（环境科学专业论文）城市户外热环境舒适性研究.pdf

英文摘要 a b s 仃a c t o u t d o o rt h e r m a lc o m f o r t ( o r e ) g r e a t l yi n f l u e n c e sp e o p l e sh e a l t ha n dm e n t a l c o n d i t i o n w i t hi m p r o v e m e n to fp e o p l e sl i v i n gl e v e l ，t h e r m a lc o m f o r tb e c o m e sm o r e a n dm o r ei m p o r t a n tt or e s i d e n ti nu r b a no u t d o o re n v i r o n m e n t h o w e v e r , e n l a r g e m e n to f t h es c a l eo fu r b a na c c e l e r a t e st h eh e a ti s l a n de f f e c to fu r b a n , a n dt h ec h a n g et r e n do f u r b a no u t d o o rt h e r m a le n v i r o n m e n ti n c r e a s i n g l yw o r r yu s i na d d i t i o n ，t h et h e r m a l c o m f o r ti su s u a l l yn o tr e g a r d e di nag r e a td e a lo fo u t d o o re n v i r o n m e n td e s i g n o nt h e o t h e rh a n d ，d u et oi n d o o ra i rp o l l u t i o n , i no r d e rt ob r e a t h ef l e s ha i ra n dt o u c hn a t u r e ， p e o p l ew o u l dl i k et os p e n dm o r et i m e0 i 1s t a y i n go u t d o o r s h e a l t ha n dc o m f o r to u t d o o r e n v i r o n m e n ti nr e s i d e n f i a la r e ab e c o m e so n eo ft e ns t a n d a r d so fw e l l t o d or e s i d e n c e m a d ep u b l i cb yt h em i n i s t r yo f c o n s t r u c t i o n ，s op e o p l et a k ei ti n t oa c c o u n ti np u r c h a s i n g h o u s e t h e r e f o r e , i ti sv e r ya c t u a lv a l u et oc a r r yo u tt h er e s e a r c ho fo u t d o o r e n v i r o n m e n t a lt h e r m a lc o m f o r t i nt h i s t h e s i s ，t h ec o m p l e t e l yl i t e r a t u r er e v i e wh a sb e e nm a d eo nu r b a n m a c r o e l i m a t ea n dm i c r o - t h e r m a lc l i m a t er e s e a r c h ，t h ep a s tr e s e a r c hr e s u l t so ft h e r m a l c o m f o r th a sb e e ns u m m a r i z e d e v a l u a t i o ni n d e x e so fu r b a no u t d o o rt h e r m a lc o m f o r t h a v eb e e nc o m p a r e da n da n a l y z e d a sas u b j e c to f t h e r m a lp e r c e p t i o n ，p e o p l eh a v eac o n f o r m a b l es t a n d a r do f t h e r m a l s e n s ef o re i t h e ri n d o o re n v i r o n m e n to ro u t d o o ni nv i e wo fs u p e r i o r i t yo fp r e d i c t e d m e a nv o t e ( p m v ) i ne v a l u a t i n go u t d o o rt h e r m a lc o m f o r t ( o t c ) ，b a s e do np m v , a m a t h e m a t i cm o d e l o u t d o o rt h e r m a lc o m f o r td e g r e e ( o t c d ) h a sb e e np r o p o s e d n l cm o d e li n c l u d e sb a s i ct h e r m a le n v i r o n m e n t a lp a r a m e t e r s i e r a d i a n tt e m p e r a t u r e t h a ti sc a l c u l a t e di nt e r m so fg l o b et e m p e r a t u r e ，a i rt e m p e r a t u r e ，r e l a t i v eh u m i d i t ya n d a i rs p e e d ；g l o b et e m p e r a t u r eg e n e r a l l yr e p r e s e n t ss u nr a d i a t e ，s c a t t e r i n gr a d i a t ef r o m g r o u n da n dl o n gw a v er a d i a t e ，s oo t c dc o u l do b j e c t i v e l ya n dc o m p l e t e l yr e f l e c to t c i nc h a p t e r3 ，t h ea u t h o rh a ss t u d i e dt h eo u t d o o rt h e r m a lc o m f o r ta n dp r o p o s e dt h e f o r m a t i o nm e c h a n i s mo ft h e r m a ls e n s a t i o na n da n a l y z e dt h ef a c t o r st h a ti n f l u e n c ei t 1 1 1 ew i n d o ws o f t w a r et oe v a l u a t eo t cb a s e do nf a n g e r st h e r m a lc o m f o r tt h e o r yh a s b e e nm a d ew i mv i s u a lb a s i cc o m p u t e rt e c h n i q u e b yc o m p a r i n ga c t u a lt h e r m a ls e n s e v o t eo fs u b j e c tw i t ho t c dv a l u e s ，c o r r e c t e ds e n s a t i o nv o t e ( c s ”h a sb e e np r o p o s e d ， w h i c hh a sb u i l tt h eb a s ef o rt h em o r ea c c u r a t ee v a l u a t i o no f 0 t c u r b a ns q u a r e sh a v et y p i c a lo u t d o o rc l i m a t e a sa ni m p o r t a n tp l a c ei nw h i c h i i i 重庆大学硕士学位论文 p e o p l ec a r r yo u ta c t i v i t i e s ，h a v ea r e s ta n dc o m m u n i c a t ee a c ho t h e r , s q u a r e sh a v eb e e n i n c r e a s i n g l ya t t a c h e di m p o r t a n c et o ，s oi nc h a p t e r4 ，t h em a t h e m a t i c sm o d e lo fs q u a r e t h e r m a le n v i r o n m e n th a sb e e nm a d ea n dp r e d i c t i o na n de v a l u a t i o ns o f t w a r eo fs q u a r e t h e r m a le n v i r o n m e n th a sb e e nd e v e l o p e d a u t h o rh a ss i m u l a t e da n de v a l u a t e dt h e r m a l e n v i r o n m e n to fc h o n g q i n gr e n m i ns q u a r ew i t ht h es o f t w a r e a f t e rc o m p a r i n gt h e s i m u l a t e dr e s u l t sw i t hf i e l d - m e a s u r e dv a l u e s a u t h o rm a ys a f e l yc o n c l u d et h a tt h e s i m u l a t e dr e s u l t sa c c o r d sw i t ht h ef i c l dm e a s u r e dv a l u e sa n di ti sf e a s i b l et ou s et h e s o f t w a r et o c a r r yo u tm a t h e m a t i c se x p e r i m e n tf o rt h er e s e a r c ho fm e c h a n i s ma n d r e g u l a r i t yo fi n t e r a c t i o no ft h e r m a lf a c t o r si ns q u a r e i na d d i t i o n , t h ei n f l u e n c eo fl a w n ， s h a d ea n dv e r t i c a lp l a n et e m p e r a t u r eo ns q u a r e st h e r m a le n v i r o n m e n th a sb e e na n a l y z e d b yt h es i m u l a t e ds o f l w v a r e i nc h a p t e r5 ，e x p e r i m e n tr e s e a r c hh a sb e e nd o n ei nt h el i v i n gp l o ta n ds q u a r e ， b a s e do nt h e s ee x p e r i m e n t s ，t h e r m a lf a c t o r sh a sb e e nc o m p l e t e l ya n a l y z e d e f f e c t i v e m e a s u r e so fa d j u s t i n ga r c h i t e c t u r ee n v i r o n m e n t a ld e s i g nh a v eb e e np u tf o r w a r dt o i m p r o v eo u t d o o rt h e r m a le n v i r o n m e n t k e yw o r d ：p r e d i c t e dm e a nv o t c ，g l o b et e m p e r a t u r e ，o u t d o o rt h e r m a lc o m f o r t , m a t h e m a t i c sm o d e l ，f i e l dr e s e a r c h 1 v 主要符号注释表 主要符号注释表 n o t a t i o n 地球外太阳辐射强度 黑球的太阳辐射吸收率 室外气温逐时变化系数 表面i 的太阳辐射吸收率 计算时刻太阳射线与垂直轴的夹角 大气消光系数 天空散射辐射强度 天空散射因子 基于p m v 的根据当地试验结果得出的修正热感觉投票 大气修正系数 空气定压比热 穿透植物的散射太阳辐射强度 人体通过皮肤的蒸汽扩散热损失 呼吸潜热损失 黑球温度计对天空的角系数 黑球温度计对环境表面的角系数 服装面积系数 太阳的入射辐射 单位人体面积新陈代谢产热量 对流放热系数 黑球的对流换热系数 以c l o 为单位的服装热阻 太阳辐射强度 植被的消光系数 叶面积指数 单位人体面积新陈代谢自由能产热量 取用的反应系数的项数 户外热环境舒适性 空气中的水汽分压力 当空气温度为t a ( ) 时的饱和水汽分压力 i x w l 督 无量纲 无量纲 无量纲 度 无量纲 w m 2 无量纲 无量纲 无量纲 k j k 菩1 1 聪| 对 w 雠 w m 1 无量纲 无量纲 无量纲 w 盯 w 时 w 肝k w 徭 e l o w m 2 无量纲 无量纲 w m 2 无量纲 无量纲 1 0 z p a 1 0 z p a 4唯锄酊如曰毋c唧白q啤如曙屈g h 如b k 叫m m 嗍b 重庆大学硕士学位论文 预测平均热感觉投票 热舒适预测平均不满意百分率 反应系数公比 冠层的表面空气动力学阻力 冠层的气孔阻力， 黑球温度计的日照系数 穿透植物的直接太阳辐射强度 空气温度 平均辐射温度 穿衣服的人体表面温度 黑球温度 风速 距地面为z 处的平均风速 湿黑球温度 地表粗糙度 相对空气湿度 太阳高度角 黑球与环境的系统黑度 计算日的太阳赤纬 计算地点的纬度 s t e f a n b o l t z m a n 常数 表面j 的短波反射率 空气密度 热力学湿度常数 x 无量纲 无量纲 无量纲 s m s m 无量纲 w m 2 m s m s 无量纲 m 无量纲 度 无量纲 度 度 5 6 7 1 0 一w m 2 k 4 无量纲 k g m - 3 p a p ) ，6 ， 一肿r如曝昂乃耳如矿吻一z一，啊万矿口n p r 1 前言 前言 1 1 课题的意义 随着近年来城市迅速发展，城市基础设施建设扩大，城市热岛效应越来越显 著。城市的地理位置和地形也直接影响到其夏季户外的炎热程度。比如重庆，它位 于四川盆地东南缘，因四周环山，冬季寒潮不易入侵，夏季焚风现象显著。夏季 炎热而漫长，最热月平均气温为2 5 一2 9 ，极端最高气温在3 8 c - - 4 0 c 之间， 记录的最高气温曾达4 4 0 ，为我国著名的“三大火炉”之- - 1 1 。城市夏季户外热环 境状况与城区人民的生活息息相关，对人们的精神面貌以及工农业生产和旅游业 的发展有着不可忽视的影响。 1 1 1 户外热环境质量对人的影响 户外热环境质量直接影响着人们户外活动的安全性和舒适性。一个具有潜在 危险的热环境是很不舒适的，这会形成一个强烈的刺激使人采取行动以防止热应 力。人体通过皮肤热感受器将外界环境温度变化的信息通过末梢神经传到下丘脑 核，它是人体温度控制中心，是大脑的一部分，在食物摄入、水分平衡、温度调 节等一些自主功能中起着主要作用。v o 磬等人发现下丘脑含有微量的正肾上腺素、 肾上腺素、5 一羟色胺( 5 一h t ) 和儿茶酚胺。下丘脑通过这些激素调节人体温度。 热作用可影响以下生理过程口】： ( 1 ) 激素分泌功能。使垂体( 抗利尿素、促甲状腺素、性激素等) 、甲状腺、 肾上腺、胰岛素的分泌以及血糖水平受到影响。 ( 2 ) 血液、白蛋白、球蛋白和血细胞成分发生改变。 ( 3 ) 影响电解质平衡和肝脏功能。 ( 4 ) 由于( 1 ) 一( 3 ) 的改变而影响人体其他生理过程。 无论是由于活动量增强还是由于环境温度升高的缘故，当体内热度增高时， 则体温调节系统总是力图保持体内的热平衡，可资利用的最重要的机能便是出汗， 但随之会引起体内水分和盐分的过量损失。如果环境温度太高，以至超过了温度 调节系统的调节范围，体温将升高到危险的程度，这时就产生了生理失调。由此 引起的各种热失调病症见表1 1 【3 j 只要有可能大多数人都愿意选择一个舒适的环境，以便在此环境下从事体力 劳动或脑力劳动，而且可以预料在非常热和非常冷的环境中，他们的工作效能将 会下降。一篇报道驻扎在东印度群岛的澳大利亚皇家空军地勤人员在炎热气候下 的工作效率和健康状况的作者作过如下描述：“人们是烦躁的，较之在其他气候下 重庆大学硕士学位论文 更不愿尽力和尽责。他们慢慢吞吞地工作，不是步行而是懒洋洋地漫步，衣服邋 遢，住处很不整洁；不讲礼貌，并且缺少活力和热情。”一一麦克弗森( m a c p h e r s o n ) ( 1 9 4 9 ) 。h 3 一项在新加坡居民中进行的调查得知，大多数人对炎热气候的怨言是缺 乏精力和不能全神贯注。 表1 1 热病的国际统计分类法一1 = 界卫生组织( 1 9 6 7 ) t a b l e1 1i i l t c m a t i o n a ls 咖s t i c a lc l a s s i f i c a t i o n o f h e a t i l l n e s s w h o ( 1 9 6 7 ) n 9 9 2 n 9 9 2 o n 9 9 2 1 n 9 9 2 3 n 9 9 2 4 n 9 9 2 5 n 9 9 2 6 n 9 9 2 7 n 9 9 2 9 热影响( 不包括烧伤和晒伤) 中暑( 取代日射病和发热) 热昏厥( 热虚脱) 汗闭性熟衰竭 缺盐引起的热衰竭 热衰竭( 没有其他说明) 短暂热疲劳 热浮肿 其他热影响 1 1 2 城市热环境的变化趋势 由于城市区域人口密度高，频繁的经济活动消耗大量矿物燃料，以及人工构 筑下垫面，出现了在大的气候背景条件下城市区域的特殊气候，即热环境诸因素 产生显著变化。主要表现为大气透明度差，削弱了太阳辐射；气温较高，形成“热 岛”；风速减小，风向随地面而异；蒸发减弱：湿度变小；雾多、雨多，能见度差 1 5 。表1 2 为苏州、无锡、常州、镇江、南京5 城市及分别与该5 城市邻近的5 县 在过去3 0 年里热环境诸因素的变化趋势及比较。由表可见城镇平均气温逐年上升， 风速、湿度逐年下降，城市比邻近县变化趋势更大。城市的热环境舒适性需要改 善，以利人们健康、舒适的生活。 表1 2 1 9 6 1 1 9 9 2 年苏南5 市、5 县热环境诸因素的变化趋势及比较 t a b l e l 2 t h e r m a l e n v i r o n m e n t a l f a c t o r s v a r i a t i o n i m n d o f s u n a n 5 e i l i e s a n d 5c o u n t i e s f r o m l 9 6 1 t o l 9 9 2 1 1 3 改善城市户外热环境的必要性 改善城市户外热环境，让人们在体闲时更多的选择户外空问，不仅可以缓解 建筑能耗的紧张，而且使人们可以呼吸到新鲜的空气，感受到自然的气息。在经 历了“煤烟型”、“光化学烟雾型”污染后，人类社会已进入以“室内空气污染” 为特点的第三次污染时期，在新建成、未装修的住宅以及装修不久的房屋中，室 内污染的主要污染物是甲醛；甲醛和其他挥发性有机化合物( v o c ) 的检出率为 1 0 0 ，室内空气污染已经成为对公众健康危害最大的五种环境因素之一。户外休 闲己经成为人们的必然选择。 改善城市户外热环境是每个城市居民的需要。即使在炎热的夏季，人们也不 能始终呆在空调房间，户外活动是人们心理和生理的需要。五天工作制的推行留 给人们更多的户外活动的时间。城市居民生活区、广场、街道、公园以及其他户 外休闲娱乐场所是人们在社会交往和休闲时选择最多的户外空间，而目前这些城 市户外空间的热环境还有待改善。例如，一些城市过分强调广场规模，照搬其他 城市广场模式，大面积采用硬质地砖，缺乏合理配置树木、草地、水体，在夏季 势必导致广场的生态环境、物理环境恶化，造成广场的使用功能受到限制。因此 研究这些区域热环境、分析影响其热环境的因素、探索评价和改善热环境的方法 具有及其重要的意义。 改善城市户外热环境也是社会的需要。我国住宅业经过2 0 年来每年以2 0 的 高速发展，群众住房需求正从生存型向舒适型转变。改革开放后，国家把房地产 业作为一项重要产业加以扶持和发展，使住宅业进入了一个高速发展时期。中国 建设部公布小康住宅十大标准中就有：住宅区环境舒适；社区内绿化好，景色宜 人，体现出节能、节地的特点，有利于保护生态环境。居民住房从原来为生存需 要而追求有屋住、住得下，到现在追求宽敞、舒适，讲究社区环境良好。舒适、 富有魅力的住区户外环境已成为一个重要的买房热点。 改善城市户外热环境也是城市户外建筑环境设计的要求。绿地可调节社区微 热环境，使社区热舒适性得到改善。但绿地往往缺少必要的供居民交往、游戏的 开阔空间。一些小区单一以草坪为主的平面绿化形式，使小区失去了绿荫和应有 的趣味，而某些小区过于营造园林意境和构图形式的设计，又往往陷入造价昂贵 却不实用的境地。因此，我们需要寻找综合利用草坪、树荫、水体、立面绿化、 建筑阴影、建筑布局等这些户外建筑环境设计的方法，改善城市户外热环境，给 城市居民创造一个舒适的生活空间。 综上所述，研究城市户外热环境，寻求评价和改善环境热舒适的方法具有现 实意义。 重庆大学硕士学位论文 1 2 文献综述 对城市热环境的研究至少已有1 7 0 多年的历史。自1 8 1 8 年，l h o w a r d 根据对 伦敦城市温度场的观察出版了伦敦气候一书后，英、法、美、日、德、加拿 大以及后来的中国、印度、马来西亚等许多国家陆续出版了有关这方面的研究成 果的论著。从1 0 0 多年的发展现状来看，对城市热环境的研究大致可分为城市大 气候研究和城市微热气候研究两大类。 1 2 1 城市大气候研究 城市大气候的研究分为三个阶段，第一阶段是城市热环境研究的初期，这一 时期的研究特点可以归纳为以下两点【6 】： ( 1 ) 研究工作仅仅是以特定的城市为对象，以城市内外几个有代表性观测点的 观测数据为代表，比较城市内外的温度变化。因此，在观测范围上受到限制，并 且是静态的观测。 ( 2 1 往往仅研究热环境的某一因素，给出的一般是城市温度的逐月、逐季或逐 年的平均值或累计值，不能从建筑学的角度讨论建筑气候。 2 0 世纪的2 0 年代末，城市气候研究的要素越来越多，研究的地区也日益扩大。 奥地利人施密特于1 9 1 7 年开始对城市内部不同景观地区的小气候进行研究，他于 1 9 2 7 年首创利用汽车装备气象观测仪器做流动观测。在一个或几个观测地点利用 自记记录，与流动观测点的观测值进行对比订正，并绘制订正到同一时刻的气象 要素等值线图。利用这个方法可在短时间内收集到很多点的资料，对城市气候的 研究贡献很大。它开创了热环境研究的第二阶段，e a k r a t z e r 于1 9 7 3 年对这段时 期的有关研究作了详细的综合分析，出版了城市气候一书，对2 0 世纪3 0 年 代以前城市气候的研究工作进行了全面的总结，这一阶段城市热环境研究的主要 特点是观测方法的改变，研究人员已开始作城市温度场的动态测量，但研究仍以 观测数据为基础，研究内容也主要是对单一气候指标进行的，仍没有把城市规划 设计与城市热环境的综合研究结合起来。 城市热环境研究的第三个阶段是以新方法和新技术的运用为前提，除此以外， 它的另一个特点是与城市布局和城市设计相联系，另外，开始同时研究影响城市 热环境的多个因素；对热岛观测已扩大到三维；利用计算机进行数值模拟和数学 建模分析；风洞试验被用于参数分析和模拟比较；对热岛与城市规模、建筑密度、 人口、下垫面粗糙度、街道设计、视野开阔度因子作了相关性讨论。城市热环境 研究的第三个阶段开始于2 0 世纪5 0 年代，1 9 5 1 年a s o u n db o r g 首先用统计模型 对城市温度场进行分析，给出了系列经验公式【”。1 9 6 9 年，l o m y r u p 提出了城市 热岛的数值模型 8 】，m h h a l s t e a d 用计算机对城市气候进行分析模拟 9 1 。 e m v u k o v i e k 从理论上分析了大气稳定性和平均风速对城市热岛环流的影响【1 伽 4 1 前言 k y o s h i o 对大气环流的动力学特征进行了分析，提出城市大气环流的动力学统计 模型并对结果进行数值模拟】。1 9 7 1 年， m a a t w a t e r 从理论上分析城市污染环 境下太阳辐射的收支平衡关系 1 2 ，d 1 l e a h e y 给出了城市混合边界层高度的预测模 型，并将之用于纽约市的热岛研究【l ”。1 9 7 7 年，m a a t w a t e r 利用欧拉静力学模 型，研究了城市化对热气候的影响i l ”。 在城市热环境研究的第三阶段才真正开始了建筑热环境的研究，从而使城市研 究得到迅速发展。但对于微热气候的研究，还缺乏结合建筑设计和规划的讨论。 近年来，已有许多研究者热心于对城市热环境在理论和应用上的研究，在这方面 计算机做出了极大的贡献，研究的重点已从城市区域环境转为局部的微热环境。 d t m i h a i l o v i c 等人用等效、类比和数值模拟等方法详细讨论了人为散热、植被、 土地利用、建筑群分布、街道布局等对城市热环境的影响 1 5 - 1 9 】。为城市热环境评 价和预测奠定了初步基础。 1 2 2 城市微热气候研究 事实上，无论是城市空间的创造还是使用，主体都是人。城市建筑设计和规划 直接影响到城市微热气候，并通过其影响的微热气候作用于人，对人4 r 的热感觉 有直接影响。因此，城市空间的安全性与舒适性已越来越引起空间环境设计者与 研究者的关注，对城市微热气候的研究也越来越深入。 城市微热气候研究主要是针对城市内不同性质下垫面进行对比分析，将城市内 部下垫面按其功能、建筑设计形式、建筑密度、植被覆盖度等进行分类，研究其 地表和城市覆盖层内的辐射、湿度、温度、风速的分布和变化，分析其时空分布 的规律及其形成机制，了解其对人体热感觉的影响，从而采取措施改善城市的微 热气候以利于人类的生存。 城市微热气候的实测研究 c l a r k ea n db a c h 首先指出，用气象观测站所观测到的温度来推论其对城市空间 中人的健康影响很不准确团】。因为观测点所在的环境与城市内部的环境完全不同。 t e r j u n ga n dl o u i e 给出了在不同纬度和季节，人体所接受的太阳辐射的理论计算方 法 2 ”。p l u m l e y 在实测的基础上，考虑地表和墙的辐射交换，计算了普通着装情况 下几种行为，即不同的新陈代谢率，保持舒适的环境辐射温度上限。结果如表1 3 所永2 2 1 。 a r e n sa n db a l l a n t i 【2 3 则采用风洞实验研究了风对舒适状况的影响。影响人们户 外活动时热反应的因素很多，显然，单纯提出辐射温度上限或只考虑风的影响是 很不全面的。 尾岛俊雄与三浦昌生测定了几种住宅类型外部空间的风速、空气温度、墙和 地表温度【2 ”。测试地点为东京都墨田区( 低层高密度住宅区) 及板桥区高岛平( 高 重庆大学硕士学位论文 层住宅区) 。表面温度的测定采用遥感红外技术，区域范围为1 0 0 r e x1 0 0 m l k m x l k m ，单元面积为l m l m 1 0 m 1 0 m 。结果表明，在l k m l k m 范围内，由于外 部空间构成不同，表面温度差异很大，但空气温度差异很小。中村泰人等对于东 西走向，街宽1 6 m ，两侧建筑物高1 7 m 的矩形街谷在炎热夏季的气温分布进行2 4 小时的全天观测【2 5 1 。发现街谷内气温在空间分布上无显著差异，且与街谷外的气 温基本一致。表面的温度边界层不超过5 0 c m 。同时，他们还观测了街谷内表面温 度与表面热流 2 6 。实测结果表明，太阳辐射对表面温度与表面热流影响很大。街 道靠北部分表面温度最高达4 8 c ；靠北建筑物墙下部表面温度次之，为4 3 c 。表 面的太阳得热以导热方式传给墙内表面。墙上部分长波辐射大于下部。该文还据 实测数据整理出对流传热系数与建筑屋顶的风速的线性关系。 表1 3 舒适条件下的辐射温度上限( ) t a b l e1 3r a d i a n tt e m p e r a t u r eu p p e rl i m i tu n d e rt h e r m a lc o m f o r tc o n d i t i o n 片山忠久等对街谷内的辐射热环境进行了实测与计算【2 ”。实测街谷位于住宅 区，东西走向，两侧建筑为5 层公寓楼。实测了四个测点的气温、黑球温度和风 速，并测出迎风面建筑屋顶的太阳辐射和风速作为参考数据。采用1 3 0 0 模型风洞 模拟了参考风速和街谷内的风速。以太阳辐射的参考数据，在综合考虑墙及地面 反射的情况下，计算了太阳辐射得热。由此计算出的黑球温度与实测值一致。 片山忠久等观测了有一大湖的城区的热环境嘟】。观测发现，湖面热流为负，即 起冷却作用。以s e t 作为综合热指标，白天密集住宅区的s e t 值比湖面上高出3 ，夜间差别减小。树与藤栅的遮阳可使s e t 下降7 8 。此外，该文还拟合了住 宅区对流换热系数与风速的关系。他们进一步就单棵树树荫及地表覆盖材料( 沥 青路面与草坪) 对城市热环境的影响进行了详细的实测研究【2 9 】。实测的街谷位于 日本福岗的东南部，距海湾1 0 公里。街谷东西两侧是5 层楼房，南面向一条小街， 北侧为1 层建筑物。观测时间为8 月1 9 日至2 2 日，连续晴天，间有阴云，即为 典型的夏季气候。实测结果表明，地表覆盖材料对综合指标影响甚微，沥青路面 上方l m 处的w b g t 值与草坪上方l m 处的值相差仅为o 5 左右。但树荫影响较大， 树荫下的w b g t 值比阳光下低1 5 左右，超过3 0 的情况很少；风速对人体热感觉 6 l 前言 的影响在阳光下比树荫下大；在不考虑直接日射的情况下，街谷内w b g t 与s e t 存在显著的线性关系。就表面热平衡而言，白天，沥青路面净辐射的6 0 以显热 的形式传给空气，约4 0 储于地表材料中；而草坪净辐射的1 5 以显热的形式传 给空气，3 5 储于地表材料，5 0 被草坪蒸发消耗。白天，路面对流换热( 显热) 热流与表面温度与气温之差成正比；草坪蒸发潜热热流则在一定程度上与空气湿 度与草坪表面的饱和湿度之差成正比。h o y a n o e 等也曾就单棵树树荫及藤棚遮阳对 热环境的影响进行过测定【3 0 3 ”。 郑明坤等对夏季长春文化广场进行了实测【3 “。该广场范围：东西5 0 0 m ，南北 3 0 0 m ，坐落予地质宫前。测定了现场气温、地表温度、风速、相对湿度以及主观 感觉。发现广场气温、地面温度略高于街道和林荫带的气温和地面温度；而广场 相对湿度低于街道和林荫地；广场风速大于街道和林荫地。 上述研究基本上都是采用实测的研究方法，这对实测区域的热环境质量可以给 出一种可靠的评价，所得结论为进一步分析研究奠定了基础。由此，甚至可启发 我们对问题的思考，找到解决问题的途径。但是，影响城市局部热环境的因素很 多，除了日射、风等气候因素以外，还受到建筑物形状、结构、材料，建筑物密 度，街谷走向，地表材料，植被以及城市规划等因素的影响。同时，这些因素又 互相制约。此外人的热反应还受到个人着装、行为甚至心理因素的影响。面对这 样一种复杂的动力学过程，单凭实测的研究方法是难以揭示其物理本质，摸清其 相互作用的机制。在工程或科学中的其他领域，对于类似的复杂过程，普遍采用 的是数值分析的方法。 城市微热气候的数值模拟 目前，在城市微热环境研究中应用数值分析方法的例子还不多。中村泰人等 曾对夏季气候条件下，就街谷方位和地表覆盖材料对街谷表面( 墙、地表) 温度 和热流的影响”】，以及对人体热反应的影响进行了数值计算p 4 1 。t e r j u n g 等也曾对 街谷表面温度形成及其对人的热环境状况影响进行数值分析【3 5 】。这些研究主要对 影响人体热反应的户外环境进行了单因素分析，缺乏对户外热环境的综合研究。 在研究人体热反应时使用的是g a g g e 两节点人体温度调节模型，在预测户外非对 称辐射和气流的影响效果受到限制。 董靓选择湿球黑球温度w b g t 作为城市街谷热环境的综合指标 3 6 1 ，建立了能 直接从环境参数预测热指标w b g t 的关联式以及典型的矩形街谷热环境的数值模 型。用数值方法研究了空间设计中的一些要素：街谷方位，街谷高宽比及地面铺 装材料与墙体材料对街谷热环境的影响。并实测分析了重庆街谷夏季热环境。董 靓的以上研究重点是考虑的人体在热环境中的安全性，而对热环境的舒适性未进 行讨论。 重庆大学硕士学位论文 1 2 3 城市热环境评价方法 有效温度e t 和湿球黑球温度指标w b g t s o h a r 等建议采用有效温度e t ( e 伍c i e n t t e m p e r a t u r e ) 作为户外环境的热指标 ”1 。t o u t 则以有效温度e t 作热指标分析了不列颠群岛部分区域的热影响【”j 。事 实上，有效温度指标e t 是为预测室内热环境的热感觉而提出的，曾被广泛应用， 特别是在有关的热环境规范中。但因其过高地估计了湿度在低温下的影响，而高 温时的影响则强调不够，实际上目前已被废除( m c i n t y r e1 9 8 0 ) 。森川明夫等( 1 9 8 6 ) 认为户外热环境的综合热指标宣采用湿球黑球温度指标w b g t 【3 9 】。董靓选择湿球 黑球温度w b g t 作为城市街谷热环境的综合指标。但v r - b g t 仅是户外安全性热指 标，不能作为户外热环境舒适性的评价标准。 气候舒适度。 作为对人体生理的舒适度表征，气候舒适度在气象预报上运用广泛。它主要 考虑了三个影响人体舒适度的气象因素，即：温度、湿度、风速。由环境卫生学 可知，气温2 4 ，相对湿度7 0 ，风速2 m s ，是夏季对人体最舒适的气候条件， 据此陆鼎煌提出了模糊综合评判方法 4 0 ，建立了涉及气温、湿度和风速的舒适度 ( u i ) 的公式，即： 卟南凯当t 2 ：4 4 。 c c 其忙4 ，s 驴 斋彰i 焉舯- o 啷s ( 1 2 ) 吣 丽篓戮辄- o s s s 4 m s ， 然后再结合当地夏季气候特点，通过专家学者对小气候三要素权重做出概率 估计，分别赋值，评定出气温、湿度和风速的权重分配值4 ；， 求出各要素的实际舒适值r j ，即： 兄。爿，矾 ( 1 4 ) 舒适度的综合评判值y 为： y 2 置+ 曩一r v( 1 5 ) 重庆日舒适等级与综合评判值的关系如表1 4 所示4 1 】 1 前言 袭1 4 重庆日舒适等级 t a b l e1 4c h o n g q i n gt h e r m a lc o m f o r td e g r e e 根据上述方法，统计出的重庆城市1 9 9 2 1 9 9 4 年夏季各舒适度日数见表1 5 。 气候舒适度指标不涉及个人变量，未考虑物理变量中的环境平均辐射温度和 太阳辐射对人体热舒适度的影响。它是一种宏观的、粗略的人体热舒适度评判方 法。 表1 5 重庆城市夏季各舒适度日数( 天) t a b l e1 5c h o n g q i n gs u m m e r d a y so f t h e r m a lc o m f o r t 城镇热舒适度 选择平均气温、平均相对湿度、平均风速、日照时数、雾日等作为评估热环 境舒适度的因素( 柳孝图，1 9 9 9 ) 。根据多年的气象资料以及城市发展资料，选取 大气因子、非大气因子、人类活动因子共二十项，得出城镇热舒适度预报方程。 这种方法是把整个城市建设和人类活动以及气候影响作为一个有机整体对整个城 市进行热舒适性预报。但它无法预测因为建筑环境设计的变化而使城市热环境舒 适性产生的差异。对热舒适程度的界定在理论上未与人体热感觉相联系，它主要 是对环境物理变量的描述。 人体热调节模型 a r e n s 曾用人体热调节模型预测人们在户外热环境下的热感觉4 2 1 。他立足于美 9 重庆大学硕士学位论文 国旧金山当地气候条件，运用气象资料，主要包括逐时气温、湿度、风向、风速、 降雨( 其中风向和风速用风洞试验进行修正) ，以及由城市比例模型和平行光源得 出不同时刻的太阳辐射量，模拟给定方形区域因为四周不同建筑外形变化对人体 热舒适感的影响，并得n - 个户外热舒适评价与预测程序。该评价程序主要针对 的是建筑外形结构对风和太阳辐射两个因素的影响，而对下垫面材料的变化( 比 如草地和水面等) 未作分析，因此无法预测下垫面对给定区域的湿度、气温和平 均辐射的影响；因为其采用的是二节点温度调节模型 43 1 ，假设人体由无温度梯度 的内外两部分组成，从而使该模型对于预测户外非对称辐射和气流的影响效果受 到限制。 综上所述，城市热环境的研究现状可概括为： ( 1 ) 对城市热环境的研究可分为：城市大气候研究和城市微热气候研究两大 类。 ( 2 ) 城市大气候研究经过三个阶段的发展，开始运用新方法和新技术，并逐步 与城市布局和城市设计相联系；开始同时研究影响城市热环境的多个因素；对热 岛观测己扩大到三维；但从建筑设计和规划的指导作用上讲，城市热环境研究还 必须立足于微热气候的研究。 ( 3 ) 城市微热气候研究大部分都是采用实测的研究方法，这对实测区域的热环 境质量可以给出一种可靠的评价。但是，影响城市局部热环境的因素很多。同时， 这些因素又互相制约。面对这样一种复杂的动力学过程，单凭实测的研究方法是 难以揭示其物理本质，摸清其相互作用的机制。而在城市微热气候的数值模拟研 究方面，主要是对影响人体热反应的户外环境进行了单因素分析，缺乏对户外热 环境的综合研究，对热环境的舒适性研究涉及更少。 ( 4 ) 在城市热环境评价上用到的评价方法有：e t 、w b g t 、气候舒适度、城镇 热舒适度、人体热调节模型等，但这些指标在评价户外热环境舒适性方面还有各 自的缺陷。 因此，本文工作重点： ( 1 ) 建立较为完善的、能为建筑环境设计提供依据的评价户外热环境舒适性的 数学模型。 ( 2 ) 研究户外热环境舒适性的形成机制及其影响因素，开发户外热舒适评价的 微机窗口评价软件。 ( 3 ) 建立广场热环境的数值模型，开发广场热环境预测与评估软件。 ( 4 ) 开展户外热舒适性实验研究，对不同类型户外空间进行环境实测，分析影 响热舒适的因素。将实际平均热舒适投票率a s v 与p m v 进行对比，修正户外热 舒适评价指标o t c d 。 2 城市户外热环境舒适性评价模型 2 城市户外热环境舒适性评价模型 2 1 城市户外热环境质量评价标准 影响人对环境热反应的因素很多，既有环境固有的特性，即空气温度、湿度、 气流速度及辐射量( 热辐射) ；又有个人活动量、衣着条件等因素。若将热环境质 量看作是多维空间中的一个点或区域，则界定这一区域的条件不同而表现为不同 的评价标准。一般而言，可分为三类【删： ( 1 ) 安全标准：不影响人的身体健康；人的热调节系统不失调；人体生理机 制不损失或死亡。 ( 2 ) 舒适标准：冷热适度，热感觉舒适。在此区域内，人体调节机能的应变 最小。 ( 3 ) 工效标准：环境热状况影响人的敏感度从而影响人从事体力劳动和脑力 劳动的效率。 三类标准不一定同心，如舒适标准与工效标准不一定一致，但在任何情况下， 其他标准均应在安全标准范围内，即符合安全优先原则。董靓曾用热应力指标湿 黑球温度( 翮9 g r ) 作为评价户外热环境的综合指标。w b g t 指标是当初美军户外 军事训练中为防止热损伤事故而提出的。 活动有不同的目的，活动时间也有长短， 时候人们需要的是热舒适性指标。 因此它是一种安全性指标。人们的户外 因此仅有安全性