高云飛，余佳寧，劉 琳，陳 光，林垚廣，陳素青

（1.廣東工業(yè)大學(xué) 土木與交通工程學(xué)院，廣東 廣州510006；2. 廣東工業(yè)大學(xué) 建筑與城市規(guī)劃學(xué)院，廣東 廣州510090）

良好的校園環(huán)境對于提高學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，激發(fā)求知欲和探索精神，促進(jìn)人與人之間的交流[1]有著重要作用。校園室外環(huán)境品質(zhì)關(guān)系著學(xué)生室外活動發(fā)生的頻率與質(zhì)量。而廣州作為夏熱冬暖地區(qū)的典型代表，其冬季氣候具有溫度和相對濕度都較高的特點(diǎn)。長期以來濕熱地區(qū)夏季室外熱環(huán)境受到廣泛關(guān)注，而冬季校園室外熱環(huán)境則鮮有研究。有研究[2]表明：相對預(yù)測平均投票值(Predicted Mean Vote，PMV)、新有效溫度(new Standard Effective Temperature，SET *)和通用熱氣象指數(shù)(Universal Thermal Climate Index，UTCI)指標(biāo)，生理等效溫度(Physiological Equivalent Temperature，PET)對廣州的適應(yīng)性最好。為此，本文采用現(xiàn)場實(shí)測的方式，通過PET指標(biāo)對冬季高校室外熱環(huán)境進(jìn)行評價，針對室外物理參數(shù)與主觀問卷投票進(jìn)行討論分析，為濕熱地區(qū)冬季校園室外熱環(huán)境優(yōu)化提供理論依據(jù)。

關(guān)于廣州地區(qū)冬季室外熱舒適研究，謝明哲等[3]在大量調(diào)研的基礎(chǔ)上得到中性PET為19.4 ℃，李坤明等[4]得到15.6 ℃，冬季期間人體熱感覺為冷的時間占比達(dá)到25%。針對校園室外熱舒適，陳繞超[5]與趙凌君等[6]在8～10月分別得到廣州地區(qū)的室外中性溫度為25.9℃和23.9 ℃，期望溫度為23.7℃，同時90 %可接受溫度上限為28.54 ℃。綜上，廣州地區(qū)室外熱舒適研究已趨于完善，但仍缺乏對冬季條件下校園人群室外熱舒適需求的探討。為此，本文通過現(xiàn)場實(shí)測和主觀問卷調(diào)研結(jié)合的方法，探討濕熱地區(qū)冬季校園不同公共活動空間類型的熱舒適水平，分析濕熱地區(qū)冬季校園不同人群活動空間的小氣候適應(yīng)性問題，為校園公共活動空間環(huán)境的營造與改善提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支撐。

1 研究方法

研究選擇在廣州市廣東工業(yè)大學(xué)東風(fēng)路校區(qū)進(jìn)行，場地位于北緯23.1°，東經(jīng)113.3°，屬亞熱帶季風(fēng)氣候，夏熱冬暖氣候區(qū)，氣候特征表現(xiàn)為夏季長且高溫高濕，冬季短、氣溫高于0℃且濕度大。氣象學(xué)季節(jié)劃分12～2月為冬季，同時考慮到學(xué)校的教學(xué)周期，故調(diào)研選擇在12月2日進(jìn)行測試，全天溫度在16～22℃之間變化，相對濕度變化范圍為50%～70%。

由于PET指標(biāo)[7]綜合考慮了空氣溫度、輻射溫度、風(fēng)速與濕度等環(huán)境因素，能夠較為準(zhǔn)確反映室外熱環(huán)境參數(shù)對人熱生理狀態(tài)的影響，其在室外熱環(huán)境評價中被廣泛應(yīng)用。故本文選取生理等效溫度指標(biāo)PET作為人體熱環(huán)境評價指標(biāo)，并利用RayMan[8]模型程序計算得出。調(diào)查對象主要為在校讀書的學(xué)生和少部分在場地中活動的外來人員，每個場地調(diào)查樣本數(shù)為90(±10)人次，男女比例基本均衡。

1.1 測試區(qū)域及測點(diǎn)布置

研究區(qū)域中的建筑采用行列式布局，公共活動空間較多，依據(jù)各室外空間被建筑包圍程度，將公共活動空間分成建筑包圍空間(至少2面緊鄰建筑，文中A、B、D測點(diǎn))、建筑邊開敞空間(單面緊鄰建筑，文中E、F測點(diǎn))和園林景觀空間(遠(yuǎn)離建筑體，文中C測點(diǎn))3類。實(shí)測共選取6處主要人員使用空間作為測點(diǎn)代表各空間類型，具體測點(diǎn)分布如圖1所示。

圖1 東風(fēng)路校區(qū)測點(diǎn)分布圖Fig.1 Distribution map of measuring points in Dongfeng Road Campus

1.2 測試儀器及方法

測量6個測試區(qū)域內(nèi)的環(huán)境參數(shù)，包括空氣溫度、相對濕度、風(fēng)速和黑球溫度，均由儀器直接測試得到，測量方式及精度滿足國際標(biāo)準(zhǔn)ISO 7726-1998，測試儀器的型號及參數(shù)見表1。

表1主要測量儀器及參數(shù)Table 1 Measuring instruments and parameters

平均輻射溫度tmrt由式(1)計算得到[9]：

式中，tmrt為平均輻射溫度，℃；tg與ta分別為黑球溫度和空氣溫度，℃；V為空氣速度，m·s?1；D為黑球半徑(本文采用標(biāo)準(zhǔn)黑球，直徑為0.15 m)，m；ε為黑球吸收率(本文取0.95)。

為了充分獲取一天中測試區(qū)域的各項物理參數(shù)變化，從7:00至21:00之間進(jìn)行連續(xù)測量，每間隔2 h采集一次數(shù)據(jù)并進(jìn)行記錄，數(shù)據(jù)采集時將傳感器探頭放置于1.5 m高度處。其中黑球溫度在整個測試區(qū)域中選取有樹蔭遮蔽和無樹蔭遮蔽兩種情況進(jìn)行測量。

1.3 主觀問卷調(diào)研

主觀問卷調(diào)查與環(huán)境參數(shù)測試同時間進(jìn)行，問卷主要包括受試者個人信息和熱環(huán)境感受兩部分。個人信息部分涵蓋了受試者填寫問卷時的活動狀態(tài)與服裝熱阻，熱環(huán)境感受主要包括熱感覺投票(Thermal Sensation Votes，TSV)、熱舒適投票(Thermal Comfort Votes，TCV)、熱可接受度(Thermal Acceptability Votes，TAV)及熱期望(Thermal Preference)。熱感覺投票為連續(xù)的ASHRAE九級標(biāo)尺，熱舒適投票采用四級連續(xù)標(biāo)尺，熱可接受度投票為斷裂標(biāo)尺，為能夠更明晰地了解活動人員對環(huán)境因素的不同感受，熱期望分別對冷熱感、干濕感、風(fēng)感設(shè)置了投票。主要投票標(biāo)尺如圖2所示。

圖2 主觀問卷投票標(biāo)尺Fig.2 Subjective questionnaire voting

2 測試結(jié)果與分析

2.1 各測試區(qū)域的天空角系數(shù)SVF

天空角系數(shù)(Sky View Factor，SVF)反映了某區(qū)域受周圍阻礙物的遮擋程度[10]。本文用魚眼相機(jī)實(shí)測法[11]，對6個測試區(qū)域進(jìn)行拍攝，將照片導(dǎo)入RayMan軟件中處理后可得SVF值，結(jié)果如表2所示。

建筑圍合形態(tài)和植被密度共同影響場地的SVF[12]，各測點(diǎn)按SVF大小排序為：E>F>B>C=D>A，雖然E、F測點(diǎn)同屬邊開敞空間，但E測點(diǎn)只受一邊建筑物遮擋，故SVF更大；A測點(diǎn)不僅四面受建筑物遮擋且植被茂密，故SVF最小。

2.2 各測試區(qū)域的空氣溫度變化

各測試區(qū)域全天平均溫度變化趨勢相似(見圖3(a))，都在13:00左右達(dá)到高峰。C、D、E 3個測點(diǎn)最高溫較高，約23℃，且E測點(diǎn)高溫持續(xù)時間較長；F測點(diǎn)最高溫最低，約為20 ℃；原因是E測點(diǎn)區(qū)域SVF較大，導(dǎo)致該區(qū)域較早較多地獲得了太陽照射，其溫度上升最快；雖然A、D測點(diǎn)同屬建筑包圍空間，但D測點(diǎn)更大的SVF使該區(qū)域獲得更多的太陽光照射，同時D測點(diǎn)的硬質(zhì)下墊面更不利于地表空氣的散熱，因此該區(qū)域的溫度始終保持較高水平。對所得數(shù)據(jù)進(jìn)行單因素方差分析得出(見圖3(b))，6個測點(diǎn)之間差異具有統(tǒng)計學(xué)意義(p=0.05)，該結(jié)果可能來自于各測點(diǎn)區(qū)域不同遮擋程度[13]以及下墊面類型[14-15]的雙重影響。

表2 6個測點(diǎn)SVF值和照片Table 2 SVF values and photos of 6 measuring points

2.3 各測試區(qū)域的相對濕度變化

全天各測點(diǎn)相對濕度均值隨時間變化呈現(xiàn)先下降后上升的趨勢(見圖4(a))，各測點(diǎn)于中午之前濕度差異較大，13:00后逐漸趨于相近。濕度最小值出現(xiàn)在11:00～13:00的E測點(diǎn)，可能是太陽輻射的影響結(jié)果。而A、D、F測點(diǎn)全天濕度較高，是因為A、D測點(diǎn)四周分布有排水管線。對所得數(shù)據(jù)進(jìn)行單因素方差分析得出(見圖4(b))，6組數(shù)據(jù)之間存在顯著差異(p=0.003 3)。

2.4 各測試區(qū)域的風(fēng)速變化

測點(diǎn)間風(fēng)速差異較為明顯。B測點(diǎn)風(fēng)速幾乎全天低于0.5 m/s,而A、E兩測點(diǎn)全天均高于0.5 m/s。各測點(diǎn)日間風(fēng)速變化較大時刻集中在13:00～15:00時(如圖5(a))。平均最大風(fēng)速出現(xiàn)在午時的E測點(diǎn)，A測點(diǎn)由于存在通行架空層，午后風(fēng)速較高，約為1 m/s。同時全天風(fēng)速分布以E、F組較高，是因為該兩處區(qū)域位于建筑邊渦流區(qū)，被建筑環(huán)繞且四周無架空層的B測點(diǎn)全天風(fēng)速最低，同理C測點(diǎn)有較多低矮灌木，全天風(fēng)速較小。

2.5 各測試區(qū)域的主觀問卷投票結(jié)果

圖3 各測點(diǎn)全天溫度逐時變化和分布圖Fig.3 Hourly variation and distribution of temperature at each measuring point throughout the day

圖4 各測點(diǎn)全天相對濕度逐時變化和分布圖Fig.4 Hourly variation and distribution of relative humidity at each measuring point

圖5 各測點(diǎn)全天風(fēng)速逐時變化和分布圖Fig.5 Hourly variation and distribution of wind speed at each measuring point

如圖6所示，熱感覺投票顯示上午(7:00～12:00)及下午(14:00～18:00)時段整體熱感覺“偏涼”，而中午時段(12:00～14:00)則“偏暖”。其中D測點(diǎn)的熱感覺投票最接近中性，F(xiàn)測點(diǎn)熱感覺投票值最低，這與前面空氣溫度的分布情況是一致的。此外，D測點(diǎn)較高的相對濕度可能進(jìn)一步阻礙了人體對環(huán)境的潛熱損失，從而縮小了不同時段的熱感覺差異。

圖7為各測點(diǎn)熱舒適投票分布圖?？梢钥闯觯鱾€測點(diǎn)的熱舒適程度都較高，冬季校園的整體熱環(huán)境是令人滿意的。

從圖8可以看出冬季校園各測點(diǎn)的熱可接受度都較高，而F測點(diǎn)的投票最為集中。

根據(jù)圖9，對比溫度、濕度、風(fēng)速、太陽輻射期望值投票結(jié)果發(fā)現(xiàn)：測試區(qū)域內(nèi)活動人員對改變濕度的期望不明顯，這與趙凌君[6]“居民對濕度變化不敏感”的研究結(jié)論相符合；此外，活動人員對溫度升高的期望(約占30%～50%)和太陽輻射增多的期望(約占40%～50%)較為明顯，同時投票顯示希望風(fēng)速降低(約占20%～40%)或不變(約占40%～70%)的人數(shù)更多。其中建筑包圍空間A、B區(qū)域期望提高場地溫度和增加太陽輻射的需求更大，而建筑邊開敞空間E、F區(qū)域?qū)μ岣邎龅販囟群徒档惋L(fēng)速的需求更大。

圖6 各測點(diǎn)全天早中晚熱感覺投票分布圖Fig.6 Distribution of thermal sensation voting in the morning,middle and evening of the whole day

圖7 各測點(diǎn)全天早中晚熱舒適投票分布圖Fig.7 Voting distribution of thermal comfort in the morning, middle and evening of each measuring point

圖8 各測點(diǎn)全天早中晚熱可接受度投票分布圖Fig.8 Voting distribution of thermal acceptability in the morning,middle and evening of each measuring point

3 討論與分析

3.1 PET相關(guān)性分析

通過RayMan軟件計算平均輻射溫度與PET指標(biāo)后，將PET與空氣溫度和平均輻射溫度進(jìn)行回歸分析，如圖10所示，PET與空氣溫度存在良好的線性關(guān)系，而與平均輻射溫度的相關(guān)性則不明顯，說明在評價濕熱地區(qū)校園環(huán)境熱舒適性時，空氣溫度比平均輻射溫度更適合衡量人體的熱感覺。從斜率上看，PET對空氣溫度的變化更為敏感。

圖9 各測點(diǎn)溫度、濕度、風(fēng)速、太陽輻射期望投票百分比Fig.9 Expected voting percentage of temperature, humidity, wind speed and solar radiation at each measuring point

圖10 PET指標(biāo)與空氣溫度和平均輻射溫度相關(guān)性Fig.10 Correlation between PET and air temperature and average radiation temperature

采用溫度頻率法(Bin法)將所得PET值按2℃為間隔分成若干區(qū)間，以單個區(qū)間均值為中心，以區(qū)間內(nèi)投票數(shù)加權(quán)生成氣泡圖，得到熱感覺投票TSV與PET值的關(guān)系(見圖11)。投票人員熱感覺大多分布于0(不冷不熱)到～2(涼)之間，當(dāng)TSV=0，得到人體中性PET為20.4℃，介于黃泰陽與李坤明所得的24.7℃[16]與15.6℃[4]之間，也高于謝明哲[3]所得的19.4℃。此時，PET每變化6 ℃將會引起1級熱感覺的變化。

3.2 熱感覺與熱舒適相關(guān)性分析

將各測點(diǎn)數(shù)據(jù)整合且擬合所得TSV-TCV關(guān)系如圖12(a)所示。當(dāng)TSV=1時，得到最小的TCV為0.29。即冬季人體感到舒適時的最低熱感覺投票為1(稍暖)，而當(dāng)熱感覺偏離此值時熱舒適性都會提升，原因是人們對于室外熱舒適的可接受度普遍大于室內(nèi)。不同類型空間的TSV-TCV回歸曲線如圖12(b)所示，其中建筑包圍組呈現(xiàn)線性分布，熱舒適投票隨熱感覺投票值升高而減小；而園林空間與建筑邊開敞空間的回歸結(jié)果呈現(xiàn)拋物線分布，偏離熱中性時熱舒適程度都會降低，說明冬季校園的建筑包圍空間中，人群熱舒適性很大程度受熱感覺影響，而對于園林及邊開敞空間，人群熱舒適程度普遍較高。

圖11 PET指標(biāo)與熱感覺投票相關(guān)性Fig.11 Correlation between PET and thermal sensation voting

圖12 整體及不同類型空間的熱舒適和熱感覺投票相關(guān)性Fig.12 Voting correlation between thermal comfort and thermal sensation of whole and different types of space

綜上可知，盡管各測點(diǎn)之間存在環(huán)境物理參數(shù)上的差異，但調(diào)研人群對冬季校園不同空間類型區(qū)域的熱舒適度和可接受度都較高；此時所得的中性PET與以往研究也有所區(qū)別，調(diào)研人群尤其對園林和邊開敞空間的熱舒適性更容易接受和滿足。

4 結(jié)論

本文在廣東工業(yè)大學(xué)東風(fēng)路校區(qū)選取了6處主要公共空間進(jìn)行了全天物理參數(shù)測試與主觀問卷調(diào)查，對不同空間類型的熱舒適性進(jìn)行了分析，得出了以下結(jié)論：

(1)廣州冬季校園不同空間的各項環(huán)境物理參數(shù)受該區(qū)域周圍遮擋程度和下墊面類型的共同影響。盡管個別測點(diǎn)的物理參數(shù)存在較大差異，但調(diào)研人群對所有測點(diǎn)的熱舒適度和可接受度都較高，廣州冬季校園的整體環(huán)境令人滿意。

(2)廣州冬季校園空間內(nèi)人群熱舒適對應(yīng)的中性PET為20.4℃；調(diào)研人群的熱舒適投票在建筑包圍空間與熱感覺投票呈現(xiàn)一次線性關(guān)系，而在園林和建筑邊開敞空間呈二次多項式關(guān)系；后者的熱舒適性更容易被調(diào)研人群接受和滿足。

(3)廣州校園戶外空間有著植被濃密、濕度變化較小的特征，在此基礎(chǔ)上冬季校園人行活動空間引起不舒適的主要因素是太陽輻射較少，建筑邊風(fēng)速大。因此在改善空間品質(zhì)時，可以從改善冬季日照范圍、增加公共活動場地的防風(fēng)設(shè)施等方面入手，具體措施如種植落葉喬木、休憩座椅四周增加灌木圍合等。