天津原租界街区夏季室外热舒适研究*

2021-12-17保娟娟张安晓

南方建筑 2021年5期

保娟娟，黄琼，张安晓，张颀

引言

人口的增长和城市区域的逐渐扩大导致城市热环境问题日益显著[1]。同时，夏季室外过热会导致热应激及与热相关的疾病[2]。基于城市可持续发展的需求，我国提出城市设计应注重向绿色生态设计范式转型[3]。此外，室外的热舒适性对城市可持续发展及吸引更多人到室外活动有显著影响[4]。天津原租界多为重要旅游景点，具有夏季人流量大、行人停留时间长和行人活动频繁等特点，其室外热环境问题不容忽视，亟需围绕租界街区的热环境现状及设计因子对热舒适的影响展开针对性研究。

近几年来，国内外学者从多方面对城市形态与热舒适进行研究（表1）。Mohammad Taleghani 等人[5]发现，在荷兰的温带气候条件下，受城市形态影响，太阳直射时间和平均辐射温度对热舒适性的影响最大，因此院落式布局最佳。Lai等人[6]将SVF 和街道高宽比等复杂空间的量化参数引入热辐射温度的研究中，发现在湿热地区，如果空间的直射光已被城市形态阻挡，空间SVF 越大热环境越好。Mohammad Wasim Yahia 等人[7]借助ENVI-met 软件模拟，发现湿热地区的绿化率、建筑覆盖率和建筑容积率与PET 呈线性关系，但并未深入探讨对应的适宜区间及对设计的指导作用。国内的既往研究则主要关注景观和下垫面材质的影响。陈卓伦[8]对广州市的住宅区进行实地调查，定量分析景观设计因素对热环境的影响，并提出了改善策略。Pingying Lin 等人[9]发现公园的面积、建筑密度和容积率会对热环境产生影响。王艺等人[10]通过实测发现热环境与周围材质和建筑类型有关。上述研究关于街区设计因子多样性对热舒适的提升潜力挖掘有限，同时缺少从设计师角度提出在地性的设计因子适用范围。

表1 文献梳理

从气候区来看，国外的研究多为热带地区[11，12]、温暖潮湿地区[7，13]和半干旱地区[14，15]，国内的研究则多为夏热冬暖地区[9，16]和夏热冬冷地区[17-19]。既往研究不适用于其他气候区，且缺乏对寒冷地区的历史街区微气候影响因子的定量研究[20]。既往研究不适用于其他气候区，且缺乏对寒冷地区的历史街区微气候影响因子的定量研究。同时，既往的研究对象多为现代商业区[10，11]、高层居住区[7，15]和现代高校[21，22]，对人们日间活动较多的历史街区的室外环境的关注较少。天津原租界区是1860～1945年间，9 个国家通过签订协议相继在天津老城的东南海和海河两岸建设的租借地[24]，目前多为天津的重要景点。原租界内建筑低矮、建筑密度小，绿化率因建设初期设计概念影响差异较大。气象条件是影响旅游业的主要自然因素[25，26]之一，综合提升旅游景点的物理热环境和热舒适对增加旅客量起到关键作用[27]。因此，如果能引起对天津原租界的室外热环境的关注，提供对应改善策略，将有利于景点未来的经济发展和游客的健康。量化分析设计因子对热环境的影响，依据现状提出设计因子参数范围，能为设计师未来设计类似形态街区提供理论依据。

基于以上，本研究通过测量天津现存较好的原租界街区的室外热环境，探索在天津气候条件下5 种原租界街区的热环境差异及其设计因子对室外热舒适造成的影响。系统的从街区规划到建筑、街道及景观的细节设计等多方面，量化分析街区设计因子与热舒适之间的关系。本研究弥补了对租界街区热环境关注的不足，并依据现状分析结果，对现有租界街区提出改善策略。本研究从热舒适的角度，更精确地提出了未来类似街区设计相关规划指标数据的范围，以期对天津现有租界改造及类似的建筑低矮的街区设计和热环境改善提供一些理论依据及实践指导。

1 研究背景及技术方法

1.1 天津气候

夏季的天津为湿热大陆气候[28]，普遍具有高温高湿、日照时数长、太阳辐射大和风速相对较小的特点。7 月份天津的温度最高，历史最高气温达41.60 ℃。此外，近100 年天津的平均气温呈显著上升趋势[29]，40 年来天津气候显著变暖，增暖速率达到0.40 ℃/10 年[30]。

1.2 测试对象选择

在选取测试对象（图1）时，综合考虑了街区的容积率、建筑密度、绿化率、街道百分比、街道朝向和街巷宽高比等街区特征因素。原租界的形态特征如图2 所示。原日本租界（日区）采用棋盘式结构的城市规划手法，整体呈规则整齐的肌理形态，街道尺度怡人。原意大利租界（意区）中街道被规划为网状，街道宽敞，建筑平面凹凸变化。原法国租界（法区）的整体规划布局采用欧洲传统古典主义手法，轴线和街心公园作为重要的景观节点。其街道宽敞，建筑体量大。原奥匈帝国租界（奥区）毗邻海河，建筑布局形式多样。原英国租界（英区）的规划注重城市的花园和公园的设计。其街道宽敞，建筑低矮，街区建筑密度小。各原租界街区的基本信息见表2。测点布置平面见图2，测点布置原则为测点尽量分布在不同等级的街道中心且受遮蔽情况近似，此外，还应充分体现各原租界街区的空间特征。仅法区和奥区的局部空间临水，各区下垫面多为地砖，各区的SVF 在0～0.9 之间。街道百分比是指区域范围内街道面积所占区域总面积的比例；SVF 为从表面上的一个点可以看到天空所占视角的比例。

图1 所选原租界街区分布图及气象站位置

图2a 日区测点布置平面及典型街道剖面，图2b 意区测点布置平面及典型街道剖面，图2c 法区测点布置平面及典型街道剖面，图2d 奥区测点布置平面及典型街道剖面，图2e 英区测点布置平面及典型街道剖面

表2 原租界街区基本信息

图3a 5 个区的空气温度箱线图，图3b 5 个区与气象站空气温度差值箱线图

1.3 测试方案

首先，通过实地测量获取相关物理量数据，然后运用被广泛使用的PET[31]热环境评价标准分析各原租界的热舒适现状。德国的安德里亚斯教授(Andreas Matzarakis)的团队[32]研发了RayMan 软件，该软件能依据气象数据及多种环境因素科学计算PET。依据现场热舒适问卷结果，输入相关人体参数进行计算，具体参数见表3。

表3 输入软件的人体参数

仪器均放置在1.50 m 高度处，设备相关参数及用法见表4。7 月是天津平均气温最高的时候，故此次测试在2019.06.29～2019.07.03 的09:00～17:00 进行。测试期间天晴晴朗，基本无云，空气温度范围为28.00～36.00℃（表5）。同时，依据各原租界历史街区及下垫面情况，以50＊50 m 的方形区域作为环境要素统计范围（图3）。Pingying Lin[9]的研究选取公园外的测点作为参照点，减少因测量日期不一致对天气变化造成的影响。故选择位于研究区域附近的气象站作为对比对象（图1），其编号为54527，数据来源为中国气象数据网[33]。为表达更简洁明确，本研究中用德尔塔(△)表示各区测点与气象站的热环境和热舒适数据差。其中，ΔTa=Ta（测点）-Ta（当日气象站），ΔRH=RH（测点）-RH（当日气象站），ΔPET=PET（测点）-PET（当日气象站）。

表4 测量设备及其相关信息

表5 测量日期及天气情况

2 测量结果与热舒适度评价

2.1 空气温度

测试期间，被测各区的室外空气温度在28.48～37.11℃之间（图4a），稍高于气象站的范围28.00～36.00 ℃。此外，不同原租界的空气温度存在较大差异，且标准差都较大（表6）。意区的自身气温差最大，且其标准差较大；法区的自身气温差最小，且其标准差较小。

表6 不同区的空气温度标准差及自身最大差

图4a 五个区的相对湿度箱线图，图4b 五个区与气象站相对湿度差值箱线图

被测各区与气象站的最大同时气温差出现在13:30～15:00，太阳辐射对各区的气温产生了一定的影响，但有一定的滞后性。不同区与气象站的空气温度差在0.55～2.38 ℃间（图4b），意区平均气温差最大，达2.38℃；日区和英区平均气温差分别为0.55 ℃和0.86 ℃，均小于1.00 ℃。

2.2 相对湿度

5 个区的相对湿度在25.21 %～59.10 %之间波动（图5a），略大于气象站的范围21.00 %～58.00 %。不同区的相对湿度也存在较大差异（表7）。大部分原租界街区内相对湿度低于气象站（5b）。与气象站相对湿度相比，英区增加2.39 %，意区降低12.10 %。此外，每个测点均呈现随空气温度上升，相对湿度数下降的关系。

表7 五个区的相对湿度和标准差

图5a 五个区的瞬时风速箱线图，图5b 五个区与气象站瞬时风速差值箱线图

2.3 瞬时风速

风速几乎不因时间的变化而变化。建筑密度适中和绿化率较小的法区的平均风速最大，达1.23 m/s；容积率低、街道高宽比小和绿化率高的英区的平均风速最小，仅0.50 m/s（图6a）。从各区与气象站平均瞬时风速差（图6b）可以看出，建筑密度小和街道高宽比小的英区对风的阻碍作用最小，建筑密度大且街道窄的日区对风的阻碍作用最大。

图6a 五个区的PET 箱线图，图6b 五个区的PET 变化曲线，图6c 五个区的△PET 差值箱线图

2.4 热舒适评价

5 个区的PET 范围在37.10～51.10 ℃之间（图7a），依据Lai 等人[34]为天津建立的PET 热舒适范围（表8），人体感知为“热”或“非常热”。气象站PET 范围为29.10～51.50 ℃，人体感知在“暖”、“热”和“非常热”之间。与气象站相比，日、意和英区的PET 仅高3.00 ℃左右，奥和法区PET 高5.00～8.00 ℃。各区PET 变化曲线趋势类似，09:00～12:00 时段内PET 上升，14:00 以后PET 值下降，且均在12:00～14:00 时段内达日最大PET。说明太阳辐射对PET 产生了一定的影响（图7b）。

表8 天津PET 热感知区域[34]

绿化率大的英区的△PET 仅1.18 ℃，绿化率极低的奥区的△PET 达8.46 ℃（图7c），二者最大同时△PET 达13.00 ℃。日区的绿化率略高于意区，其平均△PET 比意区低0.50 ℃，二者最大同时差值达9.80 ℃。说明，多绿化有利于降低PET。奥区与法区均临水，两区△PET 未显著低于其他区，但水源对风速及相对湿度产生了较显著的影响。法区因为街区旁高层建筑的影响，造成其所受太阳直射较少和△PET 值较小的现象。英区的设计比其他区的设计更适应天津夏季的气候。

图7 绿化率与△PET 的散点图及回归直线

2.5 热环境与热舒适

将各个测点不同时刻的热环境数据与对应的PET 数据进行统计分析，每种数据1071 个。从表9 可知，PET和空气温度显著正相关，PET 和相对湿度显著负相关，PET 和瞬时风速显著负相关。热环境数据中（表10），相对湿度和空气温度显著负相关。在天津的气候条件下，当气温降低时相对湿度上升，PET 下降。此结果与夏季高温多雨的南京的PET 与相对湿度呈正相关的结果存在差异[35]。有研究表明，当相对湿度在45 %～55 %之间，人的感受是最好的[36]，而天津夏季相对湿度多在25%～45 %之间。此外，从相关系数看，在本研究中相对湿度对热感觉的影响不如温度显著。

表9 热环境与热舒适相关性分析

表10 热环境各物理量关系

3 设计因子与热舒适度分析

3.1 规划指标

△PET 与绿化率之间显著负相关（表11、12）。公式表明，当绿化率在40 %内，绿化率每增加10 %，则PET 值降低1.30 ℃（图8）。此结论与天津高校中每增加绿化率10 %，温度降低0.37 ℃[37]类似，但绿化率对PET的影响比气温更显著。同理，街道百分比每增加10 %，PET 增加1.15 ℃（图9 和表13）。

表11 规划指标与热舒适之间的相关性分析

表12 绿化率与ΔPET 回归分析结果

表13 街道百分比与ΔPET 回归分析结果

图8 街道百分比与△PET 的散点图及回归直线

图9a 意区的SVF 与△PET 散点图及回归直线，图9b英区SVF 与△PET 散点图及回归直线

3.2 空间形态

3.2.1 天空视域因子（SVF）

△PET 和SVF 显著相关（表14），但所有数据不能较好表达二者的线性关系。因日、意和英区的SVF 值在0.0～0.90 之间，而其余街区的SVF 多集中在0.3～0.5 间，过小的SVF 范围造成了二者不能呈现显著的线性关系。在意区和英区内（表15、16，图10），SVF 每增加0.1，PET 增加1.26 ℃左右。此结论与Chen 在香港的研究的结论中SVF 与PET 存在线性关系[38]一致。但与熊秀[39]得出在SVF 在0.1～0.7 间，SVF 每增加0.1，PET 仅上升0.19 ℃的结果差异较大。考虑是因广州和天津的太阳辐射量及日照时长的差异造成的。当SVF 值越大则其所在环境的PET 越大，即紧凑、密集的街区设计中建筑和植物的遮挡减少了太阳直射的时间，也减少了地面辐射。这一现象在开阔的空间则相反。

图10 不同朝向街道PET 对比

表14 SVF 和街道高宽比与热舒适相关性分析

表16 英区不同测点SVF 与ΔPET 回归分析结果

3.2.2 街道朝向

如图11 和表17 所示，街道的平均△PET 北偏西朝向比北偏东高0.30～1.90 ℃，且波动幅度大0.70～5.20 ℃。在本研究中，NE49°朝向的街道的平均△PET 最低，热环境最好。Andreou, E[40]的研究表明，气温方面南北朝向街道比东西朝向低。此外，街道与当地主要风向形成45°夹角能使街道获得最佳的通风效果[41]。街道朝向的选择需结合当地主导风向、太阳高度角和太阳辐射情况等因素进行考虑。

图11 不同高宽比与△PET 散点图及回归直线

表17 不同朝向测点△PET

3.2.3 街道高宽比

△PET 与街道高宽比显著正相关（表14）。高宽比在0.37～4.76 间，高宽比小的测点△PET 比高宽比大的高0.78～5.13 ℃（表18），且高宽比小的街道PET 波动更大。高宽比每增加0.10，则PET 降低0.15 ℃（表19和图12）。此结论与刘滨谊[42]和杜晓寒[43]的研究结果类似，但因气候环境不同导致高宽比对PET 的影响存在差异。

图12 不同遮蔽情况下测点PET

表18 不同高宽比测点△PET

3.3 细节设计

3.3.1 植物类型

在天津，当周围建筑低矮时利用植被为城市室外空间创造阴影从而降低室外环境温度是有效的策略。如：建筑高度近似的意区因植物比英区和日区少，其平均△PET 比英区和日区高0.50～3.95 ℃。5 个街区内，有无植物遮蔽的测点间最大同时差达11.40 ℃。日区中（图13），阳光直射下(A6)与植物遮蔽下(A2)的测点平均PET 差达8.40 ℃，最大同时差达11.40 ℃。植物的遮挡让人的感受从“极端热”变为“可接受热”。英区中阳光下(A8)与植物遮蔽下(A4)的测点平均PET 差达4.54℃，最高同时差仅9.80 ℃。由于英区内植物的树冠较小或被修剪至仅剩主干，其叶片覆盖范围小，导致其降低PET 的效果不如日区内树木。此结论中植物对热舒适的影响与Alexandri 和Jones[44]以及Johansson 等人[45]的研究一致。此外，Shashua Bar[46]的结论是与树木相比，草对热环境的改善甚微，因树木限制了直射和反射的太阳辐射量。因此，植物的种类需要针对天津的气候选择，且尽量种植冠大叶茂的树木。

图13 柱廊空间热成像图

3.3.2 柱廊空间

于11:00～12:00 和14:00～15:00 对街区的外表面温度进行拍摄。法区内柱廊空间气温比外部街道温度低13.00～24.70 ℃（图14）。柱廊式步行街比普通步行街的热环境更好，人行通廊的设计有利于降低阴影区域的空气温度提供更舒适的热环境。结合建筑设计风格的同时适当设计柱廊空间在炎热的夏季能为路人提供舒适的乘凉场所的同时降低建筑室内能耗。

图14 建筑凹凸及细节热成像图

3.3.3 建筑遮阳构建

图15a A3 测点照片,图15b A8测点照片

图16a 意区增加绿化率示意图,图16b 奥区增加绿化率示意图

建筑平面凹凸变化也能降低温度，如：法区内B1 附近建筑局部空间的凹凸形成的遮阳空间的气温比地面气温低13.30～29.70 ℃（图15）。建筑单体设计中屋顶、檐口和窗户的突出形成的遮阳空间的气温比街道表面低33.40～44.10 ℃，这类设计能大幅度降低其遮蔽空间的气温。北方建筑中多缺少水平遮阳，可在不影响建筑外界面的情况下适当增加水平遮阳，达到降低气温和减少PET 的目的。

3.3.4 水景观

意区中A3 和A8 均为宽阔广场上的测点（图16）。A8 比A3 平均气温高0.14 ℃，平均相对湿度低8.40 %，平均风速大0.17 m/s，平均PET 低0.36 ℃。小型水景观虽然不能达到显著的降温效果，但能通过水的流动带动周边空气的运动从而适当增加风速，从而适当改善热环境。

4 环境改善策略

4.1 气象要素

气温方面，意区的增量最大，但意区内多为历史保护建筑，街道及建筑无法改变。可以在条件允许范围内尽可能增加街区内乔木植物，或在街区内设计带遮阳的休憩空间。遮阳能减少太阳直射，降低地面气温，从而改善阴影空间下的热舒适。相对湿度方面，意区的减少量最大，可通过增加植物和水景观的方式来缓解湿度降低过大的问题。风速方面，日区的减少量最大。可适当修剪乔木形状或减少区域内建筑的数量，以削弱其对风的阻碍作用。

4.2 规划设计

本研究未发现街区内建筑密度和容积率与热舒适有显著关系，故从绿化率和街道百分比两方面提出相关设计改善策略。绿化率方面，意区中可在西侧的一级和二级道路上多种植灌木（图17a）。绿化率可增加5 %，理论上PET 可降低0.65 ℃。奥区中绿化率可增加9.5 %（图17b），PET 可降低1.24 ℃。未来类似街区设计，根据从“暖”至“热”的增量关系，将PET 增长5℃作为评判标准。未来类似街区中，绿化率应尽量大于20 %，当满足大于50.5 %时，其街区内的热环境热较好。街区内硬质街道百分比应尽量小于43.6 %，在30 %左右时能提供良好的热环境，同时也能满足交通需求。

图17 A2 测点建筑高度改变

4.3 空间形态

因原租界街区内历史保护建筑较多，街区改造可变性较小，故选取历史建筑较少且改善需求大的日区作为研究对象。日区中A4 存在的问题为高宽比仅0.33，可增加两侧建筑高度至8m（图19），其SVF 对空间热环境的改善远大于街道高宽比带来的变化，平均PET 比原来低2.94 ℃，此类空间热环境提升困难较小。街道朝向方面，夏季时东西朝向街道受阳光直射的时间更长，应减少东西朝向街道设计。风场环境也会对热舒适度产生影响[47]，建议街区内街道与主导风向平行或夹角小于30°[48]。在不影响周边街区的情况下，日区街道朝向可由NE56°变为NE49°，可降低PET 约2.83 ℃。日区中A2 测点平均PET 为41.92 ℃，高宽比为0.79，SVF 仅0.008，两侧建筑高度变化对此影响极小。街道右侧建筑高可增加至11m，高宽比为1.1，PET 降低0.45 ℃（图18），此类空间热环境提升困难较大。

图18 A4 测点建筑高度和SVF改变

图19 街区内植物类型

基于以上研究，在天津未来类似街区设计时，空间SVF 值小于0.397 时，其热环境更舒适；街道朝向方面，在北偏东49°至56°间更佳；街道高宽比应大于0.624，结合芦原义信[49]和方智果[50]从视觉及心理学方面的研究，建议不超过1.1。

4.4 细部设计

意区和奥区的绿化率较低，可多种植乔木以改善环境。但乔木的树形也存在较大差异（图20），应尽量选择树冠较大的，从而为其周围空间提供更多遮阳。同时，丰富的植物配置不仅能给人带来视觉上愉悦也能改善行人的热环境。

在建筑改造方面，如：奥区可根据建筑外观设计需求适当增加建筑遮阳构建，从而为街道空间提供更多的阴影空间（图21）。英区中必须设计开阔的广场空间时，亦可考虑设计小型喷泉或遮阳构筑物（图22）以达到改善附近空间的热舒适的目的。日区的静园景点的建筑外立面需保持原有风貌，可通过在局部围墙空间增加立体绿化的方式降低墙面温度[51]（图23）。此外，在现存道路形态较难改变的情况下，可将局部硬质路面变为植物与砌砖结合的形式来而减少硬质路面的百分比，达到改善热环境的目的。