澳門歷史街區(qū)議事廳前地夏季熱舒適度模擬及提升策略*

智 穎 況 達(dá)

1 澳門城市大學(xué)創(chuàng)新設(shè)計(jì)學(xué)院 澳門 999078

2 深圳大學(xué)建筑與城市規(guī)劃學(xué)院 廣東深圳 518060

城市綠色基礎(chǔ)設(shè)施(Urban Green Infrastructure，UGI)建設(shè)是微觀氣候調(diào)節(jié)的重要策略[1]，可以有效應(yīng)對城市的可持續(xù)性挑戰(zhàn)[2]，緩解城市熱島效應(yīng)和氣候變化引起的城市熱應(yīng)激[3]。在濕熱地區(qū)，室外景觀設(shè)施產(chǎn)生的陰影區(qū)域可以改善室外人體熱舒適度，影響人們在景觀區(qū)域的出勤率。尤其在微環(huán)境下UGI提供濕熱冷卻和額外的遮陽作用，可以使行人平均輻射溫度降低達(dá)5℃，形成局地“綠洲效應(yīng)”[4]，進(jìn)而緩解因建筑密度增加而引起的城市熱島效應(yīng)[5]。熱舒適度是考慮局部微環(huán)境品質(zhì)的重要指標(biāo)，指人體對熱環(huán)境滿意的心理狀態(tài)。在熱舒適度與UGI探討中，現(xiàn)有研究主要圍繞植被種類及數(shù)量[6-7]、植被與建筑的組合形式[8]、綠色空間結(jié)構(gòu)[9]等多個方面開展，以確定用于冷卻的UGI的優(yōu)先級和選擇[4，10]。然而，鮮少研究探討濕熱地區(qū)植被種類與基礎(chǔ)設(shè)施的協(xié)同作用，以及可產(chǎn)生的最大熱效益。

盡管增加綠色覆蓋率可以緩解城市熱島效應(yīng)，但UGI的增加與生理溫度減少的幅度并不直接對應(yīng)，將綠色設(shè)施戰(zhàn)略性地放置在受熱區(qū)域比高比例的綠色覆蓋更有效[3]，因此，需要結(jié)合區(qū)域特性，針對性設(shè)置局地低舒適區(qū)用于冷卻的UGI模式。《澳門環(huán)境保護(hù)規(guī)劃(2021—2025)》倡導(dǎo)未來5年開展多樣綠化，針對性加入更多綠色建筑元素，運(yùn)用UGI提升城市局地?zé)崾孢m。澳門特別行政區(qū)(以下稱澳門)議事廳前地的建筑及重點(diǎn)設(shè)施代表澳門發(fā)展的歷史縮影，是城市文脈的重要組成部分。鑒于其獨(dú)特的文化價值，議事廳前地?zé)崾孢m的提升不能通過拆除重建完成，需以維穩(wěn)性的局部調(diào)整為主[11]。因此，本研究擬在不拆除破壞原有建筑及人文設(shè)施的前提下，參考小尺度區(qū)域數(shù)值模擬方法分析場地內(nèi)通過型與停留型的空間熱舒適度[12-14]，并根據(jù)結(jié)果提出規(guī)劃改善低舒適區(qū)微環(huán)境策略，為濕熱地區(qū)的歷史街區(qū)熱舒適提升提供借鑒。

1 研究方法

1.1 研究區(qū)域概況

澳門為熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，一年中有7個月月均溫在22℃以上，尤其在夏季7月溫度高達(dá)30～35.8℃。作為中國南海岸典型的濕熱地區(qū)高密度城市，澳門密集的建筑形態(tài)壓縮了城市的室外公共空間，進(jìn)一步降低了環(huán)境熱舒適性。

議事廳前地位于澳門特別行政區(qū)大堂區(qū)，隸屬澳門世界文化遺產(chǎn)歷史街區(qū)，占地面積約3 700 m2，是澳門最具代表性的城市公共空間節(jié)點(diǎn)及城市政治中心。議事廳前地整個場地呈狹長的三角形，場地內(nèi)共有3個停留型休息空間、2個通過型空間，內(nèi)部包含樹木6棵，其中4棵位于場地東南角及入口處，2棵位于場地最北端(表1)。整個街區(qū)密布19世紀(jì)末20世紀(jì)初新古典主義、西方古典主義特色的歷史建筑，樓層在2～5層不等，建筑密度高達(dá)75.8%，容積率達(dá)到6.40%[13。議事廳前地日常承載著密集的人流疏散壓力，人口密度高達(dá)57.4千人·km-2。持續(xù)的高溫、極高的建筑及人口密度加劇了城市熱島效應(yīng)。

表1 議事廳前地樹木統(tǒng)計(jì)

1.2 熱舒適評價指標(biāo)

采用適用于室外熱環(huán)境系統(tǒng)的MRT-SET*指標(biāo)作為熱舒適評價指標(biāo)。平均輻射溫度(MRT)是室外熱環(huán)境評估通用的指標(biāo)[16]，可反映直接日射、全天空漫射、短波漫射、大氣反射等指標(biāo)，通常適合作為戶外熱環(huán)境控制的參數(shù)。平均輻射溫度(MRT)采用黑球溫度(Tg)換算，公式如下:

式(1)中:MRT為平均輻射溫度(℃)；Ta指空氣溫度(℃)；Tg指黑球溫度(℃)；V為風(fēng)速(m·s-1)。

SET*作為室外常用熱舒適評價方法，是American Society of Heating，Refrigerating and Air-Conditioning Engineers(ASHRAE)綜合人體對室外溫?zé)岘h(huán)境反應(yīng)的6項(xiàng)指標(biāo)，即溫度、相對濕度、平均輻射溫度(MRT)、風(fēng)速、人體活動及衣著，以及產(chǎn)生的新標(biāo)準(zhǔn)有效溫度。SET*采用「ASHRAE SET for Windows Program」計(jì)算得出[17]，輸出的SET*范圍可清晰地反映室外人體舒適程度。

1.3 CFD模擬方法

1.3.1 模擬工具

風(fēng)熱環(huán)境模擬采用WindPerfectDX軟件，該軟件支持室內(nèi)外風(fēng)環(huán)境分析、熱輻射模擬，且模擬結(jié)果呈現(xiàn)方式清晰多樣，能夠滿足城市規(guī)劃中不同建筑高度、建筑朝向、代表性氣候等條件下可執(zhí)行的室外風(fēng)環(huán)境、城市熱島模擬、SET*、植栽配置、風(fēng)壓模擬、濕度模擬等功能。

1.3.2 數(shù)據(jù)來源及處理

取澳門夏季炎熱季節(jié)溫度最高的7月進(jìn)行數(shù)據(jù)收集，模擬階段的氣象數(shù)據(jù)來源于澳門地球物理暨氣象局2019—2021年氣象資料統(tǒng)計(jì)(表2)。實(shí)地調(diào)研顯示，議事廳前地游客人數(shù)在下午15∶00—18∶00最多。由7月日均溫度變化可知，12∶00—15∶00氣溫迅速攀升，15∶00—18∶00氣溫逐步下降，因此結(jié)合氣候溫度、人流量數(shù)據(jù)，將模擬時間選取為2022年7月1日—7月31日12∶00—18∶00，以天為單位每次模擬間隔1 h共模擬7次。

表2 澳門議事廳前地6—8月氣象數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

將上述氣象數(shù)據(jù)導(dǎo)入WindPerfectDX軟件中生成可視化彩圖，得出風(fēng)環(huán)境分析圖及累計(jì)日照時長、MRT、SET*分析圖。

1.3.3 模擬過程

議事廳前地入口東西開敞區(qū)最長距離45 m，南北縱深140 m，考慮周邊建筑物對模擬區(qū)域的影響，于前期模型制作階段，將建模范圍向四周擴(kuò)展約100 m，并對場地內(nèi)建筑、綠化進(jìn)行簡化處理，將建筑和綠植分別用形態(tài)相仿的四方體和球體代替。

區(qū)域內(nèi)共設(shè)有5個模擬點(diǎn)。根據(jù)不同模擬點(diǎn)空間人流的行為特性，將模擬點(diǎn)空間劃分為停留型及通過型兩類空間。停留型空間模擬點(diǎn)包括廣場入口處與玫瑰堂中間區(qū)域L1、區(qū)域中部商業(yè)門店前L2、板樟堂前地與議事廳前地交接處L3；通過型空間模擬點(diǎn)包括臨近新馬路的開敞廣場入口處L4、靠近板樟堂前地狹窄處L5(圖1)。

圖1 議事廳前地及周邊建模范圍

運(yùn)用WindperfectDX風(fēng)環(huán)境解析模塊對場地內(nèi)風(fēng)環(huán)境進(jìn)行分析，模擬參數(shù)設(shè)置為:全體領(lǐng)域內(nèi)x-800，y-800，z-17(m)，焦點(diǎn)領(lǐng)域內(nèi)網(wǎng)格邊長2 m，在x、y、z方向上的數(shù)量分別為375、400、10。風(fēng)參數(shù)設(shè)定值為:澳門7月的平均風(fēng)速2.5 m·s-1，主導(dǎo)風(fēng)向SSE，地況C的地況粗度即為有密集建筑群的城市市區(qū)。使用WindperfectDX內(nèi)日照解析模塊對場地內(nèi)太陽輻射進(jìn)行分析，太陽輻射的模擬范圍與風(fēng)環(huán)境相同，日照參數(shù)設(shè)定值為:澳門經(jīng)度113.33，緯度22.13，模擬日期為7月1日—7月30日、模擬時長為12∶00—18∶00，通過軟件運(yùn)算得出區(qū)域范圍內(nèi)累計(jì)日照時長。

參考公式(1)，在CFD風(fēng)環(huán)境模擬結(jié)果基礎(chǔ)上，于MRT評價模塊輸入議事廳前地的太陽角度和經(jīng)緯度數(shù)據(jù)，以及溫度、濕度自定義參數(shù)值，分別求得澳門7月12日12∶00、15∶00、18∶00 MRT分布。然后利用ASHARE數(shù)據(jù)庫軟件，推算7月12日12∶00、15∶00、18∶00議事廳前地各模擬點(diǎn)不同風(fēng)速、不同MRT值所影響的人體熱舒適SET*值，其中溫度、濕度、風(fēng)速資料采用澳門7月12日15∶00溫度29.5℃、濕度78%、風(fēng)速2.22 m·s-1；人體新陳代謝率采步行時的代謝當(dāng)量2.0METs為輸入值[18]；衣著采用濕熱地區(qū)居民夏季衣服絕緣值平均0.5 clo[19]。

2 結(jié)果與分析

2.1 風(fēng)環(huán)境分析

在實(shí)測結(jié)論中，當(dāng)5 m·s-1＞室外風(fēng)速＞1 m·s-1時，人體感最為舒適；而室外風(fēng)速＞5 m·s-1時，則不利于行人室外活動[20]。本研究發(fā)現(xiàn)，在夏季高溫天氣下，不同的空間類型及街道高寬比造成了不同風(fēng)速區(qū)間的室外通風(fēng)，影響著人們的室外熱舒適度(圖2)。

圖2 議事廳前地夏季7月風(fēng)環(huán)境

通過型空間中(圖2、表3)，L4、L5模擬點(diǎn)位于整個街區(qū)動態(tài)行走的中軸線上；南部廣場入口處的L4模擬點(diǎn)為研究區(qū)域內(nèi)街道高寬比的最低值(0.27)，平坦開敞模擬風(fēng)速最高；而北部處于狹窄街道的L5模擬點(diǎn)，密集的建筑群使街道高寬比達(dá)到1.1，為研究區(qū)域內(nèi)街道高寬比的最高值，夏季幾乎無風(fēng)，結(jié)合該空間內(nèi)人體動態(tài)行走下的高代謝量，其風(fēng)環(huán)境舒適度為所有模擬點(diǎn)內(nèi)的最低值。因此在通過型空間中，街道高寬比值增加，風(fēng)環(huán)境舒適度降低。

停留型空間中(圖2、表3)，L1、L3模擬點(diǎn)分別位于玫瑰堂與仁慈堂、板樟堂與商鋪之間形成的閉合型區(qū)域，建筑的圍合減緩了風(fēng)速流動，所以即使其所在街道高寬比值較低，但風(fēng)速仍然緩慢，靜態(tài)下人體感覺悶熱；而商鋪前的L2模擬點(diǎn)與廣場相接，區(qū)域開敞無建筑圍合，雖然街道高寬比高于L1、L3，但風(fēng)速也比L1、L3高，處于理想的風(fēng)速區(qū)間，體感舒適。因此在停留型空間中，閉合型及開敞型的空間類型對于風(fēng)環(huán)境的影響大于街道高寬比值對風(fēng)環(huán)境的影響。

總體而言，議事廳前地L2、L4模擬點(diǎn)夏季風(fēng)速≥1 m·s-1，風(fēng)環(huán)境舒適度較高，L1、L3、L5模擬點(diǎn)夏季風(fēng)速＜1 m·s-1，風(fēng)環(huán)境的舒適度低下。

2.2 太陽輻射分析

由圖3～4和表4可知，不同的街道高寬比產(chǎn)生了不同風(fēng)速區(qū)間的室外熱輻射。

圖4 7月12∶00—18∶00平均累計(jì)日照時長

表4 澳門議事廳前地7月熱輻射模擬數(shù)據(jù)分析

停留型空間中，L1街道高寬比為所有模擬點(diǎn)最低值，12∶00—16∶00太陽直射無陰影，17∶00建筑物陰影才投射至模擬點(diǎn)。相較于L1、L2、L3街道高寬比值較高，提前在15∶00陰影完全覆蓋模擬點(diǎn)，總體平均日照時長低于L1。同時，同在閉合型空間的L1、L3模擬點(diǎn)，L3的街道高寬比大于L1，但其平均日照時長低于L1；開敞型空間內(nèi)L2與閉合型空間內(nèi)L3模擬點(diǎn)，L2的街道高寬比大于L3，但其平均日照時長低于L3。因此在停留型空間中，建筑的閉合型及開敞型的空間類型對于平均日照時長無直接影響，街道高寬比值越大，平均日照時長越低，熱輻射舒適度越高。

通過型空間中，L4、L5在12∶00—14∶00、17∶00—18∶00太陽輻射狀況相同，陰影率均分別為0%及100%。L4在15∶00—16∶00，由于街道斷面高寬比較低，陰影未完全覆蓋模擬點(diǎn)；而L5具備較高的街道高寬比，從15∶00陰影開始覆蓋模擬點(diǎn)，故其平均日照時長低于L4。因此在通過型空間中，街道高寬比與熱輻射舒適度呈正相關(guān)性。

2.3 熱舒適分析

12∶00的太陽垂直直射，各模擬點(diǎn)熱輻射值均達(dá)到峰值，室外地區(qū)只有在建筑邊沿有屋檐遮蔽地區(qū)的SET*值較低，即熱舒適度相比較高(圖5)。位于閉合角落的L1、L5由于通風(fēng)不暢，風(fēng)速趨于0 m·s-1，此時熱舒適度最低。

15∶00時除L2外，其他模擬點(diǎn)熱舒適度不佳。這主要是由于12∶00后太陽直射角向西偏移，光線落在了高度較低的西側(cè)建筑上，導(dǎo)致其陰影區(qū)不能覆蓋到除L2外的各模擬點(diǎn)，而L2局部小范圍的建筑陰影覆蓋以及面向廣場良好的通風(fēng)，使此時該模擬點(diǎn)熱舒適度最高。陰影區(qū)域外的L1、L5仍處于太陽直射，同時風(fēng)環(huán)境最差，所以兩模擬點(diǎn)此時顯示出熱輻射較高且通風(fēng)不暢的低舒適狀態(tài)(圖5)。

18∶00的太陽直射角已逐漸趨于0度角，累計(jì)日照時長也趨于0h，此時刻的室外通風(fēng)狀況良好，熱舒適值整體處于適中良好狀態(tài)(圖5)。

綜上，通過選取典型日期內(nèi)的3個時間點(diǎn)進(jìn)行SET*熱舒適分析，綜合得出停留區(qū)內(nèi)L1模擬點(diǎn)及通過區(qū)內(nèi)L5模擬點(diǎn)SET*值最高，即熱舒適度最低。

3 微更新設(shè)計(jì)策略

3.1 地點(diǎn)選擇及微更新原則

在綜合考慮基于模擬數(shù)據(jù)后，本研究以空間類型及熱舒適度作為劃分標(biāo)準(zhǔn)，分別選取熱舒適度最低的停留型空間L1區(qū)域和通過型空間L5區(qū)域展開微更新。

議事廳前地作為構(gòu)成城市文脈的重要組成部分，也是重要的世界文化遺產(chǎn)歷史街區(qū)，不能通過傳統(tǒng)拆除及改造建成環(huán)境的方式營造陰影及良好的通風(fēng)環(huán)境?；诰G色的解決方案是在有限空間內(nèi)進(jìn)行熱環(huán)境改造的最佳策略之一，能夠避免對歷史文化街區(qū)建成環(huán)境影響的同時有效降低緩解溫度[21]。同時，以植物改造為主的綠色解決方案也通常更容易受到公眾接受[22]。因此，在議事廳前地微更新中建議采用“植被＋景觀設(shè)施”的組合形式進(jìn)行環(huán)境的優(yōu)化升級(圖6、圖7)，其中植被的選擇原則為:通過查詢澳門城市樹木簡介系統(tǒng)選取本地適宜樹種。

圖7 L5通過區(qū)改造前后模型

3.2 停留型L1區(qū)域微更新策略

雖然停留型空間L1模擬點(diǎn)的人體處于停留狀態(tài)，相較于通過型空間運(yùn)動狀態(tài)下的人體活動量低，熱舒適相對較高，但通過模擬結(jié)果可知，L1夏季通風(fēng)狀況差且常處于無風(fēng)或微風(fēng)狀態(tài)，并且在12∶00—16∶00太陽直射無陰影，也沒有種植冠幅較大的樹種，遮蔭范圍非常有限。所以在不能改變建筑遮擋所形成的較差風(fēng)環(huán)境前提下，更新策略如下:

1)綠化種植設(shè)計(jì)。在L1停留型區(qū)域種植2棵冠幅12 m、樹高15 m的大花紫薇，與周邊現(xiàn)有冠幅小、高度低的大花紫薇相搭配。大花紫薇樹冠形成的天然遮蔭棚對陽光的直接遮擋可以顯著降低樹下及周邊空間的黑球溫度Tg、生理等效溫度，其蒸發(fā)及散熱作用可以自然降低周圍空氣溫度，形成“綠洲效應(yīng)”。大花紫薇的花期為5—7月，使游客在夏季高溫遮蔭的同時，還可以賞花，從而營造生態(tài)感戶外體驗(yàn)并有效降溫，避免由玻璃或其他材質(zhì)遮陽棚造成的燥光污染。

2)景觀設(shè)施設(shè)計(jì)。在L1停留型區(qū)域設(shè)置可以遮擋西側(cè)陽光及用于休憩的景觀架，減弱陽光的直接照射，降低MRT及人體活動量，與周圍綠植呼應(yīng)，形成天然遮陽屏障與街區(qū)“綠肺”。

3.3 通過型L5區(qū)域微更新策略

L5通過型空間內(nèi)人體處于活動狀態(tài)，在濕熱地區(qū)夏季人體熱舒適度下降[23]。且L5模擬點(diǎn)的街道高寬比為研究區(qū)域內(nèi)最高值，導(dǎo)致其長時間處于無風(fēng)或微風(fēng)狀態(tài)。在難以改變固有建筑及風(fēng)環(huán)境的前提下，微更新策略從減少熱輻射及人體活動量兩方面進(jìn)行:

1)綠化種植設(shè)計(jì)。選取研究區(qū)域已有種植、且郁閉性較好的陰香樹種，以緩解L5模擬點(diǎn)的太陽直射。陰香樹高14 m、冠幅10 m，可有效減少垂直方向?qū)τ陲L(fēng)環(huán)境影響，同時陰香較強(qiáng)的郁閉性可顯著降低12∶00—15∶00累計(jì)日照時長，阻擋太陽的直接輻射，使模擬點(diǎn)內(nèi)游客在夏季太陽直射時段均有遮蔭場所。

2)景觀設(shè)施設(shè)計(jì)。在選取種植的樹木下方設(shè)置座椅，在通過型空間中的模擬點(diǎn)增加停留型設(shè)施，以降低人體活動量、減輕疲勞感。

3.4 改造前后熱舒適度對比

由圖8可知，雖然植被的種植及景觀設(shè)施的規(guī)劃使L1、L5區(qū)域風(fēng)速有所減緩，但卻大幅度減少了模擬點(diǎn)的日照累計(jì)時長，同時L5模擬點(diǎn)內(nèi)景觀設(shè)施座椅的增加，使通過型空間中人體活動量顯著降低。整體來看，結(jié)合風(fēng)環(huán)境、熱輻射及人體活動量的影響，L1和L5區(qū)域改造后的熱舒適值SET*及MRT均顯示為下降狀態(tài)，即熱舒適度在改造后有所提升。

圖8 改造前后指標(biāo)對比

4 結(jié)論

在濕熱氣候下的澳門議事廳前地街區(qū)中，通過型空間內(nèi)的街道高寬比對風(fēng)環(huán)境和熱輻射有直接影響，即街道高寬比與風(fēng)環(huán)境舒適度呈負(fù)相關(guān)性、與熱輻射舒適度呈正相關(guān)性。較高的高寬比值意味著建筑高度大于街道寬度，風(fēng)環(huán)境不佳但熱輻射舒適度較高；而較低的高寬比值意味著建筑高度低于街道寬度，風(fēng)環(huán)境舒適但累計(jì)日照時長較高熱輻射舒適度低。

停留型空間中，閉合型及開敞型的空間類型對于風(fēng)環(huán)境的影響大于街道高寬比對風(fēng)環(huán)境的影響。與開敞型空間相比，閉合型的空間類型削弱風(fēng)速，降低風(fēng)環(huán)境舒適度，并且街道高寬比與平均日照時長呈負(fù)相關(guān)性，即與熱輻射舒適度呈正相關(guān)性。

人體活動量與夏季高密度歷史街區(qū)內(nèi)的人體熱舒適度呈負(fù)相關(guān)，即人體活動量越大，人體熱舒適值越低。

在通過型空間低舒適區(qū)設(shè)置陰香＋座椅，減少通過型空間內(nèi)人體大量活動而帶來的高代謝量，并在陽光直射時段減少熱輻射，增強(qiáng)熱舒適度。在停留型空間低舒適區(qū)設(shè)置大花紫薇＋景觀架，幫助穩(wěn)定停留型空間內(nèi)人體低活動量的同時，降低日照累計(jì)時長，減輕熱輻射。因此，針對場地特性的“本土植被＋基礎(chǔ)設(shè)施”UGI模式對于改善建成環(huán)境難以改變的高密度歷史街區(qū)微氣候具有參考意義。