不同鋪裝材質(zhì)對局部熱環(huán)境及人體舒適度的影響

陳家碩，榮立蘋，高玉福，錢東霞，馬艾冰，黃昭翰

(延邊大學(xué)農(nóng)學(xué)院，吉林 延吉 133002)

地表控制著水和能量的通量分配[1]，地表介質(zhì)的改變使能量交換的過程發(fā)生改變，影響近地微氣候[2-4]，進(jìn)而影響人體舒適度[5-6]。城市綠地對改善城市生態(tài)環(huán)境及緩解熱島效應(yīng)有著重要作用[7-9]，城市綠地內(nèi)的地表鋪裝是影響綠地生態(tài)效益的重要因素之一[10-11]。由于鋪裝材料特性不同，各鋪裝材質(zhì)對局部熱環(huán)境的影響存在較大差異[12]?，F(xiàn)有研究大多集中于不同綠地類型對熱環(huán)境影響等方面[13-15]，缺乏不同鋪裝材質(zhì)對熱環(huán)境影響的研究。隨著城市的快速發(fā)展，地表鋪裝的面積在城市下墊面中所占比例迅速增加，地表鋪裝已經(jīng)成為影響城市生態(tài)環(huán)境及熱島效應(yīng)的關(guān)鍵因素之一[16]。因此，探尋鋪裝對局部熱環(huán)境的影響，揭示其人居環(huán)境溫濕度的調(diào)節(jié)作用，對于改善生態(tài)環(huán)境、提高人體舒適度以及緩解城市熱島效應(yīng)方面具有重要作用。該研究選取7處不同鋪裝材質(zhì)的樣地，通過實(shí)地監(jiān)測，獲取不同鋪裝材質(zhì)樣地的熱環(huán)境數(shù)據(jù)，定量比較不同鋪裝材質(zhì)樣地之間的溫濕度差異，從而揭示不同鋪裝材質(zhì)對于局部熱環(huán)境的影響，以便進(jìn)一步探索不同鋪裝材質(zhì)與人體舒適度的關(guān)系。

1 研究區(qū)域與試驗(yàn)方法

1.1 研究地概況

研究地選擇在延邊大學(xué)校內(nèi)。延邊大學(xué)位于吉林省東部的延邊朝鮮族自治州延吉市，占地面積約296 hm2，建筑面積約65 hm2。校園內(nèi)綠地豐富，有較大型人工水體，建筑物密度適中，有大量的硬質(zhì)鋪裝場地，鋪裝材質(zhì)豐富，包含了常見的各類鋪裝材質(zhì)。延吉市位于北緯42°50′～43°23′、東經(jīng)129°01′～129°48′，屬于中溫帶半濕潤氣候區(qū)。夏季最高溫度為37.7 ℃。

1.2 試驗(yàn)地設(shè)置

該試驗(yàn)在延邊大學(xué)校內(nèi)選取7處樣地，每處樣地為一種鋪裝材質(zhì)，其鋪裝材質(zhì)分別為透水磚、花崗巖、塑膠、瀝青、混凝土、草地、水面。上述7種鋪裝材質(zhì)的基本特征如表1所示。人工水體是城市常見的地表類型，既可以美化環(huán)境又有一定的降溫增濕效果，該文將水面作為一種鋪裝材質(zhì)進(jìn)行統(tǒng)一的測量比較。選取的樣地均為開闊無遮擋場地，面積大于500 m2，在每個(gè)樣地中央選取80 m2(8 m×10 m)的無遮陰場地5×6布置樣點(diǎn)(30個(gè)樣點(diǎn))，每2個(gè)樣點(diǎn)之間相距2 m。

表1 不同樣地鋪裝的基本特征Table 1 Basic characteristics of different pavement

1.3 試驗(yàn)內(nèi)容與方法

試驗(yàn)時(shí)間選擇為一年中天氣最為炎熱的夏季7月下旬至8月上旬，此時(shí)人體對溫濕度的變化感知最為明顯。試驗(yàn)選擇晴朗無風(fēng)的天氣(風(fēng)速<0.4 m/s)進(jìn)行，每天自8:00、10:00、12:00、14:00、16:00、18:00開始對各試驗(yàn)地同步測量溫濕度數(shù)據(jù)，每次測量平行進(jìn)行3次，連續(xù)測量7 d。地表溫度的測量使用德國德圖手持式紅外測溫儀(Testo830-T1，精度0.1 ℃，量程-30～400 ℃，距離系數(shù)10:1)進(jìn)行；空氣溫濕度的測量使用德國德圖便攜式溫濕度測量儀(Testo605-H1，溫度精度0.1 ℃，量程-20～50 ℃；相對濕度精度0.5%RH，量程5%～95%RH)，在每個(gè)樣點(diǎn)距離地面1.5 m處(成年人口鼻高度)測量東南西北4個(gè)方向的溫濕度數(shù)據(jù)。最終挑選3 d符合試驗(yàn)要求的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，所有測量數(shù)據(jù)保留1位小數(shù)[17]。

1.4 人體舒適度評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

人體舒適度是從氣象角度來評價(jià)人在不同條件下的舒適感，根據(jù)人體與大氣環(huán)境之間的熱交換而制定的生物氣象指標(biāo)[18]。不同的氣象條件對于人體的舒適感以及健康有著重要影響[19-20]。國內(nèi)外學(xué)者提出了數(shù)十種計(jì)算人體舒適度的公式，其中，應(yīng)用最多的為美國國家氣象局用于夏季舒適度預(yù)報(bào)的溫濕指數(shù)(Thermal humidity index，簡稱THI)[21]。溫濕指數(shù)計(jì)算公式為：

THI=T-0.55(1-RH)(T-14.5)

式中，T為空氣溫度/℃；RH為相對濕度/%。THI與人體舒適度的劃分標(biāo)準(zhǔn)如表2所示[22]。

表2 THI與人體舒適度Table 2 Thermal humidity index and human comfort

2 結(jié)果與分析

2.1 地表溫度比較

2.1.1 地表溫度日間變化分析

以3 d中同一時(shí)段的地表溫度數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，得到各鋪裝材質(zhì)的平均地表溫度(圖1)。

由圖1可知，在所測量的6個(gè)時(shí)段中，各鋪裝材質(zhì)的地表溫度均呈現(xiàn)單峰變化趨勢，且一天中地表溫度的最高值均出現(xiàn)在12:00時(shí)。10:00～14:00這3個(gè)時(shí)間段內(nèi)平均地表溫度為水面<草地<透水磚<花崗巖<塑膠<瀝青<混凝土。草地、水面與透水磚的表面溫度顯著低于其他鋪裝材質(zhì)。8:00～12:00這3個(gè)時(shí)間段內(nèi)水面與草地的升溫幅度小，而其他硬質(zhì)鋪裝材質(zhì)均升溫幅度較大。這是由于隨著太陽輻射強(qiáng)度的不斷升高，混凝土、瀝青等硬質(zhì)鋪裝會(huì)迅速吸收熱輻射使表面升溫，而草地吸收輻射熱量相對較少，水體的比熱容較大，致使表面升溫緩慢。在8:00～14:00這4個(gè)時(shí)間段內(nèi)，除8:00、10:00時(shí)花崗巖與透水磚，10:00、12:00時(shí)瀝青與混凝土外，其余任意鋪裝材質(zhì)間的地表溫度差異均達(dá)到極顯著水平(P<0.01)。

2.1.2 地表溫度日間均值與日振幅分析

將同一材質(zhì)不同時(shí)段的地表溫度加以平均，得到不同鋪裝材質(zhì)的日間平均地表溫度(圖2)。日間平均地表溫度為水面(26.4 ℃)<草地(27.9 ℃)<透水磚(37.9 ℃)<花崗巖(39.0 ℃)<塑膠(40.9 ℃)<混凝土(45.5 ℃)<瀝青(46.4 ℃)。除瀝青與混凝土之間具有顯著差異(P<0.05)外，其余任意2種鋪裝材質(zhì)之間均達(dá)到極顯著差異(P<0.01)。可見，草地與水面相對于硬質(zhì)鋪裝材質(zhì)具有顯著的降溫效果；透水磚的地表溫度要顯著低于瀝青與混凝土等硬質(zhì)鋪裝材料。

日振幅為同一鋪裝材質(zhì)在測量時(shí)間內(nèi)日間溫濕度的最高值與最低值之差，反應(yīng)各鋪裝材質(zhì)日間溫濕度的變化幅度與變化范圍[23]。地表溫度日振幅為水面(8.2 ℃)<草地(12.9 ℃)<透水磚(17.8 ℃)<花崗巖(21.0 ℃)<塑膠(22.3 ℃)<瀝青(26.5 ℃)<混凝土(30.3 ℃) (圖2)。

日振幅主要受鋪裝對太陽輻射吸收的快慢情況影響，硬質(zhì)鋪裝材質(zhì)熱容量小、吸放熱快，且吸收輻射能力強(qiáng)，故導(dǎo)致其日振幅較大，而草地與水面則完全相反。

2.2 空氣溫度比較

2.2.1 空氣溫度日間變化分析

空氣溫度主要受太陽輻射影響，太陽輻射到達(dá)地面后，一部分被反射，一部分被地表吸收，地表吸收輻射后增溫，地表再通過輻射、傳導(dǎo)將熱量傳遞給空氣使其升溫[24]。

由圖3可知，8:00時(shí)太陽輻射較弱，因此各鋪裝材質(zhì)之間的空氣溫度差異不顯著(P>0.05)。隨著太陽輻射增強(qiáng)，各鋪裝材質(zhì)間的空氣溫度差異明顯提升。10:00時(shí)，瀝青與混凝土快速吸收輻射使氣溫大幅度增加。瀝青、混凝土分別與透水磚、塑膠、草地、水面之間的溫度存在極顯著差異(P<0.01)；瀝青、混凝土與花崗巖之間存在顯著差異(P<0.05)。12:00時(shí)，塑膠、瀝青、混凝土達(dá)到了日間最高溫度。除透水磚與草地、花崗巖與塑膠的溫度無顯著差異(P>0.05)，瀝青與混凝土存在顯著差異外(P<0.05)，其余任意2種鋪裝材質(zhì)之間均存在極顯著差異(P<0.01)。14:00時(shí)，透水磚、花崗巖、草地、水面達(dá)到了最高溫度。16:00至18:00這2個(gè)時(shí)間段，隨著太陽輻射的減弱各鋪裝材質(zhì)的溫度均有所降低，瀝青樣地的空氣溫度明顯高于其他硬質(zhì)鋪裝材質(zhì)。

高溫會(huì)嚴(yán)重影響人類的健康，據(jù)研究，當(dāng)環(huán)境溫度高于28 ℃時(shí)，人體就會(huì)感到不適[25]。在大于等于28 ℃的區(qū)間內(nèi)，瀝青與混凝土的高溫持續(xù)時(shí)間均為最長。在大于等于32 ℃的區(qū)間內(nèi)，草地、水面與透水磚相比于瀝青、混凝土的高溫持續(xù)時(shí)間減少了6 h；相比花崗巖與塑膠減少了4 h。高溫持續(xù)時(shí)間的減少對人體健康與舒適度十分有益。

2.2.2 空氣溫度日間均值與日振幅分析

日間平均空氣溫度為水面(28.7 ℃)<草地(28.8 ℃)<透水磚(28.9 ℃)<塑膠(29.3 ℃)<花崗巖(29.7 ℃)<混凝土(30.4 ℃)<瀝青(30.7 ℃)(圖4)。

瀝青分別與透水磚、塑膠、草地、水面，混凝土分別與透水磚、草地、水面之間的溫度具有極顯著差異(P<0.01)，瀝青與花崗巖、透水磚與花崗巖、混凝土與塑膠之間存在顯著差異(P<0.05)。透水磚與花崗巖、塑膠、瀝青、混凝土相比，日均降溫幅度可達(dá)0.4～1.8 ℃，可見透水磚相比于其他硬質(zhì)鋪裝材質(zhì)具有顯著的降溫效果。而水面與草地的空氣溫度顯著低于其他5種硬質(zhì)鋪裝材質(zhì)。

空氣溫度日振幅為水面(4.7 ℃)<塑膠(6.8 ℃)<透水磚(7.2 ℃)<草地(7.7 ℃)<瀝青(7.8 ℃)<花崗巖(8.0 ℃)<混凝土(9.2 ℃)(圖4)。水體由于比熱容大，日間溫度變化幅度小，因此水面的空氣溫度日振幅遠(yuǎn)低于其他鋪裝材質(zhì)；混凝土熱容量較小，吸放熱快，因此混凝土在中午時(shí)氣溫很高，而早晚時(shí)溫度較低，故導(dǎo)致混凝土空氣溫度日振幅值大。

2.3 相對濕度比較

2.3.1 相對濕度日間變化分析

相對濕度受多方面因素影響，其中與空氣溫度有著直接關(guān)系[26]。如圖5所示，8:00與18:00空氣溫度低、相對濕度高，12:00時(shí)各鋪裝材質(zhì)樣地的相對濕度均達(dá)到了最低值。在所測量的6個(gè)時(shí)段中，草地與水面樣地的相對濕度均明顯高于其他鋪裝材質(zhì)，而瀝青與混凝土的相對濕度持續(xù)較低。8:00至12:00這3個(gè)時(shí)間段內(nèi)，各鋪裝材質(zhì)隨著空氣溫度的快速升高，相對濕度隨之大幅度下降，其中混凝土與瀝青降幅最大，草地與水面降幅較小。12:00時(shí)，平均相對濕度為瀝青<混凝土<花崗巖<塑膠<透水磚<草地<水面。瀝青、混凝土分別與其他5種鋪裝材質(zhì)之間存在極顯著差異(P<0.01)。14:00至18:00這3個(gè)時(shí)間段內(nèi)，鋪裝間相對濕度的差距減小，各鋪裝材質(zhì)的相對濕度均上升，并且隨著時(shí)間的推移，上升幅度越來越快。

2.3.2 相對濕度日間均值與日振幅分析

1) 日間平均相對濕度 瀝青(42.9 ℃)<混凝土(43.0 ℃)<花崗巖(43.9 ℃)<塑膠(45.1 ℃)<透水磚(47.9 ℃)<草地(48.0 ℃)<水面(48.7 ℃) (圖6)。這與空氣溫度排列順序正好相反。草地與水面的相對濕度明顯高于其他鋪裝材質(zhì)，透水磚相對于花崗巖、塑膠、瀝青、混凝土有顯著的增濕效應(yīng)(P<0.01)，日均增濕幅度可達(dá)2.8%～5.0%。除透水磚與草地與水面、花崗巖與瀝青與混凝土、塑膠與花崗巖任意兩者之間無顯著差異(P>0.05)外，其余任意2種鋪裝材質(zhì)之間均達(dá)到極顯著差異(P<0.01)。

2) 相對濕度日振幅 塑膠(12.9 ℃)<水面(13.4 ℃)<透水磚(15.2 ℃)<草地(16.5 ℃)<花崗巖(16.6 ℃)<混凝土(22.0 ℃)=瀝青(22.0 ℃) (圖6)。相對濕度主要受溫度的影響，溫度日間變化幅度大的鋪裝材質(zhì)，其相對濕度日間變化幅度也較大。

2.4 人體舒適度比較

圖7為各鋪裝材質(zhì)THI值比較，參照THI與人體舒適度之間的關(guān)系(表2)可以看出，各鋪裝材質(zhì)的THI值日間變化趨勢基本一致，早晚THI值較低，舒適度較高；中午THI值較高，舒適度較低。透水磚、花崗巖、草地與水面的THI最高值出現(xiàn)在14:00時(shí)，塑膠、瀝青與混凝土的THI最高值出現(xiàn)在12:00時(shí)。各鋪裝材質(zhì)THI值最低點(diǎn)均出現(xiàn)在18:00時(shí)。

日間平均THI值為：草地<水面<透水磚<塑膠<花崗巖<混凝土<瀝青。草地的THI值相對于硬質(zhì)鋪裝材質(zhì)顯著降低，人體舒適度最佳。水面與透水磚的THI值接近，這是由于THI值受空氣溫度與相對濕度的雙重影響，相對濕度過大會(huì)導(dǎo)致THI值升高，雖然透水磚的溫度高于水面，但水面的相對濕度大于透水磚，故導(dǎo)致透水磚與水面的THI值相近。瀝青與混凝土的THI值顯著高于其他鋪裝材質(zhì)，人體舒適度最差。瀝青、混凝土分別與透水磚、花崗巖、塑膠、草地、水面的THI值差異達(dá)到極顯著水平(P<0.01)；其余鋪裝材質(zhì)之間未達(dá)顯著差異(P>0.05)。

3 討論

由不同鋪裝材質(zhì)地表溫度日間均值與日振幅可以看出(圖2)，二者存在一定的線性關(guān)系，日間平均地表溫度高的鋪裝材質(zhì)，其日振幅一般也較高。這是由于地表溫度主要取決于對太陽輻射的吸收情況[27-29]，草地與水面吸收輻射的能力弱，且水體的比熱容大，吸放熱慢，故導(dǎo)致草地與水面的日間平均地表溫度與日振幅均較小。硬質(zhì)鋪裝材質(zhì)吸收輻射能力強(qiáng)，熱容量小，吸放熱快，因而日間平均地表溫度與日振幅均較大。由于各硬質(zhì)鋪裝的材質(zhì)不同，顏色與質(zhì)地存在差異，熱容量大小和吸收輻射能力也不同[30]，因而不同硬質(zhì)鋪裝的日間平均地表溫度與日振幅也存在較大差異。

在對各鋪裝材質(zhì)的日間平均地表溫度、空氣溫度、相對濕度3個(gè)指標(biāo)的研究中發(fā)現(xiàn)，除花崗巖與塑膠外，其他各鋪裝材質(zhì)3個(gè)指標(biāo)的變化趨勢完全一致。由于地表溫度主要受材質(zhì)表面粗糙程度及顏色的影響，表面粗糙顏色深的材質(zhì)要比表面光滑淺色的材質(zhì)吸收更多的太陽輻射[31]。該文樣地中塑膠為紅色且表面粗糙，花崗巖為灰白色且表面較為光滑，因此塑膠比花崗巖要吸收更多的太陽輻射，致使表面溫度高于花崗巖。而且塑膠地面具有一定的保水及透水效果，透水路面的降溫效果主要受鋪裝含水量影響[32]，水分越多降溫效果越明顯，致使塑膠樣地的空氣溫度低于花崗巖，相對濕度高于花崗巖。

與前5個(gè)測量時(shí)段不同，18:00時(shí)水面的地表溫度和空氣溫度要明顯高于草地，草地具有最低的地表溫度與空氣溫度。這是由于草地在白天中吸收的太陽熱輻射較少、傍晚時(shí)熱量散出快，而水體比熱容大、吸放熱慢，致使傍晚時(shí)草地空氣溫度與地表溫度最低，這與吳菲等人[33]研究測量的結(jié)果相一致。據(jù)有關(guān)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，瀝青一天的熱輻射量是草地的10.7倍[34]。在晚上，草地不但不向空氣中釋放熱量，還會(huì)從空氣中吸收熱量。而由于瀝青在白天吸收了大量的太陽輻射，在輻射強(qiáng)度降低后開始向空氣中釋放貯藏在其中的熱量，使空氣升溫，因此在16:00至18:00這2個(gè)時(shí)間段內(nèi)，瀝青的地表溫度與空氣溫度均持續(xù)高于其他6種鋪裝材質(zhì)，相對濕度持續(xù)低于其他6種鋪裝材質(zhì)。

透水磚與花崗巖、塑膠、瀝青、混凝土相比，日間平均地表溫度降溫幅度可達(dá)1.1～8.5 ℃；空氣溫度降幅可達(dá)0.4～1.8 ℃；相對濕度增濕幅度可達(dá)2.8%～5.0%；THI值降幅可達(dá)0.2～0.9。由于透水磚具有多孔結(jié)構(gòu)，可以使下層土壤中豐富的毛細(xì)水在太陽輻射作用下蒸發(fā)，可有效降低溫度并增加相對濕度[35-36]，因此，透水磚相比于其他硬質(zhì)鋪裝對熱環(huán)境有顯著的改善效果，使人體感知更加舒適。

4 結(jié)論

日間平均地表溫度為水面<草地<透水磚<花崗巖<塑膠<混凝土<瀝青；日間平均空氣溫度為水面<草地<透水磚<塑膠<花崗巖<混凝土<瀝青；日間平均相對濕度為瀝青<混凝土<花崗巖<塑膠<透水磚<草地<水面；日間平均THI值為草地<水面<透水磚<塑膠<花崗巖<混凝土<瀝青。一天中不同鋪裝材質(zhì)的地表溫度最高值、空氣溫度最高值、相對濕度最低值主要出現(xiàn)在12:00時(shí)或14:00時(shí)。日間平均空氣溫度與日間平均相對濕度的排序完全相反；與日間平均地表溫度、日間平均THI值的排序基本一致。草地與水面相對于其他鋪裝材質(zhì)具有顯著的降溫增濕效果且人體舒適度最佳；與其他硬質(zhì)鋪裝相比，選擇透水磚作為硬質(zhì)鋪裝材料會(huì)對周圍環(huán)境具有顯著的降溫增濕效果，并顯著改善人體舒適度。