半干旱环境中车辆废热对个人热暴露影响的试点研究

《PLOS Climate》：A pilot study exploring the effect of vehicular waste heat on personal heat exposure in a semi-arid environment

　　

摘要

理解城市各微气候中热量的成因对于改善户外空间中的人类热舒适与健康至关重要。本试点研究采用实验设计评估微气候热风险——包括环境空气温度（TA）和湿球黑球温度（WBGT）——以及距怠速车辆1.5至3.0米（5至10英尺）处人员的近似个人热暴露。这些测量于2022年6月在亚利桑那大学一座有顶停车场进行，旨在调查可归因于车辆废热的个人热暴露，同时最大限度降低太阳辐射热和风的影响。研究人员使用Kestrel 5400设备，通过收集TA、风速和WBGT，记录六辆相同汽油动力车辆组成的车队对周围微气候的废热效应。与对照相比，并同时比较发动机未怠速的时间段，研究人员发现车辆存在、TA和WBGT之间存在强相关性。具体而言，普通最小二乘（OLS）模型显示，当车辆启动并怠速时，TA每分钟额外增加0.006°C（增加25%）；而剔除车辆效应后，预期的早晨背景温度上升速率为每分钟0.024°C。在向电动车队过渡并增加替代交通方式使用之前，这些发现有助于交通专业人员设计建筑环境，并在夏季月份管理交通和公共交通运营，以防止行人、骑行者、公交乘客及其他靠近怠速车辆的人员出现过度的热暴露。

**论文解读：半干旱环境中车辆废热对个人热暴露影响的试点研究**

**一、研究背景与问题**

热暴露正成为全球社区日益严峻的气候风险。受气候变化影响，极端高温事件发生更加频繁、强度更大、持续时间更长。美国城市的热浪频率已从20世纪60年代年均2次上升至2010年代年均6次。微气候，即局部区域的气候条件，受多种加热和冷却源影响，包括废热、土地覆盖、蒸发、蒸散、水体、树木阴影及人工构筑物阴影等。微气候条件的差异可能加剧个人热暴露风险，促使社区越来越多地通过热缓解策略和热管理策略来规划热韧性。

城市热岛（UHI）效应既归因于建筑环境吸收后释放的热量，也归因于废热。传统汽油动力车辆反射光线、产生排放、制造噪音，并产生增加微气候热量的废热。废热，即人为热，是人类活动能源使用的副产物，据报道可导致近地表气温升高1.0°C至4.0°C（1.8°F至7.2°F）。然而，迄今为止，车辆热管理研究多聚焦于废热回收与再分配以提高效率，特别是电动汽车热管理系统开发中涉及的关键电池管理与续航问题。相比之下，对可能影响道路沿线及停车场微气候的车辆废热的关注相对不足。这一疏忽可能对交通系统的非车辆使用者（如骑行者、行人及等候公交者）产生不利影响，增加其暴露于更极端热微环境的个人风险。个人热暴露，即个体在其直接微气候中所经历的热状况，是理解人们在暖季如何感知和穿越户外空间（包括交通空间）的基础。

本研究与城市气候与热研究向以人为中心、"受体导向"方法的更广泛转变相一致，该方法侧重于表征和测量人们生活、工作、出行和游憩的微气候，而非仅依赖区域气象站和气象建模的观测数据。历史上，研究探讨了建筑环境和自然环境对微气候的影响，包括建筑物、阴影以及绿色或蓝色空间的存在。近期，学者们通过记录土地利用和交通设计如何影响多模式路线和空间（如步行道、自行车道和公交站点）沿线的热舒适，考察了非车辆出行者的热暴露。尽管如此，规划领域一个研究不足的方向是车辆废热对微气候的影响，这可能归因于车辆的移动性、运行状态的多样性以及环境条件的复杂性。少数涉及车辆废热的研究已提示其对区域UHI具有较大影响：废热负荷往往在早晚高峰出行时段最大；夏季车辆、建筑和人体代谢热的分析表明，车辆热量占总产生热量的47%至62%。然而，很少有研究考察车辆废热如何降低行人感知舒适度——这一因素在交通安全和绿色设施研究中常被引用。此外，热严重程度也存在不公平分配：先前被红线划分的社区以及少数族裔或低收入家庭比例较高的社区，其热严重程度更高。模型研究表明，低收入个体和其他弱势群体更可能依赖非机动化出行，从而增加其潜在热暴露。目前，文献中关于车辆存在对微气候和个人热暴露直接效应的研究甚少。Lindberg等人将废热——通过制冷和照明等固定源以及交通系统释放——确定为影响室外热环境的因素之一。Hart和Sailor证明，由于道路的不透水性以及建筑和废热排放增加，主要道路附近的TA是该区域最高的。迄今为止，很少有研究捕捉车辆废热对个人热暴露的直接影响。如Keith、Meerow和Wagner所发现，60%的热规划研究发表于过去五年内，但多数集中于热建模或绘图，表明自然和现场实验仍有更大探索空间。Girgis、Elariane和Elrazik通过红外相机记录了怠速公交和家用空调冷凝器引起的温度变化范围：空调使TA升高近1.0°C（1.8°F）；总体而言，怠速公交的存在使周围TA升高1.0°C至4.0°C（1.8°F至7.2°F）。虽然该研究涉及大型车辆对TA的直接效应，但未确定其对WBGT的影响——WBGT是识别各种温度及风、出汗等外部因素如何被人体感知的常用方法。

**二、研究目的与实验设计**

本试点研究旨在探究传统汽油动力车辆废热对车辆附近微气候的影响——这些空间正是非车辆出行者经常占据的区域。研究寻求回答传统燃油车辆的存在如何影响个人热暴露。实验设计用于量化怠速汽油车辆车队的存在对TA和个人热暴露（以WBGT衡量）的影响程度，同时控制有顶停车场中的若干其他因素。设计包含两个主要比较：（a）车辆怠速与不怠速；（b）车辆存在（车辆邻近）与不存在（对照）。研究采用以人为中心的"受体导向"探究方式，侧重于记录怠速车辆附近的微气候，而非依赖最近国际机场NOAA气象站的气象测量。实验设计是先前在亚利桑那大学COVID-19疫苗接种分发点完成的两项研究方法的延伸。第一项POD研究奠定了当前研究所用个人热暴露方法的基础，如使用放置在1.3米高度的Kestrel 5400仪器收集WBGT作为热应激指标。第二项POD研究修改了仪器放置位置，在同一POD收集TA、WBGT、风速及交通进出数据，重点关注距车辆交通水平1.7-2.0米（5.5-6.5英尺）的三个最高风险位置。该分析提示存在车辆废热效应，尽管由于自然实验因素导致测量热量差异较大。在本实验设计中，研究人员力求通过多种方式减少自然实验因素：继续关注TA和WBGT，使用九台Kestrel 5400（一种广泛使用、价格适中的"热应激"测量仪，可直接测量WBGT）；仪器安装在Kestrel提供的三脚架上，高度约1.3米——1-1.5米高度测量在以人为中心的热暴露研究中具有典型性，因为其近似站立成年人的躯干高度；实验设计尽量减少风和来自附近建筑环境的辐射热。为隔离车辆废热的贡献，实验设计在清晨于停车场内进行，以最大限度减少阳光和风暴露、最小化车库储存热量的潜在影响，并限制干旱地区典型快速昼夜变化的影响。研究假设车辆存在将提高环境空气温度（TA）和湿球黑球温度（WBGT），从而增加附近微气候中的个人热暴露。

**三、研究区域与数据收集**

数据收集于2022年6月4日上午8:00至10:00在亚利桑那大学（UArizona）南体育场停车场进行。研究人员封锁了南体育场停车场一楼的入口，并将实验设置在一个可减少风、其他车辆和阳光引起温度变化的区域。使用九台分布于停车场一楼的Kestrel 5400设备采集数据。车辆车队包括六辆来自UArizona车队的雪佛兰Malibu中型轿车，其中五辆为2020款，一辆为2019款，均配备传统汽油燃料发动机。车辆尺寸约为4.9米×1.8米（15英尺×6英尺），据此划定6.7米×3.7米（22英尺×12英尺）的车辆位置框，分三列（第1、2、3列）两行（A行和B行）排列，并留有额外缓冲空间以支持将仪器放置在距车辆水平1.5米处。车库区域约为97.5米×30.0米（320英尺×98英尺），西侧天花板高度5.3米，东侧降至3.4米（分别为17英尺和12英尺）。观测车辆上方天花板高度约为4.2-4.5米（14-15英尺）。车库主要由混凝土构成，北内墙衬有混凝土砌块，南内墙为砖饰面覆盖的砌块。所有侧面均有开口允许空气流动。选择早晨时段是为了降低捕捉混凝土基础设施储存辐射热和车库内阳光暴露的可能性。

对照Kestrel（West、West 2和East）放置在远离车辆车队但仍在车库内的位置，以维持相似条件，如相似地面覆盖和气流。三个对照Kestrel用于确定每个Kestrel作为对照的有效性。两个West Kestrel紧邻放置以检查两台仪器的准确性；它们彼此准确，记录的平均差为0.0056°C（0.01°F），标准差为0.1°C（0.18°F），提供了仪器一致性度量。通过检查风玫瑰图和汇总统计，发现车库西端暴露于更不一致的风速，而东端与车辆测试场地具有更相似的微气候条件。因此，后续所指对照为East Kestrel。

图森位于半干旱沙漠环境中，特点是初夏低湿度和高温。图森国际机场记录的2022年6月平均TA为31.7°C（89.1°F），月降水量5.8毫米（0.23英寸）。6月4日上午，机场TA平均为27.8°C（82.0°F），范围在早上7:00的25.07°C（77.0°F）与数据收集活跃期9:20的31.07°C（87.8°F）之间。现场Kestrel 5400对照略低于此，同一时间段记录的平均TA为28.1°C（82.5°F）。机场平均风速为9.7公里/小时（6.0英里/小时）；现场对照Kestrel测得的平均风速为0.1公里/小时（0.07英里/小时），表明研究人员成功地在停车场内控制了风的影响，特别是依赖East Kestrel作为主要对照。数据收集日无降水记录，湿度范围为机场上午7:00的22%相对湿度，至实验结束时降至12%相对湿度。

**四、技术方法**

本研究使用九台Kestrel 5400设备收集环境空气温度（TA）、湿球黑球温度（WBGT）和风速数据。Kestrel 5400是一种便携式气象测量仪器，可直接测量WBGT，广泛用于热应激评估。仪器安装在三脚架上，高度约1.3米（近似站立成人躯干高度），距车辆水平距离1.5米（Row A）和3.0米（Row B）处。实验于2022年6月4日上午7:15至9:20在亚利桑那大学南体育场停车场一楼进行，共751个时间点、6759个数据点（每10秒记录一次）。实验设计包括三个时段：（a）引擎关闭（7:15-7:34 AM，基线期）；（b）引擎开启（7:35-8:19 AM，六辆车怠速并空调调至最大）；（c）冷却期（8:20-9:20 AM，引擎关闭但车辆仍在场）。统计分析使用R软件，采用普通最小二乘（OLS）线性回归，对TA和WBGT分别建立车辆邻近与对照位置的模型，控制风速、时间及时间-时段交互项。

**五、主要结果**

**回归模型拟合优度**

四个回归模型的结果显示，TA模型的解释变异（拟合优度）远高于WBGT模型：对照调整R2为0.982，车辆邻近为0.944；而WBGT模型对照调整R2为0.863，车辆邻近为0.864。这很可能是因为WBGT测量包含来自车辆和建筑环境的辐射热，后者对微气候变化的响应比TA慢。

**背景早晨温度趋势**

在控制Kestrel位置和怠速引擎后，发现整个数据收集期间车辆邻近和对照Kestrel的TA分别以显著（p<0.001）速率0.024°C/分钟和0.032°C/分钟升高，这可解释为早晨车库内的每分钟温度升高速率（背景早晨温度）。对于WBGT，车辆邻近和对照Kestrel的显著速率分别为0.015°C/分钟和0.024°C/分钟。

**车辆间距效应**

对于车辆邻近Kestrel，Row B（3米）的观测温度显著低于Row A（1.5米）的TA（-0.036°C，p<0.05），但WBGT显著更高（0.107°C，p<0.001）。WBGT可能捕捉到怠速/冷却车辆的辐射温度，而这些不被TA所反映。鉴于WBGT更适合作为人体热舒适的指标，这表明怠速车辆辐射热的影响可能比环境温度测量更强烈地被人体感知。这也可能归因于实验区北侧（Row B稍外）墙壁反射的辐射热。

**车辆废热的额外温升效应**

在车辆邻近Kestrel模型中，车辆怠速时（上午7:35至8:20），TA比车辆关闭时约高0.1°C（p<0.05），且TA随时间显著增加速率为0.006°C/分钟（p<0.05）。冷却期期间，车辆邻近Kestrel测量的TA总体增加0.516°C，但每分钟的TA增加速率略低于车辆关闭期（-0.007°C，p<0.05）。对于车辆邻近的WBGT模型，车辆开启期和冷却期的WBGT分别比车辆关闭期高0.086°C（p<0.05）和1.221°C（p<0.001）。冷却期较高温度可能反映了综合温度指数的滞后效应。在时间交互中，车辆开启期使WBGT随时间变化速率提高0.005°C/分钟（边际显著，p<0.1）；冷却期的变化速率比基期低0.015°C/分钟（p<0.001）。

**对照位置的效应**

在对照Kestrel处，车辆开启期间TA显著升高0.28°C（p<0.001），WBGT边际显著升高0.17°C（p<0.1），均与初始车辆关闭期相比。冷却期与初始车辆关闭期之间TA无差异，但冷却期WBGT升高近1.0°C（p<0.001）。对照位置TA和WBGT在车辆开启期和冷却期的每分钟变化速率均显著低于基期（TA：-0.01°C，p<0.01；WBGT：-0.01°C，p<0.05和-0.02°C，p<0.001）。鉴于本分析所用的East对照位于怠速车辆后方（尽管距离远于车辆邻近位置），车辆开启期间TA的升高可能是由于车辆排气管朝向对照方向。另者，冷却期对照位置WBGT的正向差异——约为车辆邻近位置测得值的80%——可能因车辆辐射温度在更远距离处被测量而升高。

**图示验证**

四个模型用于预测假设无风速情况下1.5米（Row A）车辆邻近位置和对照位置的平均预期温度，并将预测值与一分钟观测数据绘制成图（图2-5）。在收集期结束（上午9:00后）特别是在WBGT模型中出现了一些离群值，研究人员认为与风速略有增加有关。风速在TA模型中呈边际显著负相关（模型A和B），在WBGT模型中显著负相关（模型C和D）。风速每增加1米/秒，车辆邻近Kestrel的WBGT下降0.17°C，对照模型下降0.45°C。WBGT在风中更高的统计显著性和效应量符合预期，因为WBGT在指数计算中纳入了风速、湿度和辐射等因素。

**六、讨论与结论**

总体而言，车辆对交通系统的影响、交通系统对UHI效应、微气候和个人热暴露的影响，以及所有这些因素对非车辆出行行为的交互作用，长期以来了解不足。这项试点研究虽然仅限于一个早晨、仅六辆车辆和九个空间点，但通过使用TA和WBGT，有助于更好地理解汽油燃料车辆废热与怠速车辆紧邻微气候之间的关系。实验发现支持这一假设：车辆废热可影响距怠速车辆1.5-3.0米范围内人员的个人热暴露。这一点在车辆邻近Kestrel中最为清楚地显示：当车辆启动并怠速时，TA以每分钟0.006°C的额外速率增加，总升高速率达0.032°C/分钟；而车辆关闭时预期背景早晨温度的升高速率为0.024°C/分钟——温度变化速率提高了约25%。值得注意的是，对照TA模型的背景早晨温度在整个过程中呈相似攀升（0.032°C/分钟）。研究结果表明，车辆存在和引擎怠速均可增加个人热暴露，值得进一步研究。

研究结果结合新兴的关于人行道热应激对WBGT影响的文献，提示行人、骑自行车者和等候公交者正在更热的微气候中出行。通过在人体尺度上理解车辆对个人热暴露的影响，可进一步为设计和运营策略提供参考，以改善所有出行者的体验和热安全。例如，在暖季为避免过度热风险，可重新配置信号灯配时以优先照顾主动出行者，最大限度减少其在交叉口或施工等过度怠速时段旁停留的时间。另一种减少车辆废热影响的热暴露解决方案是设置冷却缓冲区，如在步行道两侧种植树木。此外，了解冷却期及其发生条件，可为交通循环发生区域（如交叉口）的升温如何消散提供信息。

研究结果还提示了一些时间性问题。实验结果表明，怠速车辆附近的温度以更快的速率稳步上升，本次早晨实验中约高出25%。尽管人为将六辆怠速车辆的时间设定为50分钟，数据未显示温度升高速率出现显著停滞迹象。未来研究延长实验时间可判断该速率是保持线性还是存在渐近极限，这将有助于了解长时间怠速情境（如入境口岸、免下车餐厅、重交通主干道等）。测试其他车型，包括较旧车辆和更大排量车辆，也有助于界定与车队相关的暴露范围。怠速车辆附近的个人热暴露是靠近怠速车辆所花费时间以及车辆（或同一空间中其前车辆）怠速持续时间的函数。下一步建议进行敏感性分析，利用这些TA和WBGT关系来发现行人和骑行者热安全可能受到关注的关键阈值点。例如，一旦WBGT超过27°C（80.6°F），在完成中等强度工作（如以5.6公里/小时（3.5英里/小时，约平均步行速度）携带物品行走）时应采取预防措施。在拥堵交叉口附近拎着购物袋走向公交站时，这一阈值可能很快达到。此外，为更好地估计对人体热舒适的影响，需要进一步研究在不同人群、不同条件下，热量在何种节点影响人体心理和生理系统。

最后，鉴于当前车队组成，确认汽油动力车辆的废热对日益增长的UHI效应理解具有启示意义。这项研究证明了废热对微气候的贡献——由六辆汽油动力汽车组成的车队即可显示。一座大城市在任何时刻可能有数十万辆汽车怠速运行，导致显著的额外UHI效应。向电动车队或替代出行方式（如骑行、步行、公交）的过渡可减少碳排放，并通过降低沿路靠近怠速车辆个体的个人热暴露来缓解城市热量。在该过渡完成之前，车辆废热研究应从仅作为工程效率问题扩展到作为微气候因素——这是一个多模式规划者和工程师应系统性纳入规划和缓解工作的现象。通过更好地理解废热与车辆存在之间的关系，可通过热缓解和管理加强城市的耐热能力。因此，建议开展进一步研究，以记录和理解跨交通模式出行者的个人热暴露以及车辆如何加剧热风险。

**结论翻译**

本研究通过测量环境空气温度（TA）和湿球黑球温度（WBGT），量化了汽油动力车辆怠速时对周围微气候和个人热暴露的影响。在控制风速和背景温度变化后，车辆怠速期间TA以每分钟0.006°C的额外速率上升，与车辆关闭时的预期背景升温速率（0.024°C/分钟）相比提高了约25%，表明车辆存在和引擎怠速均可显著增加个人热暴露。研究为实现更可持续的交通系统和热韧性城市提供了实证依据，建议将车辆废热作为微气候因素纳入交通规划和设计，并通过向电动车队过渡、增加替代交通方式使用、优化信号配时和设置冷却缓冲区等措施降低行人、骑行者及公交乘客的过度热暴露风险。