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    校园人群活动空间夏季小气候及热舒适研究

    关键词:风景园林;校园活动空间;小气候;现场实测;热舒适

    Key words:landscape architecture; campus space; micro-climate; field measurement; hot comfortable

    摘要:以浙江农林大学东湖校区为研究对象,对夏季校园人群活动空间小气候进行实测。主要针对广场、林荫路、木栈道、草坪这4种人群集中活动空间的空气温度、相对湿度、风速、太阳辐射强度进行测定。通过测得的数据,分析、比较不同校园人群活动空间的小气候效应状况;并通过RayMan1.2软件,计算不同校园人群活动空间的生理等效温度(PET),对比PET与小气候因子之间的关系。通过风景园林规划设计,结合校园人群活动空间的空间结构,探讨校园人群活动空间的适宜性设计,以及风景园林规划设计在调节改善校园人群活动空间小气候中的作用。

    Abstract:Taking the Donghu campus of Zhejiang Agriculture and Forestry University as the research object, the spatial micro-climate of summer campus activity space was measured. The air temperature, relative humidity, wind speed and solar radiation intensity of the four active areas of square, boulevard, wood plank road and lawn were measured. Based on the measured data, the microclimatic effects of the activities of different campus population were compared and analyzed. The relationship between PET and the microclimatic factors was calculated by calculating the physiological equivalent temperature (PET) of the activity space of different campus population by RayMan1.2 software. Through the planning and design of landscape architecture and the spatial structure of campus space, this paper discusses the suitability design of campus space and the role of landscape planning and design in regulating the spatial micro-climate of campus activity space.

    内容:

    小气候(micro-climate)是指在具有相同的大气候特点的范围内,由于下垫面条件、地形方位等各种因素不一致而在局部地区形成的独特气候状况[1-4]。小气候的研究对于提高周边环境舒适性、改善人居环境、提升人们的生活品质等方面有着重要作用,而风景园林又是改善小气候环境的直接因素[5],通过风景园林要素改善户外环境微小气候,在气候适应性设计中起着至关重要的作用[6]。校园是师生学习、交流、休憩的场所。校园环境的舒适性是影响师生学习交流的外部条件,一个舒适的校园环境更是能促进师生交流,对学生的健康成长起着耳濡目染的作用[7]。而风景园林规划设计又是体现校园环境质量的决定性因素。目前,对于校园人群活动空间小气候的研究,多集中于北方、西北方、广州地区等高校,对于南方杭州地区高校的研究较少[8-11]。本文对浙江农林大学校园人群活动空间夏季小气候的研究,通过对各种校园人群活动空间的夏季小气候要素进行实测,对比分析不同校园人群活动空间设计要素对校园环境小气候的影响,结合人体舒适度评价体系,探求校园人群活动空间与小气候之间的关系,为提高校园人群活动空间舒适性的风景园林规划设计提供启发和理论依据。

    1  实测试验
    1.1  实测场地
    本文试验地点为杭州市临安区浙江农林大学东湖校区,基地位于北纬30°26′,东经119°73′,处于亚热带季风气候带,夏热冬冷气候区,气候特征表现为冬冷夏热,春秋短、冬夏长。
    实测点选择东湖周边人群集中活动的区域,主要集中在五舟广场及其周边(Square,简称S组)和图书馆前大草坪(Lawn,简称L组),共16个测点,4个类别。具体情况如图1、2和表1所示。
    1.2  实测方法
    测量方法为移动观测,3人一组,共2组,手持测量仪器,离地面1.5m仪器垂直于地面,每个测点停留3min以上,记录3组平稳数据(取其均值),观测时段8:00—20:00,每小时观测一次。
    1.3  实测时间
    实测时间为2017年7月12、15、16日3天,每天的实测时间为8:00—20:00。观测时段为8:00—20:00,每小时观测一次。实测日实际天气状况见表2。
    1.4  实测仪器(表3)
    1.5  热舒适评价指标
    本文采用生理等效温度(PET)作为评价标准来评价校园人群活动空间的热舒适程度。并采用德国Andress Matzarakis教授研发的RayMan1.2软件[12-13]来计算PET数值。表4是常见的评价模型与热感觉投票的对应范围。
    1.6  实测中问题与解决方法
    移动观测过程中外部人员的近距离干扰会对仪器的数据测量产生较大影响。为避免这种外部因素对试验的影响,在移动观测过程中,测量人员避免与他人接触,且仪器须离人体一臂距离,仪器保持垂直于地面;尽量避免内部和外部人员的交流,如有交流,删除这一段时间的数据,重新测量。
    夏季,雷阵雨的出现非常频繁,这种天气因素对试验影响很大。雷阵雨一旦出现,将直接导致试验暂停,影响这一天数据的记录与分析。为应对这种特殊的天气,按实际情况分为2种,一是阵雨持续时间在1h以内、降雨强度较小(≤2.5mm/h,在中国气象上的降水等级为小雨)时[15],阵雨停止后继续测量,当天测量数据作为特殊情况,在原测量的基础上,选择晴朗少云的天气,加测一天;二是降雨持续时间长、雨量大的情况下,放弃当天的测量数据,另选晴朗少云的天气,加测一天,以确保3天的实测数据。
    实际测量中,12、15、16日天气晴朗少云;13日下午雷阵雨,因其雨量较大,放弃当日测量数据;14日天气多云,对太阳辐射影响较大,且13日的雷阵雨对14日的小气候要素有一定影响,因而没有进行测量。

    2  不同校园人群活动空间夏季小气候实验数据分析
    2.1  空气温度效应分析
    2.1.1  总体变化趋势
    将3天所测广场及其周边(以下简称“S组”)和草坪及其周边(以下简称“L组”)各测点的空气温度值累加,求取平均值,得到各测点在其测量时间段内的积温。如图3-1所示,在L组中各测点的积温排名顺序为L4>L3>L7>L8>L1>L2>L5>L6,其中地处草坪中心的L3和无遮阴小道L4两点的积温相对较高,分别为439.8℃、440.8℃;地处有遮阴小道的L6测点积温最低,为419.9℃,比积温点最高的L4低20.9℃。
    由图3-2可得,S组的各测点积温排名顺序为S4>S3>S2>S5>S1>S7>S6>S8,积温最高点广场边缘S4测点,其积温为449.2℃;积温最低点为林荫道S8测点,其积温为421.4℃,与积温最高点相差27.8℃。其中广场上的测点分别为S1、S2、S3、S4,距离湖边距离依次为0、10、20、30m,其积温排名顺序为S4>S3>S2>S1,可以初步得出距离东湖越远,其积温越高。
    由以上各测点的积温排序及其所得积温值可以得出:无遮阴情况下,有地被测点的积温普遍低于硬质铺装测点的积温,其中草坪中心测点L3的积温相比广场中心测点S3的积温低8.7℃;不同绿地测点相对于硬质铺装的广场测点,均有不同程度的降温作用。
    2.1.2  空气温度日变化
    将实地测量的数据通过Microsoft Excel数据统计软件,绘制各测点空气温度变化的折线图(图4)。通过对比分析发现,各测点的空气温度拥有同步变化规律,且在8:00—16:00各测点之间的空气温度相差较大,16:00—20:00各测点之间的空气温度相差逐渐变小。这是由太阳辐射变化引起的物体或空间之间的热量传递导致而成。从实验可得,太阳辐射对空气温度的影响非常显著,并因各测点物质、空间构成的不同,导致温差出现,随着太阳辐射的减弱,各测点空气温度也随之减弱并趋于稳定。同时,通过对比分析可以看出广场各点的空气温度明显高于草坪、林荫道和木栈道各点的空气温度,林荫道的空气温度最低。
    2.2  相对湿度效应分析
    空气相对湿度对热感觉、热可接受度、热舒适和闷热感等人体热反应有显著的影响[16],研究相对湿度(单位:%RH),对提高人体热舒适感是不可忽视且至关重要的一点。
    将实地测量的数据通过Microsoft Excel数据统计软件,绘制各测点相对湿度折线图(图5)。通过对比分析发现,各测点的相对湿度拥有同步变化规律,各测点的最低、最高相对湿度时间均分别出现在14:00、20:00,且草坪、林荫道各测点的在14:00、20:00的相对湿度明显高于广场、木栈道各测点。在所有测点中,相对湿度最低值35.6%RH,出现在S3测点(广场中心点),最高值84.4%RH出现在L3、L5测点(草坪中心点、草坪与东湖边缘测点)。比较L3(草坪中心点)与S3(广场中心点)两测点的折线图,可以发现S3测点的相对湿度明显低于L3测点的相对湿度,在14:00时低5.6%RH,20:00时低13.1%RH。与中午相比,草坪在晚上的相对湿度与广场相差更大。
    如图5所示,L组、S组的各测点相对湿度在8:00开始下降, 14:00后随着太阳辐射的减弱开始回升,在16:00时开始急速上升。从各测点的相对湿度变化情况来看,相对湿度与太阳辐射呈负相关,与温度呈负相关。
    2.3  风速、风向效应分析
    风速、风向效应是小气候中变化幅度最大、最复杂的一类。
    如图6所示,各测点风速日变化趋势复杂,但广场上测点(S1、S2、S3、S4)上的风速明显大于其他各测点。可初步得出,测点风速受测点的空间结构影响较大,开敞空间的风速明显高于半开敞空间和封闭空间,其中空间封闭程度较高的林荫道L8、S8测点的风速明显低于其他各点。风速的大小在一定程度上影响人的体表感知温度。空间结构可加速或阻碍风速,一定程度上也影响了人体热舒适感,因此,一个适宜的空间结构至关重要。
    基于风景园林空间内部风向具有变化复杂、无规律和不可预知的特点,且本研究对风向研究的数据结果显示,各测点的风向日变化不同,主次风向不明,无规律可循。  
    2.4  太阳辐射效应分析
    通过对比分析图7可以看出,在无遮阴情况下,L2、L3、L4、L7、S1、S2、S3、S4、S7测点的太阳辐射随太阳的东升西落,8:00—12:00之间太阳辐射逐渐升高,于12:00达到最高点,12:00随着太阳的西下而逐渐下降,直至太阳下山,太阳辐射归零;而且从图7还可以看出,太阳辐射在8:00—12:00之间上升缓慢,在12:00—17:00之间急速下降。在全遮阴情况下,各测点的太阳辐射变化不明显,趋于稳定。在半遮阴情况下受测点遮阴物位置和太阳东升西落的影响较大。
    2.5  热舒适效应分析
    生理等效温度(PET)定义为在某一个室内或户外环境中,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[17]。目前,已被国内外学者广泛应用。
    图8分别代表了L组和S组各测点在一天中PET的变化状况。根据表4里的PET评价指标,对比分析图8,各点的PET变化基本为先上升后下降,同比分析其与太阳辐射的日变化图,可以发现两者成正相关。在测量时间内,各点的PET值在20:00时最低,即在测量时间内,此时的人体热舒适最为适宜。L6、S5、S6、S8四点PET值普遍低于其他各点,且趋于稳定,可以初步得出有遮阴能够明显降低PET值,有利于人体热舒适。
    通过RayMan1.2计算PET,在利用Spss19.0软件计算出各点PET值与夏季小气候因子之间的Pearson相关性,得出表5。对比分析表5可以得出,各点的PET与太阳辐射呈显著正相关,与空气温度显著相关,与相对湿度呈显著负相关;对于PET与风速的相关性,各测点显示不一,其中L5、L7、L8、S1、S5、S6测点的风速与其本身的PET没有明显的相关性。对比各点之间,PET与夏季小气候因子的相关性系数也有细微的差别,其中有遮阴的L6、S5、S6、S8四个测点的空气温度与PET的相关性系数明显大于太阳辐射与PET的相关性系数,而其他各点均是太阳辐射与PET的相关性系数大于空气温度与PET的相关性系数。

    3  结论与展望
    实测结果表明,校园不同人群活动空间夏季小气候变化情况与其空间结构、遮阴状况密切相关。受遮阴状况影响,有遮阴各点的积温明显小于无遮阴测点的积温;广场测点积温>草坪测点积温>木栈道测点积温>林荫道测点积温。空气温度的变化主要是由太阳辐射变化引起的,校园人群活动空间的空气温度在受太阳辐射的影响下,由风景园林要素进行调节。植被状况、遮阴情况是本研究对校园人群活动空间各点空气温度的主要影响因子。植被复杂、有遮阴的林荫道测点的空气温度相对最低。相对湿度与空气温度和太阳辐射呈明显的负相关关系。相对湿度在正常的变化趋势下,受风景园林要素的影响,其中植物的影响相对较大。研究中草坪、林荫道测点的相对湿度明显比无绿化的广场高。风速变化复杂,受空间封闭性的影响,空间封闭程度越高,对风速阻碍越强。太阳辐射除了受天气状况的影响外,遮阴状况是其主要影响因子。PET日变化情况结合评价标准,可以看出夏季炎热天气白天并不适合室外活动,一天中人体热舒适感基本处于炎热状态,18:00以后PET降低至人体热舒适相对舒适阶段,相对适合室外活动。
    校园人群活动空间的小气候在受季节、地区大气候影响的前提下,受到风景园林要素的调节。一个优异的校园活动空间设计对提高师生业余活动空间舒适感有着重要作用,校园人群活动空间小气候及人体热舒适的研究,为营造舒适的校园活动空间提供理论数据,尤其在学习压力不断增大的现代社会,提高师生户外活动空间的舒适性,为师生提供一个减压的舒适活动场所是非常必要的。

    注:文中图片均由作者绘制。

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    (编辑/王媛媛)