街道空間形態(tài)對熱舒適度的影響研究
——以湛江市赤坎老街為例

吳健宇，林煒昊，丘楚俊，許梓明，李小梅

（湛江科技學(xué)院，廣東 湛江 524000）

歷史街區(qū)是城市文化的縮影，具有強(qiáng)大的生命力，能較完整地體現(xiàn)出某一時期傳統(tǒng)風(fēng)貌[1]。但是隨著城市化的加快，例如環(huán)境景觀品質(zhì)較為低下，公共空間普遍較少等環(huán)境問題漸漸凸顯。城市歷史街區(qū)的人居生活環(huán)境逐漸惡化，帶來了一系列歷史街區(qū)如何發(fā)展和保護(hù)的難題[2]。歷史街區(qū)街道空間的熱舒適度狀況與百姓息息相關(guān)，直接影響街區(qū)可持續(xù)發(fā)展[3]。

熊瑤等[4]利用擬合方程對生理等效溫度與微氣候因子之間的相關(guān)性進(jìn)行了分析，得出影響熱舒適性的原因主要有建筑高度、建筑方位及組合、植被覆蓋率等。郭曉暉等[5]通過使用街道可視因子綜合探究街道峽谷微氣候和熱舒適度之間的關(guān)系。李京津等[6]利用Envi-met 微氣候數(shù)值模擬軟件分析步行街微氣候，得出街道朝向、天空可視域等均對街道微氣候環(huán)境有一定影響。目前城市歷史街區(qū)熱環(huán)境影響因素的研究內(nèi)容逐漸從微氣候關(guān)注到空間形態(tài)，特別是街道朝向、街道寬高比、街道可視因子的關(guān)系分析，但國內(nèi)沿海地區(qū)較少使用街道空間要素對歷史街區(qū)熱環(huán)境進(jìn)行綜合分析，特別是針對沿海城市濕度相對比較高的湛江地區(qū)。因此，本文以湛江赤坎老街為例，對街道微氣候、空間形態(tài)、街道可視因子和熱舒適度進(jìn)行研究，所得理論依據(jù)可供環(huán)境相似的城市歷史街區(qū)參考，從而建造人與自然相適應(yīng)的生活環(huán)境。

1 研究方法與內(nèi)容

1.1 研究區(qū)域概況與測點(diǎn)選擇

湛江地處華南，舊稱“廣州灣”，是隸屬廣東省管轄的地級市。湛江地處北回歸線以南、終年受海洋氣候調(diào)節(jié)。4—9 月為多雨季節(jié)，8 月雨量最多；10—3 月雨量較少。年平均氣溫23.2 ℃，年平均雨量1 417～1 802 mm[7]。

本文研究對象為湛江市赤坎老街，該區(qū)域是廣東省湛江市歷史最悠久的地域，以“民主路-中山一路”為分界，能反映其歷史進(jìn)程、商貿(mào)發(fā)展、風(fēng)土人情。通過前期對老街進(jìn)行實(shí)地調(diào)研，根據(jù)老街的空間性質(zhì)及特色，將空間分為文化娛樂型歷史街區(qū)、傳統(tǒng)商業(yè)型歷史街區(qū)、居住生活型歷史街區(qū)3 大類，并且根據(jù)前期赤坎老街空間人流量的調(diào)研情況，在每種空間類型設(shè)置2 個測點(diǎn)，共有6 處不同肌理空間作為測量點(diǎn)，各測點(diǎn)具體類型劃分見表1、各測點(diǎn)的空間分布情況如圖1 所示。

圖1 各測點(diǎn)位置的分布情況（自繪）

表1 各測點(diǎn)空間類型劃分

1.2 研究方法

1）微氣候四要素實(shí)測：采用移動觀測法，距離地面1.5 m 處手持測量儀器，并且垂直于地面，每個觀測點(diǎn)停留1 min，取其穩(wěn)定值。于2022 年9 月17—20 日，選取晴朗的天氣進(jìn)行，每日測量時間為9：00—17：00，4 日內(nèi)對應(yīng)時段取平均值進(jìn)行分析，這一時間段適宜觀測和分析街道空間形態(tài)對微氣候要素的影響。測量時借助標(biāo)尺、卡尺等工具確保測量時高度統(tǒng)一，并且保持儀器與地面垂直；為確保測量位置精準(zhǔn)，提前固定測量點(diǎn)的參照物并在其位置做標(biāo)記。同一觀測點(diǎn)每2 小時觀測一次，不同觀測點(diǎn)之間間隔5 min 觀測，使用標(biāo)智多功能儀器對每個點(diǎn)進(jìn)行空氣溫度（℃）、相對濕度（%RH）、瞬時風(fēng)速（m/s）3 個指標(biāo)的測定；使用欣寶太陽輻射儀進(jìn)行太陽輻射（W/m2）指標(biāo)的測定。實(shí)測時，等儀器穩(wěn)定2 min 后讀數(shù)，每10 秒讀取一個數(shù)據(jù)，在每個測點(diǎn)讀數(shù)1 次。實(shí)測日天氣情況見表2。

表2 實(shí)測日天氣情況

2）天空視域因子：魚眼拍攝實(shí)測法。即使用安裝了碩圖魚眼鏡頭的vivo IQOO Z1 手機(jī)拍攝獲取魚眼鏡頭照片，采取對各實(shí)測點(diǎn)進(jìn)行距離地面1.5 m 高向上仰視拍攝，成像圖片能夠直觀反映各測量點(diǎn)空間的天空開闊程度，可從成像中間接讀取建筑物、植被等與天空的比例關(guān)系，通過魚眼成像更加直觀判斷空間周圍環(huán)境情況，并且能夠間接測量受太陽輻射面積大小。

3）街道形態(tài)：街道寬度的測算在現(xiàn)場實(shí)地進(jìn)行，利用長卷尺從街道的一側(cè)建筑邊緣到另一側(cè)建筑邊緣，垂直俯視讀取數(shù)據(jù)，讀取時始終注意測算線段與道路中心呈垂直狀態(tài)。兩側(cè)及周邊的建筑高度的測算利用激光測距儀。街道的朝向在現(xiàn)場利用指南針分析得出。

4）建筑表面溫度：利用紅外熱成像儀測得（拍攝時距離建筑20 m 左右，順著太陽的方向拍攝完整的建筑）。

實(shí)測儀器情況見表3。

表3 實(shí)測儀器情況

1.3 熱舒適度指標(biāo)

本文選用生理等效溫度（physiological equivalent temperature，PET）作為評價人體熱舒適度的評價指標(biāo)。生理等效溫度是在慕尼黑人體熱量平衡模型（Munich－Energy Balance Model for Individuals，MEMI）的基礎(chǔ)上推導(dǎo)出的熱指標(biāo)，指在室內(nèi)或室外環(huán)境中，人體皮膚溫度和體內(nèi)溫度達(dá)到與典型室內(nèi)環(huán)境同等的熱狀態(tài)所對應(yīng)的溫度，相比于其他熱舒適度評價指標(biāo)更適用于對室外熱環(huán)境質(zhì)量進(jìn)行綜合評價[8-9]。不同等級的生理等效溫度對應(yīng)人體生理不同的應(yīng)激等級，見表4。

表4 人體不同熱感等級的生理等效溫度（PET）范圍及人體生理應(yīng)激等級

2 結(jié)果與分析

2.1 各測點(diǎn)微氣候?qū)崪y分析

2.1.1 空氣溫度

空氣溫度也稱為氣溫，表示空氣冷熱程度的物理量。氣溫的周期性變化主要受太陽輻射和大氣運(yùn)動影響[10]。

對比各測點(diǎn)中遮陰下和陽光下的空氣溫度數(shù)據(jù)，結(jié)果一致為：D>E>B>F>C>A。同一時段，各測點(diǎn)空氣溫度之間普遍相差1~3 ℃。同一測點(diǎn)，在所測時段內(nèi)最高溫度和最低溫度之間普遍相差2~4 ℃。

結(jié)合圖2 進(jìn)一步分析：一天當(dāng)中各街道區(qū)域的最高空氣溫度（37.4 ℃）出現(xiàn)在11 時，最低空氣溫度（30.2 ℃）出現(xiàn)在9 時，且A 點(diǎn)、C 點(diǎn)及D 點(diǎn)陽光下和遮陰下的空氣溫度變化折線趨勢較為一致，均在11 時后出現(xiàn)下降趨勢，隨后在13 時后逐漸上升，在15 時后逐漸下降。而B 點(diǎn)和E 點(diǎn)的空氣溫度變化折線趨勢也較為一致，在9—11 時逐漸上升，隨后在11—15 時平穩(wěn)過渡，15 時后逐漸下降。值得注意的是，13 時D 點(diǎn)與F 點(diǎn)的空氣溫度幾乎一致，不排除受所測時間、地理位置或空氣流通的影響。

圖2 各測點(diǎn)空氣溫度日變化情況圖

2.1.2 相對濕度

相對濕度是表示水在空氣中的蒸汽壓與同溫度同壓強(qiáng)下水的飽和蒸汽壓的比值，人體最舒適的相對濕度為45%~65%[11]。

如圖3 所示，對比同一時段不同測點(diǎn)的相對濕度變化，遮陰下和陽光下的最大值均出現(xiàn)在A 點(diǎn)，最小值為F 點(diǎn)，相差6%~8%。而對比同一測點(diǎn)不同時段的相對濕度變化，遮陰下和陽光下的最高值均出現(xiàn)在9 時，最低值普遍出現(xiàn)在15 時，少數(shù)出現(xiàn)在13 時或17時。遮陰的測點(diǎn)除居住生活歷史街區(qū)因缺乏植物而選擇在屋檐下，其余區(qū)域測點(diǎn)均選擇在喬木下。

圖3 各測點(diǎn)相對濕度日變化情況圖

同時，在實(shí)驗(yàn)時間內(nèi)，各測點(diǎn)的相對濕度均超過45%，在15—17 時大部分測點(diǎn)所測相對濕度值低于65%，即在實(shí)驗(yàn)時間8 h 內(nèi)有25%的時間基本符合人體最適相對濕度。

2.1.3 瞬時風(fēng)速

瞬時風(fēng)速指的是某個時刻的風(fēng)速值。如圖4 所示，在不同時段各街道區(qū)域空間的實(shí)測中，陽光下僅B、C、F測點(diǎn)在9 時、11 時、15 時、17 時風(fēng)速不為0 m/s，遮陰下僅C、F 測點(diǎn)在15 時、17 時風(fēng)速不為0 m/s，其余測點(diǎn)在測點(diǎn)時間內(nèi)所測風(fēng)速均為0 m/s。且C、B、F 測點(diǎn)的風(fēng)速范圍為0.1～1.6 m/s，均處于軟風(fēng)狀態(tài)（V≤2 m/s）。

2.1.4 太陽輻射

如圖5 所示，遮陰下，C>F>B>D>A>E；陽光下，D>B>E>C>A>F。整體而言，6 個測量點(diǎn)的太陽輻射變化趨勢均相同，呈現(xiàn)“低-高-低”趨勢，露天場所太陽輻射照度比遮陰場所明顯。在11—13 時（即中午時段），各測點(diǎn)的太陽輻射值較高，最高值在D 點(diǎn)測得，為752.80 W/m2。分析D 點(diǎn)的環(huán)境條件，雖然街道空間中列植冠幅較大的喬木，能較大程度分散電磁波，減少到達(dá)地面的輻射，但D 點(diǎn)空間建筑密集程度高，部分喬木存在修剪情況，枝葉未完全遮擋天空，陽光仍能透過葉片間隙直射到地面，空間受太陽直射程度高，綜合多種因素情況，最高太陽輻射值出現(xiàn)在D 點(diǎn)屬合理狀況內(nèi)。

2.2 微氣候因子與PET 相關(guān)分析

本次研究利用RayMan pro 3.1 模型導(dǎo)入各街道空間所觀測的空氣溫度、相對濕度、風(fēng)速和太陽輻射強(qiáng)度，同時設(shè)定地區(qū)為廣東省湛江市，夏季服裝熱阻系數(shù)0.5、人體性別為男、年齡35 歲、身高1.75 m、體重75 kg、街區(qū)地理位置等信息，計算出各空間PET。

以陽光下為例，各測點(diǎn)PET 值大小排列如下，C（31.1℃）>B、F（31℃）>D（30.8℃）>E（30.7℃）>A（29.1℃），從排列結(jié)果來看，6 個測點(diǎn)均處于“溫暖”的熱舒適狀態(tài)，遮陰下結(jié)果與其一致。

隨著空氣溫度的上升（見表5），PET 越高，即表現(xiàn)出明顯的正相關(guān)關(guān)系。相對濕度與PET 表現(xiàn)出明顯的負(fù)相關(guān)關(guān)系，即相對濕度越大，PET 越低，空間逐漸趨向“濕冷”，街道熱舒適度差。由于測點(diǎn)所測風(fēng)速為瞬時風(fēng)速，非平均風(fēng)速，且風(fēng)向不定、不確定性高，綜合來看平均風(fēng)速與PET 的回歸效果并不明顯，無法作為主要的參考。太陽輻射受多種空間因素的共同影響，也無法作為主要參考。

表5 遮陰下、陽光下PET 與微氣候因子關(guān)聯(lián)性分析表

2.3 街道空間形態(tài)對熱舒適度影響

將各測點(diǎn)的空間寬高比值（W/H）、街道下墊面、場地說明（植被、建筑等）列成表格，見表6。

表6 各測點(diǎn)位置、W/H 比值、場地說明等

赤坎老街路面多為透水性較差的鋪裝材質(zhì)，尤其是居住生活歷史街區(qū)，由于水泥的透水性差，加上道路形態(tài)凹凸不平，下雨天水浸情況尤為嚴(yán)重。而傳統(tǒng)商業(yè)歷史街區(qū)中，D 點(diǎn)下墊面粗糙，C 點(diǎn)下墊面比熱容低，較低的對日反射率使下墊面溫度高。

2.3.1 街道朝向?qū)崾孢m度影響

在測點(diǎn)中A、B、E 點(diǎn)均為E-W 朝向，D、F 點(diǎn)為NS 朝向，C 點(diǎn)為WN-ES 朝向。分析E-W 朝向街道微氣候要素的線性回歸，得出E-W 朝向的街道空氣溫度與PET 呈正相關(guān)關(guān)系，即隨著溫度升高，街道的熱舒適度越來越高，人體感受層面越熱。相對濕度與PET 關(guān)系則為負(fù)，即隨著相對濕度升高，街道的熱舒適度逐漸緩和，人體感受層面偏向舒適，但相對濕度升高到一定程度，則造成人體感受層面不適。

2.3.2 街道寬高比對熱舒適度影響

街道寬高比是描述街道空間形態(tài)的重要參數(shù)，是街道寬度W與建筑物高度H的比值[12]。在城市建設(shè)中，街道分為2 種類型：對稱與不對稱[13]。當(dāng)寬高比等于1時，街道空間是對稱的。當(dāng)寬高比小于1 時，街道會在心理上給人造成壓迫感。當(dāng)寬高比大于1 時，街道會給人帶來開敞寬闊的感覺。寬高比越小，空間熱島效應(yīng)越強(qiáng)，熱量增加，PET 數(shù)值上升，但是最高值不會隨著寬高比發(fā)生改變。分析E-W 朝向不同寬高比的街道（見表7），發(fā)現(xiàn)寬高比越高，PET 越小，具有反向相關(guān)性。

表7 街道寬高比與遮陰下、陽光下PET 關(guān)聯(lián)性分析表

2.4 街道可視因子對熱舒適度影響

街道可視因子（Street visual facto，VFs）為給定街道觀測點(diǎn)所看到的天空、建筑、樹木等各街道要素的可視比例，能高度概括街道空間形態(tài)特征[14]。本文從天空可視因子（Sky View Factor，SVF）、建筑可視因子（Building View Factor，BVF）、樹木可視因子（Tree View Factor，TVF）角度（見表8、9）進(jìn)行分析。

表8 各測點(diǎn)魚眼成像、SVF、BVF、TVF 數(shù)據(jù)

表9 各測點(diǎn)SVF、BVF、TVF 與PET 關(guān)聯(lián)性分析

在約翰遜和沃森[15]修正的公式基礎(chǔ)上使用以下方程（1）計算VFs，將魚眼圖像劃分為多個等寬的同心環(huán)，然后將代表天空、樹木和建筑物的所有環(huán)形截面相加，分別使用以下公式計算SVF、BVF 和TVF，

式中：x可以是天空、樹或建筑物，n是劃分的同心環(huán)形總數(shù)，i代表環(huán)指數(shù)，ai，x是第i個圓環(huán)內(nèi)x（x可以是天空、樹或建筑物）的像素的角寬度。

2.4.1 天空可視因子

天空可視因子（SVF）是指在地面的給定觀測點(diǎn)上，肉眼所看到天空范圍大小的可量化因子，通常表征空間的開敞程度[16-19]。通過魚眼鏡頭的拍攝，每個天空可視因子的區(qū)間值為[0，1]，SVF 值越小，代表空間內(nèi)障礙物遮蔽天空視野越多，天空開闊度越小。

分析6 個測點(diǎn)的SVF，通過表8 可以看出各測點(diǎn)的郁閉度以及空間周圍環(huán)境情況，據(jù)各測點(diǎn)魚眼成像情況分析，各測量點(diǎn)的天空開闊程度不同，其中C＞A＞B＞D＞E＞F。B、D、E、F 點(diǎn)的SVF 數(shù)值范圍在[0，0.5]，A點(diǎn)和C 點(diǎn)的SVF 數(shù)值范圍在（0.5，1]。A 點(diǎn)和C 點(diǎn)是典型的BVF 低，TVF 低，SVF 高。SVF 越高，越開闊的街道空間，熱舒適度越差，呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。

2.4.2 建筑可視因子

建筑可視因子（BVF）是指在地面的給定觀測點(diǎn)上，肉眼所看到周圍建筑可視部分的可量化因子。A、B、C、D 點(diǎn)的BVF 數(shù)值范圍在[0，0.5]，E 點(diǎn)和F 點(diǎn)的BVF 數(shù)值范圍在（0.5，1]。在居住生活歷史街區(qū)中，高密度、高樓層的建筑物集中出現(xiàn)，阻礙了天空能見度，限制了綠化空間，在影響內(nèi)部空間局部溫度逐漸升高的同時，也阻擋部分太陽輻射，形成建筑陰影，使地表溫度在一定程度上降低[20]。在本次調(diào)研中，居住生活歷史街區(qū)的建筑提供直接遮陰，而傳統(tǒng)商業(yè)歷史街區(qū)的建筑大多不能提供直接遮陰，這導(dǎo)致了建筑可視因子對居住生活歷史街區(qū)影響較為明顯，對傳統(tǒng)商業(yè)歷史街區(qū)相對不明顯。BVF 與PET 呈正相關(guān)關(guān)系，說明街道空間內(nèi)的建筑對熱舒適度具有一定影響。

2.4.3 樹木可視因子

植物可視因子（TVF）是指在地面的給定觀測點(diǎn)上，肉眼所看到四周樹木可視部分的可量化因子。A、B、C、E、F 點(diǎn)的TVF 數(shù)值范圍在[0，0.5]，D 點(diǎn)的TVF 數(shù)值范圍在（0.5，1]。基于VFs 值為1，當(dāng)SVF 越低，BVF越低，TVF 則越高，反之亦然。E 點(diǎn)和F 點(diǎn)是居住生活歷史街區(qū)的代表，低密度的樹木，高密度的建筑造成了該空間的熱舒適度過高，帶來不適。在本次調(diào)研中，街道空間的樹木可視因子與PET 關(guān)聯(lián)性很弱，說明在本次研究中，街道空間中的樹木對熱舒適度的影響不明顯。原因猜測，目前赤坎老街的植物配置和種植方式多為傳統(tǒng)模式，植物類型以冠幅較小的喬木或小片的地被為主，如小葉榕、非洲楝、腎蕨等，功能多為建筑的點(diǎn)綴或配景，導(dǎo)致投射陰影較小，未形成良好的遮陰和攔截太陽輻射效果。

2.5 街道建筑表面溫度對熱舒適度影響

如圖6 所示，在測量時間內(nèi)，氣溫變化波動不大，陽光下和遮陰下幾乎一致，而建筑表面平均溫度整體波動幅度較大。對于居住生活歷史街區(qū)而言，E 點(diǎn)和F點(diǎn)因街道朝向的不同，被太陽直接照射的時間和位置不同，整體街道建筑表面溫度呈現(xiàn)出明顯差異，但這樣的差異未在熱舒適度中表現(xiàn)明顯。B 點(diǎn)的建筑表面溫度變化較為典型，受該場地環(huán)境因素的影響（含敞口水井），水汽帶走部分熱量，建筑表面溫度對比同類型的A點(diǎn)呈現(xiàn)下降趨勢。但受空間四面圍合，街道類型為深街道，太陽輻射和相對濕度數(shù)值相對較高，綜合各因素的干擾，B 點(diǎn)的PET 也并未出現(xiàn)下降趨勢。總的來說，由于建筑表面溫度受多種因素影響，不確定性高，建筑表面溫度與PET 的回歸效果并不明顯，無法作為主要的參考。

圖6 各測點(diǎn)PET 與建筑表面溫度等變化情況

3 結(jié)論

本研究以湛江赤坎老街為例，對街道空間形態(tài)、街道可視因子、建筑表面溫度與微氣候和熱舒適度進(jìn)行探討，得出以下結(jié)論。

1）在實(shí)測時段內(nèi)，遮陰處與陽光下各測點(diǎn)空氣溫度、太陽輻射最高值多數(shù)出現(xiàn)在11 時，相對濕度最高值均出現(xiàn)在9 時，大部分時間處于無風(fēng)狀態(tài)。相對濕度整體呈現(xiàn)“先下降，后上升，再下降，后上升”趨勢，太陽輻射差異較大，整體呈現(xiàn)“低-高-低”趨勢。居住生活歷史街區(qū)的相對濕度較其他類型街區(qū)在實(shí)測的大多數(shù)時間內(nèi)基本符合人體最適相對濕度。

2）從空間形態(tài)來看，傳統(tǒng)商業(yè)歷史街區(qū)的寬高比接近1，尤其是D 點(diǎn)，空間格局接近對稱。E-W 朝向街道寬高比與PET 呈反向相關(guān)性。

3）從天空可視因子分析來看，不管是哪種朝向的街道，空間天空可視因子越高，就意味著街道空間的熱舒適度越差。另外對建筑可視因子與空間寬高比的分析來看，赤坎老街歷史街區(qū)空間整體而言較為密集，大部分空間情況與E 點(diǎn)、F 點(diǎn)相似，建筑間距較小，受太陽輻射面積有限，導(dǎo)致空間較為陰暗潮濕；部分存在開闊空間，如C 點(diǎn)，但缺少有效建筑，不能直接提供遮陰。本次研究中，對樹木可視因子分析發(fā)現(xiàn)街道空間中的樹木對熱舒適度的影響不明顯，可能受空間中植物的配置、種植方式及景觀功能的影響。

基于以上結(jié)論，赤坎老街的改造熱舒適中可考慮以下3 點(diǎn)。

1）適當(dāng)降低歷史街道空間內(nèi)天空可視因子的數(shù)值，增加空間郁閉度，對于開闊空間應(yīng)“適地適樹”地種植行道樹，增加綠化面積，提供遮陰，緩解太陽輻射。

2）在考慮與歷史街區(qū)風(fēng)格協(xié)調(diào)統(tǒng)一時，路面鋪裝盡量選擇顏色稍淺、透水性好的材質(zhì)，如透水磚、透水瀝青等等，調(diào)節(jié)周圍微氣候，可參考昆明老街。因湛江屬季風(fēng)氣候，赤坎區(qū)屬于市區(qū)附近地段，路面鋪裝可結(jié)合集雨裝置。

3）從建筑方位來說，湛江地帶常見的夏季風(fēng)為西南風(fēng)，符合風(fēng)向即西南方向，設(shè)計師可根據(jù)自然季風(fēng)來設(shè)計街道朝向，調(diào)節(jié)局部微氣候。對于現(xiàn)有街道，可通過增減構(gòu)筑物、灌叢植被等方式改善舒適度。