某農(nóng)村夏季室外樹(shù)蔭下人體熱舒適調(diào)查研究

豆思?jí)?王麗娟 孔培婷

西安工程大學(xué)城市規(guī)劃與市政工程學(xué)院

0 引言

早期熱舒適研究主要集中在室內(nèi)，慢慢的向過(guò)渡空間和室外進(jìn)行延伸，室外熱舒適性研究目的是尋找改善熱環(huán)境措施，而人的主觀感受是評(píng)價(jià)室外熱環(huán)境的直接途徑，通過(guò)室外熱環(huán)境參數(shù)實(shí)測(cè)，結(jié)合人體主觀感受可以得出有利于室外熱環(huán)境改善的一般性結(jié)論。舒適的室外環(huán)境可以增加人們的室外活動(dòng)吸引人群，減少人們室內(nèi)停留時(shí)間，也相應(yīng)地減少了空調(diào)、照明的使用，有利于節(jié)能環(huán)保減少熱能損耗。我國(guó)是一個(gè)發(fā)展中國(guó)家，村鎮(zhèn)人口占大多數(shù)，研究如何提高農(nóng)村居民室外熱舒適也顯得尤為重要。

室外環(huán)境的舒適性，一般用居民熱感覺(jué)來(lái)描述，但在不同國(guó)家和地域長(zhǎng)期生活的居民形成具有地域特征的熱感覺(jué)，氣候環(huán)境不可統(tǒng)一而論且熱舒適研究具有地區(qū)性差異[1]。國(guó)外眾多研究者對(duì)世界不同氣候區(qū)城市室外熱環(huán)境與居民熱舒適進(jìn)行了廣泛的現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查研究[1-4]。我國(guó)的一些研究者對(duì)城市如廣州、大連、重慶等地夏季室外熱環(huán)境進(jìn)行了研究[5-8]。采用不同的室外熱舒適評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)城市和高校的室外熱環(huán)境進(jìn)行了研究，包括OTCD，WBGT 和PET 等室外熱舒適評(píng)價(jià)指標(biāo)[9-11]。上述針對(duì)城市室外熱環(huán)境研究較為集中，很少涉及農(nóng)村室外熱環(huán)境研究且城市和農(nóng)村在室外環(huán)境布局上有較大的區(qū)別。因此，我國(guó)的評(píng)價(jià)體系應(yīng)適應(yīng)和滿足各種環(huán)境各種情況的需求。我國(guó)有研究對(duì)戶外夏季不同遮陽(yáng)環(huán)境下熱環(huán)境參數(shù)進(jìn)行了實(shí)測(cè)發(fā)現(xiàn)改善夏季戶外微環(huán)境的最佳遮陽(yáng)措施是樹(shù)蔭[12-13]。因此，本次測(cè)試調(diào)研以樹(shù)蔭下熱環(huán)境進(jìn)行實(shí)測(cè)為出發(fā)點(diǎn)，采用WBGT 作為室外樹(shù)蔭下熱環(huán)境評(píng)價(jià)指標(biāo)，再結(jié)合居民樹(shù)蔭下的主觀熱感覺(jué)，對(duì)炎熱夏季室外樹(shù)蔭下人體熱舒適展開(kāi)初步研究，鑒于室外熱舒適研究具有地域性等諸多差異，本次以寒冷地區(qū)咸陽(yáng)農(nóng)村為例。研究結(jié)論也可以為村鎮(zhèn)的室外熱環(huán)境設(shè)計(jì)提供了參考。

1 調(diào)研測(cè)試與調(diào)研方案

1.1 調(diào)研基本信息

本次調(diào)研地點(diǎn)選擇咸陽(yáng)市某農(nóng)村住宅區(qū)，咸陽(yáng)市地處陜西關(guān)中平原腹地，是溫暖帶大陸性季風(fēng)氣候。在建筑熱工氣候分區(qū)中屬于寒冷地區(qū)，四季冷熱干濕分明。寒冷地帶面積基本上占到我國(guó)國(guó)土面積的30%，因此本次調(diào)研地點(diǎn)針對(duì)咸陽(yáng)市某村鎮(zhèn)展開(kāi)初步研究。一年中夏季7 月份為最熱月份，因此本次測(cè)量時(shí)間2020 年夏季7 月份的9 日～8 月2 日08:00-20:00 時(shí)間段內(nèi)進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量期間包含晴天和陰天。調(diào)查對(duì)象為在調(diào)研地點(diǎn)居住時(shí)間超過(guò)一年以上的農(nóng)村住宅區(qū)附近居民，受試者基本適應(yīng)了當(dāng)?shù)氐氖彝鈿夂颍茉囌吣挲g分布16～55 歲之間，男性占43.8%，女性占56.2%。室外受試者的身高，體重，年齡和服裝熱阻等信息詳見(jiàn)表1。

表1 人員基本信息

1.2 調(diào)研方法

本次研究采取室外熱環(huán)境參數(shù)測(cè)試和主觀問(wèn)卷相結(jié)合的方式進(jìn)行，得到調(diào)研樣本數(shù)據(jù)后，再結(jié)合數(shù)據(jù)分析方法得到結(jié)論。受試者均在指導(dǎo)下填寫(xiě)問(wèn)卷，無(wú)效問(wèn)卷較少，本次獲得有效數(shù)據(jù)168 份。室外受試者活動(dòng)水平多數(shù)是慢走（新陳代謝約115 W/m2）問(wèn)卷調(diào)查的信息有：①基本信息：年齡、體重、身高和性別；②活動(dòng)水平；③熱感覺(jué)：（+3）熱、（+2）暖、（+1）稍暖、（0）適中、（-1）稍涼、（-2）涼、（-3）冷；④詳細(xì)服裝熱阻；⑤在生活中人們也經(jīng)常利用各種行為調(diào)整自身的熱狀態(tài)，進(jìn)而改善熱舒適狀況，調(diào)節(jié)方法（如扇子、喝冷飲、調(diào)整衣著量，改變活動(dòng)量和樹(shù)蔭遮陽(yáng)等等）。

1.3 測(cè)量參數(shù)和儀器

選擇路邊行人處的樹(shù)蔭下進(jìn)行測(cè)量，樹(shù)蔭下為水泥磚鋪設(shè)地面。測(cè)量選擇1.1 m 處高度測(cè)量，間隔時(shí)間為5 min，由儀器自動(dòng)記錄數(shù)據(jù)，受試者在現(xiàn)場(chǎng)指導(dǎo)下填寫(xiě)主觀問(wèn)題，本次測(cè)試的室外環(huán)境參數(shù)包括空氣溫度，黑球溫度，濕度和風(fēng)速。所用到儀器是Testo400，儀器測(cè)量范圍和精度見(jiàn)表2。具體儀器和現(xiàn)場(chǎng)如圖1。

表2 測(cè)試探頭技術(shù)參數(shù)表

圖1 測(cè)量?jī)x器與現(xiàn)場(chǎng)示意圖

2 結(jié)果分析

2.1 環(huán)境參數(shù)統(tǒng)計(jì)分析

測(cè)量時(shí)間2020 年夏季7 月份的9、10、19 和20 日和8 月份的2 日共計(jì)5 天時(shí)間測(cè)量，在08:00-20:00 選擇時(shí)間段，對(duì)受試者所處室外環(huán)境參數(shù)進(jìn)行測(cè)量，數(shù)據(jù)具體如表3。

表3 環(huán)境要素統(tǒng)計(jì)表

2.2 熱環(huán)境評(píng)價(jià)指標(biāo)

WBGT 是綜合考慮空氣溫度，濕度，風(fēng)速和輻射熱四個(gè)因素的綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)，安全性評(píng)價(jià)指標(biāo)也稱為熱應(yīng)力指標(biāo)，是確保人體在高熱環(huán)境下不受到熱損傷的一種安全技術(shù)指標(biāo)，最著名的是濕黑球溫度WBGT，據(jù)ISO7243，WBGT 的定義為：

式中：Tnwb為自然濕球溫度，℃；Tg為黑球溫度，℃；Ta為空氣溫度，℃。

夏季戶外溫度較高，僅用熱感覺(jué)作為生理應(yīng)變的指標(biāo)往往不夠，因此本次采用WBGT 作為熱應(yīng)力指標(biāo)作為評(píng)價(jià)室外熱環(huán)境的指標(biāo)，閾值見(jiàn)表4。本次室外調(diào)研的WBGT 的分布范圍是22.3～32.9 ℃，平均值為28.2 ℃，整個(gè)測(cè)量期間WBGT 分布頻率直方圖，如圖2。以7 月9 日全天的夏季樹(shù)蔭下的室外熱環(huán)境WBGT 逐時(shí)變化為例，如圖3，可以看出WBGT 溫度在11:00～12:00 出現(xiàn)最高峰值31 ℃，但并未超過(guò)休閑狀態(tài)下人的安全WBGT 限值，說(shuō)明在一天的最熱時(shí)刻，樹(shù)蔭下的熱環(huán)境是較好的。研究發(fā)現(xiàn)樹(shù)蔭下所測(cè)黑球溫度和空氣溫度的相關(guān)性較強(qiáng)，如圖4。

表4 WBGT 評(píng)價(jià)表

圖2 WBGT 分布頻率直方圖

圖3 WBGT 逐時(shí)變化圖（7 月9 日樹(shù)蔭下）

圖4 室外空氣溫度和黑球溫度關(guān)系（7 月9 日樹(shù)蔭下）

2.3 客觀環(huán)境與人體熱感覺(jué)

2.3.1 熱中性值與可接受溫度范圍

為了分析室外人體熱感覺(jué)和室外溫度的關(guān)系（如圖3），采用溫度頻率法（Bin 法）將室外溫度以0.5 ℃間隔分為若干個(gè)有效溫度區(qū)間，以每一個(gè)溫度區(qū)間中心溫度為自變量與平均熱感覺(jué)進(jìn)行線性分析，建立函數(shù)關(guān)系式如圖5，由此可得：當(dāng)MTSV=0 時(shí)，得到室外熱中性溫度t0=27.4 ℃。平均熱感覺(jué)投票MTSV 在-1～1之間時(shí)，認(rèn)為該溫度范圍是可接受的，代入本次研究得到的MTSV 模型計(jì)算可得到可接受的溫度范圍為23～31.8 ℃，其他各地區(qū)建立的實(shí)測(cè)熱感覺(jué)回歸方程結(jié)果對(duì)比，如表5 所示。

圖5 熱感覺(jué)隨空氣溫度變化關(guān)系圖

表5 夏季室外現(xiàn)場(chǎng)研究結(jié)果對(duì)比

2.3.2 風(fēng)速與熱感覺(jué)

在測(cè)試中，室外的風(fēng)速較小，但是也能在一定程度上改善人體的熱感覺(jué)。仿照溫度頻率法，將風(fēng)速按照0.2 m/s 的間隔進(jìn)行區(qū)間劃分與熱感覺(jué)線性回歸，如圖6，在偏熱的環(huán)境中，適當(dāng)?shù)目諝饬鲃?dòng)能夠改善人體的熱感覺(jué)。

圖6 熱感覺(jué)隨風(fēng)速變化關(guān)系圖

2.4 熱適應(yīng)行為分析

2.4.1 適應(yīng)性服裝熱阻模型建立

人們善于調(diào)整自身的服裝水平來(lái)應(yīng)對(duì)不同的室外熱環(huán)境，圖7 可以看出，無(wú)論是男性還是女性均具有相同的服裝熱阻適應(yīng)性調(diào)節(jié)特征，服裝熱阻和室外溫度呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)，通過(guò)對(duì)比發(fā)現(xiàn)女性服裝熱阻略低于男性，可能是夏季女性穿衣比較偏向于輕薄。

圖7 服裝熱阻隨室外空氣溫度變化關(guān)系

2.4.2 熱適應(yīng)性行為統(tǒng)計(jì)分析

在室內(nèi)，人們主要通過(guò)控制或改變周?chē)沫h(huán)境來(lái)提高自身的舒適性。比如，開(kāi)門(mén)窗、空調(diào)的使用等，但室外空間的熱適應(yīng)調(diào)節(jié)方法不像室內(nèi)可以有較多選擇。在炎熱夏季服裝熱阻基本不變，服裝調(diào)節(jié)作用到達(dá)極限。夏季室外對(duì)女性來(lái)說(shuō)，最為常見(jiàn)的是使用遮陽(yáng)傘來(lái)避免太陽(yáng)直射，調(diào)節(jié)熱感覺(jué)。在本次問(wèn)卷調(diào)查統(tǒng)計(jì)中發(fā)現(xiàn)也有39%的人員選擇樹(shù)蔭處來(lái)提高自身的熱舒適性，如圖8。因此通過(guò)改善綠化設(shè)計(jì)對(duì)夏季室外人群的熱舒適具有良好且直接的提升效果。

圖8 室外主動(dòng)調(diào)節(jié)措施

3 結(jié)論

本次研究是在炎熱的夏季室外進(jìn)行熱環(huán)境實(shí)測(cè)和主觀問(wèn)卷調(diào)研，對(duì)結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析得到了如下的結(jié)論。

1）測(cè)試結(jié)果分析發(fā)現(xiàn)，夏季高溫天氣，樹(shù)蔭下的熱環(huán)境較好，調(diào)研結(jié)果中也有39%的人員選擇樹(shù)蔭處來(lái)提高自身的熱舒適性，建議增加農(nóng)村地區(qū)室外道路兩旁進(jìn)行規(guī)范綠化設(shè)計(jì)，可有效地降低環(huán)境平均輻射溫度，提高舒適感，改善局部室外熱環(huán)境。

2）研究發(fā)現(xiàn)本次調(diào)研地點(diǎn)夏季室外熱中性溫度為27.4 ℃，夏季測(cè)點(diǎn)的平均空氣溫度為30.9 ℃，高于中性溫度，夏季室外可接受的溫度范圍是23～31.8 ℃。

3）夏季室外人們的平均服裝熱阻是0.42clo，最大值為0.62clo，隨著夏季室外溫度不斷地升高，服裝調(diào)節(jié)能力已到達(dá)極限，基本不變。