热舒适度评价与城市热环境研究_现状_特点与展望_吴志丰
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35 （ 5 ） ： 1364 － 1371 生态学杂志 Chinese Journal of Ecology 2016 ，
DOI： 10． 13292 / j． 1000 － 4890． 201605． 036
热舒适度评价与城市热环境研究 ： 现状 、 特点与展望
吴志丰
1， 2
陈利顶
1*
（ 1 中国科学院生态 ； 2 中国科学院大学，北京 100049 ）
国家自然科学基金重点项目（ 41230633 ） 资助。 1109 0130 收稿日期： 2015接受日期： 2016mail： liding@ rcees． ac． cn * 通讯作者 E-
吴志丰等： 热舒适度评价与城市热环境研究： 现状、 特点与展望
1365
据联合国经济与社会事务部统计， 全球城市人口 比例已经由 1950 年的 30% 上升至 2014 年的 54% （ United Nations， 2014） 。人口大量聚集势必伴随着城 “城市热 市建成区迅速扩展， 改变地表热量平衡， 形成 （ Voogt et al． ， 2003； Corburn， 2009 ） 。城市建设不 岛” 仅会使城市地表和空气温度升高， 还会改变局部风向 和风速， 由此降低了城市居民生活环境的舒适程度， 不同程度上影响到城市居民的生活质量。 热舒适度评价的目的是通过评价外界热环境对 人们工作和生活带来的影响， 探讨改善热环境的相 具有 应措施。热舒适度评价与人们生活密切相关， 良好的实用性。在城市规划领域， 特别是城市快速 扩张的背景下， 如何改善城市室外居住环境， 提高城 是城市生态学领域的研究热点。 市居民生活品质， 热舒适度评价正是基于此， 以城市居民热感受为中 心， 分析街区尺度微气候是否舒适， 通过改变建筑结 构和植被配置等来舒缓因人工下垫面增加导致的地 表温度、 空气温度、 辐射强度、 风环境等的不利变化， 增强城市居民生活的舒适程度。本文系统梳理了热 舒适度评价工作的发展历程及其常见的评价指数 ， 分析了其在减缓热岛效应、 改善热环境方面的应用 和存在的问题， 希望能推动国内相关研究工作。 1 热舒适定义 热舒适评价最早起源于 20 世纪初英国矿工工 1990 ） ， 作场所的热环境状况评价 （ Aynsley et al． ， 发 展至今已有 100 余年历史。 随着相关学科发展， 借 助热舒适度指数的热环境评价工作已经取得了巨大 进步， 尤其在城市热环境评价和改善方面研究较多 ， 对促进城市规划和设计起到了积极作用 。 热舒适主要针对人体热感觉而言， 从不同角度 有不同的定义。美国采暖、 制冷和空调工程师学会 将热舒适定义为人类个体对周围热环境是否满意的 2004 ） ； 丹麦学者 Fanger（ 1970 ） 主观判断（ ASHＲAE ， 从能量得失角度将热舒适定义为人体产生和损耗能 量处于平衡状态时的生理状态。两种定义都有一定 的局限性， 前者从心理角度描述人类个体的热舒适 状态， 定义准确但因未涉及具体热交换过程而无法 量化， 且因人而异； 后者是针对室内环境， 从生理角 度解释热舒适状态， 更容易量化； 但随着热舒适研究 的逐渐深入， 人们发现单从生理上的热平衡来代表 热平衡并不全面， 在室外环境的热舒适状态下， 生理
上热量交换并非平衡。随着人们对热舒适机理理解 相信对处于复杂环境中的人体热舒适状 逐渐深入， 况会有更加准确的描述。 2 热舒适度评价指数 构建热舒适度评价指数是判断热环境优劣的主 可以将 要方式。从发展阶段和科学基础两个方面， 热舒适 度 评 价 指 数 分 为 经 验 指 数 和 机 理 指 数 两 大类。 2. 1 经验性热舒适评价指数 经验性热舒适评价指数多形成于热舒适研究早 期， 那时人们对人体热交换机理缺乏了解 ， 主要依靠 人体在不同环境下感受的统计分析来构建评价指 数。舒适与否是人体对空气温度、 空气湿度、 风速、 辐射等多项环境因子综合作用下的反应 。基于这种 认识， 研究人员开发了大量表征环境热状况的经验 1979 ） 、 指数， 如热量指数（ heat index） （ Steadman， 湿 1957 ） 、 球黑球温度 （ WGBT ） （ Yaglou et al． ， 风冷指 1994 ） 、 数（ wind chill index ） （ Kunst et al． ， 平均辐射 温 度 （ mean radiant temperature ） （ Thorsson et al． ， 2007 ） 等。 截至 目 前， 经 验 热 舒 适 评 价 指 数 有 100 余 种 （ AliToudert， 2005 ） ， 它们计算简单， 易于理解， 目前 仍有很多指数应用于日常生产生活中 。但是其缺点 有以下几个方面： （ 1 ） 没有考虑环境因子的综合作 导致经验指数只能评价热环境的某个特征； （ 2 ） 用， 多针对某个特定区域人群开发， 对其他气候类型区 和人群适用性不高； （ 3 ） 缺乏对人体热调节机制的 1976 ） ； （ 4 ） 不同 考虑， 科学性依据不充分 （ Givoni， 1993 ； Jendritzky 指数评价结果缺乏可比性 （ Hppe， et al． ， 2012 ） 。 2. 2 机理性热舒适度评价指数 随着热生理学 （ thermal physiology ） 和生物气象 学（ biometeorology） 等学科的发展， 人们对外界环境 因子对人体的影响方式以及人体肌体各部分对外界 环境变化的响应机制有了更加深入的认识 ， 由此从 热交换机理上建立了热舒适度评价的指数 。 2. 2. 1 室内热舒适度评价指数 室内热舒适度评 价指数是基于人体热量平衡而建立， 通过分析室内 环境人体热储量变化， 判断环境的舒适程度， 其表达 式为： S = M + W + Q * + Q H + Q L + Q SW + Q ＲE （ 1）
摘 要 随着城市快速发展， 大量自然地表被人工地表所替代， 改变了城市区域热量平衡， 形成热岛效应， 由此导致城市居民热舒适度下降 。热舒适度评价以城市居民对周边环境的 热感受为中心， 综合评价气象因子和个体行为对热环境感受的影响， 评价结果可用于评价 城市特定区域热环境特征以及改善热环境舒适度的措施 。 本文系统梳理了热环境舒适度 介绍了常用的热舒适度评价指数、 特点及存在的问题， 从街道走向、 评价工作的发展历程， 建筑布局、 植被布设和水体布局等方面探讨了改善城市热舒适度的途径和措施 ， 最后讨论 了热舒适度评价过程中存在的问题以及需要加强的方向 ， 主要包括 4 个方面： （ 1 ） 进一步改 进室外热环境评价模型， 提高模型模拟的准确性； （ 2 ） 加强对室外热舒适度监测方法和问卷 制定统一标准， 提高结果的可比性； （ 3 ） 明确热舒适程度与城市热岛强度 调查方法的研究， 的差异， 提出有针对性的改善热环境的措施 ； （ 4 ） 统筹考虑不同时间和不同空间对热舒适度 提出全面可行的城市热环境改善措施 。 的影响， 关键词 城市热岛； 热舒适度指数； 人体热量平衡模型； 建筑形态； 植被格局
Thermal comfort assessment and urban thermal environment research： Ｒeview and pro2 spective． WU Zhifeng1， ，CHEN Liding1* （ 1 State Key Laboratory of Urban and Ｒegional Ecology，Ｒesearch Center for EcoEnvironmental Sciences， Chinese Academy of Sciences， Beijing 100085 ，China； 2 University of Chinese Academy of Sciences，Beijing 100049 ，China） ． Abstract ： Ｒapid urbanization has caused apparent change in surface energy balance due to large replacement of natural vegetation with artificial surfaces，which leads to the urban heat island （ UHI） and deteriorates thermal comfort of urban residents． The outdoor thermal comfort assesss thermal sensation in outdoor environment by considering mement focuses on estimating people’ teorological factors and individual activities． The results can be used to identify the high risk area suffering from thermal stress in urban area and the valuable measures to mitigate harmful environment． In this paper，we systemically reviewed the development of thermal comfort theory and introduced indices used in thermal comfort analysis，the scientific basis of these indices and the existing problems． Then，how to improve thermal environment was analyzed from perspectives of street orientation， building layout and arrangement of vegetation and water bodies． Last， the limitations of thermal comfort assessment were discussed，and the perspectives in thermal environmental study were given： （ 1 ） to improve the simulation accuracy of outdoor thermal environment evaluation model； （ 2 ） to develop uniform standards on field measurements and questionnaire surveys in thermal comfort researches in purpose of improving comparability of different studies； （ 3 ） to aware the disparities between thermal comfort levels and urban heat island intensities and take effective mitigation measures according to specific cases； （ 4 ） to consider thermal comfort by integrating temporal scale and spatial scale，and propose overall and feasible strategies to improve urban thermal environment． Key words： urban heat island （ UHI ） ； thermal comfort index； human heat balance model； building morphology； vegetation pattern．
DOI： 10． 13292 / j． 1000 － 4890． 201605． 036
热舒适度评价与城市热环境研究 ： 现状 、 特点与展望
吴志丰
1， 2
陈利顶
1*
（ 1 中国科学院生态 ； 2 中国科学院大学，北京 100049 ）
国家自然科学基金重点项目（ 41230633 ） 资助。 1109 0130 收稿日期： 2015接受日期： 2016mail： liding@ rcees． ac． cn * 通讯作者 E-
吴志丰等： 热舒适度评价与城市热环境研究： 现状、 特点与展望
1365
据联合国经济与社会事务部统计， 全球城市人口 比例已经由 1950 年的 30% 上升至 2014 年的 54% （ United Nations， 2014） 。人口大量聚集势必伴随着城 “城市热 市建成区迅速扩展， 改变地表热量平衡， 形成 （ Voogt et al． ， 2003； Corburn， 2009 ） 。城市建设不 岛” 仅会使城市地表和空气温度升高， 还会改变局部风向 和风速， 由此降低了城市居民生活环境的舒适程度， 不同程度上影响到城市居民的生活质量。 热舒适度评价的目的是通过评价外界热环境对 人们工作和生活带来的影响， 探讨改善热环境的相 具有 应措施。热舒适度评价与人们生活密切相关， 良好的实用性。在城市规划领域， 特别是城市快速 扩张的背景下， 如何改善城市室外居住环境， 提高城 是城市生态学领域的研究热点。 市居民生活品质， 热舒适度评价正是基于此， 以城市居民热感受为中 心， 分析街区尺度微气候是否舒适， 通过改变建筑结 构和植被配置等来舒缓因人工下垫面增加导致的地 表温度、 空气温度、 辐射强度、 风环境等的不利变化， 增强城市居民生活的舒适程度。本文系统梳理了热 舒适度评价工作的发展历程及其常见的评价指数 ， 分析了其在减缓热岛效应、 改善热环境方面的应用 和存在的问题， 希望能推动国内相关研究工作。 1 热舒适定义 热舒适评价最早起源于 20 世纪初英国矿工工 1990 ） ， 作场所的热环境状况评价 （ Aynsley et al． ， 发 展至今已有 100 余年历史。 随着相关学科发展， 借 助热舒适度指数的热环境评价工作已经取得了巨大 进步， 尤其在城市热环境评价和改善方面研究较多 ， 对促进城市规划和设计起到了积极作用 。 热舒适主要针对人体热感觉而言， 从不同角度 有不同的定义。美国采暖、 制冷和空调工程师学会 将热舒适定义为人类个体对周围热环境是否满意的 2004 ） ； 丹麦学者 Fanger（ 1970 ） 主观判断（ ASHＲAE ， 从能量得失角度将热舒适定义为人体产生和损耗能 量处于平衡状态时的生理状态。两种定义都有一定 的局限性， 前者从心理角度描述人类个体的热舒适 状态， 定义准确但因未涉及具体热交换过程而无法 量化， 且因人而异； 后者是针对室内环境， 从生理角 度解释热舒适状态， 更容易量化； 但随着热舒适研究 的逐渐深入， 人们发现单从生理上的热平衡来代表 热平衡并不全面， 在室外环境的热舒适状态下， 生理
上热量交换并非平衡。随着人们对热舒适机理理解 相信对处于复杂环境中的人体热舒适状 逐渐深入， 况会有更加准确的描述。 2 热舒适度评价指数 构建热舒适度评价指数是判断热环境优劣的主 可以将 要方式。从发展阶段和科学基础两个方面， 热舒适 度 评 价 指 数 分 为 经 验 指 数 和 机 理 指 数 两 大类。 2. 1 经验性热舒适评价指数 经验性热舒适评价指数多形成于热舒适研究早 期， 那时人们对人体热交换机理缺乏了解 ， 主要依靠 人体在不同环境下感受的统计分析来构建评价指 数。舒适与否是人体对空气温度、 空气湿度、 风速、 辐射等多项环境因子综合作用下的反应 。基于这种 认识， 研究人员开发了大量表征环境热状况的经验 1979 ） 、 指数， 如热量指数（ heat index） （ Steadman， 湿 1957 ） 、 球黑球温度 （ WGBT ） （ Yaglou et al． ， 风冷指 1994 ） 、 数（ wind chill index ） （ Kunst et al． ， 平均辐射 温 度 （ mean radiant temperature ） （ Thorsson et al． ， 2007 ） 等。 截至 目 前， 经 验 热 舒 适 评 价 指 数 有 100 余 种 （ AliToudert， 2005 ） ， 它们计算简单， 易于理解， 目前 仍有很多指数应用于日常生产生活中 。但是其缺点 有以下几个方面： （ 1 ） 没有考虑环境因子的综合作 导致经验指数只能评价热环境的某个特征； （ 2 ） 用， 多针对某个特定区域人群开发， 对其他气候类型区 和人群适用性不高； （ 3 ） 缺乏对人体热调节机制的 1976 ） ； （ 4 ） 不同 考虑， 科学性依据不充分 （ Givoni， 1993 ； Jendritzky 指数评价结果缺乏可比性 （ Hppe， et al． ， 2012 ） 。 2. 2 机理性热舒适度评价指数 随着热生理学 （ thermal physiology ） 和生物气象 学（ biometeorology） 等学科的发展， 人们对外界环境 因子对人体的影响方式以及人体肌体各部分对外界 环境变化的响应机制有了更加深入的认识 ， 由此从 热交换机理上建立了热舒适度评价的指数 。 2. 2. 1 室内热舒适度评价指数 室内热舒适度评 价指数是基于人体热量平衡而建立， 通过分析室内 环境人体热储量变化， 判断环境的舒适程度， 其表达 式为： S = M + W + Q * + Q H + Q L + Q SW + Q ＲE （ 1）
摘 要 随着城市快速发展， 大量自然地表被人工地表所替代， 改变了城市区域热量平衡， 形成热岛效应， 由此导致城市居民热舒适度下降 。热舒适度评价以城市居民对周边环境的 热感受为中心， 综合评价气象因子和个体行为对热环境感受的影响， 评价结果可用于评价 城市特定区域热环境特征以及改善热环境舒适度的措施 。 本文系统梳理了热环境舒适度 介绍了常用的热舒适度评价指数、 特点及存在的问题， 从街道走向、 评价工作的发展历程， 建筑布局、 植被布设和水体布局等方面探讨了改善城市热舒适度的途径和措施 ， 最后讨论 了热舒适度评价过程中存在的问题以及需要加强的方向 ， 主要包括 4 个方面： （ 1 ） 进一步改 进室外热环境评价模型， 提高模型模拟的准确性； （ 2 ） 加强对室外热舒适度监测方法和问卷 制定统一标准， 提高结果的可比性； （ 3 ） 明确热舒适程度与城市热岛强度 调查方法的研究， 的差异， 提出有针对性的改善热环境的措施 ； （ 4 ） 统筹考虑不同时间和不同空间对热舒适度 提出全面可行的城市热环境改善措施 。 的影响， 关键词 城市热岛； 热舒适度指数； 人体热量平衡模型； 建筑形态； 植被格局
Thermal comfort assessment and urban thermal environment research： Ｒeview and pro2 spective． WU Zhifeng1， ，CHEN Liding1* （ 1 State Key Laboratory of Urban and Ｒegional Ecology，Ｒesearch Center for EcoEnvironmental Sciences， Chinese Academy of Sciences， Beijing 100085 ，China； 2 University of Chinese Academy of Sciences，Beijing 100049 ，China） ． Abstract ： Ｒapid urbanization has caused apparent change in surface energy balance due to large replacement of natural vegetation with artificial surfaces，which leads to the urban heat island （ UHI） and deteriorates thermal comfort of urban residents． The outdoor thermal comfort assesss thermal sensation in outdoor environment by considering mement focuses on estimating people’ teorological factors and individual activities． The results can be used to identify the high risk area suffering from thermal stress in urban area and the valuable measures to mitigate harmful environment． In this paper，we systemically reviewed the development of thermal comfort theory and introduced indices used in thermal comfort analysis，the scientific basis of these indices and the existing problems． Then，how to improve thermal environment was analyzed from perspectives of street orientation， building layout and arrangement of vegetation and water bodies． Last， the limitations of thermal comfort assessment were discussed，and the perspectives in thermal environmental study were given： （ 1 ） to improve the simulation accuracy of outdoor thermal environment evaluation model； （ 2 ） to develop uniform standards on field measurements and questionnaire surveys in thermal comfort researches in purpose of improving comparability of different studies； （ 3 ） to aware the disparities between thermal comfort levels and urban heat island intensities and take effective mitigation measures according to specific cases； （ 4 ） to consider thermal comfort by integrating temporal scale and spatial scale，and propose overall and feasible strategies to improve urban thermal environment． Key words： urban heat island （ UHI ） ； thermal comfort index； human heat balance model； building morphology； vegetation pattern．