天津市老舊居住區室外熱舒適研究

袁景玉, 田凱越， 姚 勝

(河北工業大學 建筑與藝術設計學院， 天津300130)

室外熱環境是居住區室外空間環境營造中非常重要的內容[1]。天津市現存老舊居住區大多建于八九十年代，建筑布局、空間等的設計相對隨意[2]，居住區熱環境存在明顯的缺陷，而后期的改造、維護中，也更注重建筑本身的處理，對室外熱環境考慮較少，從而影響了居住區室外的熱舒適[3]。

對于居住區室外熱環境的研究，Carlestam等[4]通過對納維亞半島熱環境的分析，發現由于當地緯度較高，晝短夜長，且寒冷期較長，因此居民更偏好在太陽輻射強烈的地方建造居住和活動場地。美國舊金山市規劃部[5]提出當地的建筑設計必須要兼顧居民對風速和太陽輻射的需求。近來年，針對居住區熱環境分析與改善的課題逐漸增多。在國內，蔣存妍等[6]通過調研分析給出了嚴寒地區過渡季基于熱環境的規劃啟示。劉樂[7]通過實測分析西安居住區的室外熱環境，進而對小區內規劃布局提出改造措施。周峰等[8]在提出熱環境影響因素的基礎上，通過ENVI-met軟件模擬獲得建筑空間形態、密度、容積率等對熱環境的量化影響關系。黃澤峰[9]對綿陽地區大學校園進行實測調研分析，得到相應的熱感覺及熱舒適規律，并以生理學等價溫度PET為指標，通過軟件模擬得到不同規劃設計因子對熱環境舒適度的定量影響。

對于熱舒適的研究，Fanger[10]提出了基于人體熱舒適平衡方程的預測平均熱感覺指標PMV。Mayer等[11]提出了慕尼黑能量平衡模型MEMI。H?ppe[12]根據MEMI模型開發了生理等效溫度PET。國際生物氣象學協會(ISB)[13]開發了人體自動調節狀態下的多節點通用熱氣候指數UTCI。隨著熱舒適指標應用研究的增多，Cheng等[14]在香港預測了PMV指標在冬夏季室外太陽輻射、風速影響下的準確性，證明PMV并不適用于相對復雜的室外熱環境的舒適度評價。Lin等[15]對臺灣月潭進行實地調研，得到臺灣地區熱舒適的PET范圍，并證明了通過當地實測和人體熱感受相關性分析可以得到不同地區的熱舒適指標。賴達祎[16]通過對天津市室外熱舒適的實測研究，就PMV、PET和UTCI適應性做出判斷，指出適合天津的范圍。雷永生[17]通過對哈爾濱不同室外空間的實測調研分析，建立了嚴寒地區各季節多維度室外熱舒適預測模型。席天宇等[18]對哈爾濱旅游景點進行調研，分析了不同地區游客的熱適應模式。方小山等[19]通過調研與實測提出了廣州地區夏季老年人室外熱舒適模型。魏宇迪等[20]對武漢市城區進行調研分析，建立了夏季熱舒適回歸模型，并提出了熱舒適改進意見。

綜上，隨著對室外熱環境的認識以及研究方法的發展，大多數研究主要集中在針對室外熱環境的改造及熱舒適指標的適用性理論問題上[21]，對于建筑群體內普遍存在的熱舒適問題，尚缺少具體可行的實測和分析方法對其作出定量的評判。天津市作為全國最早的老年型城市之一，老舊居住區所占比重大，將其老舊居住區布局形式與室外空間熱舒適存在的問題相結合尚待進行深入的研究。

本文通過對天津市老舊居住區居住者感受的調研與物理環境的實測，定量地評價室外熱環境的舒適度，并提出相應的居住區布局優化措施，希望能為居住區室外活動空間熱舒適的改善提供幫助，也為之后新建小區的布局設計提供一定的參考。

1 研究方法

1.1 對象選取

利用Google Earth地圖對天津市內40多個老舊居住區進行詳細觀測與記錄，通過資料收集與統計發現，天津市老舊住區多為行列式、圍合式及混合式3種布局形式。選取燕宇藝術家園(行列式)、佳安里(圍合式)、佳寧里(混合式)3個典型小區(見圖1)進行分析，并在每個小區中選取人們經?；顒拥牡攸c(見表1)進行下一步調研測試分析。

表1 測點位置分布表Tab.1 Distribution of measuring points

1.2 現場測試

為了研究熱環境的客觀影響因素，對居住區的主要熱環境物理要素溫度、濕度、風速、黑球溫度進行實測，也為各測點平均輻射溫度(Tmrt)以及生理學等價溫度PET的計算提供數據支持，其中平均輻射溫度的計算見式(1)。測試中用到的儀器設備主要有溫濕度記錄儀、熱敏式風速計以及黑球溫度計等，其具體參數見表2。

表2 測試儀器參數Tab.2 Parameters of test instruments

(1)

式中：Tg為黑球溫度(℃)；Ta為空氣溫度(℃)；Va為風速(m/s)；ε為發射率，對于黑球ε=0.95；D為黑球溫度計黑球直徑(m)，取0.15 m。

春季作為過渡季，天氣變化較緩，適宜進行戶外活動，良好的居住區室外熱環境則顯得非常重要。調研中實測時間為2019年4月27日，天氣晴朗，分別在10:00和15:00這兩個居民活動較多的時間點同時對3個小區進行測試。每個小區從1號點出發，記錄測點1.5 m高度處測點的物理參數，每個點停留3 min便迅速轉移到下一點進行測試。

1.3 問卷調研

實測的同時在小區的大空間活動廣場發放調查問卷，在測試者的解釋引導下完成，每次在每個大空間活動廣場發放10份，共180份。本次調研受試者為在活動廣場停留的50歲以上的老年人，男性116人(64.4%)，女性64人(35.6%)，其中51～60歲之間84人(46.7%)，61～70歲之間70人(38.9%)，70歲以上26人(14.4%)。

調查問卷的主要內容包括受訪人員的基本信息(如年齡、性別、體重、身高、衣物熱阻以及活動類型、活動地點和活動時間的長短等)，對公共空間的熱感覺、對熱環境參數的偏好以及對小區熱舒適改造的建議。考慮到天津市過渡季的氣候特征，熱感受采用ASHRAE推薦的7級分度標尺中的涼(-2)、微涼(-1)、中性(0)、微暖(+1)、暖(+2)等5級標度。

1.4 優化模擬

通過對3個居住區室外熱環境物理要素的現場測試數據進行對比分析，選取典型居住區進行建筑布局的優化設計與模擬，其中選用Phoenics軟件計算室外的風速場和溫度場，Ecotect軟件計算太陽輻射場。就小區內1.5 m(人員呼吸區域)高度處15∶00的物理參數模擬結果進行重點分析，同時提取代表性測點的數據輸入RayMan熱舒適模型中計算得到相應的PET值，并與優化前進行比較。

2 結果與分析

2.1 現場實測結果分析

由于太陽方位的原因，下午小區內熱環境存在更多的問題。因此，對3個小區15:00的熱環境參數進行分析。

見圖2，燕宇藝術家園的室外溫度介于16～18 ℃，而佳安里與佳寧里分別為16～18.5 ℃、18～20 ℃，各小區內不同位置測點的溫度出現輕微波動，但總體上佳寧里的室外空氣溫度明顯高于佳安里與燕宇藝術家園約2 ℃，可見圍合度越高，小區內熱環境溫度也越高。見圖3，燕宇藝術家園的濕度分布于46.8%～49.5%之間，而佳安里與佳寧里小區分別為45.4%～47.3%、43.8%～48%，其中因燕宇藝術家園9、10測點有局部景觀水體、佳寧里活動空間1、2、3、11測點布置有集中綠化，濕度與同一小區內其他測點相比存在明顯的波動，而佳安里小區由于不存在景觀水體與集中綠化的影響，其濕度波動相對較小。

圖2 不同位置溫度分布Fig.2 Temperature distribution at different locations

圖3 不同位置濕度分布Fig.3 Humidity distribution at different locations

見圖4，燕宇藝術家園的風速波動最大，佳安里次之，佳寧里最小，而平均風速佳安里最小，燕宇藝術家園最大。大空間活動空間測點受位置的影響差異較大，燕宇藝術家園測點2受行列式豎向狹管效應的影響，測點3由來風向角隅風的作用，風速可達1.8 m/s；而佳安里和佳寧里測點2由建筑的布局造成風速差異較大。佳安里和佳寧里山墻間測點4～6由狹管效應形成驟增的風口；燕宇藝術家園測點4和6形成豎向氣流，風速較大，而測點5由于周邊建筑錯列布局，風速平穩。此外，建筑宅前空間風速均相對平穩。3個居住區受其排布方式的影響，其中燕宇藝術家園宅間活動小廣場在建筑錯列布局的影響下，穩定在0.8 m/s左右；而佳寧里和佳安里則由于西側建筑的遮擋，風速更小。

圖4 不同位置風速分布Fig.4 Wind speed distribution at different locations

平均輻射溫度(Tmrt)值由實測的黑球溫度間接計算得出，15:00太陽位置偏西，居住區內太陽輻射較上午存在明顯問題，此時仍屬于居民外出活動的高峰時段。由圖5可看出，由于燕宇藝術家園為行列式布局，其室外空間太陽輻射良好，Tmrt值普遍較高；佳安里建筑以圍合式布局為主，下午部分空間受西側建筑遮擋的影響，太陽輻射偏低，整個小區Tmrt值波動大。相對而言，佳寧里內部空間Tmrt波動性最小。燕宇藝術家園、佳寧里大空間活動廣場Tmrt值均較高，佳安里測點2為西側建筑圍合形成的空間，由于太陽方位的變化，下午僅有少量直射陽光的存在，Tmrt值低于其他測點，在27 ℃左右；其他大空間活動廣場測點Tmrt值在34～38 ℃之間。建筑山墻間的測點受建筑不同程度的遮擋，3個小區有不同的Tmrt值。宅前空間受建筑高度和住宅間距的影響，3個小區Tmrt值不同。對于宅間活動小廣場，佳安里測點10、11、12和佳寧里測點10、12受西側建筑遮擋的影響，低于其他測點；燕宇藝術家園活動小廣場Tmrt值良好。

圖5 不同位置平均輻射溫度分布Fig.5 Mean radiation temperature distribution at different locations

2.2 調查問卷結果分析

見圖6，從3個小區的舒適度問卷統計結果可以看出燕宇藝術家園居民的整體感覺偏涼，佳安里適中，佳寧里小區偏暖，其中燕宇藝術家園居民熱感覺中涼、微涼各占36.7%、53.3%，佳安里小區微涼、適中、微暖分別占35%、37.5%、17.5%，而佳寧里居民熱感覺適中、微暖、暖的比例分別為27.5%、40%、7.5%。

圖6 熱感覺投票分布Fig.6 Distribution of thermal sensation vote

見圖7，在3個小區內，居民偏好的熱環境主要集中在對溫度、風速和太陽輻射方面的優化，而對濕度變化的需求不明顯。總體上56%以上的居民認為當時的溫度處在適中范圍內，其中燕宇藝術家園居民對溫度的滿意度最低，有63%的居民希望增高空氣溫度，佳安里則有34%的居民希望增高溫度。60%以上的居民都能夠適應所在小區的室外濕環境，可見居民對于濕度的偏好不明顯。就室外風速而言，燕宇藝術家園的居民有64%希望降低風速，而佳安里和佳寧里分別有45%和71%的居民希望風速保持不變。此外，燕宇藝術家園的居民對太陽輻射的滿意度最高，達到67%，而佳安里受建筑遮擋的影響，有47%的居民希望獲得更多的太陽輻射，佳寧里也有31%的居民認為有必要加大太陽輻射。

圖7 熱環境偏好投票分布Fig.7 Distribution of votes for thermal environment preference

2.3 熱舒適指標計算與分析

生理學等價溫度PET是評價室外熱環境舒適度的定量指標[12]。選用RayMan軟件對PET值進行計算，其準確性已經得到證實[22]。在初始階段根據現場測試數據輸入：空氣溫度、空氣濕度、風速、平均輻射溫度、計算的日期和時刻、地理位置以及人員的年齡、性別、體重、身高、活動強度和衣服熱阻等參數值，進而計算得出不同測點的PET值，其中活動的代謝率取1.0 met，衣服熱阻取0.9 clo[23]。

由圖8可看出，佳寧里內部空間熱環境較穩定，PET值波動最小。平均PET值燕宇藝術家園最小，在16～21 ℃之間；佳寧里最大，在17～24 ℃之間。大空間活動廣場PET值波動較大，其中燕宇藝術家園測點2、3風速大，溫度低，佳安里測點2受西側建筑遮擋太陽輻射較低，佳寧里測點2位于居住區外，建筑群體的不合理布局導致風速偏大，這些因素都使活動廣場的PET值偏低。而佳安里、佳寧里測點1、3太陽輻射良好，風速穩定，PET值較高。對于建筑山墻間測點，受風速影響，PET值普遍較低，測點5由于建筑的錯列布局，PET值較高。宅前空間的間距影響了熱環境的變化，進而影響了各居住區的PET值分布。宅前小廣場燕宇藝術家園各測點由于錯列布局營造的活動空間PET值普遍較高，佳安里測點10、11、12和佳寧里測點10、12受太陽輻射影響，PET值偏低。

圖8 不同位置生理學等價溫度分布Fig.8 Distribution of physiological equivalent temperature at different locations

通過對小區內室外熱環境的實測、熱舒適指標PET值的計算以及對居民熱感覺的調查，建立了春季天津市老舊居住區老年人主觀熱感覺投票值TSV與基于實測值的熱舒適指標生理學等價溫度PET之間的對應關系。運用SPSS 17.0軟件，取問卷調研中TSV的平均值，以0.5 ℃PET進行間隔分組，用加權線性回歸的方法得到兩者的關系曲線見圖9，擬合效果良好，其方程式為：

圖9 主觀熱感覺投票與生理學等價溫度相關性Fig.9 Correlation between subjective thermal sensation vote and physiological equivalent temperature

TSV=0.103PET-2.195 (R2=0.816)

(2)

可以看出，當TSV=0時，PET=21.3 ℃，即老年人春季室外熱中性PET值為21.3 ℃。以TSV在-0.5～+0.5之間的PET范圍為熱舒適范圍依據，可知春季天津市老年人的熱舒適生理學等價溫度區間為16.5～26.2 ℃。考慮到老年人新陳代謝和機體調節能力較弱，喜歡溫度更高的室外環境且可承受的外界溫度變化范圍較小，因此這一結論與賴達祎[16]在關于中國北方地區室外熱舒適的研究中得到的天津市居民熱感覺對應的PET適中尺度為11～24 ℃基本一致。

2.4 優化措施與模擬結果分析

建筑群體的布局形式不同，居住區內不同的室外空間會帶給人們不一樣的熱舒適感受。由以上實測的分析結果可知，居住區規劃布局中，選擇在建筑來風向一側進行圍合，內部采用行列式的混合式布局其室外熱環境PET值更高，波動更小。因此，以佳寧里為原型，進行建筑布局的優化設計與模擬，優化設計平面圖見圖10。

圖10 優化設計平面圖Fig.10 Optimization design plan

1) 對于外側圍合部分，下午受西側建筑遮擋，太陽輻射低，在這些空間人們更愿意擁有充足的光照來提高戶外舒適度。在建筑來風一側布置東西向建筑，形成一個連續封閉的二層高擋風面，使左側底層建筑和道路也有一定的太陽輻射，同時避免外側建筑角隅風的影響，改善內部的通風效果。

2) 內側行列式布局的豎向空間以及建筑山墻間空間的狹管效應均導致風速過大，溫度降低，PET值低于熱舒適范圍，對于此類活動空間，人們更想降低其風速。因此，可選擇錯列式的布局方式，增加山墻間的間距，使流向小區內部的氣流速度變緩。

3) 建筑宅前空間的間距需滿足日照和通風需求。對于大空間活動廣場，合理布置其位置，沿住宅的山墻面加建帶狀二層配套用房，圍合成私密的內向活動空間，其間距增加至3倍日照間距，此活動廣場的設計能滿足老年公寓公共服務設施的要求，也可以保證穩定的室外熱環境。

經過前面的實測分析可知，每個小區內的濕度分布相對均勻，模擬中采用實測加權平均值作為其計算依據。太陽輻射、風速、溫度等物理參數的模擬分析結果見圖11，優化前后室外空間平均PET值的對比見表3。

圖11 優化后15:00模擬分析圖Fig.11 Simulation analysis diagram at 15:00 after optimization

表3 優化前后平均PET值對比表Tab.3 Comparison table of average PET valuebefore and after optimization 單位：℃

經過優化設計后，居住區內各測點溫度分布相對均勻，風速也趨于穩定。居住區內靜風區有所減少，同時入口處風速也得到降低，在實際設計中，開口附近及建筑圍合空間的綠化設計，還會使其風速有所降低。通過建筑高度的調整，受西側影響嚴重的空間內太陽輻射值得到大幅提高。此外，各測點的PET值也有所提高，并分布更加均勻，不同活動空間測點的PET平均值均維持在一個合理的范圍內。因此通過優化設計可明顯改善居住區的室外熱環境，為居民提供更加舒適的戶外活動空間。

3 結 論

1) 天津市老舊居住區內春季室外溫度、濕度波動較小，其中圍合程度較高的混合式小區佳寧里平均溫度最大，濕度最??；行列式布局的燕宇藝術家園居住區風速波動及平均值均最大；圍合式居住區佳安里平均輻射溫度波動最大，平均輻射溫度偏低。綜合各熱環境參數的影響，混合式布局的佳寧里小區生理學等價溫度波動小且平均值最高。

2) 針對大空間活動廣場，行列式布局的燕宇藝術家園居民的整體感覺偏涼，圍合式居住區佳安里適中，而混合式的佳寧里小區則偏暖。此外，居民偏好的熱環境主要集中在對溫度、風速和太陽輻射方面的優化，而對濕度變化的需求不明顯。

3) 就天津市老舊居住區室外空間而言，春季老年人室外熱中性生理學等價溫度約為21.3 ℃，其熱舒適生理學等價溫度范圍為16.5～26.2 ℃。

4) 在新建居住區設計中，宜采用在建筑來風向一側圍合，內部為行列式分布的混合式布局形式，合理安排建筑間的空間組合，滿足居住區功能及熱舒適需求。