投票百分比分布；热感觉投票显示，最为常见的热感觉为“适中”，其次为“有一点热”。C 测点整体热感觉最为集中，热感觉集中分布在“有一点冷”和“有一点热”（-1 ～1）之间，并未出现“很冷”与“很热”的热感觉。热舒适投票分布情况显示，热舒适投票（TCV ≥0）占全部投票的76.7%，C 测点热舒适投票显示全部样本TCV ≥0。调研得出占比最高的热舒适投票为“适中”（TCV ＝0），占比为39.3%，占比最低的热舒适投票为“非常不舒服”（TCV ＝-3），占比仅为0.3%。

图2 各测点热感觉和热舒适投票分布

表2 实测仪器参数表

2.3 PET 与热感觉热舒适关系

统计每次调研得到问卷的热感觉和热舒适投票并计算均值，得到PET 与MTSV 关系以及PET 与MTCV 关系（图3）。PET 与MTSV 关系（图3a）显示春季西安温度分布范围较广，最大PET 为28.06℃，最低PET 为12.1℃。样本集中分布在15℃以上；得到回归方程（表4）。.

表4 PET 与MTSV 回归方程

PET 与MTSV 拟合方程斜率为4.8459，表示PET 每上升4.8459℃，室外人群平均热感觉上升一个等级；该热感觉敏感程度高于席天宇、雷永生在严寒地区哈尔滨得到PET 与热感觉投票敏感度（PET 变化11℃引起一个单位热感觉变化）。从PET 与MTSV 线性方程可以推导出中性PET 值（MTSV ＝0）为19.30℃。

PET 与平均热舒适MTCV 关系如图3b所示，得到样本点16 个，其中舒适样本（MTCV ≥0）占比68.8%，表明西安3 月—5 月室外空间热舒适性较高，校园内微气候状况较好。PET 与MTCV 呈现负相关线性关系，得到回归方程（表5）。

表5 PET 与MTCV 回归方程

图3 PET 与MTSV 及MTCV 相关性

2.4 期望温度

统计各次调研得到问卷有关热环境的变化期望，计算当天热环境下的期望变化概率，得到PET 与期望变化概率关系如图4 所示。变热期望曲线与变冷期望曲线均呈现为较清晰的二次多项式关系，得到变热期望曲线方程（表6）。

表6 变热期望曲线方程

在调研得到的PET 范围内，变热期望与PET 呈负相关。在调研样本中，当PET 大于等于25.58℃后，样本变热期望变为0。得到变冷期望曲线方程（表7）。

表7 变冷期望曲线方程

在调研得到PET 范围内，变冷期望与PET呈正相关。所有样本期望变化概率处于0%到80%之间。当期望变热与期望变冷概率相等时，即室外人群变热与变冷期望相等，整体不期望变化，可认为此时为室外人群期望温度。由图4期望方程计算得出，本次调研得到西安春季期望温度为23.16℃。

图4 变化期望与PET 相关性

3 差异因素分析

探究室外人群热舒适的影响因素。除基本气象参数之外，空气质量、外部感觉以及主观情绪等均可以影响人群对于室外空间的热舒适评价。本节从性别、感官、空气质量三个角度探究热舒适评价差异的影响因素。

3.1 性别差异

统计得出男性与女性MTSV 与PET 关系如图7 所示。得到男性受试者与女性受试者MTSV 与PET 拟合方程（表8）。

表8 男性受试者与女性受试者MTSV 与PET 回归方程

图7 不同灰霾浓度下MTCV 与PET 相关性

男性与女性拟合方程均呈现明显的正相关线性关系，可以看出，西安春季男性与女性平均热感觉接近，男性拟合直线始终位于男性拟合直线上方，表明在调研温度范围内，女性的平均热感觉略高于男性。

图5 中直线与X 轴的交点即为中性温度，男性受试者的中性温度大于女性受试者。斜率大小代表受访者对于PET 变化的敏感程度：男性直线斜率为0.1098；女性直线斜率为0.0967，表明男性受试者对于环境变化的敏感度要略高于女性受试者。

图5 不同性别MTCV 与PET 相关性

3.2 花香对热舒适的影响

人体对于外部空间的感知可以影响热舒适评价。调研期间正值春季，校园五个测点中，康桥苑下沉广场，樱花东路植被覆盖茂密，伴有花香。在开有鲜花的两个测点中，康桥苑下沉广场受访人群对于花香是否好闻的评价均值为0.60，平均评价介于“适中”与“有一点好闻”之间；对于花香带给人群的愉悦程度评价平均值为0.55，即康桥苑下沉广场处鲜花带给室外人群以轻度的愉悦感。樱花东路受访人群对于花香是否好闻的评价均值为0.77，对于花香带给受访人群的愉悦程度评价均值为1.04。好闻程度与愉悦程度均高于康桥苑下沉广场测点，由樱花东路鲜花更为茂盛推测，在一定范围内，花香与室外人群热环境舒适度评价呈正相关。

分别统计两个有花测点和三个无花测点的PET 与MTCV，将每次调研得到的PET 与TCV数值取平均值，得到一个样本点，探究花香对于室外人群热舒适评价的影响（图6）。

图6 有无花香影响下MTCV 与PET 相关

如图6 所示有花测点与无花测点MTCV与PET 均呈现二次函数关系，得到拟合方程（表9）。

表9 有花测点与无花测点MTCV 与PET 回归方程

有花测点曲线位于无花测点曲线上方，MTCV 峰值更高且舒适PET（MTCV ≥0）范围有所增大；有花测点中，当PET 为19.81℃时，MTCV 达到峰值0.63；无花测点中，当PET为18.04℃时，MTCV 达到峰值0.34；计算舒适PET 范围，得出有花测点舒适PET 范围为12.74℃至26.88℃，无花测点舒适PET 范围为12.24℃至23.84℃，在有花香条件下舒适PET 范围增大约3℃。

综上所述，有花香条件下，室外人群舒适PET 范围增大，相同PET 条件下平均热舒适（MTCV）更高，证明花香会提高室外人群热环境舒适度评价。

3.3 灰霾对于热舒适的影响

本次调研中收集了西安室外人群对于灰霾的感受和应对措施并测量了PM2.5 的含量。根据中国空气质量标准（GB 3095—2012）[5]，PM2.5平均值标准值小于35μ g/m3 空气质量等级为优；以PM2.5 平均值标准值35μg/m3 为分界，将调研样本分为灰霾浓度较高和灰霾浓度较低两组，分别分析两类样本平均热舒适MTCV 与PET的关系（图7）。将灰霾浓度较高组命名为a 组，较低组命名为b 组。拟合MTCV 与PET 间关系得到线性方程如下（表10）。

表10 不同灰霾浓度MTCV 与PET 回归方程

a组曲线显示，当MTCV ＝0 时，对应PET为17.07℃；b 组曲线显示，当MTCV ＝0 时，对应PET 为24.38℃。在调研PET 范围内a组曲线位于b 组曲线下方，即相同PET 条件下，较高的灰霾浓度会降低热舒适体验。与b 组斜率绝对值相比，a 组斜率绝对值高出32.5%，表示较高的灰霾浓度会显著提高热舒适下降速率。