城市大型火车站室外热环境分析和改善方法研究——以武昌车站为例

李鹍 刘曦 / LI Kun, LIU Xi

城市大型火车站室外热环境分析和改善方法研究
——以武昌车站为例

李鹍 刘曦 / LI Kun, LIU Xi

火车站作为城市大型交通枢纽，会对周边城区的热环境和城市生活舒适性产生重大的影响。如何合理地进行车站外部空间布局，改善场地通风、绿化等状况，是提高城市热舒适性的关键问题之一。与车站室外热环境相对应的因素包括周边城市空间设计、人流状况、下垫面材质等。文章选取武汉市武昌车站作为代表案例，对该站站前植被区、室外广场、周边建筑群等关键位置进行了环境分析，并对热环境相关参数进行实地测量，了解该空间具体的热舒适状态；在此基础上进行问卷调查，结合车站广场及周边建筑的室外空间特点进行环境数字模拟评估，由此通过量化分析的方式获得武昌车站室外空间热环境的特点、存在的问题以及可以改进的措施。最终提出在该地区气候环境下，改善城市大型车站室外热环境的规划和空间设计方法。

热环境 量化分析 实地测量 数值模拟

1 引言

铁路交通系统在我国经济社会发展进程中起到了举足轻重的作用。铁路客运站及其空间控制范围，逐渐发展成城市的核心公共区域以及重要的交通枢纽，物流与人流的集聚效应日益明显，对周边其他区域的城市环境和空间发展有直接影响。而区域范围内的整体空间环境热舒适性会直接影响人们的行为活动和人群的体感健康，同时也会影响其生产生活所产生的能源消耗水平（赵荣义，2000）。铁路客运站室外及其周边城市空间具有功能形态复合多样、场地使用频繁、人员流动性强且行为模式诉求多变等特点，这都使得客运站区域内的热环境问题愈加复杂。

目前，业界对热舒适性问题的研究主要采用基于现场调研的实地测量和基于数字技术的计算机模拟方法，比如Chirag Deb和A. Ramachandraiah（2010）通过对夏季印度南部的金奈中央火车站进行现场测量和问卷调查，从而得到其候车室热中性温度为31.93℃。袁涛、李剑东等人（2009）通过对长沙地区夏季火车站候车室的室内环境热湿参数进行实测，并结合旅客问卷统计，得出该火车站室内平均空气温度高达29.8℃，即人体感受偏热的结论。刘宝迅（2015）通过对冬季地铁站室外、站内及车辆内的不同冷热过渡阶段的热环境参数的调查，总结了城市轨道枢纽内人体热感觉随时间变化的规律。王翠云（2008）利用计算流体动力学（Computational Fluid Dynamics，CFD）模拟城市住宅小区热环境的分布状况，发现不同的下垫面材质对住区热场的影响具有明显差异。史源等人（2015）采用ENVI-met模型对北京西单商业街公共空间的冬夏两季风热环境进行模拟，从而提出实施改造的设计方案。

从这些过往研究中可以看到，现代火车站这种大型公共建筑的外部空间环境复杂、影响因素多，单一方法的研究难以获得综合全面的评价。比如，现场测量的方法需要依靠较多的人力和设备的支持来构建持续的采样测量机制，因为当采集的样本基数不足时，容易出现由数据变量的偶然突发性带来统计结果的差异化和片面化。倘若没有实测提供直接可靠的数据佐证，那么数值模拟的结果是否符合实际情况将无法确认，其可信度便有待商榷。

因此，本研究的重点在于多种热环境研究方式的整合应用，由此形成一种有效的量化分析体系，以解决特定环境中热舒适性存在的问题，并与空间设计相结合。对地处夏热冬冷地区的武汉市武昌火车站室外热环境相关的温度、湿度、风速、风向等参数进行实地测量，在此基础上进行人员主观热评价的问卷调查，统计了解其具体的热舒适状态。而后，利用城市微气象模拟工具ENVI-met进行环境数字模拟与评估比较。最后对诸如空间布局、人流状况、下垫面材质、绿化布局等影响铁路客运站站区室外人体热舒适性的关键因素进行分析，从而得出针对热环境的综合评价，并提出改进措施。

2 研究方法

2.1 现场环境测量实验布置

武汉市是夏热冬冷地区的典型城市，属北亚热带季风性湿润气候，具有夏季过热、冬季较冷的气候特点，并且夏季高温的持续时间较长（王振，2008）。本次室外热环境的现场测量选择在2016年7月下旬至8月上旬的天气晴好或无强降水的日间时段进行，该时段能够反映武汉市夏季的环境条件和天气特征，且白天也是空间热环境对人员室外活动影响较大的时间区间，其数据结果具有一定的代表性和可研究性。

依照武汉市武昌火车站的规划设计方案（刘永桂，2014）和实际调查分析，测量观测点布置在人流较为集中且面积较大的车站西广场集散平台（图1）。

测试参数包括室外空气温度、相对湿度、风速和风向等。环境测量选用的测量工具有温湿度自记仪（T&D TR-72WF）、超声波风速风向仪（锦州阳光超声波风速仪EC-A2）、便携式红外热成像仪（Testo 875-1i）等。测量仪器放置在广场平台中心点（仪器摆设所在区域见图2，测量位置高度约1.5～2m，）。

本研究选取的测试时间为2016年7月18日、7月21日和8月1日的9:00～18:00，采用超声波风速仪和温湿度自记仪自动记录的形式，采集时间间隔均为1min。事先对超声波风速仪及温湿度自记仪的监测时间进行同步设置，摆放位置选择在空旷且无建（构）筑物及高大树木遮挡的平地，现场安排人员看护以防止旅客围观，避免其他因素对数据采集的干扰。

另使用红外线成像仪拍摄广场不同位置的热红外温度图，时间为2016年10月5日下午13:00～14:00，拍摄高度约为1.5m。

图1 武昌火车站卫星图①

图2 测试现场

2.2 主观热环境问卷调查

在红外线成像仪拍摄测试期间，随机选择出现在武昌站西广场的旅客进行人体热感觉的问卷调查，共发放问卷35份，回收有效问卷30份。在选择样本的过程中，尽量使调查对象的性别、年龄、行为目的等个人条件保持均衡。

测试当天天气晴好，观察发现武昌站西广场出现的人群的着装一般是较为透气的单件衣物及鞋袜，上衣多为短袖、背心或衬衫，下身衣物多为裙装或裤装，鞋子一般为露趾凉鞋或运动鞋。由于同一季节中人员服装热阻基本相近，其服装热阻常视为一定值（韩滔 等，2005），因此不将服装热阻作为本次实验的主要影响因素进行考量。问卷内容主要包括广场环境中的温度、气流、日照等方面，问题设置如下：（1）车站内是否感到凉爽；（2）车站外广场是否感到凉爽；（3）室内外热感觉差别是否很大；（4）车站外广场是否感觉有明显的风；（5）车站外广场是否感觉有明显的日晒；（6）补充问题是关于夏日高温条件下对武昌站室内、外环境的建议（选填）。

2.3 ENVI-met计算机模拟

ENVI-met4.0软件通过仿真模块的构建，量化计算建筑物与室外微气候之间的相互作用，从而达到对城市局部环境分析和完善的目的（马舰 等，2013）。本次模拟选取武汉夏季典型气象日（中国气象局气象信息中心气象资料室，2005）的环境参数为初始值，模拟时间为7月21日9:00～18:00，计算周期为9h。初始空气温度为32℃（当日9:00实测空气温度），风向采用当日主导风向，即南向180°风，10m的风速为2m/s（采用该日平均值，本数据引自中国天气网当天公布的实时天气数据②） ，相对湿度设置为60%（当日9:00实测空气相对湿度值）。

模拟参数主要为建筑物、道路、地面铺装及植株。由于受到网格高度的限制③，且既定模型参数种类有限，无法做到与现实完全一致，因此对部分模型参数进行近似设置，例如根据周围建筑群的层数和层高，仿照实际情况，将层高设置为3～5m。西广场前区地坪层种有密集的乔木绿化组团，选用10m高落叶乔木数字模型；广场站前平台上分布着一些散状点式休息座椅，选用2m高灌木丛模型（图3）；城市公路设置为柏油沥青材质，建筑基底设置为一般土壤，广场地面铺装设为普通混凝土、水泥地面及硬质石材铺装（图4）。根据分析结果对模型进行改进，以原有模型为基础，在站前平台上增加原数量50%的点状式绿化，并将散点周围1网格距离内的铺地类型改为植草砖透水地面，近似选择的对应模型是50cm高草丛。

图3 建筑及绿化模拟布局

图4 下垫面材质分布

3 热环境结果讨论

3.1 现场测量数据分析

3.1.1 现场实测数据分析

（1）总体描述

图5为武昌火车站西广场站前平台所有测量日（2016年7月18日、7月21日、8月1日）的空气温度和相对湿度的逐时变化曲线。测量时间内，各天空气温度日变化趋势基本相同：随着太阳照射时长的增多，从9:00开始，空气温度呈现缓步增长的趋势，在12:00～14:00逼近当日测量气温最高值并维持较长一段时间，然后缓步下降。2016年7月18日测量所得最高温出现在12:58，为40℃； 7月31日测量所得最高温出现在15:30，为37.7℃；8月1日测量所得最高温出现在14:49，为45.3℃，并在随后下午的较长时间内均维持35℃以上的温度状况（图6）。

测量时间内，各天相对湿度日变化趋势也基本相同：随着太阳照射时长的增多，呈现先下降后回升的变化态势，且基本在14:00以后时段降到当天相对湿度的最低值。2016年7月18日测量所得最低值出现在13:00，为39%；7月21日测量所得最低值出现在15:30，为37%；8月1日测量所得最低值出现在14:50，为28%（图7）。

观测时间内，各天风速波动较大，但经过计算发现，风速均值水平较为接近，测点局部风环境基本稳定，3天的平均风速为1.596m/s、风向210°，各天风速、风向情况分别为：7月18日西南风1.5m/s、7月21日南风1.8m/s、8月1日西南偏西风1.6m/s。

（2）情况分析

通过比较发现，8月1日采集的各参数数据变化曲线的斜率较大，当天的相对湿度从9:00起呈现下降趋势，在12:55左右降到一个波谷低值，之后开始回升，约在13:33以后又开始下降，直至15:00左右湿度降低到27%左右，然后逐渐回升。空气温度曲线图的变化趋势与之相向。结合现场调研分析，可能是由于车站环卫人员采取了对道路洒水的人工措施，因此产生了一定的降温增湿效果。

3.1.2 回归统计分析

本次测量采集的有效数据一共1 667组（按分钟计数），采用IBM公司的统计产品与服务解决方案软件（Statistical Product and Service Solutions 20.0，SPSS 20.0）（邱皓政，2013）对数据进行相关性分析，从而解释空气温度、相对湿度与瞬时风速的相互关系。3天采样期间内，9:00～18:00白天空气温度均值为36.32℃，相对湿度均值为49.94%，瞬时风速均值为1.596m/s（表1）。

根据表2的统计结果分析得知，空气温度与相对湿度两个变量之间的零阶相关系数为-0.978，两者之间不相关的双侧检验值为0.000，说明空气温度与相对湿度之间存在显著的负相关关系，空气温度越高，则相对湿度越低。瞬时风速与空气温度及相对湿度的相关性均不显著，分别为0.031与-0.061。而当以瞬时风速作为控制变量，进行净相关分析检验时，即剔除瞬时风速的影响后，空气温度与相对湿度有线性关系，且其偏相关系数仍为-0.978，可见瞬时风速与空气温度、相对湿度之间没有明显相关性，风速对温度和相对湿度的相关关系也没有影响。测量时间内的风速变化皆能体现武汉市夏季的普遍状况，由此可以得出结论，在武昌站广场这一空间环境下，风速对场地热环境的温湿度变化没有显著影响。测量3天的平均风速都在1～2m/s之间，在其他城区已然是较好的风速状况，但由于武昌车站广场长时间在太阳下暴晒，自然风改善降温的作用非常弱。

图5 测量日空气温度、相对湿度及瞬时风速逐时变化曲线

图6 测量日空气温度对比

图7 测量日相对湿度对比

表1 测量指标统计分析

表2 气象参数相关性分析（SPSS软件统计分析）

3.2 主观热环境评价及热红外仪现场调研

3.2.1 主观热环境问卷统计

本研究问卷调查选在国家法定节假日。由于武昌火车站在节假日期间对进站客流进行限制调节，站前广场集聚了大量未进站旅客，因此大多数受访者关于车站室内外人体热感觉差异的问题和车站内的热环境情况的回答是“说不清”。超过70%的受访者表示在站前广场“感觉得到”明显日晒，50%的人表示广场上有风吹拂但仍感觉不够凉爽（表3）。说明车站建筑主体及周围植被群没能有效地组织降温并设置遮阳构件，旅客能够感受到现场风环境的变化，但气流运动带来的降温效果并不明显。

整理选答的补充问题时发现，广场候车人群普遍反映的问题主要集中在缺少遮阳座椅且绿化面积较小两方面，这与对现场使用情况的调研观察结果一致，旅客一般选择快速通过广场或尽量减少停留时间。调研期间还发现，站前广场采取对道路洒水的人工措施进行降温增湿。

表3 武昌站西广场问卷调查

3.2.2 热红外成像图分析

根据问卷调查结果，对广场各类休息空间的界面材质的热辐射情况进行比较研究。分别选取武昌站西广场存在的4种类型的休息空间：西广场前区绿化的条形座椅、集散平台排布的座椅式绿化点、靠近围护栏杆设置的条形座椅、车站悬挑遮阳及其廊下空间，通过观察可得以下结论（图8）。

（1）不同广场区域空间的热环境存在比较明显的差异。西广场前区绿化的条形座椅、集散平台排布的座椅式绿化点、靠近围护栏杆设置的条形座椅3处直接暴露于太阳直射下，表面温度约为40℃，使用人数较少。站厅入口悬挑的大遮阳形成的廊下空间，其表面温度较低，在27.5℃左右，旅客较多聚集在该处。这样既便于旅客及时接收车站广播发布的乘车信息，也避免了广场空间的日晒，而广场上的硬质铺装地面和周围建筑物发散的热辐射，造成热环境较差而不被使用者选择，这与现场问卷调查的结果一致。

（2）绿化对周围空间具有较为明显的降温作用。前区广场布置的条形灌木绿化带区域，温度范围在20～25℃，明显低于同一时刻的空气温度值；而集散广场上排布的点式乔木绿化，由于树冠层的高度和叶片的疏密程度较低，未能形成密集的绿荫覆盖，因此其与周围空间温度的差别较小，温度在30℃左右。

图8 现场照片及对应点红外线热像图

（3）不同下垫面材质的表面温度差别很大。用于广场铺地、建筑外墙贴面、石凳的硬质石材及水泥材料的测量温度可达40℃以上；有绿化覆盖的暴露土壤温度约为25℃；围绕造型立柱布置的环形木材座椅，其表面温度约在37.5℃左右，其使用频率明显高于硬质石凳。因此，对于旅客集散型广场，采用软质界面的休息座椅、增加绿化是改善热环境的有效手段。

3.3 ENVI-met模拟结果分析

ENVI-met软件模拟输出参数稳定的时间点集中在中午及午后，即12:00～14:00之间（张伟，2015）。另外据实际观察得知，模拟对应14:00左右，室外温度达到最大值且维持时间较长，行人户外活动行为明显减少，人体感受明显较热。因此，模拟特定时间数据切片图选择以14:00为节点进行分析，涉及到的相关参数包括温度、湿度、风速等。

图9 现状风速及温湿度模拟

模拟结果显示的热环境变化特征与实测基本没有太大区别（图9）。根据现状风速模拟结果可以看出，西广场站前广场所在区域的风场环境区域形成一个整体，风速基本在0.29～0.88m/s之间，说明西广场左右两侧的建筑和武昌站站房组成的空间布局形式具有一定的围合效果，对组团内部气流与外界交换产生一定的阻碍作用，在无明显剧烈天气因素干扰时，西广场站前平台的局部风场环境基本保持稳定。从其围合布局模式下的温度模拟图来看，整个武昌站控制范围内的区域气温沿道路方向向内阶梯式递增，站前广场的温度可达38.69℃，广场上东北向的片区温度比西南方向低2℃左右，调研发现，现场的人员聚集情况亦有此特征，即东北片区的使用人数更多，这种情况可能是由建筑朝向和西晒等原因造成的。从该片区相对湿度现状分布图可以看出，广场内部相对湿度值在52.76%左右，其分布规律与空气温度相反，广场原有绿化组团的增湿作用不明显。产生这一现象的原因可能是道路及硬质铺装面积过大，降低了区域内植物和土壤的保水、含水能力，导致了该区域内空气湿度低的情况。同时由于受到建筑物外墙立面和道路铺装等的建筑材料辐射热以及频繁的人员活动热的影响，该区域空间内的人体湿热感受也较差。在此基础上进行相应的优化模拟（图10），选用的改善方式是在车站建筑布局与形制不变的情况下，增加50%的广场点状植株数量；以散点植物为中心，将其周围5m的地面铺装改为植草地砖。经过改进后，风场环境变得更为复杂，风速基本在0.37～1.84m/s的区间范围内，阵列的植株对气流起到一定的调整作用。集散广场区域的温度有所下降，大约为32.48℃。湿度变化区域增大，相对湿度水平上升至56.25%，并出现以密集绿化为中心辐射的湿度较高的组团区域。这说明增大绿化的面积和植株的密集度，能够对所在区域空间热环境起到显著的调控作用。

4 结果

城市热环境与人类活动密切相关，优化城市、建筑的空间布局可以有效地改善微气候环境。本文通过对武汉市武昌火车站室外微气候进行测量监测、数值模拟，分析了该特殊空间类型的湿、热与风环境，同时参照实测数据和人体热感觉两个指标，对武昌站室外热环境现状进行了基于访谈和统计分析的评价。

上述的研究表明，武昌站室外空间在无剧烈天气条件的影响下具有以下特点。

（1）建筑布局及朝向等因素较为明显地影响了区域风场环境。模拟结果表明，按实际场景布置，建筑在一定程度上起到了降低风速的作用。而实测数据统计分析，在该特定测试区域内，相对稳定的风场环境对于湿热状况相互关系的影响并不明显。

（2）绿化面积与植株类型及其布局形式对武昌火车站区域微气候环境温湿度的改善作用明显。夏季同一时段，广场平台前的范围较大的乔木树林区的温湿度状况较好，而广场平台上点阵布置的、少叶植株及座椅对周围的热湿环境几乎没有影响。

（3）下垫面材质的选择对区域热环境影响较大，透水地面或低矮植被、土壤等下垫面比沥青道路和水泥地面的表面温度低，而且湿度亦有改善。如果将其换为高大树木，则改善效果更为明显，可以较好地改善周围热环境。因此可以适当增加这些下垫面材质的比例。

（4）结合绿化景观设置的软质木座位比硬质石料更适合作为广场规划，是适宜使用的小型休息类公共设施选材。

人体热感觉与热舒适是一个涉及诸多领域的复杂评价系统。根据现场调研的情况分析，使用者普遍对武昌站室外广场的夏季热舒适度评价不高。建议在满足设计要求和空间规划的基础上进行人性化考量，合理增设遮阳构件和降温喷淋设施，并注意景观绿化布局和植物类型配置。同时，环境模拟软件能够对不同设计情景下的建筑微气候影响进行预评估分析和优化方案的仿真分析，再整合传统的气候指标测量、问卷调查、统计分析等方法，可形成解决建筑室外热环境问题的新方法体系。

注释

① 该图像数据来自资源三号卫星2.1m全色影像，由北京揽宇方圆信息技术有限公司发布。

② 中国气象网[E B/O L]. h t t p://w w w.w e a t h e r.c o m.c n/ weather/101200101.shtml，2016-07-21。

③ 所选模型全局网格尺寸为100×100×40。另外在垂直方向上对网格划分的情况有具体要求。详见参考网址http://www.envi-met.info/documents/ onlinehelpv3/helpindex.htm.

[1] Deb, C; Ramachandraiah, A. Evaluation of thermal comfort in a rail terminal location in India[J]. Building and Environment, 2010, 45(11).

[2] 韩滔, 许志浩. 服装热阻在PMV计算中的影响[C] // 2005西南地区暖通空调热能动力年会论文集，2005.

[3] 刘宝迅. 城市轨道交通枢纽舒适性评价研究[D]. 北京: 北方工业大学, 2015.

[4] 刘永桂. 流动性概念下的火车站设计——以武昌火车站改造项目为例[J]. 华中建筑, 2014(4).

[5] 马舰, 陈丹. 城市微气候仿真软件ENVI-met的应用[J]. 绿色建筑, 2013(05).

[6] 邱皓政. 量化研究与统计分析——SPSS(PASW)数据分析范倒解析[M]. 重庆: 重庆大学出版社, 2013.

[7] 史源, 任超, 吴恩融. 基于室外风环境与热舒适度的城市设计改进策略——以北京西单商业街为例[J]. 城市规划学刊, 2012(05).

[8] 王翠云. 基于遥感和CFD技术的城市热环境分析与模拟——以兰州市为例[D]. 兰州: 兰州大学，2008.

[9] 袁涛, 李剑东, 王智超, 等. 长沙地区公共建筑热湿现状与热舒适性研究[J].建筑科学, 2010.

[10] 王振. 夏热冬冷地区基于城市微气候的街区层峡气候适应性设计策略研究[D]. 武汉: 华中科技大学, 2008.

[11] 赵荣义. 关于“热舒适”的讨论[J]. 暖通空调, 2000, 3(30).

[12] 中国气象局气象信息中心气象资料室. 中国建筑热环境分析专用气象数据集[M]. 北京: 中国建筑工业出版社, 2005.

[13] 张伟. 居住小区绿地布局对微气候影响的模拟研究[D]. 南京: 南京大学, 2015.

2016-10-28

THE ANALYSIS AND IMPROVEMENT RESEARCH OF THERMAL ENVIRONMENT OUTSIDE： THE LARGE URBAN RAILWAYSTATION TAKING WUCHANG RAILWAY STATION FOR EXAMPLE

As a large urban transport hub, the railway station has a great influence on the thermal environment and the living comfort of the surrounding areas. It is one of the key problems to improve the thermal comfort of the city that how to carry on the space layout outside the station reasonably and improving the condition of ventilation and greening in the site. The outdoor thermal environment of the station is related to the factors including the surrounding urban space design, density of person stream, the underlying surface material and so on. This paper selects the Wuchang railway station of Wuhan City as a case and environmental analysis are carried out in key positions such as vegetation before the railway station, outdoor plaza, surrounding buildings and so on. The parameters related to thermal environment are measured to understand the thermal comfort condition of the space. On this basis, a questionnaire survey is conducted and the digital environment simulation assessment is done, which it is combined with the characteristics analysis of the station square and outdoor space of buildings. Through this quantitative analysis, the characteristics, existing problems and improving measures of the outdoor thermal environment of Wuchang station are obtained. Finally, this paper puts forward the plan and space design method to improve the outdoor thermal environment of large urban railway station under the climate condition in this area.

Thermal Environment, Quantitative Analysis, Field Measurement, Numerical Simulation

国家自然科学基金项目（编号：51208389）。

李鹍，副教授，武汉大学城市设计学院

刘曦，硕士研究生，武汉大学城市设计学院