城市街道夏季動態熱舒適
——以上海黃金城道步行街為例

彭旭路

(西華大學建筑與土木工程學院， 成都 610039)

在氣候變化導致城市環境問題愈發突出的背景下[1]，高度城市化的城市人居環境中，城市內部局地小氣候特征影響人居環境的適宜性[2]，適應、改善與提高氣候適宜性的人居環境質量是亟待解決的現實問題。覆蓋城市區域1/4以上面積的城市街道[3]是提供城市室外活動的重要場所[4]。自20世紀70年代起，已有結合小氣候的街道研究[5]，應對氣候變化的街道適應性規劃研究還處于發展階段[6]。為提升城市宜居品質，在城市街道開展熱舒適研究可以為健康城市環境的街道規劃設計提供基于熱覺途徑的理論指導，為整個城市室外活動空間的改善提供參考。

建筑學科的熱環境是指與人們身體健康、工作效率直接有關的氣候物理環境條件[7]，常以熱輻射、空氣溫度、濕度、風速4個物理量來描述[8]。“熱環境”和“小氣候”都是描述人活動范圍的，從熱覺生理途徑作用于人，影響人體冷熱感覺的物理氣候環境。小氣候強調氣候在小尺度范圍的空間特征，熱環境強調與人的關系是影響冷熱感覺。城市街道小氣候也是同時強調小尺度空間特征與影響人體冷熱感覺的街道熱環境。舒適性是人主觀心理層面的感受，可通過視覺、聽覺、嗅覺、觸覺等多種感知通道獲得。熱舒適是指人由熱覺途徑感知，獲得對熱環境表示滿意的主觀反應[9]，是近30年來國內舒適感受研究的熱點[10]。

關于熱舒適的評價標準，現有研究總結了兩類觀點。一類是穩態熱舒適，由建筑學科開展對室內熱環境舒適感受評價獲得，是指以人體熱平衡為基礎，以各種基于穩態傳熱模型的室內實驗結果的熱舒適預測模型為獲得途徑，如預測平均投票(predicted mean vote, PMV)[11]、生理等效溫度(physiologically equivalent temperature, PET)[12]、標準有效溫度(standard effective temperature, SET)[13]等只涉及熱感覺指標，以人體熱感覺中性即不冷不熱為舒適標準[14]，是一個較為狹窄的舒適區。一類是動態熱舒適，與穩態熱舒適機理區別，動態熱舒適描述具有動態機理的舒適感受。是各不同氣候地基于實地調查研究的適應性熱舒適，強調了不同地區人體對動態熱物理環境的生理心理自我適應調節的主動性與動態變化性，使熱舒適成為動態的系統過程，呈現出不同的適應性動態特征[14-15]。以季節或年為單位的長時間范圍內，城市生活群體的熱經歷[16-17]、熱期望[18-20]是影響動態熱舒適的主要因素。短時間范圍內，感知控制[21-22]可以影響小氣候舒適性。如寒冷地區的哈爾濱冬季和夏季室外空間獲得舒適感受時的熱感覺分別為“微涼”和“微曖”，且不同季節熱舒適受熱感覺影響的敏感程度不同[23]。在夏熱冬曖地區的廣州的實地調查，驗證了無論人體處于熱平衡的熱感覺中性狀態還是熱不平衡狀態,人體都會產生舒適感受[24]。

創造穩態的熱環境是室內熱環境的常規設計目標[25]，但以中性的無差別無刺激的熱環境為舒適標準，沒有遵循人通過自然生存進化所形成的生理主動適應調節的特征，對人體健康不利[26]，也不利于舒適、健康的城市公共環境規劃建設的目標實現。在越來越多的室內熱環境設計以創造接近自然動態熱環境的趨勢下，本身就具有時空動態性的室外熱環境，不宜以實現穩態熱舒適作為氣候適應性設計標準，有必要從利于健康的角度開展動態熱舒適研究。

空間因子是在微觀尺度對小氣候[27]以及熱舒適感受[10]產生影響的主要因素，在人活動范圍的小氣候尺度，街道中的風景園林要素及其組合結構特征，如植被覆蓋、天空可視因子等會影響街道小氣候發生相應規律的動態變化[10]。現以動態熱舒適機理為指導，選擇具有代表性的城市街道為研究對象，開展小氣候實測、熱舒適感受調查的實地實驗，通過檢驗分析、對比分析、回歸分析等方法探討和驗證城市街道動態熱舒適的存在、基于穩態熱舒適標準的熱舒適預測模型的適用性，分析小尺度風景園林空間中的短期熱經歷對動態熱舒適的影響機制，討論城市街道動態熱舒適的特點。為更加準確地認識街道熱環境、增加室外空間使用、促進創造氣候適應性的人居環境提供理論支撐。

1 研究方法

1.1 研究對象

黃金城道步行街位于上海市長寧區，于2009年建造完成，西起古北路，東到伊犁南路，長約700 m，寬約60 m，街道高寬比約1∶1，兩側建筑為底商加住宅的高層形式。雖然被銀珠路和瑪瑙路這兩條支路穿越分成了3段，但整體景觀層次豐富，使街道的通過性功能呈現空間的變化性。街道兩側臨近建筑的步行空間與普通車行道路相似，以銀杏作為行道樹，其規格、形態統一，種植線型位置與兩側建筑保持了一致的距離，貫穿整個街道，形成了良好的景觀延續性；街道中部通過設置形態各異、景觀植物變化的多個綠地組團，既保證整體通過性功能不受影響，保持了動向的延續，又使街道空間出現豐富的變化層次，不僅有櫻花、香樟、櫸樹、桂花等植物使四季有景可賞，高大的樹冠高低錯落地相連形成建筑與室外環境過渡的自然空間。街道所在社區居住著來自50多個國家和地區的居民，具有高使用率的街道公共空間是展現中國現代城市公共空間品質、人民生活幸福感的重要窗口，在社會上具有較高知名度。同時，步行街在城市線性空間中的功能活動類型最為豐富，可以排除機動車對熱舒適感受調查的干擾。因此，選擇黃金城道為研究對象具有典型性與參考性。

1.2 測試方案

1.2.1 測試布點

在開展街道小氣候實測、熱舒適實地調查時，不是以城市尺度的整條街道為對象來比較不同街道之間的氣候差異對人的影響，而是在街道內部人活動的尺度，以街道中被風景園林要素分隔的、層次豐富的具體的小尺度風景園林空間單元為分析單位。并對街道中代表性的風景園林空間單元按頂面遮蔽程度進行空間分類，站在設計者角度，各類型不管使用者偏好或不偏好的空間都兼顧，同時考慮街道斷面不同位置的原則，選擇了12個空間單元為測點，架設儀器進行小氣候定點實測。測點平面分布如圖1所示，各測點空間形態基本情況如表1所示。

1.2.2 測試時間

實測日期、時間在經當地街道管理部門協商、許可后，在2018年7月13、14、15日進行了3 d實測，定點實測時間為7：00—19:00。測試日虹橋氣象站的平均天氣情況為：平均空氣溫度30 ℃，平均相對濕度69.7%，平均風速3.90 m/s。

1.2.3 小氣候測試

在小氣候熱、濕、風要素中，選擇與建筑學領域[8]描述熱環境的物理氣候要素一致的4個小氣候要素：太陽輻射、空氣溫度、相對濕度、風速作為街道熱舒適研究的熱物理環境要素進行實測。使用Watchdog小型氣象站2000系列，架設在測點距離地面1.5 m高度處進行連續定點實測，記錄時間為間隔1 min自記1次。

圖1 測點平面分布圖Fig.1 Plane distribution map of measuring points

表1 各測點空間形態基本情況

1.2.4 熱舒適感受問卷

問卷內容分為兩個部分：一是包括性別、年齡、體重、身高、著裝等基本信息；二是舒適性感受調查，包括熱感覺投票與熱舒適投票。熱感覺表示人對周圍環境冷熱情況感受的主觀評價結果。按照美國采暖、制冷與空調工程師學會(American society of heating, refrigerating and air-conditioning engineers，ASHRAE)規范中的7級標度(非常冷、冷、涼、不冷不熱、暖、熱、非常熱，賦值-3～3)來進行熱感覺投票 (thermal sensation vote，TSV)選擇，熱舒適(thermal comfort vote，TCV)采用 4級標度(極不舒適、不舒適、舒適、非常舒適，賦值-2～2)進行選擇。舒適性感受調查沿設計的步行路線在每個測點短時停留3～5 min感受體驗后進行問卷填寫，以獲取熱感覺、熱舒適在整個步行路線中如何變化及其如何受小氣候條件和空間變化的影響。

1.2.5 熱舒適評價指標選擇

選擇生理等效溫度PET為熱舒適評價指標。PET被定義為在某一室內外環境中，可以等效于人體在維持體內和體表溫度達到人體熱量平衡時相對應的典型室內環境中的空氣溫度[12]。PET值越高表示天氣越熱，僅能提供氣候影響人體熱狀態的評價，常用于戶外熱舒適評價[28-29]。

2 結果與分析

2.1 沿步行路線各測點空間小氣候實測結果

黃金城道夏季進行熱舒適問卷調查時4個小氣候要素的實測數值如表2所示。與虹橋氣象站的測試日平均氣象數值比較，各測點的平均空氣溫度比氣象站平均空氣溫度高2.65 ℃，平均相對濕度比氣象站低了21.53%，平均風速不到氣象站平均風速的22%。量化了城市街道風景園林空間的小氣候與城市氣候的差異性。

表2 黃金城道夏季問卷調查時的小氣候實測數值Table 2 Measured microclimate data during the summer questionnaire survey on Golden City Road

圖2 步行路線各測點小氣候均值Fig.2 Average value of microclimate at each measuring point of walking route

按設計的步行調查路線，計算的問卷調查時間范圍內各測點小氣候均值如圖2所示。圖2中各數值的變化波動性體現了街道風景園林空間單元的變化對小氣候改變的重要性。如圖2(a)所示，太陽輻射波動幅度最大，最小值為37.33 W/m2，在樹蔭全遮蔽的常綠桂花樹下的8號測點，最大值為800.17 W/m2，在街道中部開敞區的9號測點。如圖2(b)所示，步行路線各空間測點間的平均空氣溫度相差0.27～1.73 ℃，在開敞區較高，樹蔭全遮蔽區較低。空氣溫度最小值為31.43 ℃，位于樹蔭全遮蔽的落葉樹櫸樹下的7號測點，最大值33.17 ℃，位于開敞區街道十字交叉口的6號測點，其中臨近水邊的樹蔭全遮蔽區香樟樹下的12號測點空氣溫度并不是最低，說明靜態水體面積較小，對相鄰測點空氣溫度沒有顯著降低影響。如圖2(c)所示，步行路線各空間測點間的平均相對濕度相差0.98%～9.5%，其中最大值為54.4%，位置與空氣溫度最小值測點一致，在樹蔭全遮蔽的7號測點,最小值為44.9%，與太陽輻射最大值測點一致，在開敞區9號測點，在水邊的樹蔭全遮蔽的12號測點的相對濕度也較高，水體對相對濕度的影響比空氣溫度明顯。如圖2(d)所示，整個步行路線各空間測點的平均風速變化性明顯，風速最大值為1.48 m/s，在街道中部開敞區的9號測點，最小值為0.37 m/s，與太陽輻射最小低測點一致，在樹蔭全遮蔽的8號測點。

2.2 各空間測點熱舒適調查結果

熱舒適感受問卷篩選的在上海生活超過一年的人群為調研對象，夏季共獲得有效問卷540份。TSV調查結果如圖3所示，其中熱感覺為熱(TSV=2)的比例最高，達到58.97%，熱感覺為中性(TSV=0)的比例是15.1%。如圖4所示，各測點TSV值在大于O的情況下波動變化，顯示出“熱”的不同程度變化，各測點平均熱感覺投票值達到了1.42，介于曖和熱之間。TCV調查結果如圖5所示，舒適和較舒適的占比達到 55.95%。如圖6所示，TCV數值隨著步行路線的空間移動，在-1.5～1.0波動變化。對比圖3～圖6可知：在夏季熱感覺高于中性的熱不平衡狀態下也能獲得熱舒適感受，驗證了動態熱舒適不是以達到熱平衡為舒適標準。

圖3 熱感覺投票占比Fig.3 Thermal sensation voting ratio

圖4 各測點熱感覺投票Fig.4 Thermal sensation perception in space measuring points

圖5 熱舒適投票占比Fig.5 Thermal comfort voting ratio

圖6 各測點熱舒適投票Fig.6 Thermal comfort perception in space measuring points

2.3 各空間測點熱舒適評價指標PET計算結果

將各測點實測的小氣候數值帶入計算機模擬RayMan軟件，計算出各測點的PET數值，如圖7所示，PET隨著步行路線的空間移動，在28.57～48.87 ℃波動變化，各空間測點間PET相差范圍為1.05～20.216 ℃。PET值的變化趨勢呈現隨著樹蔭頂面遮蔽程度越大值越小的變化規律，驗證了街道空間的頂面遮蔽程度能對舒適性產生動態變化影響，且植物覆蓋程度越高，影響越顯著。

圖7 各測點平均PET值Fig.7 Average PET value in space measuring points

2.4 各測點間小氣候要素、熱感覺、熱舒適投票結果顯著性分析

顯著性檢驗常用于比較組間差異，以分析不同分組數據間是否有顯著性差異，將各空間測點的小氣候實測數據、熱感覺與熱舒適調查結果數據代入SPSS23.0軟件進行正態分布檢驗后，數據都不符合正態分布，不適宜采用單因素方差分析進行顯著性檢驗，再加上是多組比較，選用秩和檢驗的方法進行按空間類型分組的顯著性檢驗。如表3所示，通過秩和檢驗，黃金城道夏季的相對濕度、風速、太陽輻射、熱感覺(TSV)、熱舒適(TCV)顯著性值小于0.05，拒絕原假設，各空間測點間有顯著性差異。明晰了在夏季高溫環境下：空氣溫度的空間差異性不明顯；雖然各測點風速遠小于氣象站平均風速，但依然是夏季街道各測點空間產生顯著差異的重要小氣候要素；植物覆蓋程度高且空間層次多變性使得黃金城道夏季相對濕度也能呈現各空間顯著差異；心理感受能在各空間變化中形成靈敏的感受差異。

表3 黃金城道夏季各空間測點小氣候要素、熱感覺、 熱舒適顯著性檢驗

圖8 PET和TSV的空間變化Fig.8 Comparison of spatial changes between PET and TSV

3 討論

3.1 PET和TSV的空間變化對比

因為穩態傳熱模型的舒適標準與熱感覺相對應，所以將各測點PET均值與TSV均值進行空間變化對比，探討黃金城道夏季實地熱感覺的空間變化特點。

各測點的TSV分布于0.5～2.5，以0.5為變化單位將TSV設置了4個等級，同時將PET值也分為4個等級，各分級數值如圖8所示。從圖8可以看到PET和TSV沿步行路線的空間變化：兩個評價指標的等級分布不完全一致；TSV和PET最高測點一致：在開敞區的9號以及十字交叉口的6號測點，PET值都高于48 ℃，也是TSV最高的空間；最低點不一致：PET最低點位于街道北側樹蔭部分遮蔽的5號測點，而TSV最低的是街道南側樹蔭全遮蔽的8號測點。

探討PET和TSV等級分布不一致的原因：一方面，通過與小氣候要素的相關性分析可知，影響PET和TSV的小氣候要素有所區別，如表4所示。PET主要受熱要素，即太陽輻射和空氣溫度影響，其中太陽輻射影響最為顯著，而TSV主要受空氣溫度和相對濕度影響。一方面，在步行路線的空間變化中，即使短暫停留，人體熱感覺也對有顯著空間差異的小氣候產生了靈敏、顯著的動態響應。

表4 熱感覺、生理等效溫度與小氣候要素相關性

通過對比可以發現短時間熱感覺的空間變化特點如下。

(1)在都不是樹蔭全遮蔽的空間移動對比中，即熱感覺差異不是最顯著的情況下，短時間的熱感覺會受到上一個空間熱感覺滯后影響。從1號到2號測點的PET差值增幅達到了18 ℃，可是TSV增幅不大，只有0.2；從開敞的4號測點到樹蔭部分遮蔽的5號測點，PET值降低了兩個層次，減少了16 ℃，可TSV減少了0.85，變化幅度只降低了一個層次；從樹蔭部分遮蔽區的10號測點移動到開敞區的11號測點，PET增加了6.3 ℃，可是TSV基本沒有差異，增幅只有0.05。

(2)在熱感覺會發生顯著變化的開敞與全遮蔽對比的情況下，從樹蔭全遮蔽變化到開敞區的TSV變化幅度，略高于從開敞區變化到樹蔭全遮蔽，而PET從開敞到樹蔭全遮蔽的變化幅度略大于從樹蔭全遮蔽變化到開敞區，說明在短時間的熱感覺動態變化中，對大幅度增熱的感覺比減少更為敏感：從樹蔭全遮蔽的8號到開敞的9號測點，熱感覺增加了1.51，從開敞的6號測點移動到樹蔭全遮蔽的7號測點，熱感覺減少了1.1。

3.2 實地TCV和PET的相互關系

直接使用基于穩態傳熱模型的各熱舒適評價指標的優點是計算方便，并可以對舒適性做出預判，給出預測值。基于實地調查的體現各地適應性動態特點的舒適性評價不能預測。根據適應性熱舒適研究方法[30]，將穩態熱舒適評價預測模型PET與基于實地調查的動態熱舒適主觀問卷結果進行關聯，建立二者之間的回歸方程，得到室外熱舒適評價適應模型，作為當地熱舒適范圍計算的參考。

夏季街道各空間測點PET值都高于28 ℃，不管是采用PET官方舒適標準9～26 ℃[31]，還是中西歐學者提出的PET舒適標準18～23 ℃[32]，根據PET模型計算結果的各測點都不舒適，驗證了PET基于熱感覺中性的穩態舒適標準不能準確反映上海城市街道夏季的熱舒適。

為了探討PET模型熱舒適范圍的適應性，將受訪者的熱舒適投票TCV值與相應時點的PET值建立回歸方程為

TCV=-0.050PET-1.555，

R2=0.506，P<0.001

(1)

通過式(1)可以計算出當TCV=0， 即人們開始有舒適感受時，黃金城道夏季的PET值為31.1 ℃。當TCV在-0.5～0.5時，計算出PET熱舒適范圍，夏季是21.1～41.1 ℃。這個適應性舒適范圍比基于實地熱感覺調查計算的上海城市廣場夏季熱中性舒適范圍15.6～25.5 ℃[28]還要寬。可作為基于當地人群長期生理心理適應性的動態熱舒適范圍參考。

3.3 實地TCV和TSV的相關性

如圖9所示，各測點的平均TSV和TCV值呈高度負相關，說明整體上夏季熱舒適受瞬態熱感覺影響，與熱感覺呈顯著反比關系。將每一級熱感覺TSV與熱舒適投票TCV平均值建立擬合方程為

TCV=1.086-0.677TSV，

R2=0.757,P<0.001

(2)

基于本次問卷調查結果計算，當TSV<1.60時，就能獲得舒適感受。驗證了即使在平均空氣溫度高于30 ℃的夏季室外熱環境中，在熱感覺偏離中性，且以曖到熱為主的情況下，依然可以通過與變化的熱感覺對比產生相對的、動態熱舒適。且熱舒適結果并不固定，對比圖4、圖6可以看出，熱感覺變化差異越大，熱舒適的變化也越大。

對比在上海南京東路夏季的熱舒適實地調查結果[33]：南京東路夏季實地調查時的平均空氣溫度比黃金城道低1.16 ℃，平均相對濕度高9.78%，平均太陽輻射低148.12 W/m2。根據南京東路夏季TCV和TSV調查結果建立的擬合方程[33]，即

TCV=1.06-0.7TSV，

R2=0.746，P<0.001

(3)

根據式(3)計算可得，當TSV<1.51時，就能獲得熱舒適感受。通過對比，驗證了動態熱舒適的變化特點：夏季熱環境條件相對越差，獲得熱舒適的熱感覺值相對遠離中性。

圖9 TSV與TCV線性關系Fig.9 Linear relationship between TSV and TCV

4 結論

在城市熱舒適研究中，發現穩態熱舒適不能準確反映夏季室外活動空間的熱舒適，為探尋城市街道小尺度風景園林空間的動態熱舒適機制，以上海黃金城道步行街作為代表性街道，開展夏季小氣候要素的物理實測、大眾熱舒適感受問卷調查、熱舒適評價指標PET計算相結合的實地實驗，通過對比、數理分析等研究方法，總結了街道小尺度風景園林空間、小氣候要素與人體熱舒適感受三者之間的密切關系，結論如下。

(1)驗證了當人體熱感覺中性不冷不熱時，是符合人體內環境穩態，從而直接獲得熱舒適感受的一種途徑。同時，在街道整體走向、建筑高寬比不變的情況下，被風景園林要素分隔的街道小尺度空間中，還存在一開始不符合人體內環境穩態，但通過動態生理調節及動態心理調適，與之前空間環境的熱感覺對比有改善，就可以獲得舒適感受的另一種途徑。

(2)影響PET的主要小氣候要素是太陽輻射和空氣溫度，而影響夏季黃金城道TSV和TCV的主要小氣候要素是空氣溫度和相對濕度。穩態的PET熱中性舒適標準不能準確反映街道在熱感覺偏離中性還能獲得舒適感受的結果，在使用PET進行熱舒適評價時，需要建立PET模型和實地熱舒適調查結果關聯的熱舒適評價適應模型。

(3)短期的熱經歷體驗可以影響參與者的熱感覺。雖然在步行路線變化中，每個測點短期熱體驗的時間只有3～5 min，但會通過隨空間變化與之前的熱感覺進行不自覺的對比而形成對新環境的熱感覺評價，熱感覺有隨空間變化而出現相應變化的動態性，從而影響熱舒適產生相應變化。

(4)短時熱感覺在步行移動隨空間變化的過程中，可能出現受之前熱感覺滯后的影響，體現出對變化的環境條件的適應；短時熱感覺從全遮蔭變化到開敞區顯著增加比減少更加敏感，體現了對變化的環境條件忍受的程度差異。驗證了上海城市街道夏季動態熱舒適的變化特點：橫向上隨空間變化與熱感覺對比產生；縱向上舒適范圍比穩態熱舒適標準更寬；夏季熱環境相對越差，獲得熱舒適的熱感覺越遠離中性，體現出感知控制對夏季惡劣熱環境的容忍性。研究成果可以為未來的城市健康設計提供基于動態熱舒適的理論支撐與參考。