江南歷史街區(qū)中小氣候因子與熱舒適性關(guān)聯(lián)性研究

熊 瑤，嚴 妍

(南京林業(yè)大學(xué) 藝術(shù)設(shè)計學(xué)院，江蘇 南京 210037)

歷史街區(qū)是指文物古跡較為集中，其現(xiàn)狀格局與風(fēng)貌能較完整地體現(xiàn)出某一歷史時期傳統(tǒng)風(fēng)貌和民族地方特色的街區(qū).歷史街區(qū)是城市文化的縮影，也是構(gòu)成城市文脈的重要組成部分，更是老城居民的生活之地、外地旅客的游賞之處，其存在的重要性在今日不容忽視.當(dāng)前，隨著經(jīng)濟高速增長，受城市空間形態(tài)、人為熱源、下墊面改變的影響，城市熱島效應(yīng)加劇，形成特有的“局地氣候”，導(dǎo)致城市極端天氣增加，風(fēng)熱環(huán)境惡化，嚴重威脅居民身心健康.與此同時，快速推進的城市化進程，使得大量歷史街區(qū)受困于“鋼鐵森林”的重重圍繞下，其宜居、宜游性大幅降低.因而，在城市環(huán)境災(zāi)難頻發(fā)的今天，對歷史街區(qū)進行復(fù)興、重建時，風(fēng)熱環(huán)境已成為評價設(shè)計方案的重要考量因素.

小氣候(Microclimate)，亦名微氣候，是指由下墊面的某些構(gòu)造特征所引起的近地面大氣中和上層土壤中的小范圍氣候.其范圍主要是指從地面到10～100 m高度空間內(nèi)的氣候，這一層級受區(qū)域條件、外部環(huán)境等因素影響與所處的地區(qū)氣象環(huán)境有明顯差異，且呈現(xiàn)較為明顯的局部氣候異動現(xiàn)象.

近幾十年來，國內(nèi)外學(xué)者針對不同地域氣候和不同城市空間，對小氣候理論和熱舒適性概念進行了深入探索.1995年，Brown RD[1]界定了戶外小氣候的關(guān)鍵指標(biāo)為空氣溫度、相對濕度、風(fēng)速風(fēng)率、太陽輻射等，并指出景觀元素及其組成方式對小氣候有重大影響.2001年，Matthias[2]等人在研究景觀與不同類型的土地之間的關(guān)聯(lián)時，采用ENVI-met模擬軟件將小氣候因子與人體熱舒適度相結(jié)合，構(gòu)造出一個適合于與城市氣候環(huán)境相關(guān)的生物氣候圖.2003年，Oliveti[3]等通過實測來評估不同條件下地表溫度與天空熱輻射的關(guān)系，利用熱平衡方程確定了對流流量，并解決了紅外輻射交換系數(shù)和熱流量交換的評估問題.2005年，M.Rohinton Emmanuel[4]從理論和實踐兩個方面共同探討了熱帶地區(qū)氣候適應(yīng)性的城市設(shè)計策略與方法.2010年前后，國內(nèi)專家學(xué)者開始將此理念逐步引入室外環(huán)境.2010年，蔡強新[5]通過采集室外物理數(shù)據(jù)以及問卷調(diào)查的方式，提出關(guān)于住區(qū)戶外環(huán)境熱舒適性的分析方法.2015年，薛思寒[6]通過解析空氣溫度、相對濕度以及風(fēng)速因子的時空分布與變化規(guī)律，定量分析了嶺南地區(qū)園林景觀要素對小氣候的調(diào)節(jié)作用.2016年趙曉龍[7]等選取步行街為研究對象，依托rayman平臺計算出熱舒適度值，分析了行道樹形態(tài)特征對小氣候環(huán)境的調(diào)節(jié)作用.2019年，吳雋宇等[8]從小氣候的研究尺度、研究區(qū)域、研究方法、研究體系角度，并對我國小氣候研究發(fā)展做了詳細綜述.

綜合上述研究成果，本研究選取空氣溫度、相對濕度、平均風(fēng)速三種主要氣象因子，通過現(xiàn)場小氣候?qū)崪y，以獲取研究對象風(fēng)、熱環(huán)境參數(shù)，并采取問卷調(diào)查結(jié)合數(shù)字軟件(rayman)計算評估人體熱舒適感受的生理等效溫度值(PET)，從而主客觀結(jié)合解析人體熱感受.將實測氣象因子值與生理等效溫度值作回歸分析，探究兩者的關(guān)聯(lián)性及其因果關(guān)系，并提出各測點具體的改造策略，也為同類型的歷史街區(qū)更新提供有益的方法和思路.

1 研究方法

1.1 研究對象

高淳區(qū)位于江蘇省南京市，文化底蘊豐富，歷史悠久.其地處北亞熱帶和中亞熱帶過度季風(fēng)氣候區(qū)，年平均降水量為1 157 mm，在我國氣候分區(qū)中為夏熱冬冷地區(qū)，全年日平均溫度區(qū)間為28.6～-2.2 ℃，其中，極端最高、最低氣溫分別為39.7 ℃、-13.1 ℃.本文研究對象為南京的高淳老街，場地占地面積約為1 hm2，內(nèi)部地形平坦，空間布局多樣，建筑組合排列復(fù)雜，場地縱橫交錯呈規(guī)律化，人群分布較為平均，適宜作為研究場地.

1.2 測點設(shè)置

根據(jù)現(xiàn)場考察，選取冬夏兩季晴朗無風(fēng)的典型氣象日為代表，夏季氣象日選擇為2019年7月21日，冬季氣象日選擇為2020年1月19日.測量工具有DHM2A通風(fēng)干濕表、FYF-1三杯風(fēng)向風(fēng)速儀，分別手持儀器距地1.5 m定點觀測，與胸線齊平，以確保測量數(shù)值不受下墊面、水體等其他要素干擾，從而使測量數(shù)值更貼近實際情況.測點根據(jù)不同的景觀要素和建筑方位設(shè)置，以確保選取類型覆蓋整個場地，如圖1，表1：

圖1 測點分布圖

表1 高淳老街冬夏兩季測點現(xiàn)狀表

1.3 問卷調(diào)查及結(jié)果分析

據(jù)前文所述，問卷調(diào)查的作用在于提取游客的主觀感受而獲得人體熱感覺評價，利于把握人在空間中的態(tài)度和傾向.人體主觀熱感覺分為心理和生理兩種，與城市小氣候和客觀熱舒適性息息相關(guān)，但具有不穩(wěn)定性，難以量化和把控.人的心理適應(yīng)作用會在當(dāng)周圍小氣候條件不佳時，自動調(diào)節(jié)人對于不舒適狀態(tài)的忍耐力.隨著四季更替，人的生理適應(yīng)能力亦會有意識的提醒自身增減衣物，調(diào)節(jié)人體新陳代謝速率，以達到熱舒適平衡.問卷調(diào)查中所得到的不同季節(jié)的人的衣著打扮，可作為數(shù)據(jù)計入rayman的服裝熱阻系數(shù)(clo)，進而佐證基于數(shù)字平臺的客觀人體熱感受分析，以完善研究的科學(xué)性與全面性.

本次研究將問卷調(diào)查分別冬夏兩季，根據(jù)不同季節(jié)人群穿打扮及體表感受.在夏季人體感受主要分為舒適、比較舒適、一般、熱、比較熱、非常熱六個衡量值；在冬季分為非常冷、比較冷、冷、涼、稍涼、適中六個衡量值.其中，在夏季各測點分發(fā)問卷一共440份，收回392份有效問卷，在冬季共分發(fā)問卷440份，收回409份有效問卷.問卷調(diào)查結(jié)果如下圖2.

如圖2，夏季人體熱舒適呈谷狀分布，“比較熱”和“非常熱”指數(shù)集中在12∶00～16∶00，在13∶00～14∶00達到峰值；其中傅家巷和河濱街尤為炎熱，在8∶00～10∶00以及17∶00～18∶00為主要舒適階段.冬季人體感受大多偏冷、涼，在12∶00～14∶00普遍感受適中；而在8∶00～10∶00和17∶00～18∶00階段人體熱舒適為“非常冷”和“比較冷”，其中最具代表性的有河濱街.

圖2 冬夏兩季問卷調(diào)查人體熱舒適分布比例

2 結(jié)果與分析

2.1 冬夏兩季小氣候?qū)崪y分析

2.1.1 夏季

從2019年7月21日實測數(shù)據(jù)與氣象數(shù)值來看(圖3)，夏季空氣溫度各測點普遍在13∶00～14∶00達到峰值，其中在14∶00空氣溫度達到拐點，14∶00各測點空氣溫度分布為：傅家巷(37.4 ℃)>主街(37.2 ℃)>北入口(37 ℃)>吳氏宗祠(36.8℃)>關(guān)帝廟(36.6 ℃)>倉巷入口(36.5 ℃)>河濱街(36.4 ℃)>南入口(36.2 ℃)>氣象(35 ℃).夏季相對濕度14∶00各測點排布如下：吳氏宗祠(54.3%)>關(guān)帝廟(51.4%)>倉巷入口(50.2%)>北入口(49.8%)>主街(49.6%)>河濱街(49.4%)>南入口(48.7%)>傅家巷(48.5%)>氣象(48.2%).綜合來看，相對濕度變化穩(wěn)定的是吳氏宗祠，波動較大的為北入口和關(guān)帝廟.以14∶00為例，各測點的平均風(fēng)速分布如下：氣象(1.8 m·s-1)>北入口(0.26 m·s-1)=倉巷入口(0.26 m·s-1)>南入口(0.16 m·s-1)>主街(0.15 m·s-1)>河濱街(0.03 m·s-1)>吳氏宗祠(0.1 m·s-1)=關(guān)帝廟(0.01 m·s-1)=傅家巷(0.01 m·s-1).所有測點的平均風(fēng)速值都遠低于氣象數(shù)值，其中，風(fēng)感強烈的地方有吳氏宗祠和關(guān)帝廟.

圖3 夏季各測點小氣候因子實測分布圖

據(jù)上述分析可知，夏季太陽輻射強烈，主街溫度高于其他測點，這是由于場地內(nèi)仿古磚鋪地及建筑物表皮的蓄熱性導(dǎo)致溫度升高，又無大量植物和水體調(diào)節(jié)，從而相對濕度較低，形成了干燥的局部“熱島”.而植物的蒸騰作用能夠顯著調(diào)節(jié)濕度，緩解強烈的太陽輻射所造成的濕度降低，如南入口與關(guān)帝廟，二者空氣溫度并不高，且濕度值也適中.在江南地區(qū)，夏季通常為東南季風(fēng)，東南-西北走向更適合通風(fēng)廊道的營造，自然風(fēng)能帶走場地內(nèi)過多的熱量，而其他走向的廊道或多或少阻擋了自然風(fēng)，因而建筑方位不符合條件的傅家巷則不能直接通過季風(fēng)來調(diào)節(jié)區(qū)域小氣候.因此，人體熱感受較為舒適的測點為關(guān)帝廟和南入口.

2.1.2 冬季

從2020年1月19日實測數(shù)據(jù)來看(圖4)，各測點空氣溫度趨勢走向大致相同，空氣溫度從10∶00開始大幅度上升，在12∶00～15∶00中達到峰值.在14∶00各測點分布如下：主街(11.3 ℃)>南入口(10.6 ℃)>氣象(10 ℃)>關(guān)帝廟(9.8 ℃)>河濱街(9.7 ℃)>北入口(9.6 ℃)>吳氏宗祠(9.4 ℃)>傅家巷(9.2 ℃)>倉巷入口(9.1 ℃).相對濕度則從9∶00開始陡降，16∶00開始回升，14∶00各測點分布為南入口(52.3%)>關(guān)帝廟(51.8%)>傅家巷(51.6%)>北入口(51.4%)>吳氏宗祠(50.9%)>河濱街(50.8%)>倉巷入口(50.4%)>主街(49.8%)>氣象(49%).從平均風(fēng)速實測圖表中綜合來看，河濱街的平均風(fēng)速較其他測點則更為強烈.同樣以14∶00為例，可看出各測點分布為：氣象(0.5 m·s-1)>河濱街(0.3 m·s-1)>主街(0.15 m·s-1)>北入口(0.1 m·s-1)=倉巷入口(0.1 m·s-1)>南入口(0.08 m·s-1)=關(guān)帝廟(0.08 m·s-1)>吳氏宗祠(0.05 m·s-1)>傅家巷(0.03 m·s-1).

圖4 冬季各測點小氣候因子實測分布圖

由上述分析可得，冬季主導(dǎo)風(fēng)為西北風(fēng)，因此西北走向的河濱街和主街的平均風(fēng)速普遍較高，加之街道狹長，從而形成了較大風(fēng)力的通風(fēng)走廊，其中河濱街在14∶00達到最高值，為0.3 m·s-1，主街則在18∶00達到峰值，為0.3 m·s-1，而南入口的北面建筑擋住了部分強風(fēng)，使得場地內(nèi)無強烈風(fēng)感.同時東西面的建筑物若過于高大亦會阻擋過多的太陽輻射，造成不舒適的寒冷，譬如北入口與河濱街，其中，河濱街的空氣溫度均值更是低于氣象溫度均值.此外，南出口場地內(nèi)的落葉大喬位于場地中央，由于在冬季，南出口上方空間開闊且無遮擋，能夠吸收大量太陽輻射，因而使得該場地內(nèi)空氣溫度值較高，相對濕度平均值也高于其他測點.因此在冬季，南入口人體感受最為舒適.

2.2 PET與小氣候因子關(guān)聯(lián)性討論

本次研究采用生理等效溫度(Physiological Equivalent Temperature，PET)作為人體熱舒適性評價指標(biāo).隨著氣象學(xué)和人體熱量平衡的進一步發(fā)展，由Peter Hoppe[9]在慕尼黑人體熱量平衡模型(MunichEnergy Balance Model for Individuals，MEMI)的基礎(chǔ)上推導(dǎo)而來.定義為給定環(huán)境下的生理平衡溫度, 其值等于典型室內(nèi)環(huán)境下達到室外同等的熱狀態(tài)所對應(yīng)的氣溫.PET能夠計算給定環(huán)境條件下真正的熱量流和人體溫度，至今被諸多研究者用來作為人體熱舒適的重要評價指標(biāo).經(jīng)過近幾十年來國內(nèi)外專家學(xué)者的不斷完善，PET是目前較為完善且能夠成熟運用于各種小氣候研究的評估方法.

本次研究主要討論以空氣溫度、相對濕度以及平均風(fēng)速與PET的相關(guān)性.由上述研究可知，目前計算PET較為常見的軟件為rayman，在該軟件面板中輸入測量日期、各測點的海拔經(jīng)緯度、人體因素、服裝熱阻系數(shù)以及在不同時間段內(nèi)的小氣候因子數(shù)值，綜合上述問卷調(diào)查中的人群分布和穿衣程度，將人體因素設(shè)置為1.75 m高、75 kg、35歲的男性，冬季服裝熱阻系數(shù)設(shè)置為1.1 clo，夏季為0.6 clo，即可得出在不同季節(jié)不同時間的相關(guān)測點的PET值[10].

以14∶00為例，各測點PET值大小分布如下，冬季為北入口(17.2 ℃)>南出口(17.1 ℃)>主街(16.8 ℃)>傅家巷(16.3 ℃)>關(guān)帝廟(16.2 ℃)>吳氏宗祠(15.8 ℃)=河濱街(15.8 ℃)>倉巷入口(14.8 ℃)，夏季為北入口(46.7 ℃)>傅家巷(45.8 ℃)>主街(45.4 ℃)>吳氏宗祠(44.8 ℃)>南出口(44.7 ℃)>河濱街(44.5 ℃)>關(guān)帝廟(44.2 ℃)=倉巷入口(44.2 ℃).從排列結(jié)果可以看出，冬季河濱街、倉巷入口的PET值較其他測點略低，其人體感受為微涼，屬于輕微冷應(yīng)激反應(yīng)，夏季北入口、傅家巷的人體熱感受為很熱，屬于極端熱應(yīng)激反應(yīng)，極不舒適.

此結(jié)果基本與問卷調(diào)查基本一致，在14∶00的夏季感到“比較熱”和“非常熱”且引起人不舒適的場地主要為有傅家巷和主街，在冬季的14∶00感到“適中”且較為舒適的場地有關(guān)帝廟和傅家巷.問卷調(diào)查與rayman的所得出結(jié)果的其差別在于問卷調(diào)查除了記錄人體主觀反應(yīng)，還包含了不可避免的人為熱量，而根據(jù)徐熙炎[11]等人的研究表明，人類在日常活動所產(chǎn)生的人為熱量對小氣候的影響微乎其微.因而利用rayman計算的數(shù)據(jù)所得出PET，并將其進一步量化，使得研究更為直觀，并未脫離實際.

2.2.1 PET與空氣溫度

根據(jù)分析冬夏兩季的PET值與溫度的相關(guān)性情況，絕大多數(shù)R2值大于0.9.夏季R2值分布為：倉巷入口(0.998 4)>吳氏宗祠(0.987 5)>傅家巷(0.981 9)>南入口(0.972 6)>河濱街(0.971 4)>北入口(0.963 4)>氣象(0.947 8)>關(guān)帝廟(0.935 7)>主街(0.934 7).冬季為倉巷入口(0.983 6)>南入口(0.982 4)>關(guān)帝廟(0.965 7)>吳氏宗祠(0.963 4)>主街(0.962)>河濱街(0.939)>傅家巷(0.936 3)>氣象(0.971 3)>北入口(0.839 5).由此可知在高淳老街中，空氣溫度是與生理等效溫度影響最相關(guān)的小氣候因子.隨著時間的增長，呈正相關(guān)性.其中倉巷入口的冬夏兩季回歸效果最為明顯，這是由于該點的場地現(xiàn)狀為半開敞空間，場地開闊無水無植物，沒有任何干擾因素，太陽輻射成為主要原因.

2.2.2 PET與相對濕度

2.2.3 PET與平均風(fēng)速

圖5 冬夏兩季PET與小氣候因子關(guān)聯(lián)性分析圖(以吳氏宗祠、倉巷入口為例)

3 結(jié)論與討論

本次研究選取影響熱舒適性的景觀要素主要包含：建筑與街道的高寬比、建筑方位及空間組合、植被覆蓋率與下墊面4類，影響該結(jié)果的主要原因與分析如下：

(1)建筑與街道的高寬比

過高的建筑在夏季遮擋強烈的太陽輻射的同時，也會影響植物的生長，阻礙空氣流通，在心理上給人造成壓迫感，在冬季也會使得空間呈現(xiàn)“極不舒適”狀態(tài).據(jù)上述綜合研究可知，在夏季，河濱街、倉巷入口人體熱感受普遍較為舒適，因而夏季合適建筑與街道的高寬H/W區(qū)間比約為1.09～1.54，冬季則是北入口、南出口人體熱感受明顯優(yōu)于其他測點，其冬季適合的高寬比H/W值區(qū)間應(yīng)在0.34～0.8最為合適.

(2)建筑方位及空間組合

就建筑方位而言，在江南地帶常見的夏季風(fēng)為東南風(fēng)，符合風(fēng)向即東南方向無過高建筑遮擋的空間，則可利用自然季風(fēng)調(diào)節(jié)局部微氣候，減少人為能源消耗，譬如夏季的河濱街.而在空間組合中，不阻礙風(fēng)道的、西北面有建筑遮擋的半開敞空間，在夏季較其他空間則表現(xiàn)更為舒適涼爽，在冬季亦可抵擋部分西北風(fēng)，避免“寒冷”的戶外感受，從而保持空間的恒溫性，綜合而言河濱街、南出口的表現(xiàn)略優(yōu)于其他測點.加之配置適量的休憩設(shè)施，能夠成為良好的停留空間，大大提升了空間的使用率.

(3)植被覆蓋率

植物能夠起到降溫增濕的作用，調(diào)節(jié)微氣候.然而目前歷史街區(qū)的植物配置和栽植多為傳統(tǒng)模式，植物類型以單一的喬木或者灌木為主，且功能多為建筑的點綴或配景[12].在更新改造中，除應(yīng)保留傳統(tǒng)民居利用植栽保護墻面、防止西曬等作法，還應(yīng)在公共空間中運用合理的植物配置，充分發(fā)揮其生態(tài)功能.如在有限的空間內(nèi)，以喬木為主，輔以灌木豐富下層空間，地被裝點花草，形成高低錯落的復(fù)層種植模式.而喬木的選取應(yīng)以闊葉落葉喬木為主，在夏季能阻擋強烈的太陽輻射，形成舒適的林蔭空間，而在冬季落葉后，由便于納陽，緩解寒冷氣候造成的不適.

(4)下墊面

歷史街區(qū)下墊面種類多樣、紋路特殊，如磚石、仿古磚、花崗巖、青磚等.下墊面對人體熱舒適度的影響，主要體現(xiàn)在粗糙程度、顏色、比熱容、反射率、吸收率以及透水性等.現(xiàn)存的歷史街區(qū)路面多為透水性較差的鋪裝材質(zhì)，紋理凹凸不平，對太陽的反射率低，吸收率大，使得下墊面層溫度遠遠高于氣象溫度，在較為閉合的空間內(nèi)形成了“熱島”[13].因此可使用表面粗糙、比熱容較大、顏色淺以及透水性能好的下墊面，以調(diào)節(jié)周圍溫濕和太陽輻射.此外，也可以引入新興材質(zhì)，譬如透水仿古磚、新型“氣候磚”、防腐木材等[14]，既能夠保證歷史街區(qū)風(fēng)格的統(tǒng)一性，同時其透氣性也能降低材質(zhì)自身的吸熱性，減少城市微氣候，營造舒適的生活環(huán)境.此外，在條件允許的情況下，下墊面亦可與地下雨水收集裝置相結(jié)合，以達到平衡地表溫濕環(huán)境的目的.

由上述分析可知，太陽輻射與溫度有強相關(guān)性，空氣溫度又直接影響到生理等效溫度的數(shù)值，即空氣溫度與生理等效溫度的關(guān)聯(lián)性最高.因此對于歷史街區(qū)風(fēng)熱環(huán)境的調(diào)控，最為關(guān)鍵的就是夏季可消減太陽輻射，降低空氣溫度，通風(fēng)散熱；冬季能阻擋寒風(fēng)，采光納陽.結(jié)合上述原因分析，高淳老街各測點做如下的具體改造策略，如下表2：

表2 各測點相關(guān)改造策略

江南地區(qū)自古以來是富庶之鄉(xiāng)，歷史街區(qū)的存在既能夠豐富城市功能的構(gòu)成，也適宜人類駐足停留、居住生活，同時增加了旅游文創(chuàng)收入.本文以城市內(nèi)部低高度、高密度類戶外空間的歷史街區(qū)為例，探尋小氣候因子與生理等效溫度的關(guān)聯(lián)性，找出影響小氣侯的具體景觀要素，改善歷史街區(qū)熱環(huán)境，提升人體舒適度，對建設(shè)資源節(jié)約型和環(huán)境友好型的歷史街區(qū)環(huán)境，具有重大現(xiàn)實意義，亦能為其他不同地區(qū)的歷史街區(qū)的更新提供新思路與參考意見.