城市街道夏季动态热舒适——以上海黄金城道步行街为例

彭旭路

(西华大学建筑与土木工程学院， 成都 610039)

在气候变化导致城市环境问题愈发突出的背景下[1]，高度城市化的城市人居环境中，城市内部局地小气候特征影响人居环境的适宜性[2]，适应、改善与提高气候适宜性的人居环境质量是亟待解决的现实问题。覆盖城市区域1/4以上面积的城市街道[3]是提供城市室外活动的重要场所[4]。自20世纪70年代起，已有结合小气候的街道研究[5]，应对气候变化的街道适应性规划研究还处于发展阶段[6]。为提升城市宜居品质，在城市街道开展热舒适研究可以为健康城市环境的街道规划设计提供基于热觉途径的理论指导，为整个城市室外活动空间的改善提供参考。

建筑学科的热环境是指与人们身体健康、工作效率直接有关的气候物理环境条件[7]，常以热辐射、空气温度、湿度、风速4个物理量来描述[8]。“热环境”和“小气候”都是描述人活动范围的，从热觉生理途径作用于人，影响人体冷热感觉的物理气候环境。小气候强调气候在小尺度范围的空间特征，热环境强调与人的关系是影响冷热感觉。城市街道小气候也是同时强调小尺度空间特征与影响人体冷热感觉的街道热环境。舒适性是人主观心理层面的感受，可通过视觉、听觉、嗅觉、触觉等多种感知通道获得。热舒适是指人由热觉途径感知，获得对热环境表示满意的主观反应[9]，是近30年来国内舒适感受研究的热点[10]。

关于热舒适的评价标准，现有研究总结了两类观点。一类是稳态热舒适，由建筑学科开展对室内热环境舒适感受评价获得，是指以人体热平衡为基础，以各种基于稳态传热模型的室内实验结果的热舒适预测模型为获得途径，如预测平均投票(predicted mean vote, PMV)[11]、生理等效温度(physiologically equivalent temperature, PET)[12]、标准有效温度(standard effective temperature, SET)[13]等只涉及热感觉指标，以人体热感觉中性即不冷不热为舒适标准[14]，是一个较为狭窄的舒适区。一类是动态热舒适，与稳态热舒适机理区别，动态热舒适描述具有动态机理的舒适感受。是各不同气候地基于实地调查研究的适应性热舒适，强调了不同地区人体对动态热物理环境的生理心理自我适应调节的主动性与动态变化性，使热舒适成为动态的系统过程，呈现出不同的适应性动态特征[14-15]。以季节或年为单位的长时间范围内，城市生活群体的热经历[16-17]、热期望[18-20]是影响动态热舒适的主要因素。短时间范围内，感知控制[21-22]可以影响小气候舒适性。如寒冷地区的哈尔滨冬季和夏季室外空间获得舒适感受时的热感觉分别为“微凉”和“微暧”，且不同季节热舒适受热感觉影响的敏感程度不同[23]。在夏热冬暧地区的广州的实地调查，验证了无论人体处于热平衡的热感觉中性状态还是热不平衡状态,人体都会产生舒适感受[24]。

创造稳态的热环境是室内热环境的常规设计目标[25]，但以中性的无差别无刺激的热环境为舒适标准，没有遵循人通过自然生存进化所形成的生理主动适应调节的特征，对人体健康不利[26]，也不利于舒适、健康的城市公共环境规划建设的目标实现。在越来越多的室内热环境设计以创造接近自然动态热环境的趋势下，本身就具有时空动态性的室外热环境，不宜以实现稳态热舒适作为气候适应性设计标准，有必要从利于健康的角度开展动态热舒适研究。

空间因子是在微观尺度对小气候[27]以及热舒适感受[10]产生影响的主要因素，在人活动范围的小气候尺度，街道中的风景园林要素及其组合结构特征，如植被覆盖、天空可视因子等会影响街道小气候发生相应规律的动态变化[10]。现以动态热舒适机理为指导，选择具有代表性的城市街道为研究对象，开展小气候实测、热舒适感受调查的实地实验，通过检验分析、对比分析、回归分析等方法探讨和验证城市街道动态热舒适的存在、基于稳态热舒适标准的热舒适预测模型的适用性，分析小尺度风景园林空间中的短期热经历对动态热舒适的影响机制，讨论城市街道动态热舒适的特点。为更加准确地认识街道热环境、增加室外空间使用、促进创造气候适应性的人居环境提供理论支撑。

1 研究方法

1.1 研究对象

黄金城道步行街位于上海市长宁区，于2009年建造完成，西起古北路，东到伊犁南路，长约700 m，宽约60 m，街道高宽比约1∶1，两侧建筑为底商加住宅的高层形式。虽然被银珠路和玛瑙路这两条支路穿越分成了3段，但整体景观层次丰富，使街道的通过性功能呈现空间的变化性。街道两侧临近建筑的步行空间与普通车行道路相似，以银杏作为行道树，其规格、形态统一，种植线型位置与两侧建筑保持了一致的距离，贯穿整个街道，形成了良好的景观延续性；街道中部通过设置形态各异、景观植物变化的多个绿地组团，既保证整体通过性功能不受影响，保持了动向的延续，又使街道空间出现丰富的变化层次，不仅有樱花、香樟、榉树、桂花等植物使四季有景可赏，高大的树冠高低错落地相连形成建筑与室外环境过渡的自然空间。街道所在社区居住着来自50多个国家和地区的居民，具有高使用率的街道公共空间是展现中国现代城市公共空间品质、人民生活幸福感的重要窗口，在社会上具有较高知名度。同时，步行街在城市线性空间中的功能活动类型最为丰富，可以排除机动车对热舒适感受调查的干扰。因此，选择黄金城道为研究对象具有典型性与参考性。

1.2 测试方案

1.2.1 测试布点

在开展街道小气候实测、热舒适实地调查时，不是以城市尺度的整条街道为对象来比较不同街道之间的气候差异对人的影响，而是在街道内部人活动的尺度，以街道中被风景园林要素分隔的、层次丰富的具体的小尺度风景园林空间单元为分析单位。并对街道中代表性的风景园林空间单元按顶面遮蔽程度进行空间分类，站在设计者角度，各类型不管使用者偏好或不偏好的空间都兼顾，同时考虑街道断面不同位置的原则，选择了12个空间单元为测点，架设仪器进行小气候定点实测。测点平面分布如图1所示，各测点空间形态基本情况如表1所示。

1.2.2 测试时间

实测日期、时间在经当地街道管理部门协商、许可后，在2018年7月13、14、15日进行了3 d实测，定点实测时间为7：00—19:00。测试日虹桥气象站的平均天气情况为：平均空气温度30 ℃，平均相对湿度69.7%，平均风速3.90 m/s。

1.2.3 小气候测试

在小气候热、湿、风要素中，选择与建筑学领域[8]描述热环境的物理气候要素一致的4个小气候要素：太阳辐射、空气温度、相对湿度、风速作为街道热舒适研究的热物理环境要素进行实测。使用Watchdog小型气象站2000系列，架设在测点距离地面1.5 m高度处进行连续定点实测，记录时间为间隔1 min自记1次。

图1 测点平面分布图Fig.1 Plane distribution map of measuring points

表1 各测点空间形态基本情况

1.2.4 热舒适感受问卷

问卷内容分为两个部分：一是包括性别、年龄、体重、身高、着装等基本信息；二是舒适性感受调查，包括热感觉投票与热舒适投票。热感觉表示人对周围环境冷热情况感受的主观评价结果。按照美国采暖、制冷与空调工程师学会(American society of heating, refrigerating and air-conditioning engineers，ASHRAE)规范中的7级标度(非常冷、冷、凉、不冷不热、暖、热、非常热，赋值-3～3)来进行热感觉投票 (thermal sensation vote，TSV)选择，热舒适(thermal comfort vote，TCV)采用 4级标度(极不舒适、不舒适、舒适、非常舒适，赋值-2～2)进行选择。舒适性感受调查沿设计的步行路线在每个测点短时停留3～5 min感受体验后进行问卷填写，以获取热感觉、热舒适在整个步行路线中如何变化及其如何受小气候条件和空间变化的影响。

1.2.5 热舒适评价指标选择

选择生理等效温度PET为热舒适评价指标。PET被定义为在某一室内外环境中，可以等效于人体在维持体内和体表温度达到人体热量平衡时相对应的典型室内环境中的空气温度[12]。PET值越高表示天气越热，仅能提供气候影响人体热状态的评价，常用于户外热舒适评价[28-29]。

2 结果与分析

2.1 沿步行路线各测点空间小气候实测结果

黄金城道夏季进行热舒适问卷调查时4个小气候要素的实测数值如表2所示。与虹桥气象站的测试日平均气象数值比较，各测点的平均空气温度比气象站平均空气温度高2.65 ℃，平均相对湿度比气象站低了21.53%，平均风速不到气象站平均风速的22%。量化了城市街道风景园林空间的小气候与城市气候的差异性。

表2 黄金城道夏季问卷调查时的小气候实测数值Table 2 Measured microclimate data during the summer questionnaire survey on Golden City Road

图2 步行路线各测点小气候均值Fig.2 Average value of microclimate at each measuring point of walking route

按设计的步行调查路线，计算的问卷调查时间范围内各测点小气候均值如图2所示。图2中各数值的变化波动性体现了街道风景园林空间单元的变化对小气候改变的重要性。如图2(a)所示，太阳辐射波动幅度最大，最小值为37.33 W/m2，在树荫全遮蔽的常绿桂花树下的8号测点，最大值为800.17 W/m2，在街道中部开敞区的9号测点。如图2(b)所示，步行路线各空间测点间的平均空气温度相差0.27～1.73 ℃，在开敞区较高，树荫全遮蔽区较低。空气温度最小值为31.43 ℃，位于树荫全遮蔽的落叶树榉树下的7号测点，最大值33.17 ℃，位于开敞区街道十字交叉口的6号测点，其中临近水边的树荫全遮蔽区香樟树下的12号测点空气温度并不是最低，说明静态水体面积较小，对相邻测点空气温度没有显著降低影响。如图2(c)所示，步行路线各空间测点间的平均相对湿度相差0.98%～9.5%，其中最大值为54.4%，位置与空气温度最小值测点一致，在树荫全遮蔽的7号测点,最小值为44.9%，与太阳辐射最大值测点一致，在开敞区9号测点，在水边的树荫全遮蔽的12号测点的相对湿度也较高，水体对相对湿度的影响比空气温度明显。如图2(d)所示，整个步行路线各空间测点的平均风速变化性明显，风速最大值为1.48 m/s，在街道中部开敞区的9号测点，最小值为0.37 m/s，与太阳辐射最小低测点一致，在树荫全遮蔽的8号测点。

2.2 各空间测点热舒适调查结果

热舒适感受问卷筛选的在上海生活超过一年的人群为调研对象，夏季共获得有效问卷540份。TSV调查结果如图3所示，其中热感觉为热(TSV=2)的比例最高，达到58.97%，热感觉为中性(TSV=0)的比例是15.1%。如图4所示，各测点TSV值在大于O的情况下波动变化，显示出“热”的不同程度变化，各测点平均热感觉投票值达到了1.42，介于暧和热之间。TCV调查结果如图5所示，舒适和较舒适的占比达到 55.95%。如图6所示，TCV数值随着步行路线的空间移动，在-1.5～1.0波动变化。对比图3～图6可知：在夏季热感觉高于中性的热不平衡状态下也能获得热舒适感受，验证了动态热舒适不是以达到热平衡为舒适标准。

图3 热感觉投票占比Fig.3 Thermal sensation voting ratio

图4 各测点热感觉投票Fig.4 Thermal sensation perception in space measuring points

图5 热舒适投票占比Fig.5 Thermal comfort voting ratio

图6 各测点热舒适投票Fig.6 Thermal comfort perception in space measuring points

2.3 各空间测点热舒适评价指标PET计算结果

将各测点实测的小气候数值带入计算机模拟RayMan软件，计算出各测点的PET数值，如图7所示，PET随着步行路线的空间移动，在28.57～48.87 ℃波动变化，各空间测点间PET相差范围为1.05～20.216 ℃。PET值的变化趋势呈现随着树荫顶面遮蔽程度越大值越小的变化规律，验证了街道空间的顶面遮蔽程度能对舒适性产生动态变化影响，且植物覆盖程度越高，影响越显著。

图7 各测点平均PET值Fig.7 Average PET value in space measuring points

2.4 各测点间小气候要素、热感觉、热舒适投票结果显著性分析

显著性检验常用于比较组间差异，以分析不同分组数据间是否有显著性差异，将各空间测点的小气候实测数据、热感觉与热舒适调查结果数据代入SPSS23.0软件进行正态分布检验后，数据都不符合正态分布，不适宜采用单因素方差分析进行显著性检验，再加上是多组比较，选用秩和检验的方法进行按空间类型分组的显著性检验。如表3所示，通过秩和检验，黄金城道夏季的相对湿度、风速、太阳辐射、热感觉(TSV)、热舒适(TCV)显著性值小于0.05，拒绝原假设，各空间测点间有显著性差异。明晰了在夏季高温环境下：空气温度的空间差异性不明显；虽然各测点风速远小于气象站平均风速，但依然是夏季街道各测点空间产生显著差异的重要小气候要素；植物覆盖程度高且空间层次多变性使得黄金城道夏季相对湿度也能呈现各空间显著差异；心理感受能在各空间变化中形成灵敏的感受差异。

表3 黄金城道夏季各空间测点小气候要素、热感觉、 热舒适显著性检验

图8 PET和TSV的空间变化Fig.8 Comparison of spatial changes between PET and TSV

3 讨论

3.1 PET和TSV的空间变化对比

因为稳态传热模型的舒适标准与热感觉相对应，所以将各测点PET均值与TSV均值进行空间变化对比，探讨黄金城道夏季实地热感觉的空间变化特点。

各测点的TSV分布于0.5～2.5，以0.5为变化单位将TSV设置了4个等级，同时将PET值也分为4个等级，各分级数值如图8所示。从图8可以看到PET和TSV沿步行路线的空间变化：两个评价指标的等级分布不完全一致；TSV和PET最高测点一致：在开敞区的9号以及十字交叉口的6号测点，PET值都高于48 ℃，也是TSV最高的空间；最低点不一致：PET最低点位于街道北侧树荫部分遮蔽的5号测点，而TSV最低的是街道南侧树荫全遮蔽的8号测点。

探讨PET和TSV等级分布不一致的原因：一方面，通过与小气候要素的相关性分析可知，影响PET和TSV的小气候要素有所区别，如表4所示。PET主要受热要素，即太阳辐射和空气温度影响，其中太阳辐射影响最为显著，而TSV主要受空气温度和相对湿度影响。一方面，在步行路线的空间变化中，即使短暂停留，人体热感觉也对有显著空间差异的小气候产生了灵敏、显著的动态响应。

表4 热感觉、生理等效温度与小气候要素相关性

通过对比可以发现短时间热感觉的空间变化特点如下。

(1)在都不是树荫全遮蔽的空间移动对比中，即热感觉差异不是最显著的情况下，短时间的热感觉会受到上一个空间热感觉滞后影响。从1号到2号测点的PET差值增幅达到了18 ℃，可是TSV增幅不大，只有0.2；从开敞的4号测点到树荫部分遮蔽的5号测点，PET值降低了两个层次，减少了16 ℃，可TSV减少了0.85，变化幅度只降低了一个层次；从树荫部分遮蔽区的10号测点移动到开敞区的11号测点，PET增加了6.3 ℃，可是TSV基本没有差异，增幅只有0.05。

(2)在热感觉会发生显著变化的开敞与全遮蔽对比的情况下，从树荫全遮蔽变化到开敞区的TSV变化幅度，略高于从开敞区变化到树荫全遮蔽，而PET从开敞到树荫全遮蔽的变化幅度略大于从树荫全遮蔽变化到开敞区，说明在短时间的热感觉动态变化中，对大幅度增热的感觉比减少更为敏感：从树荫全遮蔽的8号到开敞的9号测点，热感觉增加了1.51，从开敞的6号测点移动到树荫全遮蔽的7号测点，热感觉减少了1.1。

3.2 实地TCV和PET的相互关系

直接使用基于稳态传热模型的各热舒适评价指标的优点是计算方便，并可以对舒适性做出预判，给出预测值。基于实地调查的体现各地适应性动态特点的舒适性评价不能预测。根据适应性热舒适研究方法[30]，将稳态热舒适评价预测模型PET与基于实地调查的动态热舒适主观问卷结果进行关联，建立二者之间的回归方程，得到室外热舒适评价适应模型，作为当地热舒适范围计算的参考。

夏季街道各空间测点PET值都高于28 ℃，不管是采用PET官方舒适标准9～26 ℃[31]，还是中西欧学者提出的PET舒适标准18～23 ℃[32]，根据PET模型计算结果的各测点都不舒适，验证了PET基于热感觉中性的稳态舒适标准不能准确反映上海城市街道夏季的热舒适。

为了探讨PET模型热舒适范围的适应性，将受访者的热舒适投票TCV值与相应时点的PET值建立回归方程为

TCV=-0.050PET-1.555，

R2=0.506，P<0.001

(1)

通过式(1)可以计算出当TCV=0， 即人们开始有舒适感受时，黄金城道夏季的PET值为31.1 ℃。当TCV在-0.5～0.5时，计算出PET热舒适范围，夏季是21.1～41.1 ℃。这个适应性舒适范围比基于实地热感觉调查计算的上海城市广场夏季热中性舒适范围15.6～25.5 ℃[28]还要宽。可作为基于当地人群长期生理心理适应性的动态热舒适范围参考。

3.3 实地TCV和TSV的相关性

如图9所示，各测点的平均TSV和TCV值呈高度负相关，说明整体上夏季热舒适受瞬态热感觉影响，与热感觉呈显著反比关系。将每一级热感觉TSV与热舒适投票TCV平均值建立拟合方程为

TCV=1.086-0.677TSV，

R2=0.757,P<0.001

(2)

基于本次问卷调查结果计算，当TSV<1.60时，就能获得舒适感受。验证了即使在平均空气温度高于30 ℃的夏季室外热环境中，在热感觉偏离中性，且以暧到热为主的情况下，依然可以通过与变化的热感觉对比产生相对的、动态热舒适。且热舒适结果并不固定，对比图4、图6可以看出，热感觉变化差异越大，热舒适的变化也越大。

对比在上海南京东路夏季的热舒适实地调查结果[33]：南京东路夏季实地调查时的平均空气温度比黄金城道低1.16 ℃，平均相对湿度高9.78%，平均太阳辐射低148.12 W/m2。根据南京东路夏季TCV和TSV调查结果建立的拟合方程[33]，即

TCV=1.06-0.7TSV，

R2=0.746，P<0.001

(3)

根据式(3)计算可得，当TSV<1.51时，就能获得热舒适感受。通过对比，验证了动态热舒适的变化特点：夏季热环境条件相对越差，获得热舒适的热感觉值相对远离中性。

图9 TSV与TCV线性关系Fig.9 Linear relationship between TSV and TCV

4 结论

在城市热舒适研究中，发现稳态热舒适不能准确反映夏季室外活动空间的热舒适，为探寻城市街道小尺度风景园林空间的动态热舒适机制，以上海黄金城道步行街作为代表性街道，开展夏季小气候要素的物理实测、大众热舒适感受问卷调查、热舒适评价指标PET计算相结合的实地实验，通过对比、数理分析等研究方法，总结了街道小尺度风景园林空间、小气候要素与人体热舒适感受三者之间的密切关系，结论如下。

(1)验证了当人体热感觉中性不冷不热时，是符合人体内环境稳态，从而直接获得热舒适感受的一种途径。同时，在街道整体走向、建筑高宽比不变的情况下，被风景园林要素分隔的街道小尺度空间中，还存在一开始不符合人体内环境稳态，但通过动态生理调节及动态心理调适，与之前空间环境的热感觉对比有改善，就可以获得舒适感受的另一种途径。

(2)影响PET的主要小气候要素是太阳辐射和空气温度，而影响夏季黄金城道TSV和TCV的主要小气候要素是空气温度和相对湿度。稳态的PET热中性舒适标准不能准确反映街道在热感觉偏离中性还能获得舒适感受的结果，在使用PET进行热舒适评价时，需要建立PET模型和实地热舒适调查结果关联的热舒适评价适应模型。

(3)短期的热经历体验可以影响参与者的热感觉。虽然在步行路线变化中，每个测点短期热体验的时间只有3～5 min，但会通过随空间变化与之前的热感觉进行不自觉的对比而形成对新环境的热感觉评价，热感觉有随空间变化而出现相应变化的动态性，从而影响热舒适产生相应变化。

(4)短时热感觉在步行移动随空间变化的过程中，可能出现受之前热感觉滞后的影响，体现出对变化的环境条件的适应；短时热感觉从全遮荫变化到开敞区显著增加比减少更加敏感，体现了对变化的环境条件忍受的程度差异。验证了上海城市街道夏季动态热舒适的变化特点：横向上随空间变化与热感觉对比产生；纵向上舒适范围比稳态热舒适标准更宽；夏季热环境相对越差，获得热舒适的热感觉越远离中性，体现出感知控制对夏季恶劣热环境的容忍性。研究成果可以为未来的城市健康设计提供基于动态热舒适的理论支撑与参考。