寒地濱水區廣場熱舒適與使用研究

鄭婉營，梁靜

（哈爾濱工業大學建筑學院，寒地城鄉人居環境科學與技術工業和信息化部重點實驗室，哈爾濱 150006）

0 引言

水體作為生態系統中的重要組成部分，對氣候環境有重要影響作用，是各學科的研究重點之一[1]。同時，城市濱水廣場作為城市戶外活動空間，成為城市具有吸引力場所[2]。針對水體進行合理規劃設計可以增強水資源利用效果，相關學者已經做了大量研究工作[3]。如在城市濱水區域設置廣場等開敞空間，能增強水體冷島效應[4]，調節室外熱舒適性及提升城市戶外活動空間品質[5]。作為濱水空間主要類型之一，濱水廣場日漸成為居民主要戶外活動場所。城市居民對廣場的使用是非常依賴氣候條件的[6]。室外熱環境的舒適可以促進戶外活動，從而改善身心健康[7]，且會間接減少建筑能耗[8]。不同氣候條件對戶外活動空間是用情況影響顯著，在適宜步行的距離閾值內，其決定權占比超過了可達性等因素[9]。國內外大量相關研究將季節作為變量討論，通過對溫度、濕度、太陽輻射等氣象因素進行設計，協調居民對活動空間需求，鼓勵居民戶外活動[10]。也有多位學者討論濱水空間內景觀元素[11]、器材設備與休憩設施[12]等因素對戶外活動特征的影響。目前缺少有關寒地城市濱水熱環境與戶外活動特征的系統分析。另外廣場選址及設計過程中大多缺少熱環境或當地使用需求特征調查，實踐發展過快[13]，缺少相應理論研究支撐；對于濱水區域內部廣場，臨水、非臨水型濱水廣場使用需求特征的差異性常在設計過程中被忽略。對于現有寒地城市濱水居住區級廣場則存在空間劃分、活動設施配置等方面問題。因此有必要通過實地調研與研究，探究熱環境、熱感覺與實際使用情況的內在聯系，分析不同季節室外熱環境改善需求，提升濱水空間實際使用情況，優化戶外濱水活動空間環境品質。

因此，文中選擇寒地城市哈爾濱兩處濱水區域內的居住區級廣場，研究不同季節熱環境及戶外活動特征，分析濱水區域內臨水、非臨水型廣場的使用特征差異，提出空間使用量化指標—空間使用率，評估寒地城市濱水區內廣場設計或使用情況，并提出針對性熱環境設計因素或改造意見，鼓勵全季戶外活動。

1 調研方案設計

1.1 調研地點選擇

研究地點位于寒冷氣候典型城市哈爾濱市。松花江干流由西向東貫穿哈爾濱市地區中部，沿江形成許多特色濱水空間，成為城市居民日常生活重要休閑活動場所。經過實地調研，最終選擇航運廣場、碼頭廣場2個濱水廣場開展調查研究。兩測點占地面積相近，其中，航運廣場（HS）占地面積2450m2（硬質鋪裝面積1890m2），距松花江江岸120m，為非臨水型濱水廣場。碼頭廣場（MS）占地1858m2，為臨水型濱水廣場。實地測量地點周邊有約2712 戶家庭，社區內除一處高層住宅樓外，均為8 層住宅樓，區位如圖1 所示。

圖1 實地測量區位圖

實驗選擇這兩個測量地點的原因：①兩處濱水廣場形式簡單，邊界清晰，面積適中，下墊面材質相同，可排除因廣場規模設計不當降低被使用的可能；②周邊有多個居民區，一處商業建筑。且廣場位置交通便利。每日使用者數量可確保實地測量實驗觀測結果的準確性；③兩廣場中均無大面積植被種植情況，均僅在邊緣處有行道樹種植區，植被對結果的影響可不計差異，且能提供“接受陽光直射”、“避免陽光直射”兩類空間，滿足實用需求；④兩處廣場均無大面積遮蔽物，且設有固定休息設施，滿足年老使用者的體力需求，保障空間使用無障礙，也可直觀測量使用者情況。

1.2 調研測量時間

根據QXT152-2012《氣候季節劃分》中的劃分方法，文中冬季為10 月下旬～次年4 月上旬，其余時間為過渡季。為觀察研究兩類型濱水廣場的使用情況，研究自2020 年10 月30 日～2021 年5 月20 日，期間共進行了13 次實地測量。實地測量日當日均為晴天或多云，風級2～3 級，避免了云量、風速過大等因素產生戶外空間的使用障礙。表1 列舉了研究實地測量的具體日期。

表1 實地測量調查日期

1.3 調研測量方法

實地測量包括問卷調查、局地氣候測量、活動觀察3個部分。為了確保實驗數據準確性，除去新冠疫情等不可抗因素，測量實驗每個月進行兩次。為滿足居民戶外活動時間，研究設置在10:00～16:00 進行。同期進行活動觀察及記錄于每10min 獲取一次數據，用不間斷3 次觀測平均人數作為0.5h 戶外空間使用人數。人數以固定點拍照及現場統計兩種方式進行。

1.3.1 問卷調查

為獲得使用者主觀感受，對兩個廣場使用者進行實地實時問卷調查。研究人員隨機邀請廣場使用者參加調查，每份問卷在2min 內完成。問卷中第一部分主要收集使用者基本信息（年齡、性別、服裝情況等）、活動水平、參觀或使用原因以及受訪時間等數據。第二部分為使用者針對目前室外熱環境進行熱感投票（TSV），整體舒適度投票OCV（Overall Comfort Vote）、各氣象參量的偏好投票PV（Preferred Vote）以及熱可接受投票TAV（Thermal Acceptable Vote）4個方面。其中熱感覺投票使用最常用ASHRAE 標準（2009 年）7 級量表，但是考慮研究季節為寒冷季節冷季或過渡季，氣候更加極端，故將等級劃為11 級，如表2 所示。且由于此前設置預實驗證明寒地城市冬季期間投票最大值為+2，且頻數極少，因此冬季期間+3～+5 投票段鎖定不投。Yahia MW[14],Erik[15]等也因具體研究環境的差異調整TSV 等級設定。經過數據初篩過程將填寫信息不完整等無效問卷剔除，共收集問卷數據751組。

表2 熱感覺投票等級量

1.3.2 局地熱環境測量

在研究中，使用兩個便攜式氣象站，每1min 測量記錄氣溫（Ta）、相對濕度（RH）、黑球溫度（Tg）和風速（Va）。氣象站分別位于碼頭廣場和航運廣場最頻繁使用的區域內，所有傳感器均安裝在離地面約1.2m 高度處。表3 列出了研究中使用儀器的具體參數。

表3 研究所使用的傳感器規格

1.3.3 活動觀察

研究根據年齡和活動水平對觀察到的使用者進行了分組，將使用者分為未成年組（0～18 歲）、成年組（18～50 歲）、中老年組（51 歲及以上），將活動水平分為低強度活動、高強度活動。同時，觀察到的陪同未成年人外出使用者活動強度較低，故歸為低強度活動。另外，在實地測量期間，研究發現下棋打牌、廣場舞等為聚集性活動，常出現群體使用時段、時長相似現象，導致空間使用率出現極大波動，需著重考慮并篩選數據。

2 調研結果

2.1 局地熱環境特征

總結調研期間MS 以及HS 測得日平均空氣溫度、濕度、輻射溫度發現，實地測量期間最冷日為1 月9 日，最低日平均氣溫可達-17.15℃，在5 月20 日溫度達到測量期間最大值，日平均氣溫可達28.18℃。另外，平均風速在0.59～3.91m/s 內波動，每時均風速最高可達6.94m/s。整體實地測量期間濕度在24.51%～76.04%內波動。

通過圖2 典型日氣候可見，冬季典型日空氣溫度與太陽輻射溫度趨勢相近，平均相對濕度數值較高且變化波動微小，于15:00 前隨時間負增長，15:30 出現最小值53.20%后開始正相關，日間整體時段內風速較大，最高可達6.94m/s。相較于臨水型廣場，非臨水型廣場平均空氣溫度與輻射溫度均較高，最大差值可達3.32℃，而風速較為穩定。值得注意的是，于13:30 后水體顯現保溫效果，導致臨水型廣場出現一段時間內的空氣溫度穩定。根據過渡季典型日數據顯示，兩類型廣場于空氣溫度及輻射溫度方面數值波動大峰值出現在11:00、13：00 時段，而數值差異與冬季典型日相近，相對溫差變大，最大可達6.73℃；相對濕度以及風速則大幅下降，平均值下降幅度約51.4%，數值波動也較小。

圖2 調研典型日氣象參數變化趨勢

2.2 室外熱感覺投票

受訪個體調研期間室外熱感覺投票如圖3 所示。

圖3 使用者熱感覺投票（TSV）情況

從熱感覺跨度來看，冬季期間臨水型廣場使用者主要熱感覺投票要高于非臨水型廣場3個等級；從值域跨度看兩類型廣場近似；各等級投票占比中臨水型廣場出現高占比投票（TSV=0、TSV=1），而非臨水型廣場在[-3,1]值域內出現占比近似的情況；從熱感覺投票平均值看，臨水型廣場平均值為-0.604，高于非臨水型廣場0.28。于過渡季期間，臨水型廣場使用者主要熱感覺等級則較非臨水型廣場低1個等級；從值域跨度看臨水廣場僅有7 級跨度，非臨水廣場則出現9 級跨度；兩類型廣場各等級投票占比趨勢近似，但平均值相差0.514，臨水型廣場使用者更傾向于“中”“微暖”，而非臨水型廣場則以“暖”為平均熱感覺水平。

可見冬季期間兩類型廣場熱感覺投票趨勢差異明顯，使用者對于臨水型廣場熱環境偏好更溫暖的條件，而非臨水型廣場出現多種主要熱感覺等級，使用者對其熱環境包容度更高；于過渡季期間兩類型廣場差異削弱，且使用者對于臨水型廣場熱環境偏好轉為更涼爽，值得注意的是，非臨水型廣場使用者熱感覺跨度較大且出現極端熱感覺投票。

結合調研氣象數據采集以及熱感覺投票建立多元線性回歸方程。

式中，TSVwfs為寒地濱水區內廣場熱感覺投票；Ta為其空間內空氣溫度，℃；Tg代表太陽輻射溫度，℃；RH 為相對濕度，%；Va則是風速，m/s。

并以此分析四項氣象參量的熱敏程度，結果如表4 所示。研究結果顯示，非臨水型廣場熱環境四項參量與TSV 相關性更強，且兩類型廣場分季節分析可見，冬季熱環境與熱感覺顯現出更強相關性。可見非臨水型廣場熱感覺投票更加依賴四項氣象參數，而臨水型廣場熱感覺則需考慮到活動類型、強度以及心理因素等，但主要熱感覺因素仍為局地熱環境參數。與此同時，根據此模型相關性分析，如表5 所示，太陽輻射溫度是影響濱水空間熱感覺投票最重要氣象參數，是正相關作用，其次是溫度和濕度，且與濕度為負相關，風速則是影響最小氣象參數。橫向對比兩類型廣場，可見與非臨水型廣場不同，臨水型廣場受風速影響更大，并呈現顯著性相關；非臨水型廣場更為依賴空氣溫度與太陽輻射溫度，且受濕度影響比臨水型廣場要強烈，同時幾乎不受風速影響。由此可見，臨水型廣場在保障一定程度太陽輻射后更需要注意影響風速的相關空間設計手段，尤其是冬季漫長的寒地氣候城市；非臨水型廣場則需要考慮作為最重要影響因素的空氣溫度與輻射溫度極值，避免極端熱環境的產生，同時需要考慮采用一些手段避免冬季期間濕度對熱環境的不利影響。

表4 四項參數熱敏程度

表5 TSV 預測模型

2.3 活動水平與使用時段

統計兩廣場范圍內使用者活動類型，并將使用者活動水平分為高強度、低強度兩種，具體活動強度分類如表6 所示。且統計結果發現，冬季常有坐姿閑聊、散步等，并于9:00～10:30 與13:30～15:00 出現群聚性廣場舞活動，過渡季則常發生坐姿閑聊或賞景、放風箏等，群聚性活動則增加打牌與圍觀等形式。

表6 活動強度水平分類

從全時段總結規律可見圖4，在冬季，兩廣場每時段不同活動強度使用人次變化趨勢大體相同，但使用人次相差巨大。值得注意的是，對比兩廣場mTSV 值，非臨水型廣場全時段mTSV 為-0.672，較臨水型廣場（mTSV=-0.902）高出0.23，且波動幅度小，熱感覺更為穩定。尤其是10:00～11:00 時段，mTSV 高出0.56，使用人次上也表現出較大差距。而在過渡季，兩類型廣場13:00～15:00 期間低強度中老年使用人次均大幅度增長，活動觀察記錄顯示多因發生歌唱表演、棋牌游戲等群聚性極強的活動。對比兩類型廣場mTSV 波動趨勢，臨水型廣場過渡季期間全時段數值較低，但波動幅度十分穩定；非臨水型廣場則于10:00 及13:00時段出現高峰值（mTSV=2.14、mTSV=1.88），且因受到周邊一處高層住宅遮蔽陽光，隨之便出現使用人次下降。從全時段總結規律可見，于過渡季期間9:00～11:00及13:00～14:00 內，非臨水型廣場“熱”感更強且使用人次較高；臨水型廣場使用人次高峰則只出現于13:00～15:00，“冷”感較強但時段內熱感覺更穩定。

圖4 使用人次與人均熱感覺投票

研究可知，使用者在冬季偏向于非臨水型廣場，局地熱環境較溫暖且穩定。同時，冬季期間水體景觀環境并沒有提高使用效益，臨水活動空間使用者人次極少。在過渡季，臨水型廣場使用者有明顯增幅，低強度活動水平使用者占比增幅明顯，綜合文中熱環境相關分析，過渡季風速、相對濕度變小，太陽輻射充足，且江水開化景致更佳，使得臨水型廣場吸引更多使用者。

2.4 濱水廣場使用率與mTSV

作為促進居民日常戶外活動的場所，公共空間必須具有一定質量的公眾使用性[16]。公共空間的可進入性、設施供給量、景觀吸引力、標識指引性等均為影響因素，而這些特征最終會體現于空間使用率指標波動。因此，文中以空間使用率為空間使用評價指標，定義各使用時段硬質鋪裝區域內實際使用人數與總容量之比。由于現有規范多為規定人均最小面積而無上限，且硬質廣場占比浮動會導致容量差異，不能具體計算設計總容量，因此研究中采用高峰使用時段區域內最大人次為總容量。采用以公眾距離（5m）為一個單位距離，每單位距離使用人數為1 的空間使用率為使用率指標標準值。若平均使用人數比1 更少，則該廣場更趨近于消極空間，需要針對性加以改善。以文中的研究對象為例，HS 使用率標準值（UR0-HS）為27.46%，MS 使用率標準值（UR0-MS）為40.22%。如表7 計算，可見以空間使用率為指標，總體來說HS 全調研時段內呈現出使用良好的結果，MS 則需要進一步有針對性的加以改善，來提高濱水空間設計與使用。

根據上述定義統計計算兩類型廣場的實際使用率與mTSV，形成回歸曲線公式。

計算結果顯示，非臨水型廣場受試平均熱感覺投票（URHS）與空間使用率有較為明顯的相關性（R2=0.720）。而于臨水型廣場則相關性較弱，見回歸方程式（R2=0.529），且當URMS≥UR0-MS，mTSV 僅有兩個跨度等級，如圖5 所示。

圖5 mTSV-UR 關系圖

將使用率標準值與模型計算的回歸曲線進行統合，得出非臨水廣場空間內，當mTSV 于[-0.67,3.62]范圍內可支持其空間成為積極的公共空間；臨水型廣場mTSV 在[-0.4,2.18]范圍內可促使其空間內使用率達到其標準值。其計算結果與實際調研所的結果整體趨勢一致，且可以發現臨水型廣場使用率對于mTSV≥0呈現出更為敏感的狀態。這與前文中日均mTSV-OCV呈現結果不一致（舒適度結果表示臨水型廣場對熱感包容性更強）。這一結果差異表明，公共空間的設計確實需要綜合考慮熱環境與使用情況；且綜合前文中使用人群特征的差異，可見由于熱感覺為居民的主觀感受，不僅受到熱環境的影響，還有其他因素影響其投票值，如個人差異（年齡、活動強度、健康狀況等）、水體景觀效益（視覺感受、心理預期等）應有益于提升使用者對所處環境的綜合感受，從而使自身的熱感覺處于一個較為舒適且平穩的水平。

3 分析討論

研究僅涵蓋冬季與過渡季局地熱環境，且調查時段有限、氣候條件晴朗，可能會限制所開發模型普適性。例如成人下班、未成年人放學會導致空間使用特征和活動分布發生變化。以后此方面研究應該擴大研究時段。且熱感覺差異可能與個人生活模式、長期熱經歷等方面差異有關，給TSV 模型帶來不確定性，可能需要更多數據支撐，以提高模型精度。目前獲取空間使用數據的方法主要以實地實時觀察記錄為主，不能瞬時獲取數據，未來可以引用更加先進省力技術手段。若能獲得連續空間使用數據將能提高模型準確率。

4 結語

文中選擇哈爾濱松花江濱水片區內兩處廣場作為研究對象，探究熱舒適水平及影響因素，發現寒地城市濱水區域內臨水型、非臨水型廣場局地熱環境大體相同，但兩類型廣場受訪群體熱感覺差異明顯。針對臨水型廣場空間，則更應該注重相對濕度、風速、輻射溫度的負面影響，如對盛行風向采取導風設計，加裝裝飾美觀的擋風墻或者植被、休閑構筑物等，于冬季保障一定區域的熱舒適性；同時，由于獨特的地理位置，哈爾濱市民室外空間群體使用特征也具有一定的特殊性，應結合使用者年齡及其熱感偏好、心理因素、安全因素等多方因素分析結果，創造較為豐富多樣化的綠化景觀或者服務設施，組織開展豐富特色活動增加吸引力與活力。文中建立了相應的使用情況預測模型，以具體的空間熱環境為基礎分析主要影響因素，有助于提升寒地城市室外空間品質，鼓勵戶外活動，延長戶外活動季節，為寒地城市濱水區域廣場空間的設計和實施建設提供參考依據以及設計原則補充。