城市室外空间热舒适度研究综述.pdf

002关注文李芝也厦门大学建筑与土木工程学院副教授硕士生导师厦门市建筑遗产保护智能技术集成应用重点实验室邓梭梭厦门大学建筑与土木工程学院硕士研究生摘要：文章聚焦国内外学者在城市室外空间热舒适度方面的理论与实践研究成果，运用 CiteSpace 软件，以室外热舒适度、室外热环境等关键词，对国内建筑学领域 19912023 年间的 437 篇期刊文献和国外 19862023 年间的 2138 篇期刊文献进行分析，梳理国内外研究成果，总结当前研究趋势与进展，探讨当前的研究困境与可能的解决办法，为后续室外空间热舒适度研究提供参考。关键词：城市空间；室外环境；知识图谱；热舒适度研究基金项目：“十四五”国家重点研发计划“闽三角城市群生态安全格局构建与生态修复关键技术”项目课题 4（项目编号：2022YFF1301304）；国家自然科学基金青年项目（项目编号：52008360）；厦门大学校长基金项目（项目编号：20720210093）；中央高校基本科研业务费专项资金资助（项目编号：20720232011）DOI：10.19875/ki.jzywh.2023.12.002城市室外空间热舒适度研究综述Review on the Study of Thermal Comfort of Urban Outdoor Space1 数据来源及研究方法基于中国知网（CNKI）期刊网络数据库和 Web of Science 核心合集数据库，在建筑科学与工程领域内，以“室外热舒适度”“室外环境”“热舒适度评价”等关键词进行中外文献检索。检索截至 2023 年的全部期刊，剔除报纸、会议记录、学位论文等，最终得到中文文献 427 篇，时间跨度为19912023 年；英文文献 2138 篇，时间跨度为 19862023 年。将其导入可视化文献分析软件 CiteSpace 中，借助图谱分析厘清国内外学者在“室外热舒适度”方面的研究现状。2 图谱分析2.1 发文量趋势统计国内 19912023 年主题为“室外热舒适度”的文献；统计国外 19862023 年主题为“Outdoor Thermal Comfort”的文献（图 1）。发文量总体趋势表明，国外学者在不同阶段的发文量变化明显：19862013 年（慢速发展阶段），发文量较少且涨幅不大；2014 年以后（快速增长阶段），发文量激增，并在 2020 年达到峰值。国内学者对室外热舒适度的研究经历了三个阶段：19912003 年（兴起阶段），发文量较少，且增速较为平缓；20042013 年（波动阶段），发文量不稳定，波动较大；2014 年以后（增长阶段），发文量稳步增长，在 2021 年达到峰值。总体而言，国外对该领域的研究起步较早，关注度较高，整体发文量有明显优势，国内的研究存在一定的滞后性。尽管如此，在借鉴国外前沿技术方法和经验时，仍需注意国内外热环境的差异性与研究方法的适用性。关 注237|2023|12003图 1国内、国外室外热舒适度研究发文量折线对比图（图片来源：作者自绘）图 2国外室外热舒适度研究团队分布图（图片来源：作者自绘）图 3国内室外热舒适度研究团队分布图（图片来源：作者自绘）图 4国内关键词时间线知识图谱（图片来源：作者自绘）ATTENTION2.2 研究团队分布国外研究团队（图2）主要来自于新加坡国立大学、澳大利亚悉尼大学、亚利桑那州立大学等高校，发文量高于 30 篇，且国外在室外热舒适度领域的研究同样多来自于高校，且较为集中。国内研究团队（图 3）主要来自于高校。从中国知网（CNKI）的发文量来看，清华大学发文量居榜首，同济大学次之，另外华南理工大学、西安建筑科技大学、哈尔滨工业大学、重庆大学等高校的发文量也在发文总量中占有一定比重。而 Web of Science 中发文量最多的是香港理工大学，其次是哈尔滨工业大学、清华大学、华南理工大学、香港中文大学、天津大学、上海交通大学等。分布图中各团队独立分区，多为团队内部合作，高校间跨团队合作较少，这种结果可能由于地域分布的影响，热环境与热舒适度评价体系也相应形成不同的区域特点。3 国内外研究热点及演进3.1 国内室外热舒适度研究热点及其演进本文借助关键词时间线知识图谱，分析国内外学者在室外热舒适度领域的研究动向。从国内室外热舒适度研究的关键词时间线知识图谱以及三个发展阶段的关键词共现知识图谱（图 4、图 5）可以得出各个阶段的研究动向。3.1.1 兴起阶段（19912003）由国内兴起阶段关键词共现知识图谱（图 5-1）可知，20 世纪 90 年代到 21 世纪初，国内学者在室外热舒适度领域的研究对象主要为地铁、住区。研究内容大多集中为辐照度、温度等。这一阶段中，学者们对不同气候环境的热舒适状态均有探索：一方面，在以地铁为研究对象的热舒适研究领域，朱颖心等在 1996年1、2002年2分别对地铁热环境设计的经济性及其设计标准进行探讨。王树刚等在 1997 年3对北京地铁热环境壁面热流进行了实测与分析。另一方面，在住区热舒适度研究方面，汪帆在 1991 年4、1992 年5、1993年6陆续在住区室内热环境的模拟及预测方面进行定性与定量的研究。孙玮等在 1998 年7对北方小康住宅外环境气候提出设计对策。林波荣等在2002 年8对皖南民居夏季热环境进行实测分析。李晓锋等在 2003 年9对围合式住宅小区的微气候进行实验研究。马晓雯等在 2003 年10对深圳居住建筑的夏季自然通风降温性能进行实验研究。总而言之，在兴起阶段，国内学者对室外热舒适度的研究深度不足，且研究方法多源自室内，虽然室内非稳态环境与室外非稳态环境热舒适状态有一定共通之处，但仍不能将二者混为一谈。室外环境热舒适度还有待进一步004探索。3.1.2 波动阶段（20042013）对中期波动阶段关键词共现知识图谱（图 5-2）进行分析可知，此阶段研究较为注重空气温度的影响，对研究方法的讨论占比也很大，主要的两种方法分别是现场调查与数值模拟。在室外环境要素对热舒适度的影响力的研究方面，王菲等在 2004 年11在改从太阳辐射对不同建筑群产生温升效果方面进行分析。彭昌海在 2005年12讨论了夜间辐射对建筑热环境的影响。冉茂宇等在 2006 年13探究了太阳辐射下户外空间界面温度的预测模型和方法，又在 2007 年14提出室外地表温度的模拟计算模型和方法。吕智艳等在 2007 年15对建筑外遮阳作用下的热环境进行测试，证实了屋面出挑和外加曲线钢结构构件能起到遮阳和节能的效果。王琳等在 2008 年16对校园热环境的影响因素进行研究，总结了校园室外环境热舒适度受太阳辐射的影响及改善措施。张磊等在 2008 年17提出了在室外热环境评价过程中以湿球黑球温度作为计算指标可获得较高精确度的预测结果。李伟强等在 2009 年18对广州市单体建筑室外微气候热环境进行了研究。王伟武等在 2011 年19以杭州市为例，研究了高层住区夏季昼间室外热环境三维分布规律。在研究方法的探索方面，叶晓江等在 2007 年20以参数测量结合调查问卷的方式对上海地区的适应性热舒适进行研究。李安桂等在2008年21采用问卷调查的方式对自然通风状况下人体热感觉进行了调查。胡深等在2011 年22采用数据实测的方式探索闽南室外热环境的影响因素及提升策略。张宁波等在 2012 年23通过环境参数实测的方法研究了自然通风对庭院建筑开敞空间热环境的影响。夏煦等在 2014 年24采用环境测试结合问卷调查的方法，对夏季高温条件下室外人体热感觉特性进行研究。于震等在 2004 年25提出了单栋建筑室外热环境的模拟计算方法。欧阳沁、朱颖心等在 2005 年26进行了自然通风环境下的热舒适分析，对 PMV 修正模型和适应模型模型进行了分析，提出应以更细致的分析建立热环境评价模型及指标。朱岳梅等在 2007 年27借助 SET 评价指标建立模型，对室外热环境进行计算模拟。罗庆等在 2008 年28对基于图像处理的建筑群室外热环境数学模型及实例进行了分析。陈宏等人在 2010 年29运用数值模拟的方法研究两室外热环境模拟方法在居住区设计中的应用。田沛哲等在 2010 年30采用正交分析的方法对中庭热环境中的主要影响因素进行研究。胡孝俊等在 2012 年31以数字图像分析结合数字模型创建的方法探究城市住区室外热舒适度。刘蔚巍等在 2012 年32基于当时的研究进展提出更适用的新评价模型“热生理-适应”模型。罗庆等在 2013 年28运用数字图像分析法解决物理模型模拟热环境时过于简化的问题。相较于初期探索阶段，本阶段内国内学者对室外热舒适度的研究总量有所提升，但各年发文量波动较大。研究者们的研究视角有所扩展，并试图借助数据分析与模拟等研究方法对室外热舒适度进行理性、严谨的分析，但新视角或新方法的应用尚不成熟，其精确度和结果的说服力还有待提升图 5-1国内兴起阶段图 5-2波动阶段图 5-3增长阶段图 5关键词共现知识图谱（图片来源：作者自绘）关 注237|2023|12005与论证。3.1.3 增长阶段（20142023）由后期增长阶段关键词共现知识图谱（图 5-3）可知，此阶段的研究方向较前两个阶段更加多元。居住区室外环境热舒适度成为国内学者研究的重点之一，室外环境参数一直是学者们热衷于研究的必要的考虑因素，同时来自不同地域的学者也会根据地域特性分析室外环境的热舒适度。在发文总量提升的同时，人因工程等交叉学科近年来也逐渐被引入室外热舒适度领域的研究，更全面地反映了人体舒适性，更好地建立室外热舒适度评价结果的主客观联系。在居住区室外环境热舒适度研究方面，方玲等 2015 年33对居住区室外热环境的影响因素进行研究，借助以往研究成果，结合地域气候特色，探索室外热舒适度的影响因素。郭飞等在 2016 年34对基于热舒适的居住区室外物理环境进行叠加评价并据此提出了相应的设计策略。苏小超等在 2016 年35的定量研究表明，住区地下空间的开发对其室外热舒适度有很大影响。李坤明等在 2020 年36基于经验热舒适指标对湿热地区居住区室外空间景观要素优化配置进行研究。地域性研究方面，陈志骏等在 2017 年37的研究表明，夏季绿化对居住区热环境有显著的改善作用。罗涛等在 2019 年38的研究表明，夏季高密度居住区的热环境较一般地带差，且与区域内的建筑布局有关。施苗苗在 2021 年39测量热环境相关指标，对青岛市冬季居住区室外热环境进行试验性研究。袁景玉等在 2021 年40通过对老旧住区现场实测与问卷调查的方式建立主客观热舒适性的函数关系，结果表明为获得良好的热舒适体验，住区室外空间面向来风向一侧应围合设计，室内则以行列式布局为宜。交叉学科的应用方面，朱颖心、曹彬等在 2023 年41基于人体热舒适研究，得出人因工程被纳入环境热舒适度领域研究的一个重要用途，是对人与多因素形成的热环境之间复杂关系进行深入的科学认识，不仅针对人的舒适需求，更加关注对健康的影响。清华大学的研究者在 2012 年42采用对照试验得出夏季长时间处在空调环境中会造成人体的热应激能力退化的结论。青岛理工大学的研究者在 2023 年43的研究中指出，人体血浆中的免疫球蛋白的含量（IgE）受大气温度的影响显著，而 IgE 的降低会直接导致人体免疫力下降，严重时可致人死亡。综上，自 20 世纪 90 年代至今，随着科学技术的发展革新和人民对生活品质要求的提升，国内学者的研究视野逐步拓宽。研究者们逐渐意识到室外热环境不仅与人体舒适度密切相关，更与人体健康有着千丝万缕的关系，近年来更是逐渐引入医学、公共卫生学、信息、能源等多种学科，以期借助多学科的交叉融合为室外热环境研究提供更多的可能性。然而迄今为止，国内研究尚未形成极具说服力的科学规律和理论体系。研究团队仍需在关注提升人体舒适度、改善空间环境品质和保护人体健康的前提下，继续探索适宜的技术，挖掘多学科交叉融合的潜力，在明确自身特点的基础上与国外研究成果交流学习，共同推动室外热舒适度研究稳步前进。3.2 国外室外热舒适度研究热点及其演进关于空间环境的热舒适性，丹麦 Fanger 教授等从 20 世纪 60 年代就展开了大量的研究工作，并提出 PMV-PPD 指标体系，这是表征最早人体热舒适度的数学模型。除此之外，热舒适度评价指标还有 Bedford在 1936 年提出的贝氏标度，以及美国供暖、制冷与空调工程师协会的ASHRAE 标度等，这些指标均使用七级评价指标。国际标准化组织 ISO根据 Fanger 教授的 PMV 研究成果制定的 ISO 7730 标准（2005）提出，热舒适表示人对周围环境所做的主观满意度评价，主要分为三个方面：物理方面、生理方面、心理方面。其他用于研究热舒适度的个人参数还包括有效温度指数（ET*）、标准有效温度（SET*）、生理等效温度（PET）、通用热气候指数（UTCI）、室外热舒适模型（COMFA）等。由国外关键词聚类知识图谱（图 6）不难发现，国外学者在室外环境热舒适度方面关注焦点的变化。总的来说，研究关键词一直处于缓慢变动的过程中，各阶段关键词衔接较为密切，这也意味着室外热舒适度研究虽然尚未成熟，但一直正向发展着。国外在室外热舒适度领域的研究先于国内，其评价方法对国内研究具有一定的借鉴和参考意义。由于室外环境动态变化且不稳定，评价方法中涉及到的数据收集与模型构建等技术因此一直处于改良和革新中，尚未形成成熟、通用的技术标准。3.2.1 实验数据收集在数据收集方面，研究过程中的数据收集方法有两种，即横向实地测试和纵向受试者测试。横向实地测试中，研究者使用调查问卷统计受试者的性别、年龄、衣着等基础信息和主观感受投票，同时测试现场的热环境参数。一些研究者进一步收集受试者的室外出勤率、停留时间、室外活动等数据，以更全面的视角为室外热舒适度评价提供数据支撑。横向现场测试的数据收集方法由于其较强的可操作性而经常被研究者们采纳，但受个体差异性的影响，研究结果往往需要更加理性、稳定的数据予以支撑。图 6国外关键词聚类知识图谱（图片来源：作者自绘）006因此，研究者选择加入纵向受试者测试，其特点在于测试环境的相对可控，热环境参数和个人参数等在特定的或相对受控的实验场景中更易于分析和研究。Cheng 等人在 2012 年44使用防风设施和雨伞创建了四种不同的室外热环境条件，组合研究受试者的热感知。另外，纵向受试者测试中可以加入生理参数，如皮肤温度、核心温度、心率、脉搏和出汗率等，使研究结果拥有更加精确的数据支撑。当现场环境确不可控，横向现场测试或纵向受试者测试难以完成时，可以使用模型预测人体对热环境的反应，选择适宜的模型对室外热舒适度研究至关重要。3.2.2 预测模型构建当前，国内外学者尚未开发出精确、简单、普适的室外热舒适度预测模型，根据定义和开发的方式可将目前已有的预测模型分为两类：机理模型和经验模型。机理模型基于人体热平衡，可进一步分为等效温度模型和热负荷模型。等效温度是室外热舒适度研究中使用最广泛的模型类型，易于理解且具有重要的理论意义，但由于其并不能与人体热感觉产生直接的对应关系，因此研究者需要进一步将等效温度与受试者的主观热反应数据联系起来。热负荷模型与等效温度模型类似，同样基于人体热平衡，人体热平衡方程的输出端为热负荷，不同水平的热负荷与不同类别的热感觉相关联。Potchter 等在 2018 年45总结了 20012017 年间 117 项研究中使用的模型，发现生理等效温度（PET）、预测平均投票（PMV）、全球热气候指数（UTCI）和标准有效温度（SET*）是四种最常用的模型，有 53.3%的研究采用这些评价模型。Katavoutas 等人在 2015 年46使用双节点固定慕尼黑能量平衡模型（IMEM），来研究从室内空间进入炎热室外环境的受试者皮肤温度和核心温度以及皮肤湿度的动态变化。经验模型相较于机理模型以人体热平衡解释人体舒适度而言，更多地考虑了心理、行为等因素的影响。由于室外环境复杂、不稳定，一些研究者使用“黑匣子”方法，通过环境和个人变量直接回归热感觉，这种回归模型通常是多元线性回归模型。Lian 和 Chen 等在 2019 年47提出有序概率模型和多项 logit 模型，并证明这两种预测模型的精度高于多元线性模型。回归模型简单易用，但针对性强，同一个回归模型无法用于两个气候不同的区域的热舒适度预测。等效温度、热负荷模型、回归模型都是基于稳态可控的环境被开发的，因此无法有效应对室外环境中因素的动态影响。有学者尝试对此提出解决策略，Lai 等人在 2017 年48以热负荷、平均皮肤温度和皮肤温度变化率作为输入变量，开发了室外环境的动态热感觉模型。Lai 的模型可以应对动态情况，可以解释皮肤温度对不断变化的室外热环境的影响。然而人体皮肤温度并不统一，选取能够精准预测热舒适度的皮肤部位同样需要大量的研究，且全面测试皮肤温度在实际室外环境的实验中也存在一定的困难。Lai 和 Chen 等在 2017 年49开发了适用于室外热环境的多段人体传热模型。Melnikov等人在2018年50通过扩展Gagge的两节点模型，开发了动态人体热调节模型。这些学者的研究结论仍需要大量的实验予以论证，室外环境的热舒适度领域的研究任重道远，需要所有学者共同努力，找到适宜的技术与方法，攻克室外环境的不稳定性在其热舒适度研究中动态影响的难题，为提升室外环境品质提供准确、可靠的理论与数据支撑。结语纵观国内外建筑学领域的学者们在室外环境热舒适度领域的研究历程，他们研究的内容从早期关注热环境的舒适性的探索，转变为关注热环境对人体健康的影响，并且随着科学技术的进步，逐步开展与多学科的交叉融合，促进了该领域理论与实践的创新与发展。本研究得出结论如下。（1）从文献研究时空分布来看，2013 年以后，国内外学者在室外热舒适度方面的研究逐渐增多，已然成为现阶段热环境研究的一大热点。（2）室外热舒适度的研究团队主要来自高校，且多为高校内部学者合作，而高校间合作则不多见，在未来的发展进程中，我们期待研究者们能够打破壁垒，通力合作，一同构建室外热舒适度研究的合作平台。（3）大量研究表明，当前室外环境热舒适度研究正面临一个不可忽视的难题，即室内热舒适度研究方法不能完全适用于室外热舒适度研究，而高精度数学模型的建立与应用对建筑学背景的研究人员来说具有一定的难度，普及难度较大，相应实验成果的准确性因此提升缓慢。因此，在未来开发适用于室外环境的热舒适度预测模型与研究方法是研究者们应着力攻克的难题。应对室外环境不稳定的问题：人工营造变量相对可控的实验环境，或转换实验角度，从综合视角评判各要素的影响因子。应对技术壁垒问题：多学科交叉学习，与相关专业研究人员合作，共同开发适用性模型。关 注237|2023|12007参考文献：1 朱颖心,秦绪忠,江亿.站台屏蔽门在地铁热环境控制中的经济性分析 J.地铁与轻轨,1996(04):21-25.2江泳,朱颖心.地铁车站公共区冬季温度设计标准探讨J.暖通空调,2002(04):20-22.3 王树刚,朱颖心,江亿.北京地铁热环境壁面热流的实测与分析 J.地下工程与隧道,1997(03):32-37.4 汪 帆.自 然 通 风 建 筑 室 内 热 状 况 预 测 模 型 J.华 侨 大 学 学 报:自 然 科 学版,1991(02):182-189.5 汪帆.建筑室内热状况简易预测程序 J.暖通空调,1992(05):41-44.6 汪 帆.通 风 屋 面 下 房 间 热 环 境 计 算 机 模 拟 J.华 侨 大 学 学 报:自 然 科 学版,1993(01):74-81.7 孙玮,郭恩章.北方小康住宅外环境气候设计对策 J.哈尔滨建筑大学学报,1998(03):92-97.8 林波荣,谭刚,王鹏,等.皖南民居夏季热环境实测分析 J.清华大学学报:自然科学版,2002(08):1071-1074.9李晓锋,张志勤,林波荣,等.围合式住宅小区微气候的实验研究J.清华大学学报:自然科学版,2003(12):1638-1641.10 马晓雯,范园园,侯余波,等.深圳居住建筑夏季自然通风降温实验研究 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