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    上海国歌广场热舒适研究

    关键词:风景园林;城市广场;户外热舒适;热感觉;上海国歌广场

    Key words:landscape architecture; urban square; outdoor thermal comfort; thermal sensation; Shanghai Guoge Square

    摘要:主要讨论上海国歌广场夏秋冬三季物理环境及广场使用者的热感知和偏好。现场进行小气候实测和问卷调查,21个测试日共获得问卷878份。研究采用主观评价与客观评价结合的形式评价热舒适。客观评价指标采用预测平均投票(PMV)、生理等效温度(PET)和标准有效温度(SET*)3个指标。结果表明:1)广场夏季热舒适问题相较秋冬两季更为突出;夏季,80%受访者期望空气温度降低、风速升高;秋冬两季,近半数的人希望温度升高、风速降低、太阳辐射增强;夏季,居民太阳辐射偏好与空气温度值呈显著负相关;秋冬两季,居民风速偏好与空气温度呈正相关,与太阳辐射呈负相关;2)预测PMV不适合评估上海广场户外热舒适;使用PET计算的热中性温度为16.2℃,热舒适范围为7~25℃;使用SET*计算的热中性温度为17.1℃,热舒适范围为10~24℃。本研究成果可为风景园林师优化上海高密度环境下的户外热环境提供评判依据。

    Abstract:This paper mainly discusses the physical environment in three seasons (summer, autumn and winter respectively) and the users' thermal sensation and preference at Shanghai Guoge Square. The actual measurement and questionnaire have been carried out; as a result, 878 questionnaires were obtained during 21 test days. In this paper, the thermal comfort was evaluated by means of subjective and objective assessments, in which, the objective assessment adopted Predicted Mean Vote (PMV), Physiological Equivalent Temperature (PET) and Standard Effective Temperature (SET*) as the three indexes. Indicated by the results, 1) the thermal comfort problem at the square in summer was more prominent than that in autumn and winter. In summer, 80% interviewees expected reduced air temperature and increased wind speed while in autumn and winter, almost half interviewees were longing for increased air temperature, decreased wind speed and enhanced solar radiation. In summer, the resident' preference to solar radiation was negatively correlative with the air temperature; in autumn and winter, the residents' preference to wind speed was just positively correlated with the air temperature and negatively correlated with the solar radiation; 2) it was predicted that PMV would be unsuitable to assess the outdoor thermal comfort on Shanghai squares. The thermal neutral temperature calculated by PET was 16.2°C with the thermal comfort range from 7-25°C; by contrast, the thermal neutral temperature calculated by SET* was 17.1°C with the thermal comfort range from 10-24°C. These achievements are expected to provide evaluation basis to the landscape architects for optimizing the outdoor thermal environment under high density condition in Shanghai.

    内容:全球气候变暖,城市热岛效应加重,持续高温对人们的健康以及户外活动产生损害[1-2]。改善城市公共空间小气候,为居民塑造舒适的户外活动场所成为风景园林师的重要责任。
    户外环境热舒适研究在生物气象学、城市气象学等领域广泛展开[3-7]。其研究内容可归纳为三大方面:热舒适与气候参数的关系、热舒适感知和场地利用,以及热舒适模拟与评价方法。在气候参数与人体热舒适方面,对于热舒适,不同地区有不同的气候影响要素,例如在香港,广场夏季热舒适受风速、热辐射影响较大[8];在日本,空气温度、相对湿度、太阳辐射及风速均会影响广场和公园的夏季热舒适[9]。在热舒适感知与大众行为方面,大众热感知、热偏好和场地利用是研究热点。学者Sanda Lenzholzer针对大众对广场空间热感知进行了系列研究,得出广场热感知地图[10-12]。在热舒适模拟和评价方法方面,预测平均投票(PMV)、生理等效温度(PET)、标准有效温度(SET*)及普遍热舒适指数(UTCI)等评价指标被广泛使用。
    广场是户外热舒适研究的重要空间类型之一[13]。经过3年的连续研究,本课题组在上海广场小气候与空间形态关系的研究中取得了一些成果[14-16]。本文在已有研究的基础上,针对遮阴水平较高的上海国歌广场进行使用者户外热舒适感知及偏好研究,计算广场热舒适范围。研究成果将会为风景园林师优化上海高密度环境下的户外热环境提供评判依据。

    1  研究方法
    1.1  实验场地
    上海中心城区位于东经121°25′,北纬31°14′,平均海拔4m。国歌广场位于上海中心城区之一的杨浦区,广场占地2.7hm2,地块近方形,平面形式为中心圆环向外辐射式构图。选择此广场作为实验场地的原因如下:1)广场景观形态与要素满足实验需求,既有开阔平坦的大广场,也有丰富的树木遮阴;2)广场上大小活动空间充足;3)广场有较为固定的使用人群。
    1.2  数据收集
    本研究的数据收集基于小气候参数的实地测量与广场活动人群的问卷调查。实验时间跨越夏、秋、冬三季,共计21个晴朗天气日。夏季实验时间为2016年8月10—12日、16—21日;秋季实验时间为2016年9月23—25日、11月3—5日;冬季实验时间为2016年12月3—5日、2017年1月13—15日。夏秋两季的小气候实测与问卷调研时间为7:00—19:00,冬季为7:00—17:00。
    1.2.1  小气候测量
    测试仪器采用美国生产的Watchdog小型气象站,实验设定为每10min自记一次。空气温度测定范围为-32~100℃,精度为±0.6℃;相对湿度测定范围为10%~100%(5~50℃时),精度为±3%;风速测定范围为0~241km/h,精度为±5%;太阳辐射度测定范围为0~1 500wat/m2,精度为±5%。设备装配在一个1.5m高的三脚架上,与成人头部和颈部的高度接近。测点分布如图1所示。
    1.2.2  问卷调查
    调研问卷包括两部分内容。第一部分调查受访者对于小气候参数的热感觉和热偏好,第二部分记录受访问者的个人信息、衣着和活动状态。总体热感觉投票使用7点标度,热舒适投票使用4点标度(非常不舒适、不舒适、舒适和非常舒适)。空气温度、相对湿度、风速和太阳辐射4个小气候参数的热感知和热偏好投票分别使用5点标度和3点标度。共获得有效问卷878份,夏季、秋季和冬季分别为284、328和266份。
    1.3  热舒适指标
    本研究比较了预测平均投票(PMV)、生理等效温度(PET)和标准有效温度(SET*)3个热舒适指标,计算软件为RayMan[17]。
    1.3.1  预测平均投票(PMV)
    预测平均投票(PMV)于1970年由丹麦的范格尔教授提出,是表征人体热反应(冷热感觉)的评价指标,代表了同一环境中大多数人的冷热感觉。国外学者Edward Ng[18]、Katia Perini[19]等在研究中使用PMV做评价指标,蒋罗莹等[20]论述了PMV指标评价户外热舒适的缺陷,文中提到PMV适用于亚洲区时,修正系数为0.7。
    1.3.2  生理等效温度(PET)
    生理等效温度(PET)由Höppe提出,是在慕尼黑人体热量平衡模型MEMI基础上推导出的热指标,定义为在某一室内或户外环境中, 人体皮肤温度和体内温度达到与典型室内环境同等的热状态所对应的气温。该指标便于非专业人员以室内的热经历来评价复杂的室外热环境,被国内外学者广泛使用[21-24]。
    1.3.3  标准有效温度(SET*)
    标准有效温度(SET*)指在室内环境条件均匀、空气温度等于平均辐射温度、相对湿度为50%、静风状态的标准环境中,穿着标准热阻服装(0.6clo)的人员,其活动量对应于新陈代谢率为58W/m2(相对于伏案工作),此时人体的皮肤温度、皮肤湿润度和热损失均与标准环境相同,该标准环境温度即为标准有效温度。国内外使用SET*做评价指标的学者有朱岳梅[25]、林波荣[26]、Jennifer Spagnolo[27]等。

    2  结果与讨论
    首先介绍21个实验日广场上4种小气候参数的基本状况;其次分析人们总体热感觉、热舒适以及热偏好;最后结合主观数据评估3个热舒适指标。
    2.1  广场小气候基本状况
    上海属亚热带季风性气候,春天温暖,夏天炎热,秋天凉爽,冬季阴冷。2000年以来,上海夏季每年的最高温度均高于38℃,超过35℃的高温天数约为10天[28]。广场小气候一方面受城市气候影响,同时也受广场外环境以及广场规划设计布局的影响。图2为21个实验日7:00—19:00广场上的空气温度、相对湿度的最大值、最小值、平均值,以及风速与太阳辐射的最大值和平均值。实验日1~9为夏季,10~15为秋季,16~21为冬季。空气温度变化范围为3.8~38.2℃,由夏季至冬季逐渐降低;相对湿度范围为28.2%~97.5%,相对湿度平均值在50%~70%,夏秋两季广场相对湿度最大值和最小值差值较大,冬季较小;最大风速为2.5m/s,1月实验日平均风速值显著高于其他测试日;由夏至冬,太阳辐射值降低,最高太阳辐射值为1 112wat/m2。
    878份问卷对应的小气候要素的统计结果如表1所示。问卷中的空气温度最大值和太阳辐射最大值均低于21个实验日的最大值。这是由于夏季正午空气温度过高、太阳辐射过强,广场上没有人活动而导致。
    2.2  热舒适
    2.2.1  热感觉和热舒适
    夏、秋、冬三季热感觉投票(TSV)结果如图3所示。在夏季,热感觉为中性(TSV=0)的人为22.2%,热感觉为微热(TSV=2)的人占比较高,为44%;在秋季,热感觉为中性的人占比最高,为69.5%;在冬季,当空气温度范围在3.5~20.7℃时,最普遍的热感觉仍为中性,占比60.5%。以上数据表明,60%以上的广场活动者在秋冬两季晴天中能够获得中性的热感觉,而在夏季,热感觉偏热的人占比较高。对热可接受度进行分析,秋季最高,为100%;冬季其次,为98.9%;夏季最低,为93.7%,表明受访者对于受访时小气候的冷热程度是可接受的。
    夏、冬、秋三季热舒适度投票结果如图4所示。在秋冬两季,感到舒适和非常舒适的人群占比较高,秋季为99.1%,冬季为90.9%。秋冬两季相比较,在秋季感到非常舒适的人群占比更高,为42.1%。在夏季,感到舒适的人群占比为60.5%,39.5%的人感觉不舒适,与秋冬两季相比,在夏季感觉不舒适人群占比最高。
    2.2.2  小气候参数偏好
    户外热舒适与小气候参数密切相关。图5显示了不同季节人们对于空气温度、相对湿度、风速和太阳辐射4个小气候因子的偏好。在夏季,80%以上的人期望空气温度降低、风速升高;在秋冬两季,近半数的人希望空气温度升高、风速降低、太阳辐射增强。
    人们对于小气候参数的偏好受到小气候参数的综合影响。本研究使用斯皮尔曼等级相关分析法进一步揭示小气候参数偏好与小气候参数值之间的关系,表2是对3个季节总体小气候参数偏好与小气候参数值进行的相关分析。数据表明,空气温度、相对湿度、风速和太阳辐射4种小气候参数偏好均与空气温度值显著相关,其中风速偏好与空气温度值呈正相关,高达0.739;太阳辐射偏好和相对湿度偏好与空气温度呈负相关。逐季分析结果显示,夏季,对于太阳辐射的偏好与空气温度值呈显著负相关;秋冬两季,风速偏好与空气温度呈正相关,与太阳辐射呈负相关。
    2.3  热舒适指标评估
    PMV、PET和SET*在户外热舒适评估中使用较为普遍,3个指标与TSV对应关系见表3。本研究验证了上述3个热舒适指标在上海城市广场中的适用性。
    2.3.1  预测平均投票(PMV)
    为了检验PMV在上海广场环境中是否适用,本研究计算了PMV所对应的平均热感觉投票(MTSV),图6反映了PMV与MTSV之间的关系,其对应的回归方程如下:
    MTSV=0.363PMV+0.501(R2=0.685,p<0.001)     
    PMV对应的热中性范围为-0.5~0.5,而在本研究中当MTSV=0时,PMV值为-1.38,这表明,PMV不适合评估上海广场户外热舒适。
    2.3.2  生理等效温度(PET)
    PET在户外热舒适研究中被广泛应用于计算中性温度。为了计算热舒适范围,本研究采用了Lin等人所使用的方法,即计算每一度PET对应的平均热感觉[29]。例如,温度在21~22℃时,计算出这一时间段所有受试者的平均热感觉为0.18,则平均热感觉为0.18所对应的PET为21.5℃。经回归分析得出878名受访者的MTSV与PET之间的关系(图7)。回归方程如下:
    MTSV=0.055PET-0.893(R2=0.753,p<0.001)    
    据此方程,可以计算出人们感觉不冷不热时的中性温度,即MTSV=0时,PET值为16.2℃。TSV在-0.5~0.5时,广场上人们的热舒适范围为7~25℃。这一范围要比天津的热舒适范围11~24℃更为宽广,远远高于欧洲的18~23℃和我国台湾地区的26~30℃。这可能有2点原因:其一是相比于其他3个地区,上海的月平均气温变化范围更大,为5~30℃,天津地区的月平均温度范围为-3~26℃,台湾地区的月平均温度变化范围为16~29℃,欧洲地中海气候区则在2~20℃[30];其二是在广场上活动的人已经适应了天气变化所产生的刺激。
    2.3.3  标准有效温度(SET*)
    本研究使用了同样的方法计算SET*,图8表明了MTSV和SET*的相互关系,对应的回归方程为:
    MTSV=0.073SET*-1.247(R2=0.785,p<0.001)
    当MTSV=0时,SET*值为17.1℃,对应的热舒适范围为10~24℃。

    3  结论
    本文对上海国歌广场进行了夏秋冬三季共计21天的小气候物理测试和大众心理感知研究,并得出以下结论。
    广场小气候在实验期间空气温度变化范围为3.8~38.2℃;相对湿度变化范围为28.2%~97.5%,夏秋两季广场相对湿度最大值和最小值差值较大,冬季较小;1月平均风速为0.5m/s,高于其他实验日;由夏至冬,太阳辐射值降低,夏季,最高太阳辐射值为
    1 112wat/m2。
    60%以上的广场活动者在秋冬两季晴天中能够获得中性的热感觉,而在夏季,热感觉为中性(TSV=0)的人为22.2%,热感觉为微热(TSV=2)的人占比较高,为44%。90%以上的广场活动者在秋冬季节感觉热舒适,在夏季,仅有60%的人感觉舒适。广场夏季热舒适问题相较秋冬两季更为突出。在夏季,80%受访者期望空气温度降低、风速升高;在秋冬两季,近半数的人希望温度升高、风速降低、太阳辐射增强。在夏季,对于太阳辐射的偏好与空气温度值呈显著负相关;在秋冬两季,风速偏好与空气温度呈正相关,与太阳辐射呈负相关。
    PMV不适合评估上海广场户外热舒适;使用PET计算的热中性温度为16.2℃,热舒适范围为7~25℃;使用SET*计算的热中性温度为17.1℃,热舒适范围为10~24℃。
    本研究中的城市广场具有较多的树木遮阴,研究成果可为风景园林师优化上海高密度环境下遮阴充足的户外热环境提供评判依据。在未来的研究中还应包含小气候条件更加多样的场地空间,如树木较少的场地或水体较多的场地等,为进一步通过风景园林小气候设计优化城市户外环境提供更多数据支撑。

    注:文中图片均由作者绘制。

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    (编辑/刘欣雅)