澳门历史街区议事厅前地夏季热舒适度模拟及提升策略*

智 颖 况 达

1 澳门城市大学创新设计学院 澳门 999078

2 深圳大学建筑与城市规划学院 广东深圳 518060

城市绿色基础设施(Urban Green Infrastructure，UGI)建设是微观气候调节的重要策略[1]，可以有效应对城市的可持续性挑战[2]，缓解城市热岛效应和气候变化引起的城市热应激[3]。在湿热地区，室外景观设施产生的阴影区域可以改善室外人体热舒适度，影响人们在景观区域的出勤率。尤其在微环境下UGI提供湿热冷却和额外的遮阳作用，可以使行人平均辐射温度降低达5℃，形成局地“绿洲效应”[4]，进而缓解因建筑密度增加而引起的城市热岛效应[5]。热舒适度是考虑局部微环境品质的重要指标，指人体对热环境满意的心理状态。在热舒适度与UGI探讨中，现有研究主要围绕植被种类及数量[6-7]、植被与建筑的组合形式[8]、绿色空间结构[9]等多个方面开展，以确定用于冷却的UGI的优先级和选择[4，10]。然而，鲜少研究探讨湿热地区植被种类与基础设施的协同作用，以及可产生的最大热效益。

尽管增加绿色覆盖率可以缓解城市热岛效应，但UGI的增加与生理温度减少的幅度并不直接对应，将绿色设施战略性地放置在受热区域比高比例的绿色覆盖更有效[3]，因此，需要结合区域特性，针对性设置局地低舒适区用于冷却的UGI模式。《澳门环境保护规划(2021—2025)》倡导未来5年开展多样绿化，针对性加入更多绿色建筑元素，运用UGI提升城市局地热舒适。澳门特别行政区(以下称澳门)议事厅前地的建筑及重点设施代表澳门发展的历史缩影，是城市文脉的重要组成部分。鉴于其独特的文化价值，议事厅前地热舒适的提升不能通过拆除重建完成，需以维稳性的局部调整为主[11]。因此，本研究拟在不拆除破坏原有建筑及人文设施的前提下，参考小尺度区域数值模拟方法分析场地内通过型与停留型的空间热舒适度[12-14]，并根据结果提出规划改善低舒适区微环境策略，为湿热地区的历史街区热舒适提升提供借鉴。

1 研究方法

1.1 研究区域概况

澳门为热带季风气候区，一年中有7个月月均温在22℃以上，尤其在夏季7月温度高达30～35.8℃。作为中国南海岸典型的湿热地区高密度城市，澳门密集的建筑形态压缩了城市的室外公共空间，进一步降低了环境热舒适性。

议事厅前地位于澳门特别行政区大堂区，隶属澳门世界文化遗产历史街区，占地面积约3 700 m2，是澳门最具代表性的城市公共空间节点及城市政治中心。议事厅前地整个场地呈狭长的三角形，场地内共有3个停留型休息空间、2个通过型空间，内部包含树木6棵，其中4棵位于场地东南角及入口处，2棵位于场地最北端(表1)。整个街区密布19世纪末20世纪初新古典主义、西方古典主义特色的历史建筑，楼层在2～5层不等，建筑密度高达75.8%，容积率达到6.40%[13。议事厅前地日常承载着密集的人流疏散压力，人口密度高达57.4千人·km-2。持续的高温、极高的建筑及人口密度加剧了城市热岛效应。

表1 议事厅前地树木统计

1.2 热舒适评价指标

采用适用于室外热环境系统的MRT-SET*指标作为热舒适评价指标。平均辐射温度(MRT)是室外热环境评估通用的指标[16]，可反映直接日射、全天空漫射、短波漫射、大气反射等指标，通常适合作为户外热环境控制的参数。平均辐射温度(MRT)采用黑球温度(Tg)换算，公式如下:

式(1)中:MRT为平均辐射温度(℃)；Ta指空气温度(℃)；Tg指黑球温度(℃)；V为风速(m·s-1)。

SET*作为室外常用热舒适评价方法，是American Society of Heating，Refrigerating and Air-Conditioning Engineers(ASHRAE)综合人体对室外温热环境反应的6项指标，即温度、相对湿度、平均辐射温度(MRT)、风速、人体活动及衣着，以及产生的新标准有效温度。SET*采用「ASHRAE SET for Windows Program」计算得出[17]，输出的SET*范围可清晰地反映室外人体舒适程度。

1.3 CFD模拟方法

1.3.1 模拟工具

风热环境模拟采用WindPerfectDX软件，该软件支持室内外风环境分析、热辐射模拟，且模拟结果呈现方式清晰多样，能够满足城市规划中不同建筑高度、建筑朝向、代表性气候等条件下可执行的室外风环境、城市热岛模拟、SET*、植栽配置、风压模拟、湿度模拟等功能。

1.3.2 数据来源及处理

取澳门夏季炎热季节温度最高的7月进行数据收集，模拟阶段的气象数据来源于澳门地球物理暨气象局2019—2021年气象资料统计(表2)。实地调研显示，议事厅前地游客人数在下午15∶00—18∶00最多。由7月日均温度变化可知，12∶00—15∶00气温迅速攀升，15∶00—18∶00气温逐步下降，因此结合气候温度、人流量数据，将模拟时间选取为2022年7月1日—7月31日12∶00—18∶00，以天为单位每次模拟间隔1 h共模拟7次。

表2 澳门议事厅前地6—8月气象数据统计

将上述气象数据导入WindPerfectDX软件中生成可视化彩图，得出风环境分析图及累计日照时长、MRT、SET*分析图。

1.3.3 模拟过程

议事厅前地入口东西开敞区最长距离45 m，南北纵深140 m，考虑周边建筑物对模拟区域的影响，于前期模型制作阶段，将建模范围向四周扩展约100 m，并对场地内建筑、绿化进行简化处理，将建筑和绿植分别用形态相仿的四方体和球体代替。

区域内共设有5个模拟点。根据不同模拟点空间人流的行为特性，将模拟点空间划分为停留型及通过型两类空间。停留型空间模拟点包括广场入口处与玫瑰堂中间区域L1、区域中部商业门店前L2、板樟堂前地与议事厅前地交接处L3；通过型空间模拟点包括临近新马路的开敞广场入口处L4、靠近板樟堂前地狭窄处L5(图1)。

图1 议事厅前地及周边建模范围

运用WindperfectDX风环境解析模块对场地内风环境进行分析，模拟参数设置为:全体领域内x-800，y-800，z-17(m)，焦点领域内网格边长2 m，在x、y、z方向上的数量分别为375、400、10。风参数设定值为:澳门7月的平均风速2.5 m·s-1，主导风向SSE，地况C的地况粗度即为有密集建筑群的城市市区。使用WindperfectDX内日照解析模块对场地内太阳辐射进行分析，太阳辐射的模拟范围与风环境相同，日照参数设定值为:澳门经度113.33，纬度22.13，模拟日期为7月1日—7月30日、模拟时长为12∶00—18∶00，通过软件运算得出区域范围内累计日照时长。

参考公式(1)，在CFD风环境模拟结果基础上，于MRT评价模块输入议事厅前地的太阳角度和经纬度数据，以及温度、湿度自定义参数值，分别求得澳门7月12日12∶00、15∶00、18∶00 MRT分布。然后利用ASHARE数据库软件，推算7月12日12∶00、15∶00、18∶00议事厅前地各模拟点不同风速、不同MRT值所影响的人体热舒适SET*值，其中温度、湿度、风速资料采用澳门7月12日15∶00温度29.5℃、湿度78%、风速2.22 m·s-1；人体新陈代谢率采步行时的代谢当量2.0METs为输入值[18]；衣着采用湿热地区居民夏季衣服绝缘值平均0.5 clo[19]。

2 结果与分析

2.1 风环境分析

在实测结论中，当5 m·s-1＞室外风速＞1 m·s-1时，人体感最为舒适；而室外风速＞5 m·s-1时，则不利于行人室外活动[20]。本研究发现，在夏季高温天气下，不同的空间类型及街道高宽比造成了不同风速区间的室外通风，影响着人们的室外热舒适度(图2)。

图2 议事厅前地夏季7月风环境

通过型空间中(图2、表3)，L4、L5模拟点位于整个街区动态行走的中轴线上；南部广场入口处的L4模拟点为研究区域内街道高宽比的最低值(0.27)，平坦开敞模拟风速最高；而北部处于狭窄街道的L5模拟点，密集的建筑群使街道高宽比达到1.1，为研究区域内街道高宽比的最高值，夏季几乎无风，结合该空间内人体动态行走下的高代谢量，其风环境舒适度为所有模拟点内的最低值。因此在通过型空间中，街道高宽比值增加，风环境舒适度降低。

停留型空间中(图2、表3)，L1、L3模拟点分别位于玫瑰堂与仁慈堂、板樟堂与商铺之间形成的闭合型区域，建筑的围合减缓了风速流动，所以即使其所在街道高宽比值较低，但风速仍然缓慢，静态下人体感觉闷热；而商铺前的L2模拟点与广场相接，区域开敞无建筑围合，虽然街道高宽比高于L1、L3，但风速也比L1、L3高，处于理想的风速区间，体感舒适。因此在停留型空间中，闭合型及开敞型的空间类型对于风环境的影响大于街道高宽比值对风环境的影响。

总体而言，议事厅前地L2、L4模拟点夏季风速≥1 m·s-1，风环境舒适度较高，L1、L3、L5模拟点夏季风速＜1 m·s-1，风环境的舒适度低下。

2.2 太阳辐射分析

由图3～4和表4可知，不同的街道高宽比产生了不同风速区间的室外热辐射。

图4 7月12∶00—18∶00平均累计日照时长

表4 澳门议事厅前地7月热辐射模拟数据分析

停留型空间中，L1街道高宽比为所有模拟点最低值，12∶00—16∶00太阳直射无阴影，17∶00建筑物阴影才投射至模拟点。相较于L1、L2、L3街道高宽比值较高，提前在15∶00阴影完全覆盖模拟点，总体平均日照时长低于L1。同时，同在闭合型空间的L1、L3模拟点，L3的街道高宽比大于L1，但其平均日照时长低于L1；开敞型空间内L2与闭合型空间内L3模拟点，L2的街道高宽比大于L3，但其平均日照时长低于L3。因此在停留型空间中，建筑的闭合型及开敞型的空间类型对于平均日照时长无直接影响，街道高宽比值越大，平均日照时长越低，热辐射舒适度越高。

通过型空间中，L4、L5在12∶00—14∶00、17∶00—18∶00太阳辐射状况相同，阴影率均分别为0%及100%。L4在15∶00—16∶00，由于街道断面高宽比较低，阴影未完全覆盖模拟点；而L5具备较高的街道高宽比，从15∶00阴影开始覆盖模拟点，故其平均日照时长低于L4。因此在通过型空间中，街道高宽比与热辐射舒适度呈正相关性。

2.3 热舒适分析

12∶00的太阳垂直直射，各模拟点热辐射值均达到峰值，室外地区只有在建筑边沿有屋檐遮蔽地区的SET*值较低，即热舒适度相比较高(图5)。位于闭合角落的L1、L5由于通风不畅，风速趋于0 m·s-1，此时热舒适度最低。

15∶00时除L2外，其他模拟点热舒适度不佳。这主要是由于12∶00后太阳直射角向西偏移，光线落在了高度较低的西侧建筑上，导致其阴影区不能覆盖到除L2外的各模拟点，而L2局部小范围的建筑阴影覆盖以及面向广场良好的通风，使此时该模拟点热舒适度最高。阴影区域外的L1、L5仍处于太阳直射，同时风环境最差，所以两模拟点此时显示出热辐射较高且通风不畅的低舒适状态(图5)。

18∶00的太阳直射角已逐渐趋于0度角，累计日照时长也趋于0h，此时刻的室外通风状况良好，热舒适值整体处于适中良好状态(图5)。

综上，通过选取典型日期内的3个时间点进行SET*热舒适分析，综合得出停留区内L1模拟点及通过区内L5模拟点SET*值最高，即热舒适度最低。

3 微更新设计策略

3.1 地点选择及微更新原则

在综合考虑基于模拟数据后，本研究以空间类型及热舒适度作为划分标准，分别选取热舒适度最低的停留型空间L1区域和通过型空间L5区域展开微更新。

议事厅前地作为构成城市文脉的重要组成部分，也是重要的世界文化遗产历史街区，不能通过传统拆除及改造建成环境的方式营造阴影及良好的通风环境。基于绿色的解决方案是在有限空间内进行热环境改造的最佳策略之一，能够避免对历史文化街区建成环境影响的同时有效降低缓解温度[21]。同时，以植物改造为主的绿色解决方案也通常更容易受到公众接受[22]。因此，在议事厅前地微更新中建议采用“植被＋景观设施”的组合形式进行环境的优化升级(图6、图7)，其中植被的选择原则为:通过查询澳门城市树木简介系统选取本地适宜树种。

图7 L5通过区改造前后模型

3.2 停留型L1区域微更新策略

虽然停留型空间L1模拟点的人体处于停留状态，相较于通过型空间运动状态下的人体活动量低，热舒适相对较高，但通过模拟结果可知，L1夏季通风状况差且常处于无风或微风状态，并且在12∶00—16∶00太阳直射无阴影，也没有种植冠幅较大的树种，遮荫范围非常有限。所以在不能改变建筑遮挡所形成的较差风环境前提下，更新策略如下:

1)绿化种植设计。在L1停留型区域种植2棵冠幅12 m、树高15 m的大花紫薇，与周边现有冠幅小、高度低的大花紫薇相搭配。大花紫薇树冠形成的天然遮荫棚对阳光的直接遮挡可以显著降低树下及周边空间的黑球温度Tg、生理等效温度，其蒸发及散热作用可以自然降低周围空气温度，形成“绿洲效应”。大花紫薇的花期为5—7月，使游客在夏季高温遮荫的同时，还可以赏花，从而营造生态感户外体验并有效降温，避免由玻璃或其他材质遮阳棚造成的燥光污染。

2)景观设施设计。在L1停留型区域设置可以遮挡西侧阳光及用于休憩的景观架，减弱阳光的直接照射，降低MRT及人体活动量，与周围绿植呼应，形成天然遮阳屏障与街区“绿肺”。

3.3 通过型L5区域微更新策略

L5通过型空间内人体处于活动状态，在湿热地区夏季人体热舒适度下降[23]。且L5模拟点的街道高宽比为研究区域内最高值，导致其长时间处于无风或微风状态。在难以改变固有建筑及风环境的前提下，微更新策略从减少热辐射及人体活动量两方面进行:

1)绿化种植设计。选取研究区域已有种植、且郁闭性较好的阴香树种，以缓解L5模拟点的太阳直射。阴香树高14 m、冠幅10 m，可有效减少垂直方向对于风环境影响，同时阴香较强的郁闭性可显著降低12∶00—15∶00累计日照时长，阻挡太阳的直接辐射，使模拟点内游客在夏季太阳直射时段均有遮荫场所。

2)景观设施设计。在选取种植的树木下方设置座椅，在通过型空间中的模拟点增加停留型设施，以降低人体活动量、减轻疲劳感。

3.4 改造前后热舒适度对比

由图8可知，虽然植被的种植及景观设施的规划使L1、L5区域风速有所减缓，但却大幅度减少了模拟点的日照累计时长，同时L5模拟点内景观设施座椅的增加，使通过型空间中人体活动量显著降低。整体来看，结合风环境、热辐射及人体活动量的影响，L1和L5区域改造后的热舒适值SET*及MRT均显示为下降状态，即热舒适度在改造后有所提升。

图8 改造前后指标对比

4 结论

在湿热气候下的澳门议事厅前地街区中，通过型空间内的街道高宽比对风环境和热辐射有直接影响，即街道高宽比与风环境舒适度呈负相关性、与热辐射舒适度呈正相关性。较高的高宽比值意味着建筑高度大于街道宽度，风环境不佳但热辐射舒适度较高；而较低的高宽比值意味着建筑高度低于街道宽度，风环境舒适但累计日照时长较高热辐射舒适度低。

停留型空间中，闭合型及开敞型的空间类型对于风环境的影响大于街道高宽比对风环境的影响。与开敞型空间相比，闭合型的空间类型削弱风速，降低风环境舒适度，并且街道高宽比与平均日照时长呈负相关性，即与热辐射舒适度呈正相关性。

人体活动量与夏季高密度历史街区内的人体热舒适度呈负相关，即人体活动量越大，人体热舒适值越低。

在通过型空间低舒适区设置阴香＋座椅，减少通过型空间内人体大量活动而带来的高代谢量，并在阳光直射时段减少热辐射，增强热舒适度。在停留型空间低舒适区设置大花紫薇＋景观架，帮助稳定停留型空间内人体低活动量的同时，降低日照累计时长，减轻热辐射。因此，针对场地特性的“本土植被＋基础设施”UGI模式对于改善建成环境难以改变的高密度历史街区微气候具有参考意义。