夏煦 王漢斌 吳運(yùn)龍 胡孝俊

1重慶建工集團(tuán)

2重慶大學(xué)三峽庫(kù)區(qū)生態(tài)環(huán)境教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室

夏季高溫條件下室外熱感覺特性研究

夏煦1王漢斌2吳運(yùn)龍2胡孝俊2

1重慶建工集團(tuán)

2重慶大學(xué)三峽庫(kù)區(qū)生態(tài)環(huán)境教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室

本文針對(duì)夏季城市中的高溫天氣情況，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)的環(huán)境測(cè)試和問(wèn)卷調(diào)查，得到了人體高溫條件下室外熱感覺的基本規(guī)律，并在此基礎(chǔ)上，采用BIN分析法得到了人體室外的熱感覺、濕感覺、風(fēng)感覺對(duì)室外熱環(huán)境參數(shù)的量化模型，并對(duì)模型進(jìn)行了可接受區(qū)間值的求解，得到了在室外高溫環(huán)境條件下人體可接受參數(shù)分布范圍，相關(guān)參數(shù)的提出為室外人體熱感覺的相關(guān)研究提供了參考。

高溫氣候室外熱感覺熱環(huán)境參數(shù)

1 研究背景

夏季高溫天氣是一種十分不利的自然環(huán)境，由于近年來(lái)城市化迅速發(fā)展導(dǎo)致的城市熱島效應(yīng)[1]和溫室氣體導(dǎo)致的大氣環(huán)境溫度上升越來(lái)越顯著，這些因素進(jìn)一步使城市的夏季室外熱環(huán)境變得越來(lái)越惡劣。高溫天氣作為一種極端的天氣條件，對(duì)人體的健康是十分不利的，極易引起人體的不舒適，并可能導(dǎo)致中暑，嚴(yán)重的甚至導(dǎo)致死亡[2]。在已有的室外環(huán)境相關(guān)研究中，初步探討了室外人體熱舒適與室外環(huán)境相關(guān)參數(shù)的關(guān)系[4～11]，但是這些研究缺乏專門針對(duì)高溫氣候條件下的室外熱感覺研究，對(duì)其特性缺乏深入認(rèn)識(shí)。本文主要針對(duì)夏季高溫條件下室外熱環(huán)境因素對(duì)人體熱感覺影響進(jìn)行了研究，通過(guò)建立夏季高溫條件下室外人體熱感覺、濕感覺和風(fēng)感覺模型得出了室外活動(dòng)人員的可接受溫度、濕度和風(fēng)速范圍，為在更寬的室外溫度范圍內(nèi)研究人體的熱感覺特性提供了參考。

2 測(cè)試過(guò)程

2.1 測(cè)試基本情況

城市的建筑布局、綠化方式、下墊面材料、人員的密度等共同影響著城市局部氣候。在炎熱的夏季，人員在室外的行徑具有明顯的選擇性。本文的測(cè)試工作在綜合考慮了上述的因素后，在重慶主城區(qū)選擇較有代表性和人流量相對(duì)較大的區(qū)域進(jìn)行測(cè)試。所測(cè)試的區(qū)域有沙坪壩區(qū)、江北區(qū)步行街、渝中區(qū)日月光廣場(chǎng)和九龍坡區(qū)步行街，分為主觀問(wèn)卷和環(huán)境參數(shù)測(cè)試兩部分。

2.2 主觀問(wèn)卷調(diào)查

在本研究中，問(wèn)卷調(diào)查的對(duì)象是在測(cè)試點(diǎn)附近活動(dòng)的人員，采取隨機(jī)選取，并填寫相關(guān)的主觀調(diào)查問(wèn)卷。室外環(huán)境的測(cè)試是每隔一小時(shí)測(cè)試一次，在測(cè)試的間隙進(jìn)行問(wèn)卷調(diào)研。人體的熱反應(yīng)是和其所處的環(huán)境是密切聯(lián)系的。本次研究中共發(fā)放問(wèn)卷542份，收回有效問(wèn)卷529份。

被調(diào)查人員男女構(gòu)成比例分別為57%和43%，男性比女性多14%。表1為調(diào)研人員的年齡、身高和體重等基本信息。

為了結(jié)合后期的分析，調(diào)研過(guò)程中，對(duì)人員的活動(dòng)水平進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，圖1表示的是人員活動(dòng)水平分布。從圖中可以看出，調(diào)研期間人員的主要活動(dòng)是靜坐休息和行走，占全部人數(shù)的96.03%。從事一般性運(yùn)動(dòng)的人員占3.78%，劇烈運(yùn)動(dòng)的只有0.19%。

3 環(huán)境測(cè)試參數(shù)分析

在此次研究中，共進(jìn)行了8天測(cè)試，得到了重慶地區(qū)夏季室外上午11:00到下午17:00室外環(huán)境的相關(guān)熱環(huán)境參數(shù)（圖2～5）。從測(cè)試的數(shù)據(jù)中可以看出重慶夏季的室外熱環(huán)境處于高溫條件，正是本文研究中所期望的天氣。測(cè)試期間室外空氣溫度最高為40.8℃，最低為28.6℃，平均溫度為35.76℃。在重慶夏季室外上午11:00到下午17:00期間，室外的相對(duì)濕度較低，平均相對(duì)濕度為40.84%，最高相對(duì)濕度為64.2%，最低為32.6%，且多分布在50%以下，占到了88.46%。室外的空氣流動(dòng)速度與室內(nèi)相比，具有較大的變化范圍且波動(dòng)性較大，介于0.2m/s到2.02m/s之間，基本都在1.6m/s以下，占到了96.15%，平均風(fēng)速為0.65m/s。重慶地區(qū)夏季太陽(yáng)能資源豐富，并且輻射強(qiáng)度較高，測(cè)試期間最高輻射強(qiáng)度為941.5W/m2，最低為168.19W/m2，平均輻射強(qiáng)度為600.55W/m2，輻射強(qiáng)度有一半以上都分布在700W/m2到900W/m2之間，占59.62%。

4 主觀問(wèn)卷調(diào)查分析

4.1 TSV分布頻率

本研究中共獲得了529份有效問(wèn)卷，通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)的處理分析，得到了如圖6所示的人員熱感覺投票分布頻率。從圖6中看以看出，認(rèn)為重慶夏季室外熱環(huán)境可接受即熱感覺投票在-1到+1之間的僅占38.94%，其中感覺舒適即投票為0的僅占14.18%；認(rèn)為重慶夏季室外熱環(huán)境不可接受的占61.06%。分析表明，重慶地區(qū)夏季室外熱環(huán)境條件較為惡劣，急需改善室外熱環(huán)境條件。

4.2 HSV分布頻率

通過(guò)對(duì)有效問(wèn)卷的分析，得到了如圖7所示的濕感覺投票分布頻率，近似服從正態(tài)分布。從圖中可以看出，可接受的濕感覺投票占76.56%，其中感覺舒適的占29.3%，感覺有點(diǎn)潮的占30.06%，感覺有點(diǎn)干的占17.2%。認(rèn)為不可接受的人群占23.44%，其中認(rèn)為很潮的占4.73%，感覺潮的占12.1%；感覺干的占4.35%，感覺很干的占2.27%。

從DIVA-GIS數(shù)據(jù)庫(kù)(http://www.diva-gis.org/)免費(fèi)獲取DIVA-GIS(Version 7.5)軟件包和中國(guó)地形高程圖。中國(guó)行政區(qū)劃矢量地圖來(lái)源于國(guó)家基礎(chǔ)地理信息中心(http://nfgis.nsdi.gov.cn/)，地圖比例尺為1∶4000000。在DIVA-GIS軟件中，以中國(guó)行政區(qū)劃矢量圖和高程圖為底圖，導(dǎo)入紫玉蘭地理分布數(shù)據(jù)，繪制實(shí)際地理分布圖。利用與DIVA-GIS耦合的BIOCLIM模型，分別預(yù)測(cè)紫玉蘭的當(dāng)前適生區(qū)和未來(lái)潛在分布區(qū)。

4.3 WSV分布頻率

通過(guò)對(duì)有效問(wèn)卷的分析，得到了如圖8所示的風(fēng)感覺投票分布頻率。從圖中可以看出，感覺舒適的人群占13.61%%，感覺舒適有風(fēng)的人群占33.08%，感覺風(fēng)大的人群占0.38%，沒(méi)有調(diào)查對(duì)象感覺風(fēng)速很大。感覺很悶的人群占6.99%，感覺悶的人群占13.61%，感覺有點(diǎn)悶的人群占32.33%。

5 評(píng)價(jià)模型的建立

5.1 熱感覺評(píng)價(jià)模型

在室外熱舒適的研究中，一般選用的用來(lái)評(píng)價(jià)熱舒適的指標(biāo)有空氣溫度Ta，有效溫度ET*以及標(biāo)準(zhǔn)有效溫度SET*[12]，各個(gè)指標(biāo)都有各自的優(yōu)點(diǎn)和不足。空氣溫度Ta直接測(cè)量而得，作為評(píng)價(jià)指標(biāo)比較直觀；有效溫度雖然綜合考慮了干球溫度、空氣濕度以及風(fēng)速對(duì)人體熱感覺或冷感覺的影響，但是一般適用于身著標(biāo)準(zhǔn)服裝和坐著工作的人舒適性評(píng)價(jià)；標(biāo)準(zhǔn)有效溫度SET*是以人的生理反應(yīng)為基礎(chǔ)，通過(guò)人體傳熱分析推導(dǎo)出來(lái)的，但是其計(jì)算復(fù)雜，應(yīng)用并不廣泛。所以，在本文的研究中采用空氣干球溫度Ta作為評(píng)價(jià)指標(biāo)。

在本文研究中，采用了溫度頻率法也即BIN法來(lái)研究溫度和熱感覺的關(guān)系。溫度頻率法是以0.5℃的間隔將溫度劃分為多個(gè)連續(xù)的區(qū)間，并將不同區(qū)間內(nèi)熱感覺投票取平均。在經(jīng)過(guò)處理后，以各個(gè)溫度區(qū)間的中心溫度為自變量，平均熱感覺投票MTSV（Mean Thermal Sensation Vote）為因變量進(jìn)行線性回歸分析。本文采用溫度頻率法進(jìn)行線性回歸分析，結(jié)果如圖9所示。

回歸關(guān)系式為：

從回歸方程可以看出，空氣溫度Ta與平均熱感覺投票的相關(guān)系數(shù)為0.9124，說(shuō)明二者之間的相關(guān)性比較高，且顯著性水平P<0.5，說(shuō)明所求的樣本回歸直線具有意義，能夠較好地預(yù)測(cè)室外人體的熱感覺。

5.2 濕感覺評(píng)價(jià)模型

本文中，測(cè)試期間空氣相對(duì)濕度最高為64.2%，最低為32.6%，且多分布在50%以下，占到了88.46%。同樣按照溫度評(píng)價(jià)中的頻率法（BIN法），將空氣相對(duì)濕度按照5%的區(qū)間間隔進(jìn)行劃分，計(jì)算濕感覺投票的平均值。以每個(gè)區(qū)間內(nèi)中心空氣相對(duì)濕度φ為自變量，平均濕感覺投票（MHSV）為因變量進(jìn)行一次線性回歸分析，如圖10所示。

擬合關(guān)系式為：

從擬合結(jié)果看，相關(guān)性系數(shù)達(dá)到了0.9534，表明二者的相關(guān)性較高，且顯著性水平P<0.5，表明所求的樣本回歸直線具有意義，說(shuō)明在高溫偏熱環(huán)境條件下，人體對(duì)空氣相對(duì)濕度的敏感性較高。

5.3 風(fēng)感覺評(píng)價(jià)模型

風(fēng)是由空氣流動(dòng)而產(chǎn)生的，自然界中影響空氣流動(dòng)的因素眾多，所以風(fēng)速也是一直處于一個(gè)波動(dòng)狀態(tài)。在室外熱舒適的研究中，空氣流動(dòng)可以對(duì)人的熱感覺起到積極的作用，也能起到消極的作用。一般來(lái)說(shuō)，在室內(nèi)環(huán)境中，室內(nèi)空氣流速一般較低，風(fēng)速較大的話就會(huì)引起吹風(fēng)感造成人體的不舒適感。但是在偏熱的環(huán)境中，適當(dāng)?shù)目諝饬鲃?dòng)能夠明顯地改善人體的熱感覺。

雖然在測(cè)試中，重慶地區(qū)室外的風(fēng)速較小，但是也能在一定程度上改善人體的熱感覺。根據(jù)上述的溫度頻率法，將風(fēng)速按照0.2m/s的間隔進(jìn)行區(qū)間劃分，并計(jì)算區(qū)間內(nèi)的風(fēng)感覺投票的平均值。以每個(gè)區(qū)間的中心風(fēng)速值v為自變量，風(fēng)速平均風(fēng)感覺投票MWSV（MeanW ind Sensation Vote）為因變量進(jìn)行一次線性回歸分析，如圖11所示。

擬合關(guān)系式為：

從回歸方程可以看出，相關(guān)系數(shù)為0.8287，且顯著性水平P<0.5，說(shuō)明所求的樣本回歸直線具有意義，能夠較好地預(yù)測(cè)人體對(duì)風(fēng)速的感覺。

6 評(píng)價(jià)模型分析

當(dāng)人在所處的環(huán)境中處于不冷不熱的狀態(tài)，則這種狀態(tài)可稱為“熱中性”狀態(tài)，也即MTSV=0。本文根據(jù)熱中性狀態(tài)的定義，令式（1）等于零可以求得“熱中性”溫度T。另外根據(jù)可接受溫度的計(jì)算方法也可以根據(jù)式（1）計(jì)算出可接受溫度的變化范圍，即當(dāng)MTSV處于-1到+1之間時(shí)，其溫度即為可接受的溫度。

通過(guò)熱感覺評(píng)價(jià)模型的計(jì)算可知：“熱中性”溫度為27.84℃，可接受的溫度變化范圍為23.91℃~ 31.77℃。同理采用濕感覺評(píng)價(jià)模型，計(jì)算出中性濕度為45.32%，可接受的濕度范圍為33.29%～56.37%。采用風(fēng)感覺評(píng)價(jià)模型，中性風(fēng)速為1.07m/s，可接受的風(fēng)速范圍為0.34m/s～1.80m/s。

7 結(jié)論

本文針對(duì)夏季高溫氣象條件下的人體熱感覺問(wèn)題，進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)的環(huán)境測(cè)試和問(wèn)卷調(diào)查，并根據(jù)測(cè)試調(diào)研數(shù)據(jù)對(duì)人體的熱感覺、濕感覺和風(fēng)感覺投票的分布頻率進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析，并建立了人體的熱感覺、濕感覺和風(fēng)感覺評(píng)價(jià)模型，得出了室外人體可接受的溫度、濕度和風(fēng)速范圍分別為23.91～31.77℃、33.29%～56.37%、0.34～1.80m/s。相關(guān)參數(shù)的提出為室外熱環(huán)境對(duì)人體的影響研究提供了參考。

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Re sea rc h on The rm a l Sense un de r the Situa tion o f H igh Tem pe ra tu re

XIA Xu1,WANGHan-bing2,WU Yun-long2,HU Xiao-jun2
1Chongqing Construction Engineering Group
2 Key Laboratory of the Three GorgesReservoir Region’s Eco-Environment, M inistry of Education,Chongqing University

The characteristics of thermal sense under hot summerwas researched based on the field investigation and questionnaire.Themodels of thermal sense,hum idity sense and w ind sense were set up through the Bin method.And also the scalesof thermal parameterswere provided based on themodels,which could be the reference for the research ofoutdoor thermalsense.

hotweather,outdoor thermalsense,thermalenvironmentparameters

1003-0344（2014）03-008-4

2013-5-29

夏煦（1975～），男，碩士，高工；重慶建工集團(tuán)（401122）；023-63500756；E-mail:luoqing96@163.com

國(guó)家自然科學(xué)基金（51178481，50808182）；中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)（CDJZR10210008，106112012CDJZR210004）。