城市半地下空间微气候对人体热舒适与视觉舒适的影响研究——以寒冷地区为例

《Atmosphere》：Influence of Microclimate on Human Thermal and Visual Comfort in Urban Semi-Underground Spaces

本研究系统评估了中国寒冷气候区半地下空间的综合环境质量及其对人体舒适度的影响。通过现场测量、问卷调查与数值模拟（如PMV、PPD、WBGT）相结合的方法，揭示了此类空间存在的温湿度失衡、CO2/TVOC累积及照明不足等复合环境问题，并为不同功能空间（交通枢纽、工作室）的性能优化设计提供了理论依据与实践指导。

　　

引言

地下与半地下空间已成为城市空间组织的重要组成部分，在日益紧张的城市土地资源中承担着交通、办公、文化及科研等关键功能。根据ISO 23386:2020的定义，半地下空间指主要位于地下、通过下沉庭院或天窗等设计元素与地面实现多维连通的结构，兼具地下空间的紧凑性与地面空间的开放性。然而，受独特地理位置与建筑结构限制，此类空间常面临通风不良、温湿度失衡及自然采光不足等复合环境问题，严重影响使用者的身心健康与工作效率。尽管已有研究对寒冷地区地铁站的热声环境及农村室内空气质量进行了探索，或通过模拟提出利用地下空间降温的通风策略，但现有研究多聚焦于单一环境因素（热舒适或视觉舒适），缺乏对半地下空间在寒冷地区环境下多物理场耦合效应的综合评估，尤其忽视不同功能类型空间（如交通节点与工作场所）的环境需求差异。为此，本研究以北京为案例城市，选取地下通道、图书馆、实验室及摄影工作室等典型半地下空间，采用现场测量、问卷调查与数值模拟相结合的方法，系统分析冬夏两季温湿度、热负荷及光照条件对人体主观感受的影响，以期为半地下空间的科学设计与环境调控提供支撑。

研究地点

北京属温带季风气候，依据中国《民用建筑热工设计规范》被划为寒冷地区，具有冬季较长且温和、夏季炎热、降水分布不均及昼夜温差大等特点。研究场地涵盖两类半地下空间：交通空间（地铁站及桥下空间）与工作空间（材料实验室、摄影工作室及图书馆）。这些空间虽通过通道与地上连接，但因低洼地势、顶板遮挡及相对封闭的结构，易形成独特的微气候环境。

研究方法

研究框架整合了问卷调查、现场测量、数值模拟及舒适度计算。环境测量参数包括照度（光环境）、温湿度（热环境）及CO₂/HCHO/TVOC/PM_2.5浓度（空气质量），测量高度统一为1.5米，每点持续10分钟以上以确保数据稳定性。问卷调查针对长期使用者（如每日通行2次以上的居民或每日工作4小时以上的员工），内容涵盖照明充足性、眩光感知、热感觉、湿度感受及环境对安全与工作效率的影响。热舒适评估采用ASHRAE Standard 55-2023推荐的预测平均投票（PMV）模型，结合空气温度、平均辐射温度、风速、湿度、服装热阻及代谢率等参数计算，并按ISO 7730标准将PMV在-0.5至+0.5区间内定义为中性舒适状态。数值模拟通过Rhino-Grasshopper-Ladybug平台（含Honeybee调用EnergyPlus进行热环境模拟、Radiance进行采光分析）实现，模型边界条件依据《公共建筑节能设计标准》（GB 50189-2015）设置，使用北京CSWD气象文件，并基于实际运行时间动态设定内热源。

结果分析

问卷调查结果显示，半地下交通空间的环境体验普遍较差。约75%的受访者对日光舒适度评分低于5分（10分制），热舒适度集中在6分左右，空气品质评分在5-7分之间。45%-50%的参与者指出自然光不足、照明不佳及通风不良导致车辆尾气积聚，影响通行安全；56%的人认为桥下空间因低洼地形、顶板遮挡及雨季积水而安全感低下。工作空间调查中，57%的摄影工作室用户评价其为“非常不舒适”，自然光满意度（6%-10%）低于人工照明（11%-21%）。约69%的受访者描述工作室“湿热”，55%认为实验室“极湿热”，且通风不足加剧了空气品质恶化。

模拟结果表明，交通空间夏季最高温度达38.92°C，冬季湿度低于30.66%，夏季早晚湿度可达96.66%。夏季通用热气候指数（UTCI）超过24.31°C，午间达31.02°C，进入中度热应激范围；高湿度抑制汗液蒸发，加剧闷热感。工作空间因空调调控，温度多维持在20-25°C（人体中性温度区间），但工作室设备散热导致局部温度升至26.45°C，实验室年制冷供热负荷超800 kW。PMV计算显示，实验室整体接近中性舒适，而工作室与图书馆受自然气候影响较大，夏季PMV趋近+1（微暖），冬季趋近-1（微冷）。

现场测量数据进一步验证了环境问题的空间异质性。交通空间入口处照度骤变（夏季内外差异更显著），内部照度低至0 lux，形成视觉“黑洞效应”；风速在入口处因建筑遮挡锐减，而空间较大的区域通风较好；CO₂因车辆排放局部升高（513-658 ppm），TVOC（0.23-0.28 mg/m³）与PM_2.5（22-25 μg/m³）虽符合标准但呈累积趋势；温度由外向内降低（夏降1.5°C、冬降0.5°C），湿度则逆升（夏增8%）。工作空间中，实验室照度波动剧烈（局部低于200 lx或超1000 lx），摄影工作室普遍超1000 lx，易导致视觉疲劳；实验室因储存板材、胶漆等材料，甲醛浓度达0.25 mg/m³（超限值），TVOC浓度0.7 mg/m³，可能引发头晕等不适症状；温湿度普遍高于室外，热惯性大且换气不足。

热舒适评价中，湿球黑球温度（WBGT）显示夏季桥下空间略低于外部，适宜范围为18-22°C；黑球温度外部略高于内部。PMV/PPD分析表明，交通空间全年PMV多低于零（微冷至冷），冬季低于-3（极冷），PPD超75%（近100%），反映极端冷应激风险；工作空间冬季PMV集中于-1（微冷），与模拟结果一致。

讨论

通过模拟与实测数据的交叉验证（如冬季PMV均趋近-1），确认了模型可靠性。半地下空间的环境挑战因功能类型而异：交通空间入口环境剧变引发“黑洞效应”与热应激，半封闭结构阻碍污染物扩散；工作空间则因过度封闭导致通风不足，TVOC/甲醛积聚，功能冲突（如设备散热）加剧局部过热，人工照明主导易致视觉疲劳。研究局限性包括问卷分析未采用推断统计、内热源设定固定等，未来需扩大样本并引入长期监测。

结论

半地下空间普遍存在高湿、照明不足与通风不良问题，显著降低舒适度。交通空间夏季湿热、冬季冷感突出，照明安全风险高；工作空间自然光缺乏、人工照明不均，温湿度调控能耗大，局部空气污染严重。PMV值揭示交通空间偏冷、工作空间偏暖的趋势，整体环境质量与功能需求存在显著差距，需依据空间功能制定针对性优化策略。