中国严寒地区冬季年轻人在校园屋顶空间中的垂直热响应

《Journal of Thermal Biology》：Vertical Thermal Responses of Young Adults in Campus Rooftop Spaces during Winter in the Severe Cold Regions of China

本研究探究垂直分层热环境对寒冷地区大学生屋顶平台的生理及感知影响，发现UTCI预测热感优于PET等指标，女性及南方背景者冷适应更强，为极端寒冷区垂直空间设计提供依据。

　　在极端寒冷地区，冬季的严酷气候条件对人类的生理状态构成了显著挑战。这种环境不仅考验着人体的温度调节能力，也限制了人们在户外活动的时间与空间利用。本文通过深入研究垂直分层的热环境对年轻人在校园屋顶上的生理和感知反应的影响，揭示了在寒冷环境中，人类如何适应不同高度的热条件。研究结合了微气候监测和热感知评估，对不同高度上的热适应机制进行了系统分析，为极端寒冷地区的垂直空间设计提供了重要的生理依据。

研究结果显示，冬季的热调节主要受到温度与风速相互作用的影响，这种影响与夏季以辐射为主导的热环境有着显著差异。这意味着，在寒冷的冬季，风速对热感知的影响可能比夏季更加重要。此外，研究发现，普遍热气候指数（UTCI）在预测不同高度上的热感方面表现优于生理等效温度（PET）、修改后的PET（mPET）和标准有效温度（SET*），尤其是在面向东方的高处空间中，UTCI的预测能力更为突出。这一发现对于优化寒冷地区建筑的垂直空间设计具有重要意义，因为它表明，在某些特定的垂直位置和方向上，使用UTCI可以更准确地评估人类的热感知和适应能力。

研究还揭示了热中性温度随高度的变化呈现出非线性趋势。在1.5米的高度上，热中性温度为7.67°C，随着高度的增加，这一温度逐渐下降至9.5米处的1.47°C，随后又迅速上升至13.5米处的9.73°C。这一变化模式表明，人体在不同高度上对热的适应能力存在差异，尤其是在较高的位置，人体对温度变化的敏感性有所降低。这可能是因为在较高的位置，风速的影响更大，导致人体在寒冷环境中更容易适应较低的温度。这种非线性的热中性温度变化为设计寒冷地区的垂直空间提供了新的视角，说明在不同的高度上，需要采取不同的热调节策略。

在个体层面，研究还发现性别和长期热暴露经历对热适应能力有显著影响。女性和来自南方地区的参与者表现出更广的生理耐受范围以及更强的寒冷适应能力。这可能与女性在生理结构和代谢特征上的差异有关，例如女性的体脂比例较高，这可能有助于在寒冷环境中保持体温。此外，来自南方的参与者可能因为长期生活在相对温暖的环境中，而对寒冷的适应能力更强。这些发现强调了在设计寒冷地区的垂直空间时，需要考虑到个体差异，为不同性别和背景的使用者提供适宜的热环境。

研究还指出，当前关于垂直热环境的研究存在一定的局限性。大多数研究集中在建筑内部的中庭或高层立面，而对暴露在外、微气候复杂的屋顶空间关注不足。此外，现有的研究主要集中在温带、亚热带和热带气候区，对极端寒冷地区的屋顶热环境研究相对较少。因此，本文通过比较不同高度和方向上的热舒适指数，填补了这一知识空白，为寒冷地区的热环境研究提供了新的数据和视角。

研究采用的方法结合了现场监测和主观数据的同步收集，以全面评估人类在垂直分层环境中的热适应能力。通过在不同高度上测量环境参数，并计算相应的热舒适指数，研究人员能够将这些数据与参与者的主观反馈进行对比，从而更准确地评估热舒适度。这种方法不仅能够揭示热环境对生理和感知反应的影响，还能为建筑设计提供科学依据，帮助优化屋顶空间的热环境，提高其在寒冷地区的使用效率。

在研究过程中，研究人员还特别关注了不同气候条件下的热舒适指数比较。例如，在哈尔滨的冬季研究中，Jin等人（2019）发现热感值（MTSV）与UTCI之间存在线性关系，而在长春的老年人研究中，Wang等人（2021）也发现了类似的关系。然而，值得注意的是，长春在1.5米高度上的热感系数为0.076，而哈尔滨仅为0.026。这种地区差异表明，不同地区的热环境对人类热感的影响存在显著差异，这可能与当地的气候特征、建筑结构以及使用者的适应能力有关。

此外，研究还发现，热适应能力受到多种生物和行为因素的影响。例如，心理适应能力、行为调节策略和生理特征都可能影响个体在寒冷环境中的热舒适度。性别和长期热暴露经历是其中两个关键因素，它们不仅影响个体的热中性温度，还决定了其在不同高度上的热适应能力。这些因素的综合作用使得不同个体在相同热环境中的反应存在显著差异，因此在设计垂直空间时，需要综合考虑这些因素，以确保所有使用者都能获得良好的热舒适体验。

本文的研究成果不仅深化了我们对寒冷环境中人类热适应机制的理解，还为优化寒冷地区的垂直空间设计提供了重要的生理证据。通过揭示不同高度和方向上的热环境特征，以及个体差异对热适应能力的影响，研究为建筑设计师和城市规划者提供了科学依据，使他们能够更有效地应对寒冷环境带来的挑战。这不仅有助于提高屋顶空间的使用效率，还能改善人们的热舒适度，从而提升整体的生活质量。

在实际应用中，这些研究成果可以指导寒冷地区的建筑规划和设计。例如，在校园屋顶的设计中，可以考虑在不同高度上采用不同的热调节策略，以满足不同使用者的需求。同时，针对女性和来自南方的参与者，可以设计更具适应性的热环境，以提高他们的舒适度和满意度。此外，研究还强调了热舒适指数选择的重要性，特别是在寒冷环境中，需要根据具体的空间特征和气候条件，选择最合适的评估指标，以确保其预测的准确性和稳定性。

总的来说，本文通过系统的实验和数据分析，揭示了寒冷环境中垂直热环境对人类生理和感知反应的影响。研究不仅提供了重要的科学依据，还为实际应用中的热环境优化提供了指导。未来的研究可以进一步探讨其他生物和行为因素对热适应能力的影响，以及不同气候条件下的热环境特征。这些研究将有助于更全面地理解人类在寒冷环境中的热适应机制，并为寒冷地区的建筑和城市规划提供更加科学和人性化的解决方案。