WBGT和UTCI標準在有效陰影區測試中的適用性分析★

陳 敬 王 芳

(1.西安建筑科技大學，陜西 西安 710055; 2.西部綠色建筑協同創新中心，陜西 西安 710055)

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·綠色環保·建筑節能·

WBGT和UTCI標準在有效陰影區測試中的適用性分析★

陳 敬1,2王 芳1,2

(1.西安建筑科技大學，陜西 西安 710055; 2.西部綠色建筑協同創新中心，陜西 西安 710055)

以人在街區內的舒適性為研究內容，介紹了WBGT指數及UTCI指數兩種常用的評價室外熱舒適性的方法，從適用范圍、計算方法、測試方法、評價標準四方面，進行了對比分析，闡明了兩種方法對于提取有效陰影區的適用性。

WBGT指數，UTCI指數，有效陰影區，亞熱帶地區

在基于陰影區理論的室外步行街生態設計中，人在街區內的熱舒適性是重要的研究內容。目前國內關于室外人體舒適性的研究方法比較多，但是如何找到一種有效的評價方法，將室外的熱環境評價能夠量化并轉化成為可供設計參考的空間邊界，這是界定有效陰影區邊界的重要依據，也是基于陰影區理論的室外步行街生態設計方法的重要內容。目前國際上常用的評價室外熱舒適性的方法主要有WBGT指數與UTCI指數。本文將針對這兩種不同的測試方法，根據其自身的特點及其實測的數據來判斷其在亞熱帶地區室外步行街生態設計中的適用性。

1 WBGT指數測定方法

1.1 WBGT指數簡介

WBGT指數亦稱為濕球黑球溫度，是綜合評價人體接觸作業環境熱負荷的一個基本參量，單位為℃。國內根據WBGT指數分別頒布GB/T 17244—1998，GB T4200—2008等標準，其中GB/T 17244—1998熱環境 根據WBGT指數對作業人員熱負荷的評價為在室外熱環境條件下作業人員的熱負荷提供了一定的評價標準[1-3]。

1.2 適用范圍

該方法可以用來評價在整個工作周期中人體所受的熱強度，適用于評價工業領域工作場所以及建筑室外的熱環境狀況。不適宜于評價短時間內或熱舒適區附近的熱強度。

1.3 計算方法

WBGT綜合考慮空氣溫度、風速、空氣濕度和輻射熱四個因素，能夠較好的預測中暑的室外環境。它由黑球溫度(tg)、自然濕球溫度(tnw)、干球溫度(ta)三個部分溫度構成，并由下列式計算得出結果。其中，式(1)為無太陽輻射條件下的WBGT指數計算方法，式(2)為有太陽輻射條件下的WBGT指數計算方法:

WBGT1=0.7tnw+0.3tg

(1)

WBGT2=0.7tnw+0.2tg+0.1ta

(2)

1.4 測試方法

以其中一天的測試過程為例，將兩臺熱壓指數測試儀器分別布置于太陽直接照射的區域與陰影區內進行測試，獲取日照區和陰影區范圍的自然濕球溫度、黑球溫度、空氣干球溫度數值；根據自然濕球溫度、黑球溫度、空氣干球溫度數值和式(1)，可以確定室外無太陽輻射時WBGT值。進一步根據式(2)可以確定室外有太陽輻射時WBGT值。

1.5 評價標準

式(1)和式(2)是根據人體室外熱舒適標準GB/T 17244—1998中關于室外人體熱安全性確定的，其中，GB/T 17244—1998為《熱環境 根據WBGT指數對作業人員熱負荷的評價》。在該標準中的表1為WBGT指數評價標準，表2為能量代謝率分級。在本研究案例中，考慮到步行街中的行為主要以低代謝率的閑步為主。而表2中的1低代謝率和表1中的平均能量代謝率等級中的1級，對應的溫度范圍為30 ℃～32 ℃之間，也就是說在以閑步為主的活動中，WBGT指數超過31 ℃時，人的熱感知就會比較差，存在中暑的可能性。而31 ℃又會分成在太陽輻射條件下以及在沒有太陽輻射的條件下(例如在陰影區中)，在沒有太陽輻射的條件下的WBGT指數超過31 ℃時，也就是說在這個時刻以后，陰影區利用也難以解決熱環境的問題，需要考慮采用其他的方法來緩解極端熱環境所帶來的不利影響。

2 UTCI測定方法

2.1 UTCI指數簡介

UTCI(Universal Thermal Climate Index)通用熱氣候指標是德國2009年在Cost Action 730提出的，它提供了一種建立在等價生理動態響應等生物氣象學應用的戶外熱環境評價方法，其中還通過觀測直腸溫度，結合菲亞特等國際上先進的服裝模型，符合人體工程學標準[4]。

2.2 適用范圍

這種方法可以較為準確的評價在室外氣候條件下的人體的熱舒適情況。

2.3 計算方法

UTCI的計算方法較為復雜，但在UTCI網站中給出了較為簡便的計算程序，UTCI指標在計算過程中會涉及到氣溫(Ta/℃)、輻射溫度(Tmrt/K)、水蒸氣壓力(Water vapour pressure/hPa)、相對濕度(RH/%)、風速(Wind speed/m/s)等相關的參數。將這些參數代入UTCI網站給定的計算器中(UTCI Calculation)就可以計算出相應的UTCI指標。

2.4 測試方法

在UTCI指標的相關參數中，氣溫(Ta/℃)、相對濕度(RH/%)、風速(Wind speed/m/s)的數據可以通過實地直接測試的方法得到相關數據。水蒸氣壓力(Water vapour pressure/hPa)通過UTCI網站中 Richard DeDear教授給出的相關程序，可以計算出相應的數值。ΔTmrt可以根據公式ΔTmrt=Tmrt-Ta計算得出。其中，Tmrt為平均輻射強度，W·m-2·s-1；Ta為氣溫，℃。Tmrt，Ta可以通過儀器直接測定。測試過程以一天內日出到日落為一個測試周期，采用每半小時為固定時段進行逐時測試，將相關的數據進行記錄。

2.5 評價標準

UTCI指數的評價標準分為10個等級(見圖1)。其中9 ℃～26 ℃為標準的舒適溫度。高于這個區間的溫度熱感覺會逐漸加劇，而低于這個區間的溫度冷感覺會逐漸加劇。這個評價標準類似于室內熱環境評價中常用的PMV評價方法。不同于PMV的是，UTCI指數的等級劃分的更加的精細，并且對每一個等級中給出明確的可供參考的溫度指標。

3 兩種方法對于提取有效陰影區的適用性

3.1 實測數據分析

圖2～圖5是根據WBGT指數測試方法采集到的相關數據。從圖3～圖5可以看出，太陽輻射強度從7:00左右開始一直在加強，在13:15左右達到最高值。圖4表明的是從7:00開始，在直接太陽輻射下，WBGT指數在7:40左右達到31 ℃。隨著太陽輻射強度的增加，在太陽輻射下的WBGT指數會持續增加。而在陰影區中，WBGT指數除了個別時間點外，大多數時間都不大于31 ℃。這說明依靠陰影區是可以有效控制室外熱環境的(即可以控制在中暑的邊界溫度之內)。

圖6～圖9根據UTCI指數測試方法采集到的相關數據。在進行數據處理的時候，同樣采用的是在陰影區內采集的數據(即圖1中的數據)。在計時上也是采用8:00開始，為的是可以對比UTCI指數測試方法與WBGT指數測試方法之間的差異性。根據圖9測試結果表明UTCI指數的變化范圍在33.7 ℃～37.5 ℃之間變化。對照圖1UTCI指數評價標準可以看出街區在測試的時間段內屬于強熱壓的范圍，不能滿足熱舒適度(no thermal stress或moderate heat stress)的要求。

3.2 實測方法適用性分析

由于基于陰影區理論的室外步行街生態設計中需要挑選出有效陰影區的范圍，那么在實際的測試過程中需要一個明確的測試邊界，從而可以測試出明確的時間段內的陰影區的范圍。

在WBGT指數測試方法中，其自身存在以下的特點：

1)具有明確的可供參考的規范標準。

GB/T 17244—1998標準中給出了明確的行為方式以及測試溫度的邊界值，因此在測試的過程中可以以31 ℃為測試邊界，無論是在太陽輻射條件下還是在無太陽輻射條件下(陰影區中)。只要超過這個邊界，我們就可以認為人有中暑的可能性。

2)區分了在有太陽輻射和無太陽輻射的情況。

在GB/T 17244—1998標準中區分了在太陽輻射條件下和無太陽輻射條件下(陰影區中)的計算方法，這為界定有效陰影區和無效陰影區提供了標準。因為在冬季或是清晨，即使是在太陽輻射條件下，WBGT指數不大于31 ℃，甚至更低，對人會產生積極的影響，所以這個時候，陰影區存在的意義并不明顯。而在太陽輻射下WBGT指數大于31 ℃時，陰影區存在的意義就會凸顯出來。

而在UTCI指數測試方法中，其測試的參數并沒與涉及到與太陽輻射直接相關的參數，無法直接斷定是否是在太陽輻射條件下，所以難以與陰影區產生直接的聯系，另一方面，由于在UTCI指數測試方法中并沒有給定明確的測試邊界，根據對海口市中山路的實測表明，即使在陰影區中其UTCI指數的范圍是在33.7 ℃～37.5 ℃之間，也是不符合人體舒適度要求的。其測試結果并沒有明確的設計導向性，也無法給出解決問題的策略，因此在基于陰影區理論的室外步行街生態設計方法中并不適用,只可以采用本方法對有效影區內的熱舒適狀況研究進行補充說明。

[1] GB T4200—2008,高溫作業分級[S].

[2] GB/T 17244—1998,熱環境 根據WBGT指數對作業人員熱負荷的評價[S].

[3] 譚琳琳,甘永祥.WBGT指數與中暑預防[J].中國高新技術企業，2008(22):182,185.

[4] 唐進時,申雙和,華榮強，等.熱氣候指數評價中國南方城市夏季舒適度[J].氣象科學，2015,35(6):769-774.

Applicability analysis of WBGT and UTCI index in valid shaded area test★

Chen Jing1,2Wang Fang1，2

(1.Xi’anUniversityofArchitectureandTechnology,Xi’an710055,China；2.WesternGreenBuildingCollaborativeInnovationCenter,Xi’an710055,China)

Taking people’s comfort degree in street as the research contents, the paper introduces two kinds of common indoor and outdoor thermal comfort evaluating methods of WBGT index and UTCI index, carries out comparative analysis from four aspects of application scope, calculation methods, testing methods and evaluating criteria, and explores their applicability for extracting effective shadow region.

WBT index, UTCI index, effective shadow region, subtropical region

1009-6825(2017)18-0173-03

2017-03-27★：國家自然科學基金青年項目“華南地區商業步行街室外空間生態設計模式研究”(51508437)；國家自然科學基金重大項目“極端熱濕氣候區超低能耗建筑模式及科學基礎”(51590913)

陳 敬(1981- )，男，副教授

TU201.5

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