夏热冬冷地区秋冬季节室外热舒适研究

时间：2024-08-31

水滔滔，符扣锁，李金伟

（1. 安徽建筑大学环境与能源工程学院，安徽合肥 230601；2. 安徽省BIM 工程中心，安徽合肥 230601；3. 安徽省绿色建筑先进技术研究院，安徽合肥 230601）

随着城市现代化进程推进，人们对生活环境提出了更高要求。室外热舒适性是评价城市宜居性的一项重要标准，人们会花更多时间在具有舒适性条件的户外[1]。因此，随着城市微气候受到重视，室外热舒适性的研究越来越具有现实意义。

从20 世纪40 年代提出风冷却指数，学界即开始了对室外热舒适的研究。60 年代后期，出于节能的需要，热舒适研究进展迅速，人们认识到保持良好的热舒适环境既有助于身体健康，又能提高工作效率。因此，迄今国内外学者在热舒适方面做了大量研究。早期研究主要针对室内热环境的适应性，近年来，关于室外环境的热舒适性研究逐渐增多。Tseliou A 等[2]的研究证实了气候和舒适条件之间存在密切关系，空气温度和太阳辐射是舒适性的重要决定因素；Kenny NA 等[3]的研究评估了COMFA 户外热舒适模型对进行中度—剧烈运动的受试者的表现；Yin 和Zheng 等[4]广泛调查露天空间的热舒适条件，研究了亚热带季风气候地区室外的环境如何影响人们的热感，并确定导致夏季人类热舒适响应变化的因素；Zhao 等[5]采用现场测量和问卷调查相结合的方法，在亚热带地区广州大学校园内进行热舒适性研究，为广州地区开发新的热舒适指标模型。国内吕芳等[6]调查天津地区夏季的舒适度，并与以往测试进行对比分析，确定了舒适区域；钱炜[7]以PMV 模型为基础，推导出户外热环境舒适性评价模型OTCD；陈慧梅等[8]采用现场调查与实地测量相结合的方法，分析了人们对亚热带地区广州夏季自然通风建筑的适应性，得出了该地区自然通风建筑的热中性温度与可接受温湿度上限。但是目前我国关于亚热带地区的热舒适研究主要集中于夏季，对于秋冬季节室外热舒适的研究相对较少。本文旨基于合肥市某大学校园的室外热环境，采用实地测量与调查问卷相结合的方式，研究了合肥地区秋冬两季室外热舒适的影响因素及受访者的主观期望情况，并在此基础上建立热感觉预测模型，为以合肥地区为代表的夏热冬冷地区室外建筑热环境设计规划提供参考。

1 研究方法

1.1 问卷调查方式

为了研究合肥地区过渡季前后的室外热舒适情况，本研究于2019 年9 月23 日至2020 年1 月4 日进行共计33 次问卷调查，发出并收集了638份有效问卷。根据合肥市气候资料，合肥市秋季为9 月21 日至11 月15 日，冬季为11 月16 日至3月25 日。因此，本次调查中，以9 月23 日至11 月11 日为秋季阶段，11 月18 日至次年1 月4 日为冬季阶段。

本次实验研究的开展地点为合肥某校园，调查的主要对象为在校大学生。为消除人体对环境的适应性对结果的影响，本次调查的受访者均在合肥生活半年以上，平均年龄为20 岁，平均身高为169 cm，平均体重为60 kg。在调查时，受访者进食时间均超过30 min 并且未从事剧烈运动，主要活动均为慢走或静止，进一步消除了活动状态对实验结果的影响。

本调查的研究数据主要包括受访者的生理参数、着装情况、活动量以及其对当前环境的热感觉与热舒适投票情况。为消除测试区域周围环境对结果的影响，本次选取五个测试地点，周围环境和下垫面情况均相似（见图1 的L1～L5），同时，为方便被调查者及时有效填写问卷，本次问卷以电子问卷和纸质问卷相结合为主。

图1 气象站位置、测试区域、现场环境、鱼眼照片和SVF

此类实验常用的热感觉投票（Thermal Sensation Vote，TSV）采用7 级标度，但是考虑到合肥地区气候特点以及部分极端情况，增加了“非常热”热感觉标度，并相应在冷感觉加入了“非常冷”的热感觉标度。故此，本次TSV 实验采用9 级标度，其标度划分见表1；而热舒适投票（Thermal Comfort Vote，TCV）则采用7 级划分标度，见表2。

表1 TSV 热感觉标度

表2 TCV 热舒适标度

1.2 数据采集方法

使用锦州阳光PC-8 型物联网气象环境站采集数据，将其置于校园内一栋五层楼高建筑的楼顶，见图1（S1），主要数据为环境温度（T）、风速（V）、相对湿度（RH）和太阳总辐射（S），并且设定每5 min 记录一次当前气象数据。

2 调查结果及数据分析

2.1 对热环境水平的分析

合肥地区为典型的亚热带湿润季风气候，秋季时长短，气温下降快；冬季较为寒冷，雨雪天气少。本文测量了合肥某校园秋冬两季各时段周边热环境参数，环境温度、相对湿度、太阳辐射与风速如图2 所示。由图可知，测试时段秋季温度为16～23 ℃，冬季为4～12 ℃，秋冬季温差约为10 ℃，温差较为明显，但两季温度趋势大致相同，均在13:00～15:00达到日温度最高值；秋冬季相对湿度变化趋势基本相同且差异较小，整体在25%～80%波动；秋冬季太阳辐射的日均值变化趋势大致相同，但冬季白天太阳辐射基本高于秋季，且冬季日平均太阳辐射最高值约为850 W/m2，明显高于秋季最高值600 W/m2。此外，秋季平均风速约为0.8 m/s，而冬季约为1.5 m/s，冬季风速总体高于秋季。

表3 气象站参数

图2 秋冬季各时段室外环境气象参数逐时平均值

2.2 受访人群主观接受情况

图3 为秋冬季受访者主观接受分布情况，分析受访者问卷数据可得：受访者对秋冬两季室外热环境的接受程度整体较高，秋季受访人群可接受程度达91%，冬季为79%。由此可推测知：受访者均具备自身的生理调节以及活动行为上的调节能力，从而使得两季整体可接受程度较高。对比秋冬两季节来看，在秋季，合肥地区室外热舒适人群可接受情况较好，推测是由于大多数受访者秋季可结合自身的生理情况，通过调节穿衣，达到可接受室外热环境的程度。而在冬季，受访者“不可接受”的投票占比较秋季有明显上升，由9%上升至21%，猜测对于部分人群，仅依靠人体生理和活动行为调节，仍难以适应并接受冬季的室外热环境。

图3 秋冬季可接受情况投票分布

2.3 主观热舒适影响比重与期望分析

图4、图5 为室外气象环境对人体主观热舒适影响的投票统计。可以看出受访者关于温度、湿度、风速与太阳辐射等4 个气象因素对热舒适的影响程度在秋冬两季排序相同，具体排序结果均为温度、风速、辐射和湿度。选择温度为主要影响因素的人分别高达68.89%与73.4%，说明受访者认为，秋冬季合肥地区室外温度对人体舒适度的影响最大。风速对舒适度的影响程度均排名第二，仅次于温度，原因在于调查期间合肥室外温度下降明显，因此受访者对自身热量的散失感知有所上升，风速略微变化即可引起不适。相比温度和风速，秋冬两季太阳辐射对受访者的舒适度影响均有限，分别占比10.22%与5.85%。而湿度则是对舒适度影响最小的因素。

图4 影响人体热舒适最大因素投票百分比（秋季）

图5 影响人体热舒适最大因素投票百分比（冬季）

图6、图7 为受访者对秋冬两季不同气象因素的期望投票统计。对比分析发现，秋冬两季，过半的受访者希望太阳辐射保持不变，但是期望太阳辐射升高的比例由秋季的17%增至冬季的40.4%，增幅约为138%，表明在气温较低时，提高太阳辐射有利于提高受访者的舒适度；对湿度的期望基本相同，主要为相对湿度保持不变；对风速的期望变化则较为明显，更多人希望在冬季降低风速，其比例由秋季的13.50%增至冬季的39.20%，增幅约为193%，表明风速对受访者的热舒适影响巨大，温度较低时，受访者更希望降低风速减少热量散失，从而保证自身的舒适性；对温度的期望变化同样剧烈，在秋季，超过半数的受访者期望温度保持不变，而在冬季，67.30%的受访者期望温度升高，增幅明显。

图6 秋季受访者对不同气象因素的期望

图7 冬季受访者对不同气象因素的期望

通过此类调查的对比分析可以得出，温度依然是影响受访者热舒适的最主要因素，受访者更期望通过调节温度以最快、最直接地提升热舒适性；其次，当温度处于较低水平时，受访者期望降低风速，以减少或减慢热量散失速率，或期待提高太阳辐射，以保证热舒适性；至于相对湿度，受访者对其期望较少，在秋冬两季基本无大幅度变化，可以认为相对湿度对热舒适影响与改善的意义较小。

2.4 热舒适与热感觉的变化关系

本研究为接续性研究，目的是深入分析受访对象的热感觉与热舒适变化情况[9]。因此，图8 和图9 给出了本次调查秋季和冬季部分时期热感觉及热舒适的变化情况。由图可知，秋季人体热感觉主要集中在“凉”和“稍暖”之间，舒适感小幅度波动，这与合肥地区秋季气候变化密切相关：秋末常有寒潮入侵，气温陡降，人体感知为“凉”，并出现“不舒适”的情况，但热舒适整体处于较为稳定的状态。进入冬季，人体热感觉投票全部处于负值，集中在“稍凉”和“冷”之间。而在秋末到初冬的过渡期间，热舒适变化较为剧烈，人体热舒适投票结果为“不舒适”，且维持了一段时间。推测原因为气温突变，说明气温变化对人体热舒适有着很大的影响。12 月中旬，热感觉投票集中在“稍凉”和“凉”之间，热舒适度投票主要集中在“适中”和“较不舒适”，相较于刚进入冬季，热舒适度有所缓和，这可能与人体对气候变化的适应性和增添衣服保暖有关。

图8 秋季热感觉与热舒适随时间的变化关系

图9 冬季热感觉与热舒适随时间的变化关系

为了探究秋冬过渡季节人群热感觉与热舒适的变化关系，基于同一季节中相同的热感觉投票所对应的热舒适投票值进行平均求值，得出同一季节中每一种热感觉投票对应的平均热舒适投票，并进行拟合分析，如图10 所示，反映热感觉与平均热舒适投票的变化关系。

由图10 可见，调查期间受访者的热舒适度随着热感觉的上升出现差异。秋季，当热感觉为“非常冷”“冷”和“凉”时，受访者的平均热舒适表现为不舒适，此外“热”和“非常热”也会导致不适感；冬季，当受访者的热感觉为“非常冷”“冷”“凉”和“稍凉”时，受访者会感觉到不舒适。同时发现，当热感觉为“稍凉”时，秋季的舒适度较为良好，而在冬季，受访者却表现出不舒适。当受访者热感觉为“中性”时，无论是秋季还是冬季，受访者普遍感到舒适。当受访者的热感觉略微上升，直至两拟合曲线产生交点，此时受访者在秋季与冬季的热舒适感相同，而在此之前，受访者无论处于何种热感觉状态，在秋季的舒适度均好于冬季。过此交点后，受访者在冬季的热舒适度均好于秋季，同时，秋季的热舒适度随热感觉呈下降趋势，但一直保持在舒适状态，直至当热感觉稍高于“暖”时，受访者开始产生不适，而冬季受访者一直保持着舒适状态。

图10 秋冬两季热感觉与热舒适的变化关系

分析可知：在过渡季节的秋季，受访者的热舒适情况会随着热感觉的变化发生明显波动。当热感觉略低于“稍凉”时或者高于“暖”时，受访者产生不舒适；当热感觉处于两者之间时，舒适度均为良好。而进入冬季，由于气温低，受访者的热感觉上升时，总会使热舒适度增加，一旦热感觉略高于“稍凉”，即感到舒适。

2.5 人体不同身体部位对热舒适性影响分析

图11 给出了秋冬季人体各部位对热舒适影响的占比分布。调查发现：在合肥地区，秋冬两季，对受访者热舒适影响最大的人体部位均为面部，占比约为44%；上肢部位对人体热感觉的影响也基本相同，占比约19%；不同的是，在秋季，手部对人体热感觉的影响占所有调查部位的10%，而到冬季时，这一数值上升至21%；但除手部因素外，其他因素占比均略微下降，其中腿部受影响程度较秋季下降50%，脚部下降60%，背部约下降67%，颈部基本没有变化，而腰部以及腹部均下降到0。

图11 秋冬季人体各部位对热舒适影响的占比分布

此现象可能是因为，秋冬两季受访者面部始终暴露在室外环境中，室外环境的变化会对面部产生最直接的影响。同时，手部是受访者最主要使用与活动的部位，暴露在室外环境的时间较长，接触外界物体最多，与室外条件下物体的传热最频繁剧烈，当温度变化较为剧烈时，手部对热舒适性的影响即增大。而其他部位均为未暴露或少暴露部位，在不同的室外气象环境下，受访者可通过增减衣物，满足该部位的热舒适要求。

3 热感觉模型建立

测量环境中温度、风速、相对湿度、太阳辐射等热环境参数，利用多元线性回归方法，建立热感觉模型。该模型不仅可以量化环境中各气象参数对热感觉的影响，而且可以利用预测模型，直接计算环境气象参数和人体参数，得到人群室外平均热感觉情况[10]。SET*与PET 常被用于室外热舒适的评价中，因此，在本研究中采用这两个指标来建立热感觉预测模型，从而评价受访者室外的热舒适性。

3.1 PET 预测热感觉模型

以生理等效温度PET 作为自变量，以平均热感觉投票（MTSV）作为因变量，绘出散点图（图12），通过线性拟合得出秋冬两季热感觉的回归方程式[9]，见式（1）与式（2）：

图12 PET 预测热感觉模型

由图12 可知：秋季的关系式斜率较大，表明秋季热感觉相对于PET 的变化率大；冬季的斜率较小，即当PET 的变化量相同时，冬季的热感觉变化较小。由此可知，合肥地区，秋季PET 对人体的热感觉影响较大，这符合合肥地区秋季气温波动大的气候特点；进入冬季后，合肥地区的气温相对稳定，当人体适应该变化后，热感觉波动也逐渐减小，表现为冬季PET 对人体的热感觉影响程度小于秋季。

3.2 SET*预测热感觉模型

以标准有效温度作为自变量，以平均热感觉投票MTSV 作为因变量，绘出散点图（图13），并通过线性拟合得出秋冬两季热感觉的回归方程式，见式（3）与式（4）：

由图13 中可知：秋季的关系式斜率比冬季大，表明秋季热感觉相对于SET*的变化率比冬季大，即当SET*的变化量相同时，秋季的热感觉变化比冬季的热感觉变化大。出现这种情况的主要原因同样为合肥地区秋季气温比冬季气温波动大。

图13 SET*预测热感觉模型

3.3 气象参数预测热感觉模型

本研究的室外气象参数为温度（T）、相对湿度（RH）、太阳辐射（S）和风速（V）。为了了解以上室外气象环境参数与人体热感觉的关系及影响程度，以上气象参数为自变量，以人体热感觉投票为因变量，进行多元回归分析，得出以气象参数预测人体热感觉的模型，见式（5）与式（6）：

式中：TSV 为人体热感觉投票；T 为室外温度，℃；RH 为相对湿度，%；S 为太阳辐射，W/m2；V 为风速，m/s。

式中：TCV 为人体热舒适投票；T 为室外温度，℃；RH 为相对湿度，%；S 为太阳辐射，W/m2；V 为风速，m/s。

根据模型可知，秋冬两季温度、太阳辐射和湿度均与人体热感觉呈正相关关系。其中，湿度对热感觉投票的影响最小，而温度的影响最大。此研究虽然表明温度是对人体热感觉投票影响最大的因素，但是其拟合后的系数较小，仅为0.129，表明热感觉随温度变化较慢，此结论已有相关研究证明[2]。仅有风速与人体的热感觉呈负相关性。参考发现其他学者也运用此种方法拟合得出了秋冬季节室外热舒适模型，表明了人体热舒适与温度和太阳辐射呈正相关，而与风速呈负相关[11-14]。