西北寒冷地區(qū)校園室外熱舒適研究

文／甄 蒙 西安交通大學人居環(huán)境與建筑工程學院

王凱旭 西安交通大學人居環(huán)境與建筑工程學院（通訊作者）

郭楨中 西安交通大學人居環(huán)境與建筑工程學院

引言

近年來我國經(jīng)濟飛速發(fā)展，居民對于生活品質(zhì)的要求逐步提高，其對于良好室外空間的需求也在逐步增大。室外熱環(huán)境是評價室外空間的重要因素。良好的熱環(huán)境可以引導人群更多走向室外，提高生活品質(zhì)并有益身心健康。大學校園作為承載學生生活的主要空間，其室外空間的塑造與學生生活密切相關(guān)。近年來，室外空間的熱舒適得到了國內(nèi)外學者的廣泛重視。趙凌君等在廣州地區(qū)校園進行熱環(huán)境舒適性研究[1]，得出廣州夏季中性溫度為23.9℃。李坤明等研究濕熱地區(qū)室外熱舒適特點，回歸分析得到廣州不同季節(jié)熱舒適閾值[2]。楊麗娜、劉吉營等在濟南某高校校園研究過渡季節(jié)特殊天氣下的校園室外熱舒適[3]，得出溫度對室外熱環(huán)境的影響程度占47.8%，樹蔭道有93.3%被測人員感到舒適。

西安地處寒冷地區(qū)，本文以PET 作為評價指標，采用問卷調(diào)查與實地測試的方法探究西安交通大學興慶校區(qū)校園室外熱舒適。

1 研究方法

1.1 研究地點

西安市（108.98°E，34.25°N）地處西北寒冷地區(qū)，調(diào)研時間為2021 年3 月10 日至5 月28 日。本次研究選取西安市西安交通大學興慶校區(qū)五處典型室外空間作為調(diào)研區(qū)域。五處測點分別為：A-康橋苑下沉廣場、B-四大發(fā)明廣場、C-騰飛塔、D-梧桐東路、E-櫻花東路。

1.2 問卷調(diào)查

調(diào)研采用問卷調(diào)查與實地測試相結(jié)合的方法。問卷主要由三部分組成。第一部分收集受訪者個人信息，包括性別、年齡、收入、籍貫、健康狀況、活動情況、服裝熱阻等；第二部分收集室外空間人群對當前熱環(huán)境的判斷，包括熱感覺、熱舒適、物理環(huán)境可接受度、熱期望，對于花香與霧霾的感受以及防護措施；第三部分為客觀環(huán)境測試數(shù)據(jù)，包括空氣溫度、相對濕度、PM2.5 等。熱感覺與熱舒適評價標尺如下（表1）。

表1 熱感覺、熱舒適評價標尺

該研究在校園內(nèi)五個測點隨機選取受試者進行調(diào)研，共計收集有效問卷300 份。調(diào)研期間無陰雨天氣。

2.研究結(jié)果與分析

2.1 熱環(huán)境水平

表3 展示了五個測點在測試期間的空氣溫度、相對濕度和風速的平均值和最值。在溫度方面，四大發(fā)明廣場平均溫度最高，為23.26℃，最低溫度出現(xiàn)在四大發(fā)明廣場測點（14℃）。在相對濕度方面，各測點平均相對濕度由高到低依次為櫻花東路（62.51%）、騰飛塔水池邊（58.47%）、康橋苑西側(cè)下沉廣場（51.75%）、四大發(fā)明廣場（49.49%）、梧桐東路（40.45%）。平均風速由高到低分別為梧桐東路（1.82m/s）、康橋苑西側(cè)下沉廣場（1.66m/s）、四大發(fā)明廣場（0.96m/s）、騰飛塔水池邊（0.62m/s）、櫻花東路（0.52m/s）。

表3 氣象參數(shù)平均值

圖1 調(diào)研地點

2.2 各測點熱感覺與熱舒適投票分布

五個測點分別為：A-康橋苑下沉廣場、B-四大發(fā)明廣場、C-騰飛塔水池邊、D-梧桐東路、E-櫻花東路。圖2 表示各測點受訪人群整體熱感覺和熱舒適投票百分比分布；熱感覺投票顯示，最為常見的熱感覺為“適中”，其次為“有一點熱”。C 測點整體熱感覺最為集中，熱感覺集中分布在“有一點冷”和“有一點熱”（-1 ～1）之間，并未出現(xiàn)“很冷”與“很熱”的熱感覺。熱舒適投票分布情況顯示，熱舒適投票（TCV ≥0）占全部投票的76.7%，C 測點熱舒適投票顯示全部樣本TCV ≥0。調(diào)研得出占比最高的熱舒適投票為“適中”（TCV ＝0），占比為39.3%，占比最低的熱舒適投票為“非常不舒服”（TCV ＝-3），占比僅為0.3%。

圖2 各測點熱感覺和熱舒適投票分布

表2 實測儀器參數(shù)表

2.3 PET 與熱感覺熱舒適關(guān)系

統(tǒng)計每次調(diào)研得到問卷的熱感覺和熱舒適投票并計算均值，得到PET 與MTSV 關(guān)系以及PET 與MTCV 關(guān)系（圖3）。PET 與MTSV 關(guān)系（圖3a）顯示春季西安溫度分布范圍較廣，最大PET 為28.06℃，最低PET 為12.1℃。樣本集中分布在15℃以上；得到回歸方程（表4）。.

表4 PET 與MTSV 回歸方程

PET 與MTSV 擬合方程斜率為4.8459，表示PET 每上升4.8459℃，室外人群平均熱感覺上升一個等級；該熱感覺敏感程度高于席天宇、雷永生在嚴寒地區(qū)哈爾濱得到PET 與熱感覺投票敏感度（PET 變化11℃引起一個單位熱感覺變化）。從PET 與MTSV 線性方程可以推導出中性PET 值（MTSV ＝0）為19.30℃。

PET 與平均熱舒適MTCV 關(guān)系如圖3b所示，得到樣本點16 個，其中舒適樣本（MTCV ≥0）占比68.8%，表明西安3 月—5 月室外空間熱舒適性較高，校園內(nèi)微氣候狀況較好。PET 與MTCV 呈現(xiàn)負相關(guān)線性關(guān)系，得到回歸方程（表5）。

表5 PET 與MTCV 回歸方程

圖3 PET 與MTSV 及MTCV 相關(guān)性

2.4 期望溫度

統(tǒng)計各次調(diào)研得到問卷有關(guān)熱環(huán)境的變化期望，計算當天熱環(huán)境下的期望變化概率，得到PET 與期望變化概率關(guān)系如圖4 所示。變熱期望曲線與變冷期望曲線均呈現(xiàn)為較清晰的二次多項式關(guān)系，得到變熱期望曲線方程（表6）。

表6 變熱期望曲線方程

在調(diào)研得到的PET 范圍內(nèi)，變熱期望與PET 呈負相關(guān)。在調(diào)研樣本中，當PET 大于等于25.58℃后，樣本變熱期望變?yōu)?。得到變冷期望曲線方程（表7）。

表7 變冷期望曲線方程

在調(diào)研得到PET 范圍內(nèi)，變冷期望與PET呈正相關(guān)。所有樣本期望變化概率處于0%到80%之間。當期望變熱與期望變冷概率相等時，即室外人群變熱與變冷期望相等，整體不期望變化，可認為此時為室外人群期望溫度。由圖4期望方程計算得出，本次調(diào)研得到西安春季期望溫度為23.16℃。

圖4 變化期望與PET 相關(guān)性

3 差異因素分析

探究室外人群熱舒適的影響因素。除基本氣象參數(shù)之外，空氣質(zhì)量、外部感覺以及主觀情緒等均可以影響人群對于室外空間的熱舒適評價。本節(jié)從性別、感官、空氣質(zhì)量三個角度探究熱舒適評價差異的影響因素。

3.1 性別差異

統(tǒng)計得出男性與女性MTSV 與PET 關(guān)系如圖7 所示。得到男性受試者與女性受試者MTSV 與PET 擬合方程（表8）。

表8 男性受試者與女性受試者MTSV 與PET 回歸方程

圖7 不同灰霾濃度下MTCV 與PET 相關(guān)性

男性與女性擬合方程均呈現(xiàn)明顯的正相關(guān)線性關(guān)系，可以看出，西安春季男性與女性平均熱感覺接近，男性擬合直線始終位于男性擬合直線上方，表明在調(diào)研溫度范圍內(nèi)，女性的平均熱感覺略高于男性。

圖5 中直線與X 軸的交點即為中性溫度，男性受試者的中性溫度大于女性受試者。斜率大小代表受訪者對于PET 變化的敏感程度：男性直線斜率為0.1098；女性直線斜率為0.0967，表明男性受試者對于環(huán)境變化的敏感度要略高于女性受試者。

圖5 不同性別MTCV 與PET 相關(guān)性

3.2 花香對熱舒適的影響

人體對于外部空間的感知可以影響熱舒適評價。調(diào)研期間正值春季，校園五個測點中，康橋苑下沉廣場，櫻花東路植被覆蓋茂密，伴有花香。在開有鮮花的兩個測點中，康橋苑下沉廣場受訪人群對于花香是否好聞的評價均值為0.60，平均評價介于“適中”與“有一點好聞”之間；對于花香帶給人群的愉悅程度評價平均值為0.55，即康橋苑下沉廣場處鮮花帶給室外人群以輕度的愉悅感。櫻花東路受訪人群對于花香是否好聞的評價均值為0.77，對于花香帶給受訪人群的愉悅程度評價均值為1.04。好聞程度與愉悅程度均高于康橋苑下沉廣場測點，由櫻花東路鮮花更為茂盛推測，在一定范圍內(nèi)，花香與室外人群熱環(huán)境舒適度評價呈正相關(guān)。

分別統(tǒng)計兩個有花測點和三個無花測點的PET 與MTCV，將每次調(diào)研得到的PET 與TCV數(shù)值取平均值，得到一個樣本點，探究花香對于室外人群熱舒適評價的影響（圖6）。

圖6 有無花香影響下MTCV 與PET 相關(guān)

如圖6 所示有花測點與無花測點MTCV與PET 均呈現(xiàn)二次函數(shù)關(guān)系，得到擬合方程（表9）。

表9 有花測點與無花測點MTCV 與PET 回歸方程

有花測點曲線位于無花測點曲線上方，MTCV 峰值更高且舒適PET（MTCV ≥0）范圍有所增大；有花測點中，當PET 為19.81℃時，MTCV 達到峰值0.63；無花測點中，當PET為18.04℃時，MTCV 達到峰值0.34；計算舒適PET 范圍，得出有花測點舒適PET 范圍為12.74℃至26.88℃，無花測點舒適PET 范圍為12.24℃至23.84℃，在有花香條件下舒適PET 范圍增大約3℃。

綜上所述，有花香條件下，室外人群舒適PET 范圍增大，相同PET 條件下平均熱舒適（MTCV）更高，證明花香會提高室外人群熱環(huán)境舒適度評價。

3.3 灰霾對于熱舒適的影響

本次調(diào)研中收集了西安室外人群對于灰霾的感受和應(yīng)對措施并測量了PM2.5 的含量。根據(jù)中國空氣質(zhì)量標準（GB 3095—2012）[5]，PM2.5平均值標準值小于35μ g/m3 空氣質(zhì)量等級為優(yōu)；以PM2.5 平均值標準值35μg/m3 為分界，將調(diào)研樣本分為灰霾濃度較高和灰霾濃度較低兩組，分別分析兩類樣本平均熱舒適MTCV 與PET的關(guān)系（圖7）。將灰霾濃度較高組命名為a 組，較低組命名為b 組。擬合MTCV 與PET 間關(guān)系得到線性方程如下（表10）。

表10 不同灰霾濃度MTCV 與PET 回歸方程

a組曲線顯示，當MTCV ＝0 時，對應(yīng)PET為17.07℃；b 組曲線顯示，當MTCV ＝0 時，對應(yīng)PET 為24.38℃。在調(diào)研PET 范圍內(nèi)a組曲線位于b 組曲線下方，即相同PET 條件下，較高的灰霾濃度會降低熱舒適體驗。與b 組斜率絕對值相比，a 組斜率絕對值高出32.5%，表示較高的灰霾濃度會顯著提高熱舒適下降速率。

結(jié)語

（1）PET 與平均熱感覺（MTSV）投票之間呈線性關(guān)系，變化斜率為4.8459，由熱感覺投票得出中性溫度為19.30℃；PET 與平均熱舒適（MTCV）投票之間也呈線性關(guān)系，變化斜率為-4.7247。

（2）有花測點與無花測點PET 與平均熱舒適投票均呈二次函數(shù)關(guān)系。有花測點舒適PET 范圍為12.74℃至26.88℃，無花測點舒適PET 范圍為12.24℃至23.84℃。花香條件下，室外人群舒適PET范圍增大，相同PET下平均熱舒適更高。

（3）不同灰霾濃度下PET 與MTCV 均呈線性關(guān)系，灰霾濃度較高組斜率為-0.1479，灰霾濃度較低組斜率為-0.1116，表示灰霾濃度較高的情況下，室外人群平均熱舒適下降速率更大，表明相同PET 條件下較高灰霾濃度會降低熱環(huán)境舒適體驗。

圖表來源：

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