場地綠色基礎設施對戶外熱舒適的影響

劉濱誼 魏冬雪

摘要：綠色基礎設施作為城市生態支撐體系的重要部分，能夠從物理和心理2個層面影響城市戶外熱舒適。文章回顧了透水性鋪裝、綠色街道、生物屋頂與垂直綠化、城市公園4種場地綠色基礎設施對于戶外熱舒適的物理心理影響，分析數據包括模擬和現場實測研究；研究所討論的內容清晰地反應了融入氣候因素的設計導則可以直接促進戶外熱舒適。

關鍵詞：戶外熱舒適，物理心理，綠色基礎設施

1.引言

由于全球變暖和城市化，在2l世紀，全球平均地表溫度和空氣溫度將分別增加2.6℃～4.8℃和2℃～4℃，城市地區尤其嚴峻。過高的熱應力引起熱中風和熱死亡，威脅城市居民健康，城市環境熱舒適問題已引起關注。

研究證實綠色基礎設施能夠有效減少城市熱島促進戶外熱舒適。透水性鋪裝、綠色街道、垂直綠化與生物屋頂、城市公園是4類場地綠色基礎設施實施的有效類型。

本研究從環境物理和大眾心理感知2個層面回顧上述4類場地綠色基礎設施戶外熱舒適。文獻回顧主要關注空氣溫度、空氣濕度、風速、熱輻射4種小氣候變量對于戶外熱舒適的綜合影響，重點回顧使用基于能量平衡的熱舒適指標對戶外熱舒適進行的評估。

2.戶外熱舒適

熱舒適被定義為“在熱環境感到滿意的狀態”，此定義表明熱舒適是一種主觀感覺。戶外熱舒適，涉及大眾心理感知和環境物理2個方面。在大眾心理感知方面，基于美國采暖、制冷與空調工程師學會（ASHRAE）的定義，熱舒適區是80%靜坐或進行輕量活動的人們認為環境是“熱可接受的”范圍：在環境物理層面，熱舒適區范圍則是空氣溫度、空氣濕度、風速和熱輻射等一系列環境參數的集成。

目前。已有的評估戶外熱舒適方法以基于人體能量平衡的機理指標為主。常見的指標為預測平均投票（PMV）、戶外標準有效溫度（OUT_SET）和生理等效溫度（PET）等。計算這些指標需要獲得空氣溫度、空氣濕度、風速和熱輻射。評估戶外熱舒適方法之一是對上述4種小氣候變量進行現場實測進而計算熱舒適指標，另一種方法是使用計算機軟件進行數值模擬，常用模擬軟件有：ENVI-met，COMFA，SOLWEIG和Green-MC。

由于人們對環境條件需求以及壓力反應不同，對環境的感知和評估也存在差異，在戶外環境中通過問卷調查獲得主觀人體熱感覺的方法被廣泛認可。就熱舒適感知而言，一些研究表明文化差異和環境態度影響熱舒適感知：還有一些研究則證明了熱舒適涉及到環境的自然性、審美性和積極體驗。環境心理學研究認為自然體驗能夠快速緩解疲勞和恢復注意力與沒有植被的城市環境相比較.人們偏好綠色環境。更多的綠色空間能夠增加居民對于環境的滿意度。

微氣候營造在風景園林規劃設計中近人小尺度的層面上應當引起重視.目的是構建舒適宜人的環境。從設計視角，一方面可以通過影響太陽輻射、地面輻射和風等氣候參數來獲得場地綠色基礎設施的戶外熱舒適：另一方面考慮到戶外熱舒適感知受到視覺感知和偏好的影響。可以通過規劃設計手段來改善其自然性、審美性、體驗性等來促進人們熱舒適感知。

3.場地綠色基礎設施對戶外熱舒適的物理心理影響

3.1透水性鋪裝

透水性鋪裝是指能夠使雨水通過，直接滲入路基的鋪裝材料。透水性鋪裝能降低地表溫度，緩解戶外熱舒適。史源等使用ENVI-met軟件對北京西單商業街進行冬夏兩季熱舒適模擬，模擬顯示，過多使用非滲透性硬質鋪地表面會導致室外熱舒適度的嚴重惡化，滲透性差的硬質鋪地與滲透性較好的自然土壤表面的預測平均投票（PMV）差值達到2.0。

草地對于戶外熱舒適在環境物理和心理感知2個方面都有促進作用。在意大利圖靈，馬佐塔（Mazzota）比較了新型透水鋪裝、草地、草地與混凝土混合鋪裝的熱性能，實測顯示，新型透水鋪裝獲得的熱量低于混凝土與瀝青，高于草地。該研究還調查了85人對3種材料的心理熱感覺.38%的受試者對于混合鋪裝與草地的熱舒適感到滿意，僅有25%的受試者對新型透水鋪裝材料的熱舒適感到滿意。在意大利佩魯賈，羅索（Rosso）等使用問卷調查了66個受試者對于屋頂和城市鋪裝材料熱的和視覺的感知，結合現場實測數據證實了草地比碎石、瀝青在熱舒適和視覺舒適上更具優越性。

3.2綠色街道

綠色街道是一種集合綠色透水表層、樹木覆蓋與景觀元素的街道。盡管街道朝向、街道高寬比對于街道熱舒適起著重要作用，綠色行動仍然是獲得街道熱舒適的重要手段。在北京西單商業街，ENVI-met模擬顯示。在夏季.街道綠化區域與非綠化區域的PMV差值高達3.0以上。當街道高寬比小于0.5時，無論何種朝向，植被的數量和形態對戶外熱舒適都起著重要作用。

不同綠化形式對于街道熱舒適的促進作用也有差異。趙敬源與劉加平使用數值模擬的方法分析了西安東西向高寬比值為1的街道熱環境，在喬木、灌木、草坪3種綠化形式當中，樹木對街道熱環境的改善效果最好，在正午12時，樹冠下方1.1m高處SET值比無綠化時降低了6.44℃，草坪上方的SET值比灌木上方低0.17℃。勞巴卡羅（Lobac-caro）和阿西羅（Acero）使用ENVI-met模擬了不同綠化形式對畢爾巴鄂3類街道夏季熱環境的改善能力，在低層緊湊型（B/T=0.8，H/W=3.5）、中高層緊湊型（B/T=0.6，H/W=1.5）、高層開敞型（B/T=0.4，H/W=1.3）3類街區中，相比于硬質鋪地.草坪作為街道中央綠化對PET的最大改善分別是4.22℃、2.96℃和3.16℃，草坪與樹木共同作為街道中央綠化對PET的最大改善分別是6.7℃、5.99℃和4.74℃。模擬顯示草坪的使用能夠較長時間減少白天人行層面的熱不舒適.從更長的時間來看，與全部是草坪的街道相比較，樹木的作用僅僅是在樹葉覆蓋的區域.其對熱舒適的影響依賴于樹木的幾何形態（高度、形狀和冠幅）和樹冠的葉密度。

樹木通過降低空氣溫度和提供遮蔭來促進街道空間熱舒適。在新加坡的實測研究證實了街道中的成年樹木提供了足夠的遮蔭.促進了行人層面戶外熱舒適。在西安，數值模擬表明，樹木葉面積指數（LAI）影響戶外熱舒適，當LAI從1增加到5時，樹蔭區域的SET值下降5.7℃，樹種選擇至少要保證LAI值為3，才可以對街谷熱環境帶來實質性改善。此外，樹木種植的密度對戶外熱舒適有決定性影響。沙書亞（shashua）等通過Green-MC模擬顯示.在城市雅典.當街道植被覆蓋從8%增加到50%時，PET值減少8.2 K。Hwang等提出在臺灣地區，使用落葉樹木能夠促進該地區街道全年熱舒適。

樹木對于街道熱舒適的改善效果不單單取決于樹木的屬性，還受到周邊環境的影響，如街道朝向、高寬比等。阿里圖德（Ali-Toudert）使用ENVI-met模擬了干熱氣候蓋爾達耶夏季白天植被對于街道熱舒適的影響，當街道高寬比為2，東西朝向時，街道北側種植單排樹木樹冠下的PET值比沒有樹木時低22K：當街道高寬比為1，南北朝向時，街道中央有兩排樹木比沒有樹木的街道PET值低24K。莫拉金約（Morakinyo）使用ENVI-met模擬樹木形態、規劃布局對于街道熱舒適的影響，研究表明。在濕熱地區.樹木能夠將街道的熱感覺從“非常熱”降低到“熱”，即降低一個熱感覺評級。該研究指出街道樹木的種植不能取決于單個參數，需要綜合街道高寬比、樹木高冠比、葉面積指數、葉面積密度（LAD）和種植布局與排列來促進街道熱舒適。

在心理方面，克萊姆（Klemm）在荷蘭選擇了3種類型的街道，進行了夏季熱環境感知分析。這3種街道類型分別是類型I沒有綠化.類型Ⅱ街道兩側是大的行道樹，類型Ⅲ街道兩側有花園和小的行道樹。在物理層面發現，類型I的平均輻射溫度最高，類型Ⅱ高于類型Ⅲ的平均輻射溫度值為2.2K。通過問卷對行人進行的熱舒適感知顯示.類型Ⅲ的熱舒適感知高于類型Ⅱ。克萊姆（Klemm）認為，視野里豐富的植被類型和高度變化促使人們獲得了更好的熱感知。

3.3生物屋頂與垂直綠化

植被完全覆蓋或部分覆蓋的屋頂被稱作綠色屋頂或生物屋頂.其重要功能是減少暴雨徑流，附加價值是減少熱島效應。垂直綠化是建筑物或構筑物中的垂直綠化元素，其不僅能夠降低空氣溫度，還能夠降低戶外平均輻射溫度。亞力山大（Alex.andri）和瓊斯（Jones）通過在不同氣候條件下小尺度二維模擬研究表明，在低矮建筑圍合的淺街谷（高5m、寬10m、東西朝向），綠色屋頂和垂直綠化能夠促進夏季人行層面的戶外熱舒適。以雅典城市氣候為例.光禿混凝土墻面在夏季的PET值超過45℃，而植被覆蓋的墻面，PET值超過30℃的時間僅僅是4h。在白天的大多數時間，直接暴露在太陽輻射下的屋頂的PET值在20℃～35℃，處于舒適和微暖水平，植被覆蓋的屋頂的PET值處于微涼和舒適水平。盡管有研究認為綠色屋頂對于人行層面的降溫作用十分微弱，對于沒有足夠土地提供城市綠色空間的高密度城市。生物屋頂和垂直綠化仍是最佳的綠化覆蓋形式。至今，未發現有關垂直綠化或生物屋頂對于戶外熱舒適的心理影響方面的研究。

3.4城市公園

大量基于實測的現場研究揭示了“公園冷島”對其周邊的建筑環境具有降溫作用，城市公園作為重要的場地綠色基礎設施能夠增加戶外熱舒適。布朗（Brown）使用COMFA模擬不同氣候區公園舒適度時空差異發現.通過遮蔭減少太陽輻射對于熱感覺的影響最有效。Lin等提出在臺灣為了應對小氣候的逐日和逐季的變化，需要在公園內提供多種遮蔭類型和遮蔭水平。在寒冷季節，公園應該整合落葉和常綠樹木作為遮蔭空間，提供多種遮蔭設施的同時，兼顧人們的視覺偏好。克萊姆（K1-emm）在荷蘭對13個城市公園進行調研顯示，在白天，公園的PET值要比城市外圍草地低5K，比城市中心低1.9K：公園總的熱條件受到樹冠覆蓋和上風向植被覆蓋的影響，PET值和樹冠覆蓋顯著相關，公園內10%的樹木覆蓋能夠減少PET值1.5K。馬蒙德（Mahmoud）通過實測計算了公園內9個不同區域的PET值，發現該數值受到風速和天空視覺因子（SVF）影響，城市公園內復雜的表面結構能夠形成不同的特殊小氣候，影響人們的熱舒適感知。

在心理方面的研究顯示.相比于水體和建筑環境，人們普遍認為綠色的城市環境是熱舒適的戶外環境。景觀元素對于人們的熱舒適有一定的促進作用，人們的心理體驗影響了戶外熱舒適的感知。施奈爾（schnell）使用心率變異率（HRV）結合熱舒適指標計算和主觀問卷驗證了城市公園在熱壓力、空氣質量和噪音方面提供了更為健康的環境，即便是小尺度的城市公園，也能提供更為舒適、有助于人們放松和恢復的戶外環境。

4.場地綠色基礎設施戶外熱舒適研究趨勢

城市戶外空間熱環境關乎居民健康。本文從環境物理和大眾心理感知2個方面回顧了透水性鋪裝、生物屋頂與垂直綠化、綠色街道和城市公園對于戶外空間熱舒適的促進作用。已有實證研究成果為更加精確地實施規劃策略和綠化干預提供了科學依據。

4種場地綠色基礎設施對于戶外熱舒適的影響研究中，綠色街道占有較高比重。綠化種類和綠化形式對于街道戶外熱舒適起著重要作用，每個城市都應結合已有街區建筑密度、街道走向、街道高寬比等街道空間形態確定更為具體細致的綠化策略。從更大范圍上爭取全年更長時間的街道戶外熱舒適，促進人們對于街道空間的使用。

城市公共開放空間的建設已經重視使用透水鋪裝來促進人們的戶外熱舒適，在未來的研究中需要結合具體戶外空間環境，明確不同反射率或吸收率鋪裝材料的適用條件。生物屋頂和垂直綠化是高密度城市中促進戶外熱舒適的重要手段，未來的研究需要厘清垂直綠化對于行人層面熱舒適的影響范圍.為具體的設計實施提供依據。

在城市公園中.喬木是促進戶外熱舒適的重要景觀元素，對于熱舒適的促進主要通過提供遮蔭，蒸發和改變風環境，通過增加喬木數量獲得更多遮蔭的同時需要注意其對于風向和風速的影響。規劃設計需要更多地掌握場地的氣候條件，具體空間設計需要對樹木種類、葉面積指標、樹高、樹冠形態、枝下高、是否落葉和樹齡等進行綜合考量。

需要注意的是，這些實證研究成果不具備普適性。有必要結合每個城市的地理特征、氣候特點以及已有建成環境全面開展戶外熱舒適研究.進而制定相應的規劃設計策略。在環境物理方面，結合城市自身氣候條件，制定常綠與落葉植物比例；充分考慮地區季節性條件制約.正確選擇植物種類和植株形狀，合理規劃種植密度，創造出冬夏兩季皆舒適的戶外熱環境。在大眾心理感知方面，應進一步探求景觀元素、景觀空間等對于熱舒適感知的影響機制.在此基礎上，結合當地居民的審美和行為習慣進行規劃設計。