董雨琴，寧春嬌，楊喻明，彭兆翔，黃啟堂

(福建農(nóng)林大學(xué) 風(fēng)景園林與藝術(shù)學(xué)院，福建 福州 350100)

戶(hù)外空間是人們?nèi)粘Ｉ畹闹匾M成部分。城市室外開(kāi)放空間是人們戶(hù)外活動(dòng)的主要空間，一個(gè)良好的空間環(huán)境特別是熱環(huán)境對(duì)提升公共健康水平，在減少一些非傳染性疾病和精神疾病方面發(fā)揮著重要作用[1]。校園戶(hù)外空間是教師和學(xué)生學(xué)習(xí)、交流、休息的場(chǎng)所，其環(huán)境舒適性則是影響教師與學(xué)生學(xué)習(xí)溝通的外在條件，舒適的校園環(huán)境能促進(jìn)師生交流，對(duì)學(xué)生的健康成長(zhǎng)有積極影響[2]。

針對(duì)校園公共空間熱舒適的研究，多集中于哈爾濱、濟(jì)南和廣州等地區(qū)等高校[3-5]，對(duì)于福州地區(qū)高校的研究較少。雖說(shuō)福州地區(qū)也逐漸開(kāi)展著室外熱舒適方面的研究，但對(duì)于校園人群在冬季情況下室外熱舒適的特點(diǎn)還缺乏探究。因此，有必要針對(duì)福州市高校進(jìn)行實(shí)地監(jiān)測(cè)與問(wèn)卷調(diào)查以獲取更多數(shù)據(jù)。為此，本文采用小氣候?qū)崪y(cè)與主觀問(wèn)卷相結(jié)合的方法，對(duì)福州農(nóng)林大學(xué)冬季校園不同景觀空間熱舒適水平進(jìn)行了探討，并對(duì)不同景觀空間微氣候及人群熱舒適度進(jìn)行分析，為提高校園景觀空間舒適性設(shè)計(jì)提供啟發(fā)和理論依據(jù)。

1 研究方法

1.1 試驗(yàn)地選擇

研究地選在福建農(nóng)林大學(xué)金山校區(qū)，屬典型亞熱帶季風(fēng)氣候，夏熱冬暖，年均氣溫19.6 ℃，1月平均氣溫約10 ℃，8月平均氣溫約27 ℃，年均降水量1 350 mm左右。據(jù)校園氣象站資料顯示，校園平均溫度比福州市平均溫度低2.5 ℃左右，相對(duì)濕度比福州市區(qū)高15%左右。校園外環(huán)境的主導(dǎo)風(fēng)向?yàn)闁|南風(fēng)，其次為北風(fēng)、西北風(fēng)，夏季多偏南風(fēng)，秋、冬季多西北風(fēng)，夏季多臺(tái)風(fēng)暴雨[6]。校園占地約160 hm2，水面約10 hm2，綠化覆蓋率達(dá)37.9%[7]。研究選擇了6種景觀空間進(jìn)行實(shí)地測(cè)試，即竹林(A)、中華園草坪(B)、創(chuàng)新樓綠地(C)、西門(mén)廣場(chǎng)(D)、金山路(E)和觀音湖小路(F)。具體測(cè)點(diǎn)分布如圖1所示。

圖1 金山校區(qū)測(cè)點(diǎn)分布

1.2 測(cè)試方法

本研究采用小氣候?qū)嵉販y(cè)量和現(xiàn)場(chǎng)人群?jiǎn)柧碚{(diào)查方法。在冬季，選擇3 d具有代表性天氣，即在晴朗少云、無(wú)風(fēng)或微風(fēng)的天氣測(cè)量，將平均數(shù)據(jù)作為測(cè)試數(shù)據(jù)。小氣候?qū)崪y(cè)與問(wèn)卷調(diào)研時(shí)間為8:00—18:00。

1.2.1 小氣候測(cè)量 本文利用Kestrel 5400熱應(yīng)力氣象跟蹤儀(見(jiàn)表1)，對(duì)各個(gè)景觀空間的空氣溫度、相對(duì)濕度、風(fēng)速和黑球溫度小氣候因子進(jìn)行測(cè)量。每2 h進(jìn)行1次，手持測(cè)量?jī)x器，離地1.5 m處與地面垂直，通過(guò)移動(dòng)觀察，每個(gè)測(cè)量點(diǎn)至少保持2 min。

表1 測(cè)量參數(shù)

1.2.2 問(wèn)卷設(shè)計(jì) 本研究的問(wèn)卷設(shè)計(jì)由2大部分組成，第1部分為個(gè)人信息，包括被調(diào)查者所處場(chǎng)所、性別、年齡、著裝4個(gè)問(wèn)題。第2部分為熱舒適度評(píng)價(jià)調(diào)查，其主要包括熱感覺(jué)投票(Thermal Sensation Votes，TSV)、熱舒適投票(Thermal Comfort Votes，TCV)、熱可接受度(Thermal Acceptability Votes，TAV)及熱期望(Thermal Preference)[4]。熱期望分別設(shè)置了冷熱感、干濕感、風(fēng)感、太陽(yáng)輻射感投票[4]。根據(jù)ASHARE[8]的定義和福州當(dāng)?shù)氐臍夂驐l件，熱感覺(jué)投票使用修訂后的7刻度量表(-3，-2，-1，0，1，2，3，分別代表冷、涼、稍涼、適中、稍暖、暖、熱)。此外，請(qǐng)被調(diào)查者填寫(xiě)對(duì)氣象參數(shù)的期望以及在測(cè)量點(diǎn)的總體熱舒適度。熱期望投票(-1，0，1 分別代表降低、不變、升高)、熱舒適投票(-2，-1，0，1，2分別代表非常不舒適、不舒適、適中、舒適和非常舒適)和熱可接受投票(1 完全不接受，2 不接受，3 適中，4接受，5完全接受)均采用5點(diǎn)刻度標(biāo)準(zhǔn)[9]?，F(xiàn)場(chǎng)測(cè)量氣候數(shù)據(jù)與調(diào)查問(wèn)卷同步進(jìn)行，將問(wèn)卷上傳到問(wèn)卷星平臺(tái)，并對(duì)其進(jìn)行初步分類(lèi)和統(tǒng)計(jì)，每個(gè)景觀空間的問(wèn)卷不少于40份，每份調(diào)查問(wèn)卷的填寫(xiě)需要2—3 min。問(wèn)卷發(fā)放總計(jì)3 d，共發(fā)放問(wèn)卷317份，回收有效問(wèn)卷302份，有效率為95.27%。

1.3 熱舒適指標(biāo)

本文選取生理等效溫度(Physiological Equivalent Temperature，PET)作為熱舒適評(píng)價(jià)指標(biāo)。PET在一定程度上彌補(bǔ)了其他指標(biāo)的不足，除了氣象信息外，它還充分考慮到人體的活動(dòng)代謝率與服裝熱阻值，且PET更便于人們感知環(huán)境，沒(méi)有氣象學(xué)知識(shí)背景的人也可以對(duì)熱環(huán)境做出評(píng)價(jià)。

1.4 數(shù)據(jù)處理

利用RayMan pro模型程序計(jì)算得出生理等效溫度(Physiological Equivalent Temperature，PET)[10]，使用Rayman模型時(shí)需輸入當(dāng)?shù)氐臅r(shí)空信息、空氣溫度、濕度、風(fēng)速、平均輻射溫度等氣象信息和身高、年齡等人體基礎(chǔ)信息即可計(jì)算出對(duì)應(yīng)的PET值。運(yùn)用Excel 2016和spss 25.0進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析實(shí)地測(cè)量的小氣候因子與調(diào)查問(wèn)卷等數(shù)據(jù)，為研究校園冬季小氣候和評(píng)價(jià)熱舒適度做充分準(zhǔn)備。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同景觀空間小氣候分析

2.1.1 空氣溫度 各景觀空間區(qū)域的全天平均溫度都呈現(xiàn)類(lèi)似的趨勢(shì)(見(jiàn)圖2)，都在14時(shí)許到達(dá)最高溫度。平均空氣溫度金山路(E)最低(13.5 ℃)，而中華園草坪(B)最高(14.3 ℃)。中華園草坪空間開(kāi)敞，無(wú)植物或建筑遮蔭，全天太陽(yáng)直射，其平均溫度比西門(mén)廣場(chǎng)高的原因在于西門(mén)廣場(chǎng)有植物遮擋。平均空氣溫度的變化范圍創(chuàng)新樓綠地(C)較大(8.3 ℃)。創(chuàng)新樓綠地為建筑中庭，空間在太陽(yáng)直射時(shí)間段溫度迅速上升，在被建筑遮擋時(shí)溫度下降，全天溫差較大。測(cè)點(diǎn)B和D的空氣溫度變化范圍相等(8.2 ℃)，僅次于C。這是因?yàn)?者都是開(kāi)敞空間，在陽(yáng)光直射下氣溫較高，而在太陽(yáng)輻射較低時(shí)氣溫較低，所以2測(cè)點(diǎn)的日氣溫變化趨勢(shì)基本一致。E溫度變化最小(6.2 ℃)。且各測(cè)點(diǎn)間氣溫的差異源于不同形式的下墊面[11-12]。

2.1.2 相對(duì)濕度 各測(cè)點(diǎn)的相對(duì)濕度如圖2所示，測(cè)點(diǎn)相對(duì)濕度在31.8%—81.3%之間。 全天各測(cè)點(diǎn)相對(duì)濕度隨時(shí)間呈先降后升的變化趨勢(shì)，中午時(shí)段相對(duì)濕度低于當(dāng)日平均相對(duì)濕度，平均相對(duì)濕度E(58%)最高，觀音湖小路鄰近水體，且植物茂盛，空氣溫度較低，導(dǎo)致其相對(duì)濕度最高；其次D是57.8%，西門(mén)廣場(chǎng)早晨與傍晚中心水池噴泉開(kāi)放增加了空氣濕度；平均相對(duì)濕度C為56.1%，最低。

2.1.3 風(fēng)速 各景觀空間之間的風(fēng)速變化較為明顯。風(fēng)速范圍為0—1.4 m/s，均處于軟風(fēng)狀態(tài)(≤2 m/s) (如圖2)。中華園草坪平均風(fēng)速(0.4 m/s)最低，因?yàn)閳?chǎng)地周邊有植物圍合，減弱了風(fēng)力，降低了風(fēng)速。平均風(fēng)速為西門(mén)廣場(chǎng)(0.7 m/s)最高。

2.1.4 黑球溫度 如圖2所示。對(duì)比各空間測(cè)點(diǎn)的黑球溫度，結(jié)果為B>E>C>A>D>F。中華園草坪平均黑球溫度最高，表明空間越開(kāi)敞的測(cè)點(diǎn)，其黑球溫度往往越高。

圖2 各測(cè)點(diǎn)小氣候參數(shù)逐時(shí)變化

2.2 不同景觀空間熱舒適分析

2.2.1 熱感覺(jué)、熱舒適和熱期望 圖3顯示了福建農(nóng)林大學(xué)冬季不同景觀空間中熱感覺(jué)的百分比?？梢钥闯觯咎鞖夂?，各景觀中都出現(xiàn)了較多的“涼”和“稍涼”’的熱感覺(jué)投票，“冷”也有一定的比例。但在中華園草坪、西門(mén)廣場(chǎng)和金山路也出現(xiàn)了一定比例的“適中”評(píng)價(jià)。在6個(gè)景觀空間中，“適中”(TSV=0)熱感覺(jué)投票最多的是中華園草坪，占39.0%，西門(mén)廣場(chǎng)次之(21.9%)，金山路為12.1%。竹林與創(chuàng)新樓綠地的“適中”熱感覺(jué)投票率最低，分別為6.1%和5.9%。在竹林空間和創(chuàng)新樓綠地的“涼”(TSV=-2)和“冷”(TSV=-3)的投票總占比也最大，分別是60.0%和58.8%，約是中華園草坪的2倍。分析各景觀空間特征發(fā)現(xiàn)，西門(mén)廣場(chǎng)、金山路、中華園草坪陽(yáng)光沒(méi)有被植物或建筑物遮擋，可以獲得更多輻射熱，所以身處在這3個(gè)空間受訪者的熱感覺(jué)升高。觀音湖小路空間有大面積水體，水體蒸發(fā)吸熱降低了熱感覺(jué)。竹林空間較創(chuàng)新樓綠地具有更多的中性熱感覺(jué)投票，這可能是因?yàn)橄聣|面的差異，竹林下墊面為混凝土，它吸收了大量的輻射并將其釋放到環(huán)境中，這增加了環(huán)境中的輻射熱，而創(chuàng)新樓綠地以草坪鋪設(shè)又被建筑物遮蔽，從而使空氣溫度和熱感覺(jué)下降。

圖3 各測(cè)點(diǎn)熱感覺(jué)、熱舒適投票的占比情況

冬天氣溫降低，不僅熱感覺(jué)下降，還會(huì)使熱舒適度下降。從圖3可以看出，被調(diào)查者感覺(jué)中華園草坪是較為舒適的室外環(huán)境，只有36.6%的人群認(rèn)為中華園草坪 “不舒適”，即63.4%的人在該空間內(nèi)無(wú)不舒適感。其次，西門(mén)廣場(chǎng)和金山路也表現(xiàn)出良好的熱環(huán)境，54.6%的人在金山路內(nèi)沒(méi)有不舒適感，46.9%的人在西門(mén)廣場(chǎng)內(nèi)沒(méi)有不舒適感。冬季竹林空間和創(chuàng)新樓綠地的不舒適百分比較高，分別占各自總投票的77.1%和73.5%，約為總熱舒適投票的2/3。竹林空間和創(chuàng)新樓綠地 “不舒適”的原因在于植物與建筑抵擋了太陽(yáng)輻射，導(dǎo)致場(chǎng)地溫度降低。

如圖4，通過(guò)比較溫度、太陽(yáng)輻射、濕度和風(fēng)速期望投票結(jié)果，發(fā)現(xiàn)測(cè)試區(qū)人群對(duì)濕度變化期望不顯著；另外，測(cè)試區(qū)域人們期望溫度升高，太陽(yáng)輻射增加比較明顯，而投票則表明想要風(fēng)速減小的人更多。其中竹林及創(chuàng)新樓綠地希望提高場(chǎng)地溫度及增加太陽(yáng)輻射要求較高，觀音湖小路希望降低風(fēng)速要求較高。

圖4 各測(cè)點(diǎn)溫度、風(fēng)速、濕度、太陽(yáng)輻射期望投票百分比

小氣候因子也可能影響校園戶(hù)外空間的人體舒適度。為了解福建農(nóng)林大學(xué)冬季氣象參數(shù)對(duì)人體熱舒適的影響，對(duì)小氣候因子、TSV和TCV進(jìn)行了Spearman相關(guān)分析。空氣溫度、黑球溫度與熱感覺(jué)和熱舒適顯著正相關(guān)，風(fēng)速與熱感覺(jué)和熱舒適顯著負(fù)相關(guān) (見(jiàn)表2)。

表2 熱感覺(jué)、熱舒適與小氣候因子的關(guān)系

2.2.2 熱中性溫度、熱舒適溫度和熱可接受度 使用溫度頻率法(Bin法)，把計(jì)算得來(lái)的PET值按照間隔1 ℃劃分成多個(gè)區(qū)間，計(jì)算每個(gè)區(qū)間TSV的加權(quán)值平均值，TSV關(guān)于PET的散點(diǎn)圖及擬合的函數(shù)圖如圖5，函數(shù)關(guān)系為

圖5 PET指標(biāo)與熱感覺(jué)相關(guān)性

y= 0.024 3x2-0.381 2x-0.515 9，R2=0.955 6

平均熱感覺(jué)投票(TSV)與PET存在較好的非線性關(guān)系，人群熱感覺(jué)大多分布于0(適中)—-2(涼)之間，在TSV等于0時(shí)，獲得的人體中性PET在17.3 ℃，低于上海(22.3 ℃)[13]和廣州[4](20.3 ℃)。此時(shí)，PET每改變3.6 ℃將會(huì)使熱感覺(jué)改變1級(jí)。TSV在-0.5—0.5 時(shí)，計(jì)算出冬季的PET熱中性范圍為15.7—18 ℃，比上海(15—29 ℃)[14]和臺(tái)灣[15](26—30 ℃)的范圍窄，造成熱感覺(jué)差異的原因可能是城市氣候條件不同，人群已適應(yīng)當(dāng)?shù)貧夂颉?/p>

生理等效溫度(PET)與熱舒適投票的關(guān)系如圖6所示，本文研究定義TCV≥0所對(duì)應(yīng)的PET范圍為冬季舒適PET值范圍，在冬季舒適時(shí)其相應(yīng)PET值為17.9—23.1 ℃。

圖6 PET指標(biāo)與熱舒適相關(guān)性

ASHRAE[8]建議80%的人群可以接受的熱環(huán)境即為舒適的熱環(huán)境。為了解冬季熱可接受率PTA(Percentage of Thermal Acceptability)與PET之間的關(guān)系，采用與上述相似的Bin法將PET與PTA進(jìn)行回歸分析(見(jiàn)圖7)，得到回歸方程

圖7 PET指標(biāo)與熱可接受率相關(guān)性

y= 0.005 5x2-0.027 4x- 0.206 7，R2= 0.910 7

采用熱可接受率PTA和PET回歸擬合方程，計(jì)算出冬季80%的人群可以接受PET≥16.2 ℃。

3 討論與結(jié)論

3.1 討論

校園室外空間與師生日?；顒?dòng)有著密切聯(lián)系，室外熱環(huán)境是影響室外空間使用率的重要因素[16]，分析校園熱舒適度具有顯著意義?；诤侠硪?guī)劃設(shè)計(jì)校園戶(hù)外空間可以提高使用率，因此可以提升校園熱舒適以實(shí)現(xiàn)空間的可持續(xù)利用。從熱舒適度的角度考慮，應(yīng)考慮以下方面：

(1)校園設(shè)計(jì)應(yīng)考慮建筑、植被和陽(yáng)光之間的關(guān)系。密集的建筑減少了太陽(yáng)輻射，導(dǎo)致校園活動(dòng)空間在冬天變得不舒適,研究建筑位置、空間形態(tài)以改善局部小氣候。

(2)可以通過(guò)植物配置、景觀要素營(yíng)造等提升校園熱舒適度水平。具體措施如，注重植物配置，在休息區(qū)周?chē)黾庸嗄镜臄?shù)量減弱風(fēng)速，種植落葉喬木，夏季提供遮蔭，冬季不遮陽(yáng)光；改善鋪展比例等。

本研究雖對(duì)福建農(nóng)林大學(xué)校園景觀空間熱舒適度進(jìn)行了分析，但仍存在一些需要探討的問(wèn)題：

(1)研究可以選取更多的高校作為研究主體，使研究結(jié)果更具有代表性；

(2)小氣候和熱舒適的調(diào)查天數(shù)少，不能代表福州復(fù)雜的實(shí)際氣候條件，應(yīng)進(jìn)一步研究其他季節(jié)校園熱環(huán)境及其對(duì)戶(hù)外空間人體熱舒適的影響；

(3)應(yīng)進(jìn)一步研究不同人群、人群的行為習(xí)慣、活動(dòng)與熱舒適的關(guān)系，以改善濕熱地區(qū)校園的室外熱舒適性；

(4)進(jìn)一步研究應(yīng)與氣候模擬軟件相結(jié)合，根據(jù)模擬結(jié)果,對(duì)影響校園小氣候和熱舒適度的內(nèi)在因素和外在因素進(jìn)一步細(xì)化，以改善不同規(guī)模和更廣泛特征的校園熱舒適度。

3.2 結(jié)論

本文基于福建農(nóng)林大學(xué)不同景觀空間熱環(huán)境實(shí)測(cè)、熱舒適問(wèn)卷的調(diào)查結(jié)果，獲得了不同景觀空間的熱環(huán)境和人體舒適度數(shù)據(jù)。實(shí)測(cè)結(jié)果表明，校園景觀空間小氣候和人體熱舒適度與其空間結(jié)構(gòu)、下墊面、遮蔭情況和植物布局密切相關(guān)[12]。經(jīng)過(guò)對(duì)比分析，得出以下結(jié)論：

(1)場(chǎng)地空氣溫度介于9.0—18.6 ℃之間，相對(duì)濕度介于38.1%—81.3%之間，全天平均風(fēng)速0.4 m/s，空間越開(kāi)闊的測(cè)量點(diǎn)黑球溫度越高。

(2)由于氣候、環(huán)境、功能和熱適應(yīng)等諸多因素，使人們?cè)诓煌臻g中對(duì)于熱環(huán)境的認(rèn)識(shí)不能形成統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。在環(huán)境因素中，綠化植被、水面及鋪裝都會(huì)影響到人們的熱舒適度。在冬季，人們?cè)诓煌臻g的熱感覺(jué)主要集中在稍涼與涼之間，且開(kāi)闊空間“適中”的熱感覺(jué)較多。不同的景觀空間對(duì)室外熱環(huán)境及人群熱舒適影響顯著，空間越開(kāi)敞，獲得太陽(yáng)輻射就越大，從而提高冬季人群在戶(hù)外的熱舒適性，中華園草坪表現(xiàn)出了較好的熱舒適環(huán)境。在對(duì)熱期望的調(diào)查中近一半的人希望溫度上升、太陽(yáng)輻射增強(qiáng)、風(fēng)速降低。

(3)福建農(nóng)林大學(xué)冬季熱感覺(jué)與PET之間表現(xiàn)出強(qiáng)烈的非線性關(guān)系，熱中性PET值為17.3 ℃，熱中性PET范圍為15.7—18 ℃；冬季熱舒適PET范圍為17.9—23.1 ℃；PTA與PET之間存在二次多項(xiàng)式關(guān)系，冬季受訪者可接受溫度隨PET升高而升高，其中80%可接受PET≥16.2 ℃。