中国寒地大学校园冬季室外热舒适研究：空间形态与热环境的交互机制

《Results in Engineering》：Winter outdoor thermal comfort in university campus open spaces in the cold region of China

本研究针对寒冷地区冬季大学校园室外热舒适问题，以西安某高校为案例，通过微气候实测与问卷调查，探究了天空可视因子（SVF）与遮荫类型对生理等效温度（PET）及主观热感觉（TSV）的耦合影响。建立了“空间-环境-感知”多元评价模型，发现中性PET为26.3°C，且SVF与PET呈二次关系（SVF=0.53时PET最低）。绿化主导遮荫空间在各SVF梯度下均获得最佳热感知，为寒地校园户外空间设计提供了理论依据。

　　

随着城市化进程加快和城市热岛效应加剧，室外热舒适已成为建成环境研究的重要课题。然而，现有研究多聚焦于热稳态的室内环境，对非稳态的室外热舒适关注相对不足。大学校园开放空间作为师生频繁进行户外活动的场所，其冬季热环境质量直接影响使用者的身心健康与活动体验。特别是在中国寒冷地区，冬季寒冷干燥的气候特征使得户外热舒适问题尤为突出，亟待开展针对性研究。

以往关于城市开放空间热舒适的研究多集中于公园、居住区等类型，针对大学校园的研究相对有限，且较少综合考虑空间形态特征（如天空开阔度、遮荫类型）对热环境的交互影响。此外，既有研究多关注夏季热舒适，对寒冷地区冬季的室外热环境与人体热感知的关联机制尚不明确。

在此背景下，一篇发表在《Results in Engineering》上的研究论文《Winter outdoor thermal comfort in university campus open spaces in the cold region of China》以西安典型寒冷地区城市中的长安大学主校区为研究对象，通过现场微气候测量和问卷调查相结合的方法，深入剖析了冬季不同开阔度和遮荫类型的室外空间中，生理等效温度（PET）与主观热感觉（热 sensation）之间的关系，并构建了综合的“空间-环境-感知”评价模型。

为开展此项研究，作者团队主要运用了几项关键技术方法：首先，在校园开放空间选取了9个具有不同天空可视因子（SVF）和遮荫类型（以绿化空间因子GSF和建筑空间因子BSF表征）的测量点；其次，在2024年12月17日至19日的9:00至17:00，使用符合ISO 7726标准的多功能测试仪和热丝风速仪同步测量了各点的空气温度（T_a）、相对湿度（RH）、黑球温度（T_g）和风速（V_a）等微气候参数；同时，对在测量点停留超过10分钟的452名有效受访者（主要为18-30岁高校学生）进行了问卷调查，收集其个人基本信息、服装热阻、活动水平及瞬时热感觉投票（TSV）；随后，基于实测数据计算了平均辐射温度（T_mrt）并采用RayMan模型计算了生理等效温度（PET）；最后，运用相关分析、方差分析（ANOVA）、简单效应分析和多元回归分析等统计方法，量化了空间形态参数、热环境参数与主观热感知之间的复杂关系。

3.1. 空间形态与热环境

研究发现，校园冬季平均PET为7.2°C，热感觉以“微凉”为主。SVF与PET、T_mrt和T_a均呈现显著的二次关系，当SVF = 0.53时，PET达到最小值6.99°C。GSF和BSF也与T_a和T_mrt存在二次关系。这表明空间开阔度和遮荫类型共同影响着室外热环境，其中适度开阔（SVF≈0.53）且绿化和建筑比例较低（GSF≈0.30, BSF≈0.38）的配置下，T_a和T_mrt最低。

3.2. 热环境与热感知

PET与TSV之间存在显著正相关（r=0.14）。通过线性回归建立了MTSV与MPET的关系（MTSV = 0.0649PET - 1.7078, R2=0.61），确定校园冬季整体的中性PET（NPET）为26.3°C，90%可接受NPET范围（NPETR）为18.6°C至34.0°C。

3.3. 空间形态与热感知

方差分析表明，SVF和遮荫类型均对TSV有显著影响，且二者存在显著的交互作用。简单效应分析进一步揭示，遮荫类型对TSV的影响受到SVF的调节：在低SVF条件下，不同遮荫类型间的TSV差异不显著；而在中、高SVF条件下，遮荫类型的影响变得显著。具体而言，绿化主导的遮荫空间在所有SVF梯度下均获得了最高的TSV边际均值，表明其在冬季能提供最佳的热感知。

3.3.4. 热环境与热感知的关联机制

在不同空间形态下，PET与TSV的相关性存在差异。在高SVF的建筑主导和绿化主导遮荫空间，以及低SVF的绿化主导遮荫空间中，PET与TSV显著相关。回归分析得到了这三种空间形态下特定的NPET值，分别为高SVF建筑遮荫18.5°C、高SVF绿化遮荫13.0°C、低SVF绿化遮荫20.1°C，均低于整体NPET（26.3°C），说明空间形态改变了人体的热中性期望。

3.4.3. 不同空间形态下的热感知阈值

基于上述相关性，研究进一步建立了不同遮荫类型下PET与TSV的线性回归模型，并计算了相应的热感知阈值（NPET和NPETR）。结果表明，NPET并非固定值，而是随空间形态变化。

4.1. 新的“空间–环境–感知评价”模型

研究构建了一个以MTSV为因变量，SVF和MPET为自变量的多元非线性回归模型（MTSV = 3.49SVF2 - 3.09SVF + 0.44MPET - 1.08, R2=0.63）。该模型具有良好的泛化能力（交叉验证Q2=0.77）。通过该模型，推导出中性PET（NPET）与中性天空可视因子（NSVF）之间存在二次函数关系（NPET = -79.32NSVF2 + 70.23NSVF + 24.55），表明热中性状态下的PET值随天空开阔度变化。

4.1.2. 中性PET与空间形态的关系

NPET随SVF呈二次抛物线变化。当SVF极低（接近0，天空封闭）时，NPET为24.55°C；随着SVF增加，NPET先升高，在SVF=0.44时达到最大值40.15°C；随后NPET下降，当SVF=1（天空完全开阔）时，NPET降至15.45°C。这反映了空间形态对热感知的复杂调控：高开阔度区域太阳辐射增益显著，易于达到热中性；低开阔度区域有效阻挡冷风，缓解冷应激；而中等开阔度区域处于辐射增温与风致冷却的临界区，达到热中性最为困难。

4.2. 不同研究区域模型适用性比较

与国内其他寒冷地区冬季热舒适研究相比，本研究得出的整体NPET（26.3°C）相对较高。多维的“空间-环境-感知”模型能够更精确地分析不同区域微气候与热舒适的关系。研究发现的NPET与SVF的二次关系、绿化遮荫的稳定优势等结论，为寒冷地区冬季校园开放空间研究提供了延伸，并对校园户外空间设计具有实践指导意义。

4.2. 冬季校园“空间–环境–感知”时间表

基于九個測量點每小時的預測PET和TSV值，研究制定了冬季校园“空间-环境-感知”时间表。分析表明，校园整体热感觉在全天大部分时间偏凉。遮荫类型对一天内不同时段的PET变化具有强烈影响，其调控作用比SVF更为精细和具时效性。例如，上午建筑-绿化平衡遮荫区PET最高，中午建筑主导遮荫区PET和TSV值最高，下午则是绿化主导遮荫区PET最高。

研究结论与讨论

本研究通过建立“空间-环境-感知”多元评价模型，揭示了寒冷地区冬季大学校园室外热舒适与空间形态（SVF、遮荫类型）之间的复杂关联机制。主要结论包括：校园冬季中性PET为26.3°C；SVF与热环境参数（PET、T_mrt、T_a）存在二次关系；遮荫类型与SVF对热感知有交互影响，绿化主导遮荫空间热感知最佳；NPET并非恒定，而是随SVF呈二次变化；遮荫类型对日内热环境变化的调控比SVF更精细。

该研究的重要意义在于首次系统量化了寒冷地区冬季校园开放空间中，天空开阔度与遮荫类型对热环境和热感知的协同作用，并建立了能够耦合多因子效应的热舒适评价模型。这不仅填补了该领域的研究空白，而且为寒地校园及类似气候区的户外空间规划与微气候设计提供了重要的理论依据和量化工具。研究所制定的“空间-环境-感知”时间表可直接指导师生冬季户外活动时段与空间的选择，提升校园室外环境的使用品质。模型的建立也为在动态复杂环境中更准确评估热舒适提供了新的思路和方法。