华侨大学户外庭园空间热舒适性的影响

感知控制对湿热地区户外庭园空间热舒适性的影响——以华侨大学“世外·花缘”生活实验室为例

 

摘要：户外热舒适对城市景观空间的使用具有显著影响。目前对户外热舒适的研究较少考虑感知控制(PerceivedControl)的影响作用。通过在选定实验区域内对志愿者进行问卷调查，分析感知控制对庭园空间热舒适的影响。结果表明：

 

1)感知控制对湿热地区庭园空间的夏季中性温度具有一定影响，但对秋、冬季中性温度影响微弱；

 

2)感知控制受限会导致热感觉的敏感程度增强，热舒适范围变窄；

 

3)在中性温度范围附近，感知控制对热舒适感的影响十分微弱，而在热感觉为“冷”“凉”“暖”“热”的热环境中，感知控制对不适感具有一定缓解作用；

 

4)感知控制在一定程度上扩大了人们对庭园热环境的可接受范围，当感知控制受限时，人们对热环境的接受度会有所下降。

 

1背景

 

户外热环境对城市景观空间活力具有显著影响。研究户外热舒适性可以为城市景观空间设计提供参考依据，从而创造更加舒适的城市生活环境[1-5]。然而，目前的户外热舒适研究较少考虑感知控制(PerceivedControl)对热舒适的影响。

 

已有研究表明，除了生活习惯、热环境期望等因素会影响人们的热感觉之外，感知控制也是不容忽视的心理因素[6-9]。感知控制是指，一个人能够意识到自己有能力来改变周围环境的参数或调节自身状态使自己更加舒适[10]。其核心在于，人们不一定要使用调节方式，而是在主观上认为自己具有这种能力。当环境中的人认为自己具有更多调节措施以适应环境时，那么他将会比感知控制水平较低的人更容易缓解不适感[11]。

 

关于感知控制对热舒适的影响，在室内环境的研究中已经得到了较多的证实。Yun将人们对室内环境的感知控制能力划分为7级，对感知控制对于办公人群的热舒适影响进行研究，结果表明，在夏季随着人们感知控制能力的加强，同等热环境下的舒适感会随之提升[12]。Xu对不可调节室温的集体供暖和分体式空调采暖2种不同冬季供暖方式的住宅进行了热舒适实地调查，结果表明，同等热环境下处于空调采暖房间的人们的热感觉投票更接近中性[13]。

 

Luo利用人工气候室研究感知控制对室内热舒适的影响，试验组受试者被告知可通过摇铃铛通知控制人员调节气候室温度(事实上并未进行调节)，对照组则被告知气候室温度不可改变，分析2组受试者的热舒适问卷，结果显示，感知控制水平更高的实验组受试者在偏冷或偏热的环境下具有更高的满意度，且热环境越恶劣，效果越明显[7]。

 

在室内环境中，感知控制主要表现为对物理环境的调节能力，例如打开或关闭门窗、空调、风机等。而在户外环境尤其是户外公共空间中，感知控制则主要表现为对自身活动状态的调整能力，例如撑伞遮阳、改变活动强度、自由选择活动区域等。其中，活动的自主性是户外环境下感知控制水平的最重要体现[10，14]。

 

Nikolopoulou提出，如果一个人在户外热环境中拥有多种行为选择时(例如，可以自由选择进入遮阴区域或太阳直射区域)，即使行为主体并未采取行动，那么这种能够对自己的行为进行自主控制的心理暗示，即感知控制，会在一定程度上增加人们的舒适感[10]。Elnabawi[8]、Lin[9]的研究都发现，在户外工作或需要照看孩子的成年人群比其他自由活动群体更容易对热环境感到不满意，并推测这是由感知控制能力受限制造成的。但这些研究并未对猜想做进一步论证。由于户外环境的不可控性，也很少有文献对感知控制在户外热环境中的影响作用进行深入探讨。因此，研究感知控制对户外热舒适的影响，对于丰富风景园林学科的科研理论，进而创造更加舒适的人居环境具有重要意义。

 

本文以湿热地区户外庭园空间为研究对象，依托生活实验室研究平台，研究感知控制对庭园空间热舒适性的影响。户外庭园临近建筑室内空间，相对稳定的室内热环境使不同受试者进入研究区域前具有相似的热环境经历，可有效减小因不同的人体活动代谢率、热环境经历、期望而导致的研究误差。本文的研究目的是：

 

1)比较不同感知控制水平下的夏、秋、冬三季的中性温度及热舒适范围的差异；

2)分析感知控制对庭园空间热舒适感的影响；

3)分析感知控制对庭园空间热环境可接受范围的影响。

 

2研究方法

 

2.1研究场地

 

本研究在福建省厦门市(N24°43′，E118°10′)进行。依据《建筑气候区划标准》[15]，厦门地处我国夏热冬暖地区，夏季炎热，冬季凉爽，全年湿度较高，太阳辐射强烈。根据中国国家气象科学数据中心统计，2020年6月—2021年1月，厦门市日平均最高气温为36.8℃，日平均最低气温为3.6℃。

 

研究场地位于华侨大学建筑学科实验大楼“世外·花缘”生活实验室。



该实验室依据LivingLab理念建造，基于真实的景观环境进行学术研究。实验室的基础是一座矩形屋顶庭园，面积为240m2(图1)，经由一条环形走廊与建筑室内空间相联系(图2)。

 

建成的实验室内拥有水体、景观建筑、乔灌木、地被植物等室外景观元素。同时，拥有气象监测系统、行为观察系统、热环境调节系统等科研设施。“世外·花缘”生活实验室作为一处庭园日常对外开放，为附近师生提供了一处休憩场所。

 

2.2志愿者

 

 

参与本次研究的志愿者共计46人，均是处于室内工作区(图2)的建筑学院研究生，也是生活实验室庭园空间的日常使用人群。志愿者身体健康，不处于处方药的服用期。所有志愿者均要参与2种工况的实验，以避免因实验对象不同而对研究结果产生的影响。志愿者身体参数如表1所示。

 

2.3实验工况

 

在生活实验室中设计了2种不同感知控制水平的工况。志愿者在2种工况下填写热舒适问卷。研究从2020年6月1日开始，持续至2021年1月20日结束。

 

1)工况1：志愿者拥有较高的感知控制水平。

 

志愿者自由出入生活实验室，凭自己的主观意愿在生活实验室的室外空间中活动(图3)。在此期间，可填写本研究中的热舒适电子问卷。在这个过程中，研究人员不对志愿者活动进行干涉，也不强制要求志愿者填写问卷，保障志愿者具有较高的活动自主性。问卷填写结果是否有效将由研究人员进行筛选，筛选标准如下。

 

(1)志愿者需在生活实验室场地内填写问卷，进入生活实验室前在室内环境中进行静态活动。志愿者在场地内的主要活动是静坐，且未进行调整热舒适的相关活动(冷饮、扇扇子等)。

 

(2)选择在生活实验室中单次停留时长达到30min的志愿者所填写的问卷，依据填写问卷前在实验室中的静坐时长划分为5~10、10~15、15~20、20~25、25~30、30min及以上共6个组别。以问卷数量最少的组为基准，在其他5组中随机抽取等数量问卷，使每个区间内问卷数相等，保障与工况2问卷在时间上取得一致。停留时长不足5min的不计作有效问卷。

 

(3)少数人员停留于气象仪器的监测盲区内，例如，某人停留于阳光直射下，而气象站处于阴影区域内，将这部分无法有效匹配热环境数据的问卷视为无效数据。

 

(4)为减小极端个体对研究结果的影响，每个志愿者的有效问卷数控制在30份以内，超过30份的，从中随机抽取30份。

 

2)工况2：志愿者感知控制水平受到限制。

 

志愿者在研究人员的指引下，首先在生活实验室的室内环境中进行准备(室内空气温度24.5~26.5℃，相对湿度45%~55%)，待志愿者状态稳定后，进入室外空间中停留30min(图4)。

在此期间，志愿者需遵循研究人员的指示在指定地点静坐，并被告知不得随意离开指定区域，也不可进行与缓解热舒适相关的活动。实验期间志愿者需填写热舒适问卷，每5min填写1份，每次实验填写6份问卷(图3)。若志愿者在实验期间提出终止实验，则本次实验所得数据无效。46名志愿者每人至少参与2次实验，最多不超过4次。工况2每个月进行6~10次实验，每次1~3人。每名志愿者参与实验最多不超过5次。

 

2.4问卷设计

 

本研究采用手机电子问卷的形式向志愿者发放问卷。对于工况1，研究人员每天向志愿者所在微信群中发放问卷，志愿者可依据自身情况选择是否填写；对于工况2，研究人员在实验过程中向志愿者发放问卷，志愿者需即时填写。

 

问卷涉及志愿者姓名、热知觉选项。由于事先已对志愿者的年龄、身高、体重等信息进行了记录，因此这些问题不会出现在问卷中。工况1的问卷中设置有热环境经历选项，便于有效问卷的筛选。

 

 

在本研究中，所涉及的热感受问题包括热感觉投票(TSV)、热舒适投票(TCV)、可接受性投票。以ISO105511(2001)为准[16]，热感觉投票采用9级量表，热舒适投票采用5级量表(图5)，可接受性投票包括“可接受的(0)”与“不可接受的(1)”2个选项。

 

2.5行为数据的获取

 

场地内安装有6个智能监控摄像头。当有人进入时，监控系统会采用动态检验的方式记录，即只记录人们运动状态改变时的影像。这使得人们在生活实验室中的活动时长更便于计算，也减少了对人们隐私的侵犯。行为数据传输至后台工作站存储起来供研究人员查询。

 

在本研究中监控用于对工况1的活动进行观察，通过影像资料判断着装情况、活动区域、活动时长等信息。也通过监控筛选出有效问卷。

 

2.6热环境参数的获取

  

 

实验室场地内安置有4台气象站。每台气象站配备有环境温湿度传感器、风速仪、黑球温度传感器(图6，表2)，分别安置于场地内的4个不同空间中。所有传感器通过导线与环境气象监测仪相连，所得数据由研究人员读取。气象站对场地内的热环境进行每天24h监测，记录时间间隔为1min。




气象站安置在停留人次密集的区域，并尽量减少对空间休憩功能的干扰(图6)，使气象站获得的热环境数据尽可能接近人体在生活实验室中体验到的真实热环境。

 

2.7室外热舒适指数的计算

 

本研究选取生理等效温度(PET)作为客观热舒适指标。PET被广泛应用于室外热舒适的研究中，方便了不同研究之间的比较。采用软件RaymanPro计算PET[17-18]。计算热舒适指标值需要6个参数(空气温度、空气湿度、风速、环境平均辐射温度、服装热阻值、代谢率)。其中，空气温度、空气相对湿度、风速由实验室4组气象站直接测得。服装热阻值与代谢率需要通过视频监控仪器进行获取。服装热阻以ISO9920(2007)为标准进行估算[19]；活动新陈代谢量以ISO8996(2004)为标准进行估算，本文中的户外活动均为静坐，统一为60W[20]。环境平均辐射温度需要通过黑球温度与空气温度进行计算获取，计算公式如下：式中，Tmrt为环境平均辐射温度，℃；Tg为黑球温度，℃；Ta为空气温度，℃；V为风速，m/s；D为黑球直径，m(本文采用标准黑球，直径为0.15ｍ)；ε为黑球吸收率(本文取0.95)。

 

本研究中PET计算值与问卷结果相匹配，最终的PET值取问卷提交前5min的PET平均值。

 

3结果与讨论

 

工况1共搜集有效问卷786份，其中，夏季(6—8月)252份，秋季(9—11月)330份，冬季(12—1月)204份；工况2共收集问卷630份，其中，夏季(6—8月)198份，秋季(9—11月)264份，冬季(12—1月)168份。

 

3.1各季节中性温度与热舒适范围

 

图7~9显示了2种工况下，夏、秋、冬三季的TSV在PET上的散点分布。分别进行线性回归，并定义TSV=0时的PET为中性温度，TSV在区间(-1，1)内的PET为热舒适范围，结果如表3所示。

 

工况1的夏季中性温度(26.1℃)略高于工况2(25.3℃)，而在秋季和冬季，2种工况下的中性温度则十分接近。这表明，感知控制可提高湿热地区夏季户外庭园空间的中性温度，但对秋、冬季中性温度则影响较小。推测造成这种差异的原因是，湿热地区夏季是最不舒适的季节，热感觉投票多在中性(0)以上，因此感知控制对夏季中性温度的影响作用相对高于过渡季和冬季。

 

从拟合线的斜率看，3个季节中，工况2的斜率均高于工况1，这说明工况1志愿者的热敏感度低于工况2。而工况1在夏、秋、冬三季的热舒适范围均比工况2更宽。Nikolopolou指出，那些认为自己对不舒适状态有较强调整能力的人会对环境要求更宽容[10]。这解释了为什么感知控制水平较低的情况下，人们对热环境的要求更苛刻、对热环境的变化更加敏感。

 

Xu对冬季室内热舒适的研究表明，感知控制会降低人的中性温度，同时会降低人们对热环境变化的敏感度[13]。这与本研究的结果相似。Zhou在夏季的研究显示，感知控制使室内人群的TSV低了0.4~0.5[6]；Yun在韩国首尔的研究表明，在夏季室内环境中，感知控制水平高的人群的中性温度比感知控制水平低的人群高0.9℃[12]。以上在室内环境中的研究检验了感知控制对热感觉的影响作用，但并未进行跨季节研究。而本研究的结果进一步表明，在湿热地区户外庭园空间中，感知控制在不同季节均会降低人的热敏感度，但对于中性温度的影响则存在季节差异。

 

3.2各季节热舒适投票

 

将TCV结果按照PET每4℃进行分组，例如将22.0~25.9℃划入PET=24℃区间。对2种工况下，每个热环境区间内TCV的分布进行比较。

 

 

图10显示了夏、秋、冬三季工况1与工况2在不同热环境条件下的TCV的分布。在夏季和秋季，当PET＜32℃时，工况1与工况2的TCV分布差异很小。当PET＞36℃时，2种工况出现明显差异，工况1的TCV小于工况2。在冬季，12＜PET＜36℃时，工况1与工况2的TCV没有明显差异；当PET＜12℃时，

工况2的TCV开始明显高于工况1。

 

可以看出，当户外热环境偏离热中性范围时，同等热环境下工况1的志愿者比工况2的志愿者更容易感到舒适。这表明，在户外庭园空间中，感知控制在偏离舒适范围的热环境下降低了人们的不适感。当人们的感知控制能力受到限制时，他们对热环境的不适感会相应增加。这进一步印证了Elnabawi[8]、Lin[9]的研究结果，即与低自主性群体相比，户外环境中的高自主性群体更容易获得舒适的热感受。

 

3.3热感觉与热舒适

 

图11显示了工况1和工况2在夏、秋、冬三季中热舒适投票的均值(MTCV)随TSV的变化。当TSV在-1~1之间时，即热感觉在“稍凉”到“稍暖”之间时，工况1的MTCV与工况2相差无几。随着TSV偏离中性区域，工况2的MTCV开始明显高于工况1。两者的差值在TSV为(-3，-2)(2，3)2个区间内较大，随着TSV继续偏离热中性区域，在TSV=-4或4时，两者的差值有缩小的趋势。

 

以上结果表明，在偏离中性温度的条件下，即使在同等热感觉下，工况1的志愿者也比工况2更容易获得舒适感。一种解释是，当受试者无法自主选择活动或缺乏调整手段时，环境压力会令他们产生焦虑感，缺失感知控制的心理效应使他们在同等热感觉水平下的不适感得到增强[6]。Nicol和Humphreys认为，那些自认为有更多手段使自己适应环境的人更容易维持舒适感[21]。这些观点，可以解释为感知控制有助于提高热满意度，从心理学的角度来看，这些观点与适应性舒适理论的核心思想是一致的[10，22]。

 

虽然感知控制对提高热舒适感具有一定作用，但对于热环境过于恶劣的户外空间，感知控制对不适感的缓解作用有减弱的趋势。而Luo对室内环境的研究显示，热环境越偏离热中性区域，感知控制缓解不适感的作用越强[7]。造成这种结论差异的原因，推测是户外热环境的变化范围更大造成的。室内热环境相对稳定，偏离中性温度的范围较小，而在室外环境中，随着热环境进一步偏离舒适范围，不适感的刺激更加强烈，感知控制的缓解作用也随之减弱。

 

3.4可接受范围

 

定义热环境的可接受范围为不可接受率低于10%。对工况1和工况2所得问卷对应的PET值进行1℃分组，计算每1℃区间内的不可接受率。为减小误差，单位PET区间内问卷数低于10的不参与计算。所得不可接受率随PET变化的散点分布如图12所示，分别进行二次多项式曲线拟合。可接受范围为拟合曲线在10%不可接受线以下的区域。工况1的可接受范围是18.8~30.9℃，比工况2的可接受范围(20.1~29.2℃)更宽广。

 

Johansson在厄瓜多尔的研究发现，自愿在某地活动群体的热环境可接受阈值是31℃，高于该地行人的阈值29℃[23]。这与本研究的结果相近。但Johansson并未指出感知控制的影响作用，也未对同一人群进行对比研究。本文的研究结果进一步表明，感知控制增强了人们对户外庭园空间热环境的忍受能力，在感知控制受限的情况下，人们对庭园热环境的可接受范围会缩小。

 

4结论

 

本研究探讨了感知控制对湿热地区户外庭园空间热舒适性的影响。对同一批实验志愿者在2种不同感知控制水平的工况下进行了夏、秋、冬三季的热舒适研究。主要结论如下。

 

1)在湿热地区，未发现感知控制对秋、冬季的中性温度有显著影响，在夏季，感知控制提高了中性温度。

 

2)感知控制对户外庭园空间热感觉的敏感程度具有一定影响作用。在夏季、秋季、冬季，感知控制受限的人的热感觉会更加敏感，热舒适范围更窄。

 

3)在中性温度附近时，感知控制对热舒适感的影响微弱，随着热环境偏离中性温度，感知控制缓解不适感的效果开始呈现出来。在热感觉为“冷”“凉”“暖”“热”的热环境中，缓解效果较明显，随着热环境继续偏离中性温度或热舒适范围，当处于热感觉为“很冷”“很热”的环境中时，感知控制缓解不适感的效果有所减弱。

 

4)感知控制在一定程度上扩大了人们对户外庭园空间热环境的接受范围，在感知控制受限的情况下，人们对热环境的接受度也会下降。

 

5)在户外公共空间中适当增设可调节设施、营建更多样的热环境空间供公众选择，可提升人们的感知控制水平，提高空间舒适性。

 

6)对于需要对受试者的行为进行较多约束的户外热舒适研究，应视研究的具体情况将感知控制的影响作用考虑在内。

 

5不足与展望

 

1)本研究以庭园空间为例探讨了感知控制作用下的户外热舒适特性，由于篇幅有限，并未对不同活动强度下感知控制的影响作用进行对比分析。

 

2)感知控制是一种心理影响机制，本研究选择高校学生作为试验对象，但不同社会群体之间也可能因认知差异而导致感知控制的影响程度不同，这需要在未来进行更深入研究。