天津大學 甘婷婷 劉魁星 劉 剛2
上海交通大學 賴達祎
摘 要：隨著城市人口的增加，為城市居民創造健康舒適的戶外開放空間顯得尤為重要。世界各地開展了大量的室外熱舒適研究，研究表明，室外空氣溫度、太陽輻射、風速、濕度等微氣候參數對室外熱感覺有重要影響。然而，不同氣候背景下各環境參數影響結果存在較大差異性，且不同氣候參數組合對熱感覺的影響是耦合的，綜合影響規律尚未發現。因此，為了獲得檢驗兩者關系的數據，本研究在天津大學校園對30名受試者進行了熱舒適實驗，采用微氣候測試儀器監測并獲取天氣參數，同時通過問卷設置來調查熱舒適情況。結果表明，在5~10℃和15~20℃的空氣溫度下，室外太陽輻射是影響室外熱感覺的決定性因素，其次是空氣溫度和風速，相對濕度是影響程度最弱的因素。在5~10℃的低溫段下，太陽輻射影響作用更為明顯，輻射強度的高低直接決定了人們的冷熱感覺。隨著空氣溫度的增加，溫度和風速對人體熱感覺的影響作用也隨之增加，但仍遠低于太陽輻射的作用。風速的影響作用也不恒定，在不同溫度時，低輻射（0＜人體輻射通量Sstr≤450w/m2）范圍內風速冷卻作用均最為明顯，其次為高輻射段（450＜Sstr≤600W/m2），在中輻射段（Sstr ＞600W/m2）風速冷卻作用最小。本研究獲得的數據可用于我國北方寒冷地區室外熱舒適模型的建立，為城市熱舒適開放空間的設計和建設提供依據。
1 背景
隨著我國城鎮化進程的快速發展，2018年我國大陸城鎮常駐人口為8億3137萬人，占據總人口的59.58%。隨著城市人口的日益增加，人們對舒適的室外環境的需求與日俱增，因此室外空間中舒適度的研究迫在眉睫。深入研究城市室外熱舒適性，對于改善城市生態環境，提高人們生活質量，維持城市可持續發展具有重要意義。
室外熱舒適是衡量室外環境整體舒適度好壞的重要標準，當前國內外學者對室外環境進行了大量研究。目前研究表明室外微氣候風、光、熱、濕四項環境參數是影響人體熱舒適的重要因素，但各項參數影響重要性未得到統一結論。Xu（2019）在我國西安進行的熱舒適研究表明室外冬季室外太陽輻射與空氣溫度是影響室外熱舒適的決定性因素[1]，該結果與Nikolopoulou（2006）和Lykoudis對歐洲7個城市進行熱舒適調查結果一致[2]。但Stathopoulos在加拿大蒙特利爾調查了受試者的整體舒適度，結果顯示空氣溫度是影響整體舒適度的決定性因素，風速與相對濕度均為負相關[3]。
環境參數具有強烈的耦合作用，各參數同時對室外熱感覺產生影響。Nikoloupoulou發現單一環境變量與室外舒適度的相關性并不高，無法準確描述室外舒適度[4]。同時不同研究者發現環境參數在冷和暖不同環境背景下影響結果存在差異，Xie（2018）在香港進行室外實驗發現，受試者在較暖的情況下比較冷的情況下對風速更敏感[5]，該結果與Wang（2018）在廣州進行的實驗結果相反，Wang發現寒冷情況下人們對于風速的感知性更強[6]。
當前國內外學者在研究微氣候參數與熱舒適的關系時，存在地點，氣候，實驗時間，氣候參數范圍等條件限制，獲取結果具有較大的局限性與差異性，本研究在我國寒冷地區天津進行了秋冬季節的室外熱舒適實驗，確定秋冬季室外影響因素的重要性，并選取數據豐富的環境參數組合段數據確定風速與輻射對人們熱感覺的影響作用。
2 實驗概況
天津位于中國華北地區，界于東經116°43′~118°4′、北緯38°34′~40°15′之間，地處太平洋西岸，華北平原東北部，海河流域下游，屬于典型的暖溫帶半濕潤大陸性季風氣候。
為考察秋季室外環境對人體熱感覺的影響作用，選取天津地區大學校園內一空地作為研究對象，采用物理環境測試與調查問卷相結合的方式進行實驗，測試時間為2018年9月13日~2019年03月06日，為獲取不同的天氣工況，分別在9:00~17:00不同時間段內對16名在校大學生進行舒適度問卷調查，共收集有效問卷2656份，室外環境工況100組。
2.1 測試方法
實驗分為室內熱適應與室外實驗兩個階段，將30名受試者分為兩組，分別是靜坐組和慢行組，首先受試者在保持24~26℃的大空間實驗室內靜坐30分鐘，達到人體熱平衡后，步行2分鐘至實驗地點，分別保持靜坐和慢走兩種運動狀態，每五分鐘填寫一份舒適度調查問卷，同時保持室外環境參數的同步測試。
2.2 物理環境參數獲取
本次實驗測量的室外環境參數包括空氣溫度、相對濕度、風速及東西南北上下六個方向上的輻射量，測試所使用的儀器為PC-4自動氣象站和CNR4凈輻射儀，其測量范圍及精度如表1所示。
表1 儀器測量范圍及精度
2.2.1 太陽輻射參數的確定
為準確的評估室外太陽輻射對人體熱感覺的影響，采用公式（Thorsson, 2007）[7]通過獲取的東西、南北、上下六個方向上獲取的長波和短波輻射量計算得到人體獲得的平均輻射通量值，公式如下：
式中：Ki為短波輻射通量（i=1-6）（W/m2）；Li為長波輻射通量（i=1-6）（W/m2）；Fi是人與環境表面的角系數（i=1-6）；αk為短波輻射吸收系數；εp為人體發射率，理論上等于長波輻射吸收系數。
人體處于室外時，相當于置身太陽輻射場受各個方向上的太陽輻射共同作用，較多文獻中以水平方向上獲取的總輻射值作為分析太陽輻射與人體熱舒適的關系的輻射變量，顯然，該總輻射結果并不能準確反應人體受太陽輻射的綜合作用。
以總輻射和計算得到的人體平均輻射通量為橫坐標，人體平均熱感覺投票為縱坐標繪制圖1，結果表明人體接收到的各向輻射強度Sstr與人體熱感覺投票更相關，能更加準確的反映在空間內人體受太陽輻射的影響變化。
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| （a）總輻射G | （b）人體輻射通量Sstr |
圖1 太陽輻射與平均熱感覺投票關系
2.3 主觀問卷調查
通過主觀問卷調查記錄受試者的衣著、活動狀態等信息，并使用ASHRAE[10]標準推薦的7級標度（-3冷，-2涼，-1微涼，0適中，+1微暖，+2暖，+3熱）評價熱感覺投票，采用四級標度（1舒適，2稍不舒適，3不舒適，4非常不舒適）進行熱舒適投票 ，采用2級標度（1接受，2不接受）評價對當前熱環境的接受投票。
3 實驗結果
3.1 室外熱環境工況
對2018年9月~2019年3月室外氣候數據進行采集，溫度覆蓋范圍為5~30℃，人體輻射通量覆蓋范圍為40~800W/m2，風速覆蓋范圍為0~3.5m/s，相對濕度覆蓋范圍為4%~55%。溫度、輻射與風速分布情況如圖2所示。其中，在5~10℃和15~20℃范圍內，太陽輻射與風速參數數據較為均勻和充分，選取該兩處環境參數研究不同溫度段下風速與太陽輻射對人體熱感覺的耦合作用。
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| （a）溫度與輻射通量 | （b）溫度與風速 |
圖2 環境參數分布圖
3.2 熱環境參數與熱感覺的相關性分析
采用相關性分析的統計學方法，分別將溫度、相對濕度、風速、輻射通量與熱感覺投票組成雙變量進行分析，從而衡量四個環境參數變量與熱感覺投票變量因素之間的相關密切程度，計算結果表2所示。
表2 雙變量相關性分析
注：Pearson相關系數，雙尾檢驗。
在已獲取的秋冬季節數據顯示，太陽輻射參數和溫度變量與熱感覺投票呈顯著正向相關，其中，輻射通量與熱感覺投票的相關程度最為密切；風速變量和溫度變量在數值上與熱感覺投票呈相同程度的相關性，風速為負向相關；以上三個變量與熱感覺投票的相關性均具有統計學意義，而相對濕度的顯著性值P=0.79，說明有79%的概率相對濕度與熱感覺投票不相關。
秋冬季節，室外溫度相對較低，人體與空氣的對流換熱作用會增加人體的散熱，受太陽影響的輻射換熱會隨著太陽輻射的增強，增加人體熱感，因此輻射通量與人體熱感覺的投票更為相關；風速會加速人體的對流換熱，使人體產生冷感，因此產生負向相關的作用；當前研究可知當濕度高于75%~85%時會對熱感覺產生較大影響 [8,9]，本研究測試期間的相對濕度為30%~60%，因此在該范圍內，相對濕度為影響熱感覺最弱的影響因素。
3.3 輻射與溫度對熱感覺的耦合作用
通過上述分析可知，溫度、風速和太陽輻射等參數與人體熱感覺有顯著的相關性。由于每天的總輻射值波動范圍極大，以夏天為例，晴天時總輻射會從0變化到1000W/m2（不同季節上限值不完全相同，經過實際測量天津大學校園內，夏季總輻射上限值在1000W/m2，秋季和冬季上限值分別為690W/m2和670W/m2）；同時，風速變化沒有規律，由每天天氣情況決定且變化速度較快；由于室外空氣溫度波動范圍較小，變化規律穩定，為了研究其他環境參數對人體熱感覺的影響作用，以空氣溫度作為基礎控制變量，分析在不同的溫度范圍內，人體熱感覺與輻射和風速的響應關系。
由于室外天氣變化較為復雜，當前進行的實驗對于5~10℃和15~20℃兩個溫度段的數據收集較為豐富，因此以該低溫溫度段和中溫溫度段為研究對象，分析輻射與風速對熱感覺的影響規律。
3.3.1 5~10℃時不同輻射對熱感覺的影響作用
低溫段太陽輻射在陰影下時輻射值在300~400W/m2之間，太陽直射時輻射強度高于500W/m2，整體數據中存在斷層。圖3顯示在5~10℃的低溫段內，太陽輻射與平均熱感覺投票（Mean TSV）具有強烈相關性（R2=0.98），此時太陽與室外熱感覺呈正相關，隨著太陽輻射的提高，熱感覺顯著提升；同時數據表明，溫度與輻射值均較低時（Sstr≤400W/m2），人體冷感非常強烈，平均投票值在-2~-3之間；但當Sstr為550W/m2左右時，雖然室外溫度較低，但人們普遍處于熱中性狀態，因此在較冷的室外空氣溫度下，只要太陽輻射足夠強，人們均可以達到熱中性，該溫度段下，輻射通量每增加100W/m2，熱感覺提高1.4個單位。
圖3 5~10℃時不同輻射通量與熱感覺投票關系
3.3.2 15~20℃時不同輻射對熱感覺的影響作用
在15~20℃的中溫段，不同輻射強度段對室外熱感覺的影響形成兩挑斜率相近的曲線，在兩個輻射段下，每升高100W/m2，熱感覺提高1個單位。
但不同輻射強度帶來的熱感覺作用不同，高溫段平均熱感覺比地低溫段高1個熱感覺單位。當輻射值相對較低時（Sstr≤450W/m2），人體熱感覺普遍低于中性“0”，隨著輻射值的繼續增加，熱感覺提升明顯；在B輻射段內，當輻射值在600W/m2左右時，人體熱感反而降低，主要由于此時平均風速達到1m/s，較高的風速增加人體與空氣的對流換熱，使得熱感覺降低；當輻射繼續增加后人體熱感覺為偏熱狀態。
圖4 15~20℃時不同輻射通量與熱感覺投票關系
在該溫度段下，存在兩個熱中性輻射值，分別為525W/m2和650W/m2，主要與室外著裝情況和當時風速大小有密切關系，該結果表明，在該溫度（15~20℃）的室外氣候條件下人們熱感覺變化范圍廣，可以通過服裝調節達到熱中性狀態。
3.3.3 不同溫度段下輻射影響對比
通過兩個空氣溫度段下，太陽輻射強度的變化對于人們在室外的熱感覺影響結果可以看到，較低空氣溫度段下太陽輻射強度增加對于熱感覺的提升作用更為顯著，且低溫段時太陽輻射與熱感覺的相關程度更為密切（R2:0.98＞0.84＞0.48）。
空氣溫度較低時，如果太陽輻射同樣較低，則人們冷感強烈，隨著輻射的增加，人們可以達到熱中性狀態，最高的投票結果未超過“微暖”；但是當室外的空氣溫度在15~20℃較適中范圍內是，人體熱感覺在不同的輻射強度下分布在-2~2單位區間內；溫度較高時，人們熱感覺分布較廣，隨著太陽輻射強度的不同，熱感覺波動較大。
3.4 風速、溫度與輻射對熱感覺的耦合作用
3.4.1 5~10℃，耦合作用下風速對熱感覺的影響
由上文可知本文秋冬季節進行的實驗結果顯示，太陽輻射與室外熱感覺相關性最為密切，單一研究風速與熱感覺關系時會受到太陽輻射的影響，為進一步確定風速在不同溫度與輻射強度背景下對熱感覺的作用，同時將空氣溫度與太陽輻射作為控制變量，研究風速的變化時人體熱感覺的變化規律。
在較低空氣溫度段下，風速的增加降低了人體熱感覺，相比高輻射段（500~630W/m2），輻射在較低范圍內（40~150W/m2）時，對人體的冷卻作用更強烈。
圖5 5~10℃時不同輻射段下風速與熱感覺投票關系
3.4.2 15~20℃，耦合作用下風速對熱感覺的影響
在適中溫度段下，將太陽輻射強度分為高中低三種水平，分別為低輻射（0~450W/m2）中輻射（450~600W/m2）和高輻射（＞600W/m2）。不同風速與輻射段組合下得到不同氣候工況與室外人體熱感覺的關系，結果表明：風速在該適中溫度段下仍增加人體冷感，隨著風速的增大，熱感覺快速降低；但是在不同強度的太陽照射下，風速的增加對熱感覺的降低程度存在較大差異，在中輻射段下，風速的降低作用小于其他兩個輻射段，說明在適中的溫度和輻射工況下，風速對應人們熱感覺的影響也不那么敏感；但是低輻射和高輻射段，其降低作用較高，特別是在低輻射段，隨著風速的增加，熱感覺快速降低；風速的冷卻作用大小順序為：低輻射段>高輻射段＞中輻射段。風速每增加1m/s，低輻射段熱感覺降低1.26個單位，高輻射段降低0.59個單位，中輻射段降低0.26個熱感覺單位。
圖6 15~20℃時不同輻射段下風速與熱感覺投票關系
3.5 環境參數對熱感覺的影響權重
利用統計分析軟件SPSS對室外環境參數與人體熱感覺投票執行執行多元線性回歸分析，獲得標準化回歸化參數如表3所示。由于在多元線性回歸中，各自變量取值單位和離散程度不同，量綱不同的各回歸系數之間不能直接比較大小。標準化回歸系數是先對所有的自變量和因變量進行標準化轉換，以標準化后的各自變量為自變量，重新建立回歸方程得到的回歸系數，因此該數值可以反映不同的氣候參數對人體熱感覺的影響，由于本文進行的室外熱舒適研究獲取的相對濕度與人體熱感覺無相關性，因此在進行影響權重計算時，為防止相對濕度對計算結果產生干擾，未將其列入計算范圍。
表3 不同溫度段氣候參數對室外熱感覺影響權重
表中數值分別為低溫段和中溫段下三項環境參數對室外人體熱感覺的影響權重，結果顯示，兩個溫度段下太陽輻射均是影響室外熱感覺的決定性因素，其次是空氣溫度和風速，其中風速與熱感覺始終呈負相關；其中低溫段時空氣溫度的標準化系數也為負值，主要由于此時太陽輻射影響程度非常高（0.8），低溫高輻射帶來的效果使得空氣溫度對于熱感覺呈負相關作用。
對比中溫段與低溫度下各項參數的權重大小可以發現，中溫段時溫度和風速的影響作用均有所上升，太陽輻射的影響作用明顯降低，因此，隨著溫度的升高，人們在室外條件下受到各項氣候參數的綜合作用影響。
4 結論
本文主要分析秋冬季節下室外氣候參數與人體熱感覺的影響重要性，并進一步確定了低溫段和中溫段下，太陽輻射與風速對室外熱舒適的敏感性，主要結論如下：
（1）進行太陽輻射與人體熱舒適的研究時，人體輻射通量（Sstr）與人體熱感覺投票的相關性優于總輻射值（Sstr:R2=0.45,G: R2=0.27）；
（2）秋冬季節，室外太陽輻射是影響室外熱感覺的決定性因素，其次是空氣溫度和風速，相對濕度是影響程度最弱的因素。
（3）比較空氣溫度為5~10℃的低溫段和15~20℃的中溫段時，太陽輻射與熱感覺的相關性更為密切（R2:0.98＞0.84＞0.48），影響作用在低溫段更為明顯標準化系數為0.80，中溫段為0.64。處于低輻射段時，人們冷感強烈，若太陽輻射處于較高水平人們普遍達到熱中性狀態，輻射強度的高低直接決定了人們的冷熱感覺。
（4）隨著空氣溫度的增加，溫度和風速對人體熱感覺的影響作用也隨之增加，但仍遠低于太陽輻射的作用，具體權重大小見表3。
（5）風速對于人體熱感覺的影響并不恒定。其影響作用較小，且受輻射和空氣溫度的干擾，為探究其影響作用，對空氣溫度和輻射進行變量控制。結果表明在不同溫度段下，風速均在低輻射段的冷卻作用最為強烈，其大小順序為：低輻射段＞高輻射段＞中輻射段。風速每增加1m/s，低輻射段熱感覺降低1.26個單位，高輻射段降低0.59個單位，中輻射段降低0.26個熱感覺單位。
參考文獻
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備注：本文收錄于《建筑環境與能源》2019年5月刊總第21期。
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