寒地滨水区广场热舒适与使用研究

郑婉营，梁静

（哈尔滨工业大学建筑学院，寒地城乡人居环境科学与技术工业和信息化部重点实验室，哈尔滨 150006）

0 引言

水体作为生态系统中的重要组成部分，对气候环境有重要影响作用，是各学科的研究重点之一[1]。同时，城市滨水广场作为城市户外活动空间，成为城市具有吸引力场所[2]。针对水体进行合理规划设计可以增强水资源利用效果，相关学者已经做了大量研究工作[3]。如在城市滨水区域设置广场等开敞空间，能增强水体冷岛效应[4]，调节室外热舒适性及提升城市户外活动空间品质[5]。作为滨水空间主要类型之一，滨水广场日渐成为居民主要户外活动场所。城市居民对广场的使用是非常依赖气候条件的[6]。室外热环境的舒适可以促进户外活动，从而改善身心健康[7]，且会间接减少建筑能耗[8]。不同气候条件对户外活动空间是用情况影响显著，在适宜步行的距离阈值内，其决定权占比超过了可达性等因素[9]。国内外大量相关研究将季节作为变量讨论，通过对温度、湿度、太阳辐射等气象因素进行设计，协调居民对活动空间需求，鼓励居民户外活动[10]。也有多位学者讨论滨水空间内景观元素[11]、器材设备与休憩设施[12]等因素对户外活动特征的影响。目前缺少有关寒地城市滨水热环境与户外活动特征的系统分析。另外广场选址及设计过程中大多缺少热环境或当地使用需求特征调查，实践发展过快[13]，缺少相应理论研究支撑；对于滨水区域内部广场，临水、非临水型滨水广场使用需求特征的差异性常在设计过程中被忽略。对于现有寒地城市滨水居住区级广场则存在空间划分、活动设施配置等方面问题。因此有必要通过实地调研与研究，探究热环境、热感觉与实际使用情况的内在联系，分析不同季节室外热环境改善需求，提升滨水空间实际使用情况，优化户外滨水活动空间环境品质。

因此，文中选择寒地城市哈尔滨两处滨水区域内的居住区级广场，研究不同季节热环境及户外活动特征，分析滨水区域内临水、非临水型广场的使用特征差异，提出空间使用量化指标—空间使用率，评估寒地城市滨水区内广场设计或使用情况，并提出针对性热环境设计因素或改造意见，鼓励全季户外活动。

1 调研方案设计

1.1 调研地点选择

研究地点位于寒冷气候典型城市哈尔滨市。松花江干流由西向东贯穿哈尔滨市地区中部，沿江形成许多特色滨水空间，成为城市居民日常生活重要休闲活动场所。经过实地调研，最终选择航运广场、码头广场2个滨水广场开展调查研究。两测点占地面积相近，其中，航运广场（HS）占地面积2450m2（硬质铺装面积1890m2），距松花江江岸120m，为非临水型滨水广场。码头广场（MS）占地1858m2，为临水型滨水广场。实地测量地点周边有约2712 户家庭，社区内除一处高层住宅楼外，均为8 层住宅楼，区位如图1 所示。

图1 实地测量区位图

实验选择这两个测量地点的原因：①两处滨水广场形式简单，边界清晰，面积适中，下垫面材质相同，可排除因广场规模设计不当降低被使用的可能；②周边有多个居民区，一处商业建筑。且广场位置交通便利。每日使用者数量可确保实地测量实验观测结果的准确性；③两广场中均无大面积植被种植情况，均仅在边缘处有行道树种植区，植被对结果的影响可不计差异，且能提供“接受阳光直射”、“避免阳光直射”两类空间，满足实用需求；④两处广场均无大面积遮蔽物，且设有固定休息设施，满足年老使用者的体力需求，保障空间使用无障碍，也可直观测量使用者情况。

1.2 调研测量时间

根据QXT152-2012《气候季节划分》中的划分方法，文中冬季为10 月下旬～次年4 月上旬，其余时间为过渡季。为观察研究两类型滨水广场的使用情况，研究自2020 年10 月30 日～2021 年5 月20 日，期间共进行了13 次实地测量。实地测量日当日均为晴天或多云，风级2～3 级，避免了云量、风速过大等因素产生户外空间的使用障碍。表1 列举了研究实地测量的具体日期。

表1 实地测量调查日期

1.3 调研测量方法

实地测量包括问卷调查、局地气候测量、活动观察3个部分。为了确保实验数据准确性，除去新冠疫情等不可抗因素，测量实验每个月进行两次。为满足居民户外活动时间，研究设置在10:00～16:00 进行。同期进行活动观察及记录于每10min 获取一次数据，用不间断3 次观测平均人数作为0.5h 户外空间使用人数。人数以固定点拍照及现场统计两种方式进行。

1.3.1 问卷调查

为获得使用者主观感受，对两个广场使用者进行实地实时问卷调查。研究人员随机邀请广场使用者参加调查，每份问卷在2min 内完成。问卷中第一部分主要收集使用者基本信息（年龄、性别、服装情况等）、活动水平、参观或使用原因以及受访时间等数据。第二部分为使用者针对目前室外热环境进行热感投票（TSV），整体舒适度投票OCV（Overall Comfort Vote）、各气象参量的偏好投票PV（Preferred Vote）以及热可接受投票TAV（Thermal Acceptable Vote）4个方面。其中热感觉投票使用最常用ASHRAE 标准（2009 年）7 级量表，但是考虑研究季节为寒冷季节冷季或过渡季，气候更加极端，故将等级划为11 级，如表2 所示。且由于此前设置预实验证明寒地城市冬季期间投票最大值为+2，且频数极少，因此冬季期间+3～+5 投票段锁定不投。Yahia MW[14],Erik[15]等也因具体研究环境的差异调整TSV 等级设定。经过数据初筛过程将填写信息不完整等无效问卷剔除，共收集问卷数据751组。

表2 热感觉投票等级量

1.3.2 局地热环境测量

在研究中，使用两个便携式气象站，每1min 测量记录气温（Ta）、相对湿度（RH）、黑球温度（Tg）和风速（Va）。气象站分别位于码头广场和航运广场最频繁使用的区域内，所有传感器均安装在离地面约1.2m 高度处。表3 列出了研究中使用仪器的具体参数。

表3 研究所使用的传感器规格

1.3.3 活动观察

研究根据年龄和活动水平对观察到的使用者进行了分组，将使用者分为未成年组（0～18 岁）、成年组（18～50 岁）、中老年组（51 岁及以上），将活动水平分为低强度活动、高强度活动。同时，观察到的陪同未成年人外出使用者活动强度较低，故归为低强度活动。另外，在实地测量期间，研究发现下棋打牌、广场舞等为聚集性活动，常出现群体使用时段、时长相似现象，导致空间使用率出现极大波动，需着重考虑并筛选数据。

2 调研结果

2.1 局地热环境特征

总结调研期间MS 以及HS 测得日平均空气温度、湿度、辐射温度发现，实地测量期间最冷日为1 月9 日，最低日平均气温可达-17.15℃，在5 月20 日温度达到测量期间最大值，日平均气温可达28.18℃。另外，平均风速在0.59～3.91m/s 内波动，每时均风速最高可达6.94m/s。整体实地测量期间湿度在24.51%～76.04%内波动。

通过图2 典型日气候可见，冬季典型日空气温度与太阳辐射温度趋势相近，平均相对湿度数值较高且变化波动微小，于15:00 前随时间负增长，15:30 出现最小值53.20%后开始正相关，日间整体时段内风速较大，最高可达6.94m/s。相较于临水型广场，非临水型广场平均空气温度与辐射温度均较高，最大差值可达3.32℃，而风速较为稳定。值得注意的是，于13:30 后水体显现保温效果，导致临水型广场出现一段时间内的空气温度稳定。根据过渡季典型日数据显示，两类型广场于空气温度及辐射温度方面数值波动大峰值出现在11:00、13：00 时段，而数值差异与冬季典型日相近，相对温差变大，最大可达6.73℃；相对湿度以及风速则大幅下降，平均值下降幅度约51.4%，数值波动也较小。

图2 调研典型日气象参数变化趋势

2.2 室外热感觉投票

受访个体调研期间室外热感觉投票如图3 所示。

图3 使用者热感觉投票（TSV）情况

从热感觉跨度来看，冬季期间临水型广场使用者主要热感觉投票要高于非临水型广场3个等级；从值域跨度看两类型广场近似；各等级投票占比中临水型广场出现高占比投票（TSV=0、TSV=1），而非临水型广场在[-3,1]值域内出现占比近似的情况；从热感觉投票平均值看，临水型广场平均值为-0.604，高于非临水型广场0.28。于过渡季期间，临水型广场使用者主要热感觉等级则较非临水型广场低1个等级；从值域跨度看临水广场仅有7 级跨度，非临水广场则出现9 级跨度；两类型广场各等级投票占比趋势近似，但平均值相差0.514，临水型广场使用者更倾向于“中”“微暖”，而非临水型广场则以“暖”为平均热感觉水平。

可见冬季期间两类型广场热感觉投票趋势差异明显，使用者对于临水型广场热环境偏好更温暖的条件，而非临水型广场出现多种主要热感觉等级，使用者对其热环境包容度更高；于过渡季期间两类型广场差异削弱，且使用者对于临水型广场热环境偏好转为更凉爽，值得注意的是，非临水型广场使用者热感觉跨度较大且出现极端热感觉投票。

结合调研气象数据采集以及热感觉投票建立多元线性回归方程。

式中，TSVwfs为寒地滨水区内广场热感觉投票；Ta为其空间内空气温度，℃；Tg代表太阳辐射温度，℃；RH 为相对湿度，%；Va则是风速，m/s。

并以此分析四项气象参量的热敏程度，结果如表4 所示。研究结果显示，非临水型广场热环境四项参量与TSV 相关性更强，且两类型广场分季节分析可见，冬季热环境与热感觉显现出更强相关性。可见非临水型广场热感觉投票更加依赖四项气象参数，而临水型广场热感觉则需考虑到活动类型、强度以及心理因素等，但主要热感觉因素仍为局地热环境参数。与此同时，根据此模型相关性分析，如表5 所示，太阳辐射温度是影响滨水空间热感觉投票最重要气象参数，是正相关作用，其次是温度和湿度，且与湿度为负相关，风速则是影响最小气象参数。横向对比两类型广场，可见与非临水型广场不同，临水型广场受风速影响更大，并呈现显著性相关；非临水型广场更为依赖空气温度与太阳辐射温度，且受湿度影响比临水型广场要强烈，同时几乎不受风速影响。由此可见，临水型广场在保障一定程度太阳辐射后更需要注意影响风速的相关空间设计手段，尤其是冬季漫长的寒地气候城市；非临水型广场则需要考虑作为最重要影响因素的空气温度与辐射温度极值，避免极端热环境的产生，同时需要考虑采用一些手段避免冬季期间湿度对热环境的不利影响。

表4 四项参数热敏程度

表5 TSV 预测模型

2.3 活动水平与使用时段

统计两广场范围内使用者活动类型，并将使用者活动水平分为高强度、低强度两种，具体活动强度分类如表6 所示。且统计结果发现，冬季常有坐姿闲聊、散步等，并于9:00～10:30 与13:30～15:00 出现群聚性广场舞活动，过渡季则常发生坐姿闲聊或赏景、放风筝等，群聚性活动则增加打牌与围观等形式。

表6 活动强度水平分类

从全时段总结规律可见图4，在冬季，两广场每时段不同活动强度使用人次变化趋势大体相同，但使用人次相差巨大。值得注意的是，对比两广场mTSV 值，非临水型广场全时段mTSV 为-0.672，较临水型广场（mTSV=-0.902）高出0.23，且波动幅度小，热感觉更为稳定。尤其是10:00～11:00 时段，mTSV 高出0.56，使用人次上也表现出较大差距。而在过渡季，两类型广场13:00～15:00 期间低强度中老年使用人次均大幅度增长，活动观察记录显示多因发生歌唱表演、棋牌游戏等群聚性极强的活动。对比两类型广场mTSV 波动趋势，临水型广场过渡季期间全时段数值较低，但波动幅度十分稳定；非临水型广场则于10:00 及13:00时段出现高峰值（mTSV=2.14、mTSV=1.88），且因受到周边一处高层住宅遮蔽阳光，随之便出现使用人次下降。从全时段总结规律可见，于过渡季期间9:00～11:00及13:00～14:00 内，非临水型广场“热”感更强且使用人次较高；临水型广场使用人次高峰则只出现于13:00～15:00，“冷”感较强但时段内热感觉更稳定。

图4 使用人次与人均热感觉投票

研究可知，使用者在冬季偏向于非临水型广场，局地热环境较温暖且稳定。同时，冬季期间水体景观环境并没有提高使用效益，临水活动空间使用者人次极少。在过渡季，临水型广场使用者有明显增幅，低强度活动水平使用者占比增幅明显，综合文中热环境相关分析，过渡季风速、相对湿度变小，太阳辐射充足，且江水开化景致更佳，使得临水型广场吸引更多使用者。

2.4 滨水广场使用率与mTSV

作为促进居民日常户外活动的场所，公共空间必须具有一定质量的公众使用性[16]。公共空间的可进入性、设施供给量、景观吸引力、标识指引性等均为影响因素，而这些特征最终会体现于空间使用率指标波动。因此，文中以空间使用率为空间使用评价指标，定义各使用时段硬质铺装区域内实际使用人数与总容量之比。由于现有规范多为规定人均最小面积而无上限，且硬质广场占比浮动会导致容量差异，不能具体计算设计总容量，因此研究中采用高峰使用时段区域内最大人次为总容量。采用以公众距离（5m）为一个单位距离，每单位距离使用人数为1 的空间使用率为使用率指标标准值。若平均使用人数比1 更少，则该广场更趋近于消极空间，需要针对性加以改善。以文中的研究对象为例，HS 使用率标准值（UR0-HS）为27.46%，MS 使用率标准值（UR0-MS）为40.22%。如表7 计算，可见以空间使用率为指标，总体来说HS 全调研时段内呈现出使用良好的结果，MS 则需要进一步有针对性的加以改善，来提高滨水空间设计与使用。

根据上述定义统计计算两类型广场的实际使用率与mTSV，形成回归曲线公式。

计算结果显示，非临水型广场受试平均热感觉投票（URHS）与空间使用率有较为明显的相关性（R2=0.720）。而于临水型广场则相关性较弱，见回归方程式（R2=0.529），且当URMS≥UR0-MS，mTSV 仅有两个跨度等级，如图5 所示。

图5 mTSV-UR 关系图

将使用率标准值与模型计算的回归曲线进行统合，得出非临水广场空间内，当mTSV 于[-0.67,3.62]范围内可支持其空间成为积极的公共空间；临水型广场mTSV 在[-0.4,2.18]范围内可促使其空间内使用率达到其标准值。其计算结果与实际调研所的结果整体趋势一致，且可以发现临水型广场使用率对于mTSV≥0呈现出更为敏感的状态。这与前文中日均mTSV-OCV呈现结果不一致（舒适度结果表示临水型广场对热感包容性更强）。这一结果差异表明，公共空间的设计确实需要综合考虑热环境与使用情况；且综合前文中使用人群特征的差异，可见由于热感觉为居民的主观感受，不仅受到热环境的影响，还有其他因素影响其投票值，如个人差异（年龄、活动强度、健康状况等）、水体景观效益（视觉感受、心理预期等）应有益于提升使用者对所处环境的综合感受，从而使自身的热感觉处于一个较为舒适且平稳的水平。

3 分析讨论

研究仅涵盖冬季与过渡季局地热环境，且调查时段有限、气候条件晴朗，可能会限制所开发模型普适性。例如成人下班、未成年人放学会导致空间使用特征和活动分布发生变化。以后此方面研究应该扩大研究时段。且热感觉差异可能与个人生活模式、长期热经历等方面差异有关，给TSV 模型带来不确定性，可能需要更多数据支撑，以提高模型精度。目前获取空间使用数据的方法主要以实地实时观察记录为主，不能瞬时获取数据，未来可以引用更加先进省力技术手段。若能获得连续空间使用数据将能提高模型准确率。

4 结语

文中选择哈尔滨松花江滨水片区内两处广场作为研究对象，探究热舒适水平及影响因素，发现寒地城市滨水区域内临水型、非临水型广场局地热环境大体相同，但两类型广场受访群体热感觉差异明显。针对临水型广场空间，则更应该注重相对湿度、风速、辐射温度的负面影响，如对盛行风向采取导风设计，加装装饰美观的挡风墙或者植被、休闲构筑物等，于冬季保障一定区域的热舒适性；同时，由于独特的地理位置，哈尔滨市民室外空间群体使用特征也具有一定的特殊性，应结合使用者年龄及其热感偏好、心理因素、安全因素等多方因素分析结果，创造较为丰富多样化的绿化景观或者服务设施，组织开展丰富特色活动增加吸引力与活力。文中建立了相应的使用情况预测模型，以具体的空间热环境为基础分析主要影响因素，有助于提升寒地城市室外空间品质，鼓励户外活动，延长户外活动季节，为寒地城市滨水区域广场空间的设计和实施建设提供参考依据以及设计原则补充。