基于遮陰率的濕熱地區慢行道熱舒適特征研究

蔣 毅

徐 峰

熊 鷹

劉之欣

趙立華

室外空間的各種景觀設計要素對空間微氣候分布具有重要的影響，國外的研究[1-2]很早就發現室外空間的熱環境水平和使用率之間存在很大的相關性，熱環境影響人群使用空間的頻次和時間。近十幾年來針對熱舒適影響室外空間使用狀況的定量研究[3-11]逐漸增多，這些研究探討了不同室外景觀空間人群的熱舒適區域，指出空間微氣候特征是影響使用者使用和評價的室外空間的重要因素?；诓煌O計手法的熱環境效果來指導室外空間景觀設計和優化，可以使熱舒適指標值滿足人群的舒適需求，提高使用率和降低熱安全風險。

濕熱地區地處中國東南部，漫長的炎熱季高溫高濕，人群室外出行和活動需求受到熱氣候的嚴重影響，因此熱環境質量評價研究在該地區展開[12-14]，室外熱舒適領域也逐漸受到學者關注。相關文獻研究指出，濕熱地區人群室外活動偏好遮陰良好的弱太陽輻射空間，各微氣候要素中，太陽輻射跟空間利用率的相關性最大，炎熱季天空角系數越大，空間熱不舒適時間越長[7-9]。慢行道在設計時較多考慮空間尺度及景觀，目前尚無相關熱環境設計規范和標準可參照，熱環境設計的缺失導致了熱不舒適，降低了民眾的綠色出行意愿，違背了鼓勵綠色出行的設計初衷。研究顯示，基于景觀設計手法對微氣候因素進行有計劃的調節，可以提高室外空間熱環境品質和減輕熱島效應帶來的不利影響，提升空間的使用質量[15-17]。因此，本文開展了針對步行和騎行2類人群的慢行道熱舒適研究，以期通過景觀綠化要素的配置改善空間熱舒適，構建以“遮陰率-熱環境-熱期望”的慢行道微氣候環境的評價策略，為優化改善提供依據。

1 觀測實驗設計

1.1 研究對象

遮陰率[18](SAR)指標定義為未到達路面的累計太陽直射輻射量與總的太陽輻射量的比值，其數值是由魚眼相機拍攝照片輸入Hemisfer[19]軟件處理計算后得到，大小主要受喬木的冠型、冠層深度、葉面積指數、樹木間距影響。

作為濕熱地區的典型城市“花都”廣州，慢行道綠化樹種類繁多，常見冠幅較大、冠層深度較深、葉面積指數較高的行道樹有杧果(Mangifera indica)、細葉榕(Ficus microcarpa)、人面子(Dracontomelon duperreanum)、紅花羊蹄甲(Bauhinia blakeana)、白玉蘭(Magnolia denudata)等，這類喬木成蔭效果較好，如果密集布置，可形成連續的遮陰帶，SAR在0.7以上。選取此類慢行道為第一類研究對象，命名為“全遮陰慢行道”。

常見樹冠較小，或冠層深度較淺、葉面積指數也相對較小的行道樹有大王椰子樹(Roystonea regia)、窿緣桉(Eucalyptus exserta)、白千層(Melaleuca leucadendron)等，這些樹種在慢行道兩側，可形成點狀遮陰，SAR為0.3～0.7。選取此類慢行道為第二類研究對象，命名為“部分遮陰慢行道”。

當慢行道及周邊空間沒有進行景觀綠化設計，或有做景觀綠化設計但行道樹離慢行道距離較遠、起不到路面遮陰時，大量太陽輻射照射到路面上，SAR在0.3以下。選取此類慢行道為第三類研究對象，命名為“無遮陰慢行道”。3類研究對象如圖1所示。

圖1 實驗場地選擇

1.2 數據實地采集

以實地微氣候參數觀測和問卷發放的方法采集各類遮陰慢行道的熱環境及人群熱舒適數據，采集的微氣候參數包括太陽輻射G(由HD3201.1太陽輻射儀測得)、空氣溫度Ta(由BOBO Pro V2 U23溫濕度自記錄儀測得)、相對濕度RH(由BOBO Pro V2 U23溫濕度自記錄儀測得)、風速Va(由HD32.3熱指數儀測得)和黑球溫度Tg(由HD32.3熱指數儀測得)。相關儀器及取樣間隔參考ISO 7726(1998)的有關規定，測點布置在離地1.5m高處，HOBO的測試探頭做防輻射處理。微氣候數據采集的目的是用來計算慢行道空間的標準有效溫度(SET＊)分布，進而結合熱舒適問卷調研評價人群的熱舒適特征，其中風速采用每3min的平均值用于后續的數據分析。實驗于11月初的晴朗日開展，時間段選取為白天慢行道的主要活動時間9：00—18：00，被調研對象為在各遮陰慢行道中活動的市民，調查內容主要包括性別、年齡、身高、體重、活動狀態(步行或騎行)、持續時間、穿著、熱感覺的感受、熱舒適度的評價、熱接受程度和微氣候參數(太陽輻射、空氣溫度、相對濕度和風速)的接受度及期望等。熱感覺數據的收集采用九度評價標尺，熱舒適數據的收集采用四度評價標尺，熱接受數據的收集采用四度評價標尺，在人群填寫問卷時，工作人員會在旁邊進行必要的解釋以保證統計數據精確反映人群當下的熱舒適感受。

2 實驗結果分析

2.1 問卷采集信息

共收集到問卷771份，其中男性樣本417份，女性樣本355份。另外，步行人群樣本562份，結果顯示步行人群平均花費在慢行道中的時間為18.8min；騎行者樣本209份，騎行人群花費在慢行道中的時間為16.5min。花費時間超過2h以上的調查對象中，95%以上為年齡段在50歲以上的中老年人，這部分人群在13：00后會花費大量的時間在慢行道散步或騎行鍛煉身體，持續到18：00左右。

2.2 各遮陰慢行空間熱環境特征

2.2.1 熱感覺(TSV)特征

根據問卷調研結果，在不同遮陰率的慢行道中，2類活動人群的熱感覺差異較大，如圖2所示。

圖2 各遮陰慢行道人群熱感覺特征圖2-1 步行人群圖2-2 騎行人群

可以看出，步行人群的熱感覺隨著SAR的下降變化很大。全遮陰慢行道中“中性”選項最多(45%)；部分遮陰慢行道中“微暖”選項最多(32%)；到無遮陰慢行道，熱感覺“熱”選項最多(31%)。

而騎行人群在各遮陰空間熱感覺的變化率較為緩和，隨著遮陰率的變化，最多投票的選項只是從全遮陰慢行道的“中性”變化至無遮陰慢行道的“微暖”?？梢?，步行人群對慢行道遮陰率變化較敏感，需求更大的遮陰率，相對于騎行道，人行步道宜設置更多的喬木景觀形成遮陰。2.2.2 熱舒適(TCV)特征

人群的熱舒適投票分布如圖3、4所示，步行人群的“舒適”比例在全遮陰和部分遮陰慢行道相差不大，但當SAR＜0.3時，“稍有不適”占到了最高比例。騎行人群在3種遮陰率慢行道中都是“舒適”選項最高，但隨著遮陰率的減小“舒適”比例逐漸下降?？傻贸稣陉幝氏嗤穆械乐?，騎行人群的熱舒適狀況好于步行人群，且步行人群對空間遮陰需求更高，人行步道的SAR不要小于0.3。

圖3 各遮陰慢行道人群熱舒適特征圖3-1 步行人群圖3-2 騎行人群

圖4 2類人群熱舒適特征比較

2.2.3 熱感覺與熱舒適的相關性特征

步行人群在全遮陰、部分遮陰和無遮陰慢行道的熱感覺和熱舒適之間都是二次項的關系(表1，圖5)。關系圖中軸線的x坐標值可表征人群處于熱舒適最佳狀態時對應的熱感覺值。

表1 人群熱舒適與熱感覺相關性信息

圖5 人群的熱舒適與熱感覺相關性關系圖5-1 步行人群圖5-2 騎行人群

在全遮陰慢行道，步行人群最佳熱舒適是在熱感覺靠近微涼(-1)的區域，騎行人群最佳熱舒適是在熱感覺靠近涼(-2)的區域。

在部分遮陰空間，步行人群最佳熱舒適是在熱感覺靠近涼(-2)的區域，騎行人群最佳熱舒適是在熱感覺靠近微涼(-1)的區域。

在無遮陰空間，步行人群最佳熱舒適是在熱感覺靠近涼(-2)的區域，騎行人群最佳熱舒適是在熱感覺靠近微涼(-1)的區域。

同樣可以看出，慢行道中步行人群和騎行人群熱舒適最佳時對應的熱感覺區域并不一致，在騎行道和人行步道的熱環境設計中應分開考慮。

2.2.4 人群不舒適因素分析

對慢行道各微氣候因素中引發人群熱不舒適的因素進行統計，有利于利用景觀設計手法調節微氣候，避免引發人群熱不舒適。引起慢行道人群不舒適因素如圖6所示?？梢钥闯觯懈哌_71.5%的步行人群和74.1%的騎行人群希望調節微氣候參數，各因素中，引發人群不舒適的主要是太陽輻射(G)和氣溫(Ta)，其次是風速和空氣濕度。由調研發現，當人群處于“不舒適”和“非常不舒適”狀態時，有85.7%的比例對風速或空氣濕度因素不滿意，希望得到改變。

圖6 慢行道人群不舒適微氣候因素統計

2.3 熱舒適的定量評價

在保證炎熱季慢行道喬木遮陰需求的同時，怎么兼顧冬季人群對日照的需求呢？本研究將采用SET＊指標對該季節慢行道人群的中性熱感覺區間、熱舒適區間和熱期望區間開展定量研究，給出人群各熱舒適指標的具體數值區間，以期探索獲得全年熱舒適最大化的研究方法。定量研究的過程如下：

1)首先計算調研時間段內慢行道的SET＊分布；

2)將SET＊分布輸入SPSS軟件，以1℃的間隔分組；

3)根據調研問卷結果統計每個SET＊分組內步行人群和騎行人群的熱感覺(TSV)均值，并提取樣本數；

4)對SET＊及組內熱感覺(TSV)均值進行回歸分析，基于每個分組樣本數獲取標準有效溫度SET＊和熱感覺(TSV)之間的相關性關系式及擬合度(R2)。

2.3.1 中性SET＊和舒適的SET＊范圍

基于以上研究過程設計獲得2類人群中性SET＊范圍如圖7和表2所示。

表2 TSV與SET＊相關性表達式

由圖7可以看出，關系式擬合度(R2)較好，對應步行人群和騎行人群分別是0.739和0.799。慢行道中步行人群的熱感覺每變化一個單位，對應SET＊的跨度為4.6；騎行人群的熱感覺每變化一個單位，對應SET＊的跨度為5.3，步行人群對慢行道SET＊變化更敏感。人群的熱感覺從中性到暖的SET＊值區間，步行人群和騎行人群分別為18.6～29.1和21.6～30.7℃，步行人群中性熱感覺和暖熱感覺對應的SET＊值都更低。

2類人群的舒適SET＊范圍如圖8和表3所示。可以看出，關系式擬合度(R2)較好，對應步行人群和騎行人群分別是0.758和0.711。對于慢行道熱環境的SET＊分布，數值越小時，2類人群都會覺得更舒適(正線性關系)。步行人群的熱舒適每變化一個單位，對應SET＊的跨度為12.5；騎行人群的熱舒適每變化一個單位，對應SET＊的跨度為20。說明在慢行道SET＊的變化范圍內，步行人群的熱不舒適變化是大于騎行人群的，當慢行道的SET＊達到31.4℃時，行人甚至出現了熱不舒適的情況。

表3 TCV與SET＊相關性表達式

可以看出，慢行道需保證適當的遮陰，通過行道樹的合理配置，營造出人群熱舒適的熱環境范圍。為防止出現過熱及熱不舒適的狀況，慢行道遮陰率同樣不要小于0.3，否則會出現人群熱感覺過熱及熱不舒適現象。

2.3.2 慢行道人群熱期望特征

室外熱環境的設計目標是為出行人群創造優美且舒適的熱環境，促進生態宜居城市建設，鼓勵居民綠色出行。不同遮陰率的行道樹遮陰形成了不同熱環境水平的空間，為量化人群對室外空間熱環境的熱期望特征，營造符合人群熱期望的慢行道空間遮陰環境，本文以接受率90%標準來表征人群的熱期望特征，即：如果該空間的熱環境為90%以上的人群接受，則表示該空間的熱環境滿足人群對慢行道環境的熱期望。為此，本文設計了如下分析過程：

1)將SET＊分布輸入SPSS軟件，以1℃的間隔分組；

2)根據熱接受投票的分布統計每個SET＊分組內熱接受百分率，并提取樣本數；

3)采用SPSS軟件對SET＊分布及熱接受百分率(URV)進行回歸分析，基于每個分組樣本數獲取SET＊和URV之間的相關性關系式及擬合度(R2)。樣本數不超過10個的組不參與回歸分析。

分析結果如圖9和表4所示。關系式擬合度(R2)步行人群和騎行人群分別是0.544和0.940。造成2類人群擬合度(R2)相差較大的原因是：被調研步行人群著裝差異較大，以至于相同SET＊分布時人群的熱期望比較不一致。而騎行人群的著裝較一致，熱期望也較接近。對回歸結果進行分析計算可得出：滿足步行人群90%熱接受率的SET＊值的范圍是小于等于25.8℃，騎行人群達到90%熱接受率所對應的SET＊值的范圍是小于等于27.6℃，如表7、8所示。因此，對該季節步行道進行行道樹遮陰配置時，營造出的空間熱環境SET＊值應不超過25.8℃，而騎行道空間SET＊值應不超過27.6℃?？梢钥闯?，騎行人群對慢行道SET＊分布的熱期望比步行人群更寬。

表4 URV與SET＊相關性表達式和熱期望范圍

圖7 慢行道人群熱感覺和標準有效溫度關系圖7-1 步行人群圖7-2 騎行人群

圖8 慢行道人群熱舒適和標準有效溫度關系圖8-1 步行人群圖8-2 騎行人群

圖9 慢行道人群熱接受率和標準有效溫度關系圖9-1 步行人群圖9-2 騎行人群

3 熱環境評價討論

城市慢行道，包括綠道、城市公園設計的初衷是鼓勵和引導人群綠色出行和休閑健身，因此營造良好的慢行道熱環境，以保證人群出行和健身的熱安全及熱舒適十分重要。景觀行道樹的設計是熱環境最大的影響因素，采用ENVImet 4.0等熱環境分析軟件，根據室外空間的喬灌草及鋪裝設計進行建模計算，得到場地的微氣候分布，輸入到RayMan軟件計算得到場地的可視化SET＊分布，判斷空間的熱環境是否在人群室外出行的熱舒適中性區域、舒適區域和熱期望區域，可以用來評價室外空間的熱環境是否在人群的舒適范圍，也可以評價新建設計方案是否合理。以廣州市一處實際室外場地為例，采用ENVI-met 4.0進行建模，分析使用人群為步行人群時，空間的熱環境狀況，采用RayMan輸出SET＊可視化分布。場地鋪裝為普通水泥地面，無灌木帶，場地南北側行道的遮陰樹主要為羊蹄甲，空地上種植了草皮和點植了灌木；場地東西側行道的遮陰樹靠里一側是羊蹄甲，靠外一側是白玉蘭，空地上同樣種植了草皮和點植了灌木。行道樹的葉面積指數、樹高、冠幅和枝下高參考課題組對該區域及附近區域羊蹄甲及白玉蘭的測試值[20]，間距由本實驗測試獲得?？紤]本研究旨在探索一種對實際場地熱環境的評價方法，因此本次建模的喬木模型相同樹種各參數值均采用測試值的均值，簡化了建模過程，樹形采用圓柱形，各參數取值如表5所示。

表5 場地行道樹參數取值

在模擬結果中，輸出一天中15：00慢行道1.5m高處SET＊可視化分布現狀如圖10所示。根據2.3.2節結論，即步行人群熱期望范圍SET＊宜小于等于25.8℃，計算得出區域內滿足步行人群熱舒適出行的區域面積比例為46.3%。

圖10 場地標準有效溫度分布狀況

4 結論

慢行道的景觀綠化采用不同的行道樹時，慢行道的遮陰率不同，步行人群和騎行人群的熱感覺變化不完全一致，遮陰率改變了慢行道的微氣候，步行人群對這種變化較為敏感，熱不舒適變化高于騎行人群，對遮陰率的需求高于騎行人群。本文采用SET＊指標結合SPSS軟件的回歸分析方法對慢行道的熱舒適進行量化評價，得出了影響人群的微氣候因素偏好、熱舒適區域及出行的熱期望，構建了以“遮陰率－熱環境－熱期望”的慢行道微氣候環境評價策略。使用者的熱期望指標可以用來評價已建成室外空間的熱環境是否在人群的舒適范圍內，也可用來評價新建設計方案是否合理。

注：文中圖片均由蔣毅拍攝或繪制。