寒冷地区热环境参数对室外热感觉的影响研究
天津大学 甘婷婷 刘魁星 刘 刚2
上海交通大学 赖达祎
摘 要：随着城市人口的增加，为城市居民创造健康舒适的户外开放空间显得尤为重要。世界各地开展了大量的室外热舒适研究，研究表明，室外空气温度、太阳辐射、风速、湿度等微气候参数对室外热感觉有重要影响。然而，不同气候背景下各环境参数影响结果存在较大差异性，且不同气候参数组合对热感觉的影响是耦合的，综合影响规律尚未发现。因此，为了获得检验两者关系的数据，本研究在天津大学校园对30名受试者进行了热舒适实验，采用微气候测试仪器监测并获取天气参数，同时通过问卷设置来调查热舒适情况。结果表明，在5~10℃和15~20℃的空气温度下，室外太阳辐射是影响室外热感觉的决定性因素，其次是空气温度和风速，相对湿度是影响程度最弱的因素。在5~10℃的低温段下，太阳辐射影响作用更为明显，辐射强度的高低直接决定了人们的冷热感觉。随着空气温度的增加，温度和风速对人体热感觉的影响作用也随之增加，但仍远低于太阳辐射的作用。风速的影响作用也不恒定，在不同温度时，低辐射（0＜人体辐射通量Sstr≤450w/m2）范围内风速冷却作用均最为明显，其次为高辐射段（450＜Sstr≤600W/m2），在中辐射段（Sstr ＞600W/m2）风速冷却作用最小。本研究获得的数据可用于我国北方寒冷地区室外热舒适模型的建立，为城市热舒适开放空间的设计和建设提供依据。
1 背景
随着我国城镇化进程的快速发展，2018年我国大陆城镇常驻人口为8亿3137万人，占据总人口的59.58%。随着城市人口的日益增加，人们对舒适的室外环境的需求与日俱增，因此室外空间中舒适度的研究迫在眉睫。深入研究城市室外热舒适性，对于改善城市生态环境，提高人们生活质量，维持城市可持续发展具有重要意义。
室外热舒适是衡量室外环境整体舒适度好坏的重要标准，当前国内外学者对室外环境进行了大量研究。目前研究表明室外微气候风、光、热、湿四项环境参数是影响人体热舒适的重要因素，但各项参数影响重要性未得到统一结论。Xu（2019）在我国西安进行的热舒适研究表明室外冬季室外太阳辐射与空气温度是影响室外热舒适的决定性因素[1]，该结果与Nikolopoulou（2006）和Lykoudis对欧洲7个城市进行热舒适调查结果一致[2]。但Stathopoulos在加拿大蒙特利尔调查了受试者的整体舒适度，结果显示空气温度是影响整体舒适度的决定性因素，风速与相对湿度均为负相关[3]。
环境参数具有强烈的耦合作用，各参数同时对室外热感觉产生影响。Nikoloupoulou发现单一环境变量与室外舒适度的相关性并不高，无法准确描述室外舒适度[4]。同时不同研究者发现环境参数在冷和暖不同环境背景下影响结果存在差异，Xie（2018）在香港进行室外实验发现，受试者在较暖的情况下比较冷的情况下对风速更敏感[5]，该结果与Wang（2018）在广州进行的实验结果相反，Wang发现寒冷情况下人们对于风速的感知性更强[6]。
当前国内外学者在研究微气候参数与热舒适的关系时，存在地点，气候，实验时间，气候参数范围等条件限制，获取结果具有较大的局限性与差异性，本研究在我国寒冷地区天津进行了秋冬季节的室外热舒适实验，确定秋冬季室外影响因素的重要性，并选取数据丰富的环境参数组合段数据确定风速与辐射对人们热感觉的影响作用。
2 实验概况
天津位于中国华北地区，界于东经116°43′~118°4′、北纬38°34′~40°15′之间，地处太平洋西岸，华北平原东北部，海河流域下游，属于典型的暖温带半湿润大陆性季风气候。
为考察秋季室外环境对人体热感觉的影响作用，选取天津地区大学校园内一空地作为研究对象，采用物理环境测试与调查问卷相结合的方式进行实验，测试时间为2018年9月13日~2019年03月06日，为获取不同的天气工况，分别在9:00~17:00不同时间段内对16名在校大学生进行舒适度问卷调查，共收集有效问卷2656份，室外环境工况100组。
2.1 测试方法
实验分为室内热适应与室外实验两个阶段，将30名受试者分为两组，分别是静坐组和慢行组，首先受试者在保持24~26℃的大空间实验室内静坐30分钟，达到人体热平衡后，步行2分钟至实验地点，分别保持静坐和慢走两种运动状态，每五分钟填写一份舒适度调查问卷，同时保持室外环境参数的同步测试。
2.2 物理环境参数获取
本次实验测量的室外环境参数包括空气温度、相对湿度、风速及东西南北上下六个方向上的辐射量，测试所使用的仪器为PC-4自动气象站和CNR4净辐射仪，其测量范围及精度如表1所示。
表1 仪器测量范围及精度
2.2.1 太阳辐射参数的确定
为准确的评估室外太阳辐射对人体热感觉的影响，采用公式（Thorsson, 2007）[7]通过获取的东西、南北、上下六个方向上获取的长波和短波辐射量计算得到人体获得的平均辐射通量值，公式如下：
式中：Ki为短波辐射通量（i=1-6）（W/m2）；Li为长波辐射通量（i=1-6）（W/m2）；Fi是人与环境表面的角系数（i=1-6）；αk为短波辐射吸收系数；εp为人体发射率，理论上等于长波辐射吸收系数。
人体处于室外时，相当于置身太阳辐射场受各个方向上的太阳辐射共同作用，较多文献中以水平方向上获取的总辐射值作为分析太阳辐射与人体热舒适的关系的辐射变量，显然，该总辐射结果并不能准确反应人体受太阳辐射的综合作用。
以总辐射和计算得到的人体平均辐射通量为横坐标，人体平均热感觉投票为纵坐标绘制图1，结果表明人体接收到的各向辐射强度Sstr与人体热感觉投票更相关，能更加准确的反映在空间内人体受太阳辐射的影响变化。
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| （a）总辐射G | （b）人体辐射通量Sstr |
图1 太阳辐射与平均热感觉投票关系
2.3 主观问卷调查
通过主观问卷调查记录受试者的衣着、活动状态等信息，并使用ASHRAE[10]标准推荐的7级标度（-3冷，-2凉，-1微凉，0适中，+1微暖，+2暖，+3热）评价热感觉投票，采用四级标度（1舒适，2稍不舒适，3不舒适，4非常不舒适）进行热舒适投票 ，采用2级标度（1接受，2不接受）评价对当前热环境的接受投票。
3 实验结果
3.1 室外热环境工况
对2018年9月~2019年3月室外气候数据进行采集，温度覆盖范围为5~30℃，人体辐射通量覆盖范围为40~800W/m2，风速覆盖范围为0~3.5m/s，相对湿度覆盖范围为4%~55%。温度、辐射与风速分布情况如图2所示。其中，在5~10℃和15~20℃范围内，太阳辐射与风速参数数据较为均匀和充分，选取该两处环境参数研究不同温度段下风速与太阳辐射对人体热感觉的耦合作用。
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| （a）温度与辐射通量 | （b）温度与风速 |
图2 环境参数分布图
3.2 热环境参数与热感觉的相关性分析
采用相关性分析的统计学方法，分别将温度、相对湿度、风速、辐射通量与热感觉投票组成双变量进行分析，从而衡量四个环境参数变量与热感觉投票变量因素之间的相关密切程度，计算结果表2所示。
表2 双变量相关性分析
注：Pearson相关系数，双尾检验。
在已获取的秋冬季节数据显示，太阳辐射参数和温度变量与热感觉投票呈显著正向相关，其中，辐射通量与热感觉投票的相关程度最为密切；风速变量和温度变量在数值上与热感觉投票呈相同程度的相关性，风速为负向相关；以上三个变量与热感觉投票的相关性均具有统计学意义，而相对湿度的显著性值P=0.79，说明有79%的概率相对湿度与热感觉投票不相关。
秋冬季节，室外温度相对较低，人体与空气的对流换热作用会增加人体的散热，受太阳影响的辐射换热会随着太阳辐射的增强，增加人体热感，因此辐射通量与人体热感觉的投票更为相关；风速会加速人体的对流换热，使人体产生冷感，因此产生负向相关的作用；当前研究可知当湿度高于75%~85%时会对热感觉产生较大影响 [8,9]，本研究测试期间的相对湿度为30%~60%，因此在该范围内，相对湿度为影响热感觉最弱的影响因素。
3.3 辐射与温度对热感觉的耦合作用
通过上述分析可知，温度、风速和太阳辐射等参数与人体热感觉有显著的相关性。由于每天的总辐射值波动范围极大，以夏天为例，晴天时总辐射会从0变化到1000W/m2（不同季节上限值不完全相同，经过实际测量天津大学校园内，夏季总辐射上限值在1000W/m2，秋季和冬季上限值分别为690W/m2和670W/m2）；同时，风速变化没有规律，由每天天气情况决定且变化速度较快；由于室外空气温度波动范围较小，变化规律稳定，为了研究其他环境参数对人体热感觉的影响作用，以空气温度作为基础控制变量，分析在不同的温度范围内，人体热感觉与辐射和风速的响应关系。
由于室外天气变化较为复杂，当前进行的实验对于5~10℃和15~20℃两个温度段的数据收集较为丰富，因此以该低温温度段和中温温度段为研究对象，分析辐射与风速对热感觉的影响规律。
3.3.1 5~10℃时不同辐射对热感觉的影响作用
低温段太阳辐射在阴影下时辐射值在300~400W/m2之间，太阳直射时辐射强度高于500W/m2，整体数据中存在断层。图3显示在5~10℃的低温段内，太阳辐射与平均热感觉投票（Mean TSV）具有强烈相关性（R2=0.98），此时太阳与室外热感觉呈正相关，随着太阳辐射的提高，热感觉显著提升；同时数据表明，温度与辐射值均较低时（Sstr≤400W/m2），人体冷感非常强烈，平均投票值在-2~-3之间；但当Sstr为550W/m2左右时，虽然室外温度较低，但人们普遍处于热中性状态，因此在较冷的室外空气温度下，只要太阳辐射足够强，人们均可以达到热中性，该温度段下，辐射通量每增加100W/m2，热感觉提高1.4个单位。
图3 5~10℃时不同辐射通量与热感觉投票关系
3.3.2 15~20℃时不同辐射对热感觉的影响作用
在15~20℃的中温段，不同辐射强度段对室外热感觉的影响形成两挑斜率相近的曲线，在两个辐射段下，每升高100W/m2，热感觉提高1个单位。
但不同辐射强度带来的热感觉作用不同，高温段平均热感觉比地低温段高1个热感觉单位。当辐射值相对较低时（Sstr≤450W/m2），人体热感觉普遍低于中性“0”，随着辐射值的继续增加，热感觉提升明显；在B辐射段内，当辐射值在600W/m2左右时，人体热感反而降低，主要由于此时平均风速达到1m/s，较高的风速增加人体与空气的对流换热，使得热感觉降低；当辐射继续增加后人体热感觉为偏热状态。
图4 15~20℃时不同辐射通量与热感觉投票关系
在该温度段下，存在两个热中性辐射值，分别为525W/m2和650W/m2，主要与室外着装情况和当时风速大小有密切关系，该结果表明，在该温度（15~20℃）的室外气候条件下人们热感觉变化范围广，可以通过服装调节达到热中性状态。
3.3.3 不同温度段下辐射影响对比
通过两个空气温度段下，太阳辐射强度的变化对于人们在室外的热感觉影响结果可以看到，较低空气温度段下太阳辐射强度增加对于热感觉的提升作用更为显著，且低温段时太阳辐射与热感觉的相关程度更为密切（R2:0.98＞0.84＞0.48）。
空气温度较低时，如果太阳辐射同样较低，则人们冷感强烈，随着辐射的增加，人们可以达到热中性状态，最高的投票结果未超过“微暖”；但是当室外的空气温度在15~20℃较适中范围内是，人体热感觉在不同的辐射强度下分布在-2~2单位区间内；温度较高时，人们热感觉分布较广，随着太阳辐射强度的不同，热感觉波动较大。
3.4 风速、温度与辐射对热感觉的耦合作用
3.4.1 5~10℃，耦合作用下风速对热感觉的影响
由上文可知本文秋冬季节进行的实验结果显示，太阳辐射与室外热感觉相关性最为密切，单一研究风速与热感觉关系时会受到太阳辐射的影响，为进一步确定风速在不同温度与辐射强度背景下对热感觉的作用，同时将空气温度与太阳辐射作为控制变量，研究风速的变化时人体热感觉的变化规律。
在较低空气温度段下，风速的增加降低了人体热感觉，相比高辐射段（500~630W/m2），辐射在较低范围内（40~150W/m2）时，对人体的冷却作用更强烈。
图5 5~10℃时不同辐射段下风速与热感觉投票关系
3.4.2 15~20℃，耦合作用下风速对热感觉的影响
在适中温度段下，将太阳辐射强度分为高中低三种水平，分别为低辐射（0~450W/m2）中辐射（450~600W/m2）和高辐射（＞600W/m2）。不同风速与辐射段组合下得到不同气候工况与室外人体热感觉的关系，结果表明：风速在该适中温度段下仍增加人体冷感，随着风速的增大，热感觉快速降低；但是在不同强度的太阳照射下，风速的增加对热感觉的降低程度存在较大差异，在中辐射段下，风速的降低作用小于其他两个辐射段，说明在适中的温度和辐射工况下，风速对应人们热感觉的影响也不那么敏感；但是低辐射和高辐射段，其降低作用较高，特别是在低辐射段，随着风速的增加，热感觉快速降低；风速的冷却作用大小顺序为：低辐射段>高辐射段＞中辐射段。风速每增加1m/s，低辐射段热感觉降低1.26个单位，高辐射段降低0.59个单位，中辐射段降低0.26个热感觉单位。
图6 15~20℃时不同辐射段下风速与热感觉投票关系
3.5 环境参数对热感觉的影响权重
利用统计分析软件SPSS对室外环境参数与人体热感觉投票执行执行多元线性回归分析，获得标准化回归化参数如表3所示。由于在多元线性回归中，各自变量取值单位和离散程度不同，量纲不同的各回归系数之间不能直接比较大小。标准化回归系数是先对所有的自变量和因变量进行标准化转换，以标准化后的各自变量为自变量，重新建立回归方程得到的回归系数，因此该数值可以反映不同的气候参数对人体热感觉的影响，由于本文进行的室外热舒适研究获取的相对湿度与人体热感觉无相关性，因此在进行影响权重计算时，为防止相对湿度对计算结果产生干扰，未将其列入计算范围。
表3 不同温度段气候参数对室外热感觉影响权重
表中数值分别为低温段和中温段下三项环境参数对室外人体热感觉的影响权重，结果显示，两个温度段下太阳辐射均是影响室外热感觉的决定性因素，其次是空气温度和风速，其中风速与热感觉始终呈负相关；其中低温段时空气温度的标准化系数也为负值，主要由于此时太阳辐射影响程度非常高（0.8），低温高辐射带来的效果使得空气温度对于热感觉呈负相关作用。
对比中温段与低温度下各项参数的权重大小可以发现，中温段时温度和风速的影响作用均有所上升，太阳辐射的影响作用明显降低，因此，随着温度的升高，人们在室外条件下受到各项气候参数的综合作用影响。
4 结论
本文主要分析秋冬季节下室外气候参数与人体热感觉的影响重要性，并进一步确定了低温段和中温段下，太阳辐射与风速对室外热舒适的敏感性，主要结论如下：
（1）进行太阳辐射与人体热舒适的研究时，人体辐射通量（Sstr）与人体热感觉投票的相关性优于总辐射值（Sstr:R2=0.45,G: R2=0.27）；
（2）秋冬季节，室外太阳辐射是影响室外热感觉的决定性因素，其次是空气温度和风速，相对湿度是影响程度最弱的因素。
（3）比较空气温度为5~10℃的低温段和15~20℃的中温段时，太阳辐射与热感觉的相关性更为密切（R2:0.98＞0.84＞0.48），影响作用在低温段更为明显标准化系数为0.80，中温段为0.64。处于低辐射段时，人们冷感强烈，若太阳辐射处于较高水平人们普遍达到热中性状态，辐射强度的高低直接决定了人们的冷热感觉。
（4）随着空气温度的增加，温度和风速对人体热感觉的影响作用也随之增加，但仍远低于太阳辐射的作用，具体权重大小见表3。
（5）风速对于人体热感觉的影响并不恒定。其影响作用较小，且受辐射和空气温度的干扰，为探究其影响作用，对空气温度和辐射进行变量控制。结果表明在不同温度段下，风速均在低辐射段的冷却作用最为强烈，其大小顺序为：低辐射段＞高辐射段＞中辐射段。风速每增加1m/s，低辐射段热感觉降低1.26个单位，高辐射段降低0.59个单位，中辐射段降低0.26个热感觉单位。
参考文献
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备注：本文收录于《建筑环境与能源》2019年5月刊总第21期。
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