庭院空間形態對熱環境影響研究綜述

潘沿曉

(西南交通大學，四川 成都 611756)

1 概述

庭院是建筑外部環境與室內環境的中介空間，是建筑常用的共享空間，是人們活動和交流的重要場所。庭院獨特的建筑形式形成了獨立的微氣候空間，良好的微氣候環境可以激發人們使用庭院的意愿[1]，能促使人們走出室外，親近自然，對促進人們的身心健康和營造健康城市具有重要意義。

庭院的空間形態布局對于其微氣候中的熱環境具有重要影響。本文從庭院幾何形態、下墊面類型、景觀要素方面梳理了庭院空間形態對熱環境的影響的相關研究，并對后續的研究方向提出了建議。

2 幾何形態對熱環境的影響

2.1 庭院方向

庭院方向可以影響太陽輻射的有效接收，從而對熱環境產生影響。不同的庭院方向布局由于所形成的陰影不同，所獲取到的輻射有所差異。E-W方向布局的庭院陰影最小，得到太陽輻射的時間最長，N-S方向的則相反[2-4]。陰影的形成巧妙避開了太陽輻射，在夏季有利于形成熱舒適度較好的區域。E-W方向的陰影最小，熱舒適性最差[4]。對于氣候炎熱干燥地區，應謹慎采用這種方向的布局。

2.2 庭院形狀

庭院的幾何形狀對其熱環境起著決定性的作用[5]?，F有的研究大多聚焦于庭院平面邊長的相對長度比例。研究發現，在夏季，庭院的窄長形式被認為是影響夏季涼爽程度的主要因素[6]。在冬季，當南北向邊長較長，東西向邊長較短時，可以增加向陽面從而促進太陽輻射的接收[7]?？傮w來說，庭院的邊長比例主要是對夏季形成的陰影和冬季太陽照射區域產生顯著影響。為了在冬季和夏季讓庭院對輻射的吸熱和散熱都能取得較好的平衡，Muhaisen認為可以采取縱深相對較長的布局形式，該形式既可以在冬季減少熱損失，又可以在夏季減少輻射[8]。

2.3 庭院界面

庭院界面的圍合度直接影響了庭院的遮陽、通風和對流換熱，需要針對實際的地域氣候和季節情況對以上因素進行評估，從而合理控制界面的圍合度。界面的圍合度可以影響白天的遮陽和夜晚的散熱，當庭院圍合較密時，在白天遮陽效果較好，夜晚由于其散熱受到的阻礙較大，保溫效果較好[9，10]。但許多研究也表明圍合度較高的庭院可能會導致自然通風狀況不佳并降低熱舒適[9]，因此部分研究者比較研究了半開敞庭院與封閉庭院的熱舒適性。對于炎熱潮濕的氣候地區，主要是通過增強通風來提高熱舒適，半開敞庭院形成的交叉通風確實比封閉庭院形成的熱壓通風的熱舒適性好[11]。但在炎熱干燥的氣候區，許多研究認為遮陽才是影響熱舒適的最主要因素，當開敞庭院通過開口通風時，對夏季庭院的遮陽不利，外部的熱空氣和輻射會往庭院內部滲透，增加了內部的空氣溫度和輻射溫度，熱舒適性比封閉庭院差[4,12]。同時，當開口較高即開敞部分的界面較高時，熱量和輻射的滲透更多，庭院更不舒適[4]。

2.4 庭院構件

庭院的遮陽構件能有效改善庭院的熱環境[9]，特別是在炎熱的夏季，庭院的熱舒適性主要取決于太陽輻射的照射情況，遮陽是改善熱舒適的最佳手段[4，13]。在庭院增加廈房和廊檐等構件能有效遮擋太陽輻射，改善夏季的熱舒適[4,6]。

2.5 庭院深度

庭院的深度影響著太陽輻射的接收和遮蔽。Al-Hafith等[14]對影響庭院遮陽的形態設計因素進行了整合研究，發現庭院高寬比(H/W)是影響庭院遮陽的最重要因素[8]，當H/W越大時，遮陽面積越大，可見深庭院形式的遮陽效果最好[15]，在夏季有利于降溫，適用于改善氣候炎熱且夏季不適地區的熱環境，而且這種改善效應是較為穩定的[16]。同時，深庭院形式在冬季還可以提高溫度(見圖1)[17]。但較大的H/W可能會阻礙太陽輻射的接收，因此深庭院形式并非適合于所有的氣候地區。研究發現，對于溫暖炎熱地區，H/W宜在4∶5～5∶5之間，即可以采用較深的庭院；而對于寒冷地區，H/W宜在3∶5～4∶5之間，以便在冬季獲取輻射和夏季遮擋輻射中更好地平衡，在兩季都獲得較好的熱性能[16]。

3 下墊面類型對熱環境的影響

下墊面是指與大氣下層直接接觸的地球表面，大氣圈以地球的水路表面為其下界，成為大氣層的下墊面[19]。下墊面描述的是地形、地質、土壤和植被等地球表面特征，在城市中多用來描述地表材質方面的特征，如巖石、土壤、水面和植被等。由于不同的下墊面在反射率和比熱容屬性等方面存在差異，庭院下墊面類型對熱環境產生一定影響[19]。對于硬質鋪磚，不同顏色材質的比熱容和反射特性有所差異，紅磚的升溫和降溫都比白瓷磚快，但是白瓷磚的反射輻射能力較強，因此紅磚在遮陽較好的庭院中能使地表升溫較慢，降溫較快，而白瓷磚在較大的庭院中能將較多的輻射反射回天空，使得地表吸收到的熱量較少[9]。相比于硬質鋪裝，裸露土壤等軟質地表能降低庭院的空氣和表面溫度并提高熱舒適度[2]。

4 景觀要素對熱環境的影響

綠化水景的布置對熱環境具有較顯著的影響。在夏季，綠化能有效降溫，在冬季，水景熱穩定性較好，對環境氣溫具有保溫作用[20]。水面的布局形式差異對熱環境也有影響，分散布置的多處較小面積的水面，比集中大面積的水面的降溫效應更明顯[3,9]。樹木通過遮陽和蒸騰蒸發等顯著改善熱舒適性[6]。Shashua-Bar L發現在遮陽網格(遮陽量相同)的前提下，相比于草地，樹木的降溫效應更明顯[21]。

5 結論與展望

本文從庭院幾何形態、下墊面材質、景觀要素方面梳理了庭院空間形態對熱環境的影響的相關研究，庭院幾何形態涉及庭院方向、界面、形狀、深度等，下墊面類型涉及硬質和軟質材質，景觀要素涉及綠化水景，熱環境涉及熱物理要素(氣溫、地溫等)與熱舒適等。但作者認為，還存在有以下不足以及后續可進一步研究的方向：

1)上述研究的思路大多是通過研究庭院形態對遮陽和通風的影響，進而探討對熱環境的影響。研究中大部分體現的是遮陽對于改善熱環境的貢獻，然而對于通風貢獻的體現則相對較少。

2)庭院相關形態指標的影響研究仍需拓展，目前的研究大多只涉及了庭院長、寬、高等簡單單一指標的研究，而對于復合指標(如寬度與長度比(W/L)、天空視域因子(SVF)、幾何形狀系數等指標)的研究鮮有涉及且不夠系統，對于多個指標的綜合影響的研究更是較為有限。

3)庭院的空間形態可能會對遮陽、通風和對流換熱等產生相反的影響，如庭院圍合度較高時，有利于遮陽但對于通風不利，因此在后續研究中需要因地制宜地進一步研究如何在其中尋求平衡，探討最適宜的形態布局方式。

4)對于不同氣候地區和功能類型的庭院，對熱環境品質的需求可能有所差異，因此可對庭院進行更細致地分類研究，更有針對性地探討庭院空間形態對熱環境的影響。