杭州西湖景区热中性温度与热可接受温度范围研究

梅 欹,徐丽丽

(浙江工业大学 设计与建筑学院,浙江 杭州 310023)

户外气候环境是影响城市人群活动的重要因素,宜人的气候可以提高人们在户外空间的活动时间、社交效率和行为强度,提升人民群众生活品质、幸福指数和健康程度。热环境评价中的热中性温度是影响人体户外热感受的重要指标。热中性温度注重对个体因素(如个体健康、忍耐度和适应力等)的调查[1],其定义为在平均热感觉投票(Mean thermal sensation vote,MTSV)与热感觉温度间的线性回归中出现居中热感觉的温度[2]。在热中性温度的基础上,有学者进一步提出使用一定的区间阈值而非固定值来评估个体对热条件的接受程度,从而提升评价模型反映人类真实感受的效力[3]。热可接受温度范围即是由此衍生出的热评价指标。该评价指标从个体对热环境的不同适应能力出发,计算人随着热环境状态和热刺激的延续时间等多种因素波动影响产生的在一定范围内的温度感知阈值[4]。目前的热评价研究以问卷或访谈为主要形式,报告结果按奇数标度划分,得出分级个体感受,并定性分析人体热舒适[5]。也有学者采用多元线性回归分析、线性变换以及对不同年龄、性别和居住地人群的方差分析等量化方法[6]探讨人对热环境的评价。在已有的针对不同气候区域的热中性温度或热中心温度范围研究中同时存在相应的两类获取热中性温度或热中性温度范围的途径:一类是根据受访者主观投票,使用MTSV中位数法,推算热中性温度(范围)[7-8];另一类是使用TSV和PET的线性回归方程,在TSV=0或-0.5≤MTSV≤0.5阈值内,计算热中性温度与热中性温度范围[9]。综合比较各类相关数据[10-11]可以发现:尊重地域特色的设计研究越来越强调应根据特定地区的气候条件来优化遴选研究方法,然而突出研究方法在特定地域的适用性,并强调因方法选择可能导致结论偏差的研究较少见。因此,笔者通过实测数据,在上述两种研究方法中挑选更适合杭州西湖景区的方法,进一步使用多元回归分析,计算该地区的热中性温度与热中性温度范围。

笔者以大学生为代表的青年群体为研究对象,针对杭州西湖景区典型空间的季节性热中性温度(范围)与热可接受温度范围展开实证研究。拟通过实测数据分析达到以下目标:1) 明确适用于杭州西湖的热评价方法;2) 评估杭州西湖游憩空间的热感受季节性差异,并得出各季热中性温度、热中性温度范围与热可接受温度范围;3) 分析影响杭州西湖热感受的气象因素,提出预测热感觉的经验模型及其季节性差异。本研究对杭州西湖景区的气候适应性空间设计以及人群出游行为均具有实际参考价值。

1 研究思路与方法

1.1 指标选取

目前应用的热评价指标多达几十种,其中生理等效温度(Physiological equivalent temperature,PET)[12]是Höppe从慕尼黑模型(Munich energy balance model for individuals,MEMI-model)发展而来的热指标,其定义为在室内环境中,当核心温度与皮肤温度和实际环境相同,且保持相同的热平衡状态时,该等温环境下的空气温度。PET指标发展至今,具有能在较复杂的户外综合热条件下准确直观地反映使用者真实热应力和热舒适度[13]的优势。该指标的优点还在于:1) 其单位(℃)可方便地被城市规划者、决策者、使用者理解与应用;2) PET与TSV的相关性较强,有利于进行主客观结合的比较评价。因此,笔者采用PET作为热指标来预测和评价户外热感受。基于团队前期研究成果[14],选用的户外气候环境关键指标包括空气温度、太阳辐射、平均风速和空气相对湿度。

1.2 实验方案

1.2.1 实测时间

笔者统计了过去30年杭州的气象数据(图1),结果显示:杭州夏季普遍从每年的6月初开始到10月初结束,占据近半年时间,其他3季分别依次持续2～3个月。在预实验过程中发现,春末的梅雨季节和秋初频繁出现的台风天气导致该时间段内户外游憩人数大幅下降,无法满足实验样本数量要求。因此依照气象学物候法(即在连续5 d的单位时间内,平均气温超过22 ℃视为夏季,低于10 ℃视为冬季,从冬季到夏季的过渡季节为春季,从夏季到冬季的过渡时间为秋季。)对四季的划分方法,将春秋两季共同视为过渡季,合并统计数据。实验选取了各季典型气象日(表1),在每日08:00—18:00展开,其中2021年冬季由于受到新冠疫情影响,未能实际开展实验。

表1 实测时间

图1 杭州近30年气象数据概况

1.2.2 测点布置

研究对比杭州西湖景区的游憩空间类型、日常使用率与气象因素等条件,选取杭州西湖环线中较为典型的4个风景园林空间作为实验测点,每个测定安排1台测试仪器和若干实测人员。4个测点分别位于西湖东北角的湖滨晴雨、东南角的长桥公园、西南角的望山桥和西北角的平湖秋月,均具有临水空间且有可供人群聚集的小型广场。测点布置与实验照片如图2所示,图2中地图改绘自百度地图。

图2 测点位置图与实验照片

1.2.3 实测仪器

采用YGY-QXY手持式气象仪测量空气温度、太阳辐射、平均风速和空气相对湿度等气象指标。仪器测量范围、精度及数据采集频率符合ISO 7726:1998相关规定,测量间隔设为15 min。在满足世界气象组织的气象测定规范的基础上,于距离地面约1.5 m高度(即与人等高)处采集气象数据。

1.2.4 问卷设计

问卷设计基于ISO 10551:2019热环境人体工程学和GB/T 18977—2003,使用奇数投票法评估热环境对人体的影响。问卷内容包含:1) 受访者基本信息,包括性别、年龄和在杭时长等;2) 受访者的热感觉投票、热可接受度投票。在客观气象数据收集的同时进行主观问卷调查与信息采集。

2 实验结果

为满足同类样本数量,受访对象均为在校大学生。受访对象虽来自不同地区,但在杭时长均已超过两年,已适应杭州气候条件,可以排除原住地带来的干扰。实验总计发放问卷400份,收回387份,有效问卷360份,分别为过渡季155份,夏季118份,冬季87份。由于冬季受气候环境与新冠疫情影响,无法开展长期实验,统计人数较另两季偏少。问卷数据综合信度Cronbachα系数为0.813,α>0.8,说明数据信度质量高,可用于进一步分析。

2.1 气象数据测定结果

分季节采集的各气象指标(表2)最大值分别是:过渡季的太阳辐射为1 037 wat/m2、夏季气温为43.6 ℃、空气相对湿度为72.3%、冬季平均风速为4.4 m/s。太阳辐射日均差最大为夏季的1 063.0 wat/m2,最小为冬季的558.0 wat/m2;最大气温日均差为过渡季的24.8 ℃,高出夏季7 ℃;平均空气相对湿度的日均最大差值为夏季的34.5%,最小差值为过渡季的23.5%;平均风速日均差值最大为冬季的4.4 m/s,最小为夏季的2.2 m/s。

表2 气象测试结果统计

2.2 热感觉投票

问卷采用ASHRAE 7级量表统计TSV结果(图3)。虽然每季的TSV最高投票数都集中在“适中”选项,但投票结果仍呈现鲜明的季节差别。过渡季投票表现出偏凉趋势,81.31%的投票落在“适中”“稍凉”“凉”3类选项;夏季的投票则集中在“适中”“稍暖”“暖”,三者总得票率为82.81%;冬季91.78%的投票分布在“稍凉”“适中”“稍暖”区间。由于TSV属主观投票,易受即时心理变化与个体经历等因素的影响,因此该投票结果的季节性差异较明显。

图3 TSV季节性比较

2.3 热偏好投票

针对空气温度、太阳辐射、平均风速和空气相对湿度指标分“更弱”“不变”“更强”3个等级进行季节性偏好投票统计,结果如图4所示。受访者在过渡季对空气相对湿度的偏好感受最为明显,约有一半人认为湿度偏高;夏季人群对空气温度与平均风速的主观感受偏好较为强烈,大部分人认为夏季温度过高,同时希望能有更大的风速;冬季受访者的关注点则集中在太阳辐射和平均风速,相对偏好更强的日照和更低的风速。由图4可知:影响过渡季的主要气象指标集中在平均风速和空气相对湿度,夏季集中在空气温度和太阳辐射,冬季则集中在空气温度和空气相对湿度。过渡季在各项指标中选择“不变”的投票率之和最高,夏冬两季该选项的投票率则相对偏低,初步推测受访人群对过渡季的热评价最佳。

图4 热偏好投票对比

3 讨论与分析

3.1 热中性温度(范围)与热可接受温度范围

与其他地区的热舒适研究结论[15]一致,本研究的实验结果表明TSV与PET之间存在强相关,证实PET指数可以较好地用于预测西湖景区的热评价。下面通过比较两者的关系,在中位数法与TSV=0法中选取更适合杭州西湖景区的方法进行后续研究。

3.1.1 中位数法

根据中位数不受干扰数据影响且可以准确反映主体数据的特性,以TSV为类别轴,PET为变量,绘制各季箱线图(图5)。统计实验数据中各季节PET值的上四分位数和下四分位数,位于两四分位数之间的阈值被视为热可接受范围,由此得出的热可接受温度范围为过渡季10.8～25.7 ℃,夏季17.4～26.4 ℃,冬季7.1～24.4 ℃,全年13.0～25.7 ℃。中性点的温度被视为热中性温度,分别为过渡季22.2 ℃、夏季23.6 ℃、冬季12.0 ℃、全年21.0 ℃。根据ASHRAE Standard 55标准[16],可接受的热条件即热可接受温度范围应为同一空间中至少90%的受访者表示可接受,即允许小于10%的使用者不接受该热条件。按此标准,分别有3.6%,5.9%,9.2%的受访者对过渡季、夏季、冬季的气候环境保持“不可接受”态度。其中,冬季热不接受百分率最高,过渡季最低。热可接受温度范围为过渡季10.8～25.7 ℃、夏季17.4～26.4 ℃、冬季7.1～24.4 ℃、全年13.0～25.7 ℃。

3.1.2 TSV=0法

TSV=0法采用平均热感受投票MTSV作为计算指标。MTSV是指在1 ℃ PET间隔(PET=±0.5 ℃)内的TSV平均值。把MTSV=0代入线性回归模型中计算热中性温度(图6),讨论PET和MSTV的关系。ASHRAE标准规定各类热感值应在该热感值±0.5的范围内,因此在-0.5≤MTSV≤0.5阈值内计算热中性温度范围。全年各季计算式分别为

图6 PET与MTSV线性回归分析

MTSV过渡季=0.111 8PET-1.678 6

R2=0.714,p<0.01

(1)

MTSV夏季=0.159 6PET-3.237 1

R2=0.842,p<0.01

(2)

MTSV冬季=0.137 8PET-2.338 7

R2=0.723,p<0.01

(3)

MTSV全年=0.124 9PET-2.158 8

R2=0.754,p<0.01

(4)

热可接受范围划定为-1≤MTSV≤1阈值范围[17],也就是将MTSV<-1或TSV>1作为热不接受范围。通过MTSV=0计算的热中性温度分别为过渡季15.0 ℃、夏季20.3 ℃、冬季17.0 ℃、全年17.3 ℃,使用式(1～4)计算的热可接受温度范围分别为过渡季6.1～24.0 ℃、夏季14.1～26.5 ℃、冬季9.7～24.2 ℃、全年9.3～25.3 ℃。

3.1.3 结果比较与方法选取

使用中位数法与TSV=0法分别得出杭州热中性温度(范围)与热可接受温度范围,结果如表3所示。由表3可知:两种方法存在较大差异,中位数法得出的热中性温度季间变化相对稳定,变化幅度较小;TSV=0法得出的热中性温度季间波动幅度大,其中过渡季、夏季与全年热中性温度偏低,冬季偏高。将以上两种方法得出的热中性温度(范围)与由实测气象数据计算得出的PET温度(范围)作进一步比对,发现中位数法的结果更接近PET值,即更符合杭州西湖景区的实际气象环境状况。因此,选择中位数法作为研究方法,并依据中位数法的实验数据进行后续讨论。

表3 两种方法得出的热中性温度与热中性温度范围比较

3.2 热感受比较

在热可接受温度的季节性差异方面,研究数据表明杭州大学生群体更适应过渡季节的温和气候条件。剩余两季中,相比寒冷的冬季气候条件,他们更容易忍受炎热的夏季。这与湿热地区的广州[3]、长沙[18]以及干燥地区的德黑兰[2]、北京[19]等地的户外温度感知变化研究结论相似,这些实验一致认为受试者更适应暖热的气候条件。也有一些学者持不同看法,认为如寒冷地区的天津[20]、西安[21]等地的受试人群更适应低温状态。虽然学者们对冬夏季节极端气候状况的接受程度存在一定的认同差异,但基本都认同户外空间使用者对夏冬两季的热可接受度要低于过渡季节,换言之,过渡季的气候最为舒适,这也证实了前文的推测。因此,杭州西湖景区的气候适应性设计应优先考虑冬季与夏季,继而考虑过渡季的设计策略。

在实验对象的年龄差异方面,本研究针对青年人群得到的热中性温度与方小山等[22]针对广州老龄群体得到的热中性温度相比整体偏低,和上海[23]与长沙[18]的全龄性实验结果相近。出现这种区别的原因与本实验对象的年龄、体质等特征有关。大学生这类青年群体对热环境的变化具有较好的感知力和适应性,具备较高的热耐力[24],即个体自适应力较强。该结论证明了研究对象的年龄选取对实验结果存在一定影响。

在实验地点的地域空间差异方面,笔者将热中性温度(范围)、热可接受温度范围与北半球近年的相关研究成果进行了比较(表4)。结果发现:杭州的热中性温度比广州[3,23]低,与上海[24-25]和长沙[18]相近;热中性温度范围与同为亚热带季风气候的长沙[18]、上海[24]和青岛[26]相仿。杭州与广州[3]热中性温度差别的原因在于两地虽同处湿热地区,但广州所处纬度较低,全年气温偏高,热中性温度范围整体阈值偏高的结果符合广州人群适应暖热气候的特征。位于高纬度温带大陆性气候区的华沙[27]具有最为广泛的热中性温度范围。杭州的纬度位于广州与华沙的纬度之间,与上海、长沙两地的纬度相近,受试人群对热环境的感受阈值分布较为适中。由此可推测城市所属的纬度越高或城市气象因子变化越剧烈,人群的热适应力就越强,热接受范围也越广。该假设同时也在热可接受温度范围的比较结果中得到印证。杭州的热可接受温度范围与热带季风气候区的达卡[28]、热带地区的台中[29]、温带季风气候区的西安[22]相仿。综上所述,热中性温度、热中性温度范围和热可接受温度范围除了与气候带相关外,与纬度也存在关联。

表4 户外热感受研究结果比较

3.3 经验模型

笔者将空气温度、太阳辐射、平均风速和空气相对湿度等气象指标与MTSV结果进行线性拟合,结合多重线性回归分析,建立全年各季的热感受模型。所有模型的显著性p<0.01,且衡量多重共线性程度的方差膨胀系数VIF<10,表明回归模型具有统计学意义。MTSV的计算式分别为

MTSV过渡季=0.151Ta-0.041Va-3.268

R2=0.818,p<0.01

(5)

MTSV夏季=0.136Ta+0.004SR-0.018Va-4.983

R2=0.897,p<0.01

(6)

MTSV冬季=0.150Ta+0.003SR-0.010Va-3.942

R2=0.769,p<0.01

(7)

MTSV全年=0.113Ta+0.002SR-0.084Va-2.242

R2=0.810,p<0.01

(8)

式中:MTSV为平均热感受投票;Ta为空气温度;SR为太阳辐射;RH为空气相对湿度;Va为平均风速。

模型建立的相关性表现良好,皮尔逊相关系数接近,均处于较高水平。这说明杭州西湖景区的实际气候状况与TSV投票结果较为吻合,统计结果适用于该地区的热感受评估。

各季模型均表明空气温度和太阳辐射指标与MTSV呈正相关关系,空气温度和太阳辐射值的升高会导致热感受温度增加。其中,空气温度对热感受的影响系数高于太阳辐射。模型同时证明平均风速与MTSV呈负相关关系,平均风速越大,MTSV越低,这与横滨[34]、欧洲6城[11]、香港[35]等地的实验结论高度一致。

每项气象指标都可能对MTSV产生影响,各气象指标对热舒适度的影响系数在每个季节中均有不同表现。过渡季中太阳辐射对MTSV的影响系数为0,因此过渡季模型的影响因素缺少太阳辐射这项指标。综合各季节模型呈现的相同之处,总体而言空气温度对热舒适的影响最大,其次平均风速对热舒适也具有较明显的作用,而太阳辐射的影响作用最弱。对比各季节模型的不同之处,在过渡季较为舒适的天气条件下,空气温度和平均风速是影响热舒适的最主要气候指标;而太阳辐射在冬夏极端气候下也会对人体热感受产生影响。

空气湿度与平均风速指标存在强烈的共线性关系,在回归分析过程中,空气相对湿度变量被自动剥离。这与Fang等[36]在广州得出的结论相似,该研究提出的春、夏、秋、冬季经验模型中均出现了平均风速或空气相对湿度变量的缺失。然而香港[35]、新加坡[37]和长沙[18]等地的经验模型却同时涵盖这两类指标。这种地域性差别又一次证明在剖析构成变量及其关系的过程中,针对不同地区和不同研究对象,必须采用不同的评估方法与模型,找到适应当地热条件的预测方法是提高热预测准确度的关键。

4 结 论

笔者讨论了处于湿热地区的杭州西湖景区热中性温度与热可接受温度范围,在环杭州西湖的4个典型风景园林空间采集了18 d的气象数据,收集了360份有效问卷,发现使用中位数法的热评价更符合以大学生为代表的青年群体在杭州西湖的实际热感受。本研究虽然仅局限于青年群体,但仍可为杭州西湖景区及类似气候条件的城市户外空间气候适应性设计与研究提供参考依据。杭州西湖景区过渡季、夏季、冬季及全年热中性温度(范围)和热可接受范围分别如下:热中性温度为过渡季22.2 ℃、夏季23.6 ℃、冬季12.0 ℃、全年21.0 ℃;热中性温度范围为过渡季10.3～22.6 ℃、夏季18.4～24.35 ℃、冬季10.2～21.5 ℃、全年12.0～23.9 ℃;热可接受温度范围为过渡季10.8～25.7 ℃、夏季17.4～26.4 ℃、冬季7.1～24.4 ℃、全年13.0～25.7 ℃。由于杭州年度气温波动强烈,受访群体对冬季户外空间气候条件的接受度最低,对夏季的接受度适中,最容易接受的是过渡季的气候。因此,在杭州西湖景区周边开展气候适应性空间设计时,应优先考虑满足冬季和夏季的热需求。季节性经验模型表明空气温度和平均风速是影响杭州西湖景区热评价的最主要气象原因,除此之外太阳辐射在极端气候中也产生了比较大的影响。