教授观点：江南传统村落的空间形态对小气候和人体舒适度的影响

Effect of the Spatial Form of Jiangnan Traditional Villages on Microclimate and Human Comfort

熊瑶

南京林业大学艺术设计学院生态景观设计系主任，副教授

南京林业大学金埔研究院，专家

主持国家自然科学基金青年基金项目。两项发明专利，57项实用新型专利，14项授权外观专利，并已成功向景观设计公司进行专利转让。依据研究所得的夏热冬冷地区城市公共空间气候适应性设计策略，完成社会服务设计项目若干，包括：黄山市中心城区绿化总体提升设计、南京星甸中央公园景观设计、南京市雨花台区罐子山山体修复设计、安徽青阳合田生态园景观规划设计、安徽芜湖大阳垾湿地公园建设等。

观点摘要：为了探索传统适应的要素,总结改善村落气候适应性的设计策略,在具体实际案例中进行解释，我们对南京佘村进行了小气候研究,检查周围景观如何影响村庄街道和公共空间的空间布局。在村庄周围的若干地点测量了气温、相对湿度和平均风速,并与南京市区气象站采集的类似数据进行了比较，采用实地观测和数值模拟研究方法,分析南京佘村的冬夏两季气候条件，进行对传统村落的整体空间结构及其与村落气候环境之间的整体与局部空间形态的相关性分析。讨论传统村落外部周边景观空间、街道空间和公共空间的空间形态与小气候因子之间的关系,利用实验和模拟数据研究佘村的景观与村落街道空间形状的关系,以及公共村落空间与小气候环境的关系，基于数据结果表明,传统村落的选址符合当地条件,利用周边的景观环境为村落提供了更舒适宜居的环境，为现代公共空间的设计提供了有用的参考。

一、引言

      极端天气的频繁发生给家庭健康带来风险,而对环境舒适性的需求也在不断增长。城市景观中的气候适应设计研究已经成熟,伴随着农村建设的快速发展，但这些村落正面临翻新和改造性建设的压力,对传统村落的深入理解对其适当翻新和建设具有非常重要的意义。

      热环境是指太阳辐射、气温和周围物体表面温度等气候因素;相对湿度和风速如何作用于人体;以及对人体直观热感知的影响。热环境舒适度是对周围热环境的主观评价,它是评价环境舒适度的一个重要指标。温度、相对湿度和风速等气候变量以及人的活动水平和穿着对身体舒适度有重要影响。

      随着中国快速发展,国家提出的促进新农村建设、自然保护、农村建设和乡村振兴的政策推动了农村发展和建设的新进程。很少有研究对传统村落的整体空间结构及其与村落气候环境之间的整体与局部空间形态的相关性进行分析。

二、方法

1、佘村

      以南京佘村为例,定量研究了村落景观和公共空间的空间形态与小气候因子的关系,以探讨村落的选址和空间形态如何适应当地环境以促进舒适的本地小气候的形成，为中国农村地区的发展提供有效建议。

图1.佘村

      佘村位于南京市江宁区东山街道,规划控制面积30.3公顷，西北连接黄龙山,东北连接大练山,南面为佘村水库。地势总体上西北高东南低。该地属亚热带湿润气候,春秋季短,冬夏季长。冬夏温差显著,雨量充沛,年平均雨量800-1500毫米;相对湿度76%。

      佘村有数千年的历史，其明清建筑得以保留和呵护,在原建筑基础上进行重建,村外围的环境被认为是一个“风水宝地”——代表了中国江南地区典型的以山为依托的村落。

2、实地观测方法

      进行固定点野外观测。在地面上1.5米高处设置通风干湿计DHm2A(准确度:温度≤±5%,湿度≤±3%)和FYF-1便携式三杯风向风速仪(准确度:±(0.3 + 0.3v) m·s-1),并记录气温(AT)、相对湿度(RH)和平均风速(WS),这些测量仪器直接反映了当地的风、湿度和热环境。

（1） 测试点设置

      从景观格局、街巷空间形态和公共空间三个方面研究了佘村的小气候环境和人体热舒适度，根据研究目的、实验条件和村落的空间特征,从三种空间类型中选择了测量点:边缘空间、街巷空间和公共空间。设置了9个测量点,如下:公共空间2个,街巷3个,边缘空间4个(图2,表1)。充分考虑建筑密度、水体环境和周边环境类型的影响。

表1.测试点放置

图2.分区测试点

（2） 城市气象数据参考

      为了更准确地研究传统村落环境中的小气候构建,我们提取了距佘村7公里的南京栖霞气象站2018年1月24日至29日和8月1日至5日期间的气象数据,作为外部参考和模拟初始值。

（3） 数值模拟方法

      采用数值模拟方法通过计算机建模模拟场地环境,计算相关数据,科学验证理论,如图3所示。实际测量包括村庄周边测量点的预备数据。本研究局限于整体景观空间布局下的村落小气候特征,采用数值模拟来解决无法测量村庄所有区域引起的问题。模拟采用ENVI-met进行建模和模拟。ENVI-met的模拟功能已被采用来探究小中城市动态小气候变化。

图3.研究方法

      ENVI-met根据物理学和生态学规律,如热力学、流体动力学和气象学,全面模拟场地气候环境的动态变化的影响因素,分析和评估土壤、铺装和建筑材料以及植被对气候环境的影响。在ENVI-met模拟中,冬夏参数值包括初始模拟值、时间、风速、风向、底面材料和相对湿度。具体设置见表2

表2. ENVI-met模型的参数配置

      作为评估标准之一的生理等效温度(PET)是使用热环境评估模型RayMan计算。使用以下数据:测试点的基本信息(纬度、经度、海拔高度、时区)、测量的气候因子数据(气温、相对湿度和平均风速)、模拟的太阳辐射数据以及人为因素条件输入后,获得热环境评价指数PET值。

三、结果与讨论

1、 测量数据

（1） 气温

      在每个测试日每个测点测量了08:00至16:00的气温值(图4),并获得了佘村每个测点与南京市气象站的气温差值。发现,在夏季,佘村每个测点的气温变化趋势相同。温度从08:00升高到14:00,之后开始下降。一些测点的温度,如测点6,升高速度比其他点快。但是峰值一致达到在14:00-15:00。

图4.各测点夏季实测气温图(左)及冬季(右)

      冬季测量结果显示,佘村每个测点的平均气温均高于气象站。测点7和8的升温速率在08:00至11:00快于其他测点。12:00后变化趋势平缓,在13:00达到峰值。最高的冬季气温出现在建设村中间的测点5,与气象站相差4.2°C。最低的冬季气温出现在孙家西北的测点1,与气象站相差0.16°C。

       除测点5外,冬季升温平缓。测点5建筑高度3-6米,建筑密度较高,建筑以南北方向略偏西北,起到削弱冬季西北风效应,有效阻挡风力,保持较高的冬季气温。

      总之,佘村大多数测点的气温在夏季低于城市,在冬季高于城市,创造了相对舒适的小气候生活空间。城市结构、土地利用分布和村落空间类型对气温有影响。紧凑的低层建筑在夏季相互遮荫,减少辐射面,形成较低的夏季气温。冬季,建筑方位遮挡寒风,降低街道层面的风速,有助于保持较高气温。黄龙山西侧对气温变化有较大影响,距离山越近,影响越大。如测点1、4和8所示。

（2） 相对湿度

图5.显示了在每个测试日每个测点从08:00到16:00测量的相对湿度值

      (图5)获得了佘村每个测点与南京城市气象站的相对湿度差值。在夏季,相对湿度峰值在08:00。测点7的相对湿度最高,与气象站的相对湿度值差为2.1%。13:00时相对湿度最低,。广场开敞空间有利于空气流动,阳光直射加速水汽蒸发,造成相对湿度快速下降。

      在冬季,每个测点的相对湿度均高于气象数据,并呈现从08:00至16:00的下降趋势。从11:00至15:00,测点6的湿度下降速度高于其他测点,测点6与气象数据间的差值在15:00达到最小,即4.14%。白天时差值最大时为15:00。在冬季,空间的开闭程度和水域环境对相对湿度值的影响较大。测点4在黄龙山西南,上午不遮挡阳光,所以湿度先从08:00至10:00下降,11:00后遮荫增加,西南水塘的蒸发加速了湿度的上升,出现先降后升的湿度变化趋势。

      总体上,在冬夏无山水影响的开敞空间,相对湿度先升后降。上午阳光辐射导致剩余地表水分蒸发,造成相对湿度升高。到12:00左右,空气中的水汽完全蒸发导致相对湿度急剧下降。在村西,山体对一些测点的相对湿度有影响。上午当阳光未被遮挡时,湿度快速下降。10:00后遮荫区蒸发迅速发生,导致湿度上升。

（3） 平均风速

      图6显示了在测试日每个测点从08:00到16:00测量的平均风速,获得了每个测点与南京城市气象站平均风速的差异。在夏季,每个测点的平均风速在13:00达到最高。而测点1和5为最低测点。在夏季,平均风速与开敞空间呈正相关,与建筑密度呈负相关。

图6.各测点夏季(左)和冬季的实际风速图(右)

        在冬季,平均风速变化趋势较弱。在15:00,每个测点记录到最高风速,显示村西的山体削弱了冬季西北风对村落的影响,建筑密度也与风速正相关。

总之,山水空间布局显著影响了村内的平均风速。村西的山体有效削弱了冬季风力,为村落提供了稳定安静的风环境。村东大面积的平原农田有利于夏季的通风散热。同时,建筑密度和建筑高度与平均风速呈正相关,局部小空间的开敞也更大程度影响平均风速。

2、 生理等效温度分析

（1） 生理等效温度

      PET(生理等效温度)是人体热舒适度的科学定量评价指标。评价标准综合了气象参数、地理位置、服装和个人因素。PET是Höppe提出的慕尼黑个人能量平衡模型(ME-MI)导出的热指数。它被定义为有限环境下的生理平衡温度,其值等于典型室内环境下等效热状态的室外温度。

表3.南京地区生理等效温度分布

（2） PET计算与分析

      图7和图8的分析显示,佘村夏季PET值变化范围显著。关于夏季热舒适度,佘村测量点可分为“暖”、“热”和“极热”三类,大多分布在“极热”类别。其中,测点6的PET值在15:00达到最高,说明该测点人体的热感受极不舒适,可能威胁居民健康,需要改善该点强烈的热岛效应。在冬季,佘村PET值总体较高。佘村冬季人体感受分布有六类:“极冷”、“冷”、“凉”、“微凉”、“舒适”和“微暖”。

图7.佘村夏季(左)和冬季(右)不同测点PET值

图8.佘村冬夏人体感受分布图

3、 不同空间形态要素与小气候效应分析

      根据测量数据结果和数值模拟图,分析了佘村不同尺度空间类型对小气候效应的影响,并总结了在不同类型空间改善小气候效应的因素,作为农村建设的科学合理建议。

（1） 整体空间布局

      “阳宅阴绕,正朝水背靠山”是中国传统房屋、村落选址的理想模式,充分符合环境,创造更舒适的生活空间利于良好生活环境和地方小气候的形成。有两大风水学派，第一派(图9)注重利用外部自然环境调节气流和太阳辐射量,与水源保持易利用和安全距离。第二大风水学派侧重五行阴阳的方位布局。佘村的选址完全符合这一传统理想模式(图10)。村子东西两侧环山,西侧贴近村边。冬季,西侧山体形成冬季风的障碍,减弱其对村落的影响。东侧离村较远,中间隔着大片平原,为夏季风提供陀螺空间,有利通风散热。东侧蜿蜒的水系和南侧大面积水体增加了村内湿度,便于农田灌溉。

图9.夏冬测量与模拟气温线性回归

图10.佘村景观与小气候效应分析

（2） 街巷空间格局

      街巷空间是传统村落的基本元素,反映着村落的佘会经济结构。佘村独特的景观格局、环绕的水系和不同规模的建筑为街巷营造了独特的小环境(图11)。村内所有道路属明确的道路等级,根据宽度和交通量划分。

佘村背景关系        关系中心建设村背景   西北孙家村背景关系

图11 .佘村关系图地关系

      根据测量结果,不同密度建筑群形成的街巷空间对小气候的影响不同。通过线性回归,分析了冬夏测量与模拟数据。如图12所示,9个测点在冬夏的模拟气温值与测量值总体一致。其中,测点6相关系数最高,夏季R2值为0.99。模拟相对湿度与实测数据吻合良好(R2>0.7)。

      对冬夏温度的纵向比较显示,夏季早晨村内温度高于村外,孙家西北街巷是高温区。周边山体也影响街巷小气候,长窄街巷本身有一定的保温效应,12:00内部温度低于外部。建设中间街巷是相对低温区。建筑之间相距近,减少了太阳辐射,降低了升温速率,使建设中间12:00后的温度低于其他街巷。在冬季,由于太阳角度低,街巷辐射面扩大。14:00后,建设中间周边温度快速上升,建筑以南北定向有效阻挡冬风,维持街巷热舒适度。

      对冬夏湿度的纵向比较显示,街巷宽度对湿度的不同影响。夏季早晨,村内湿度低于村外。12:00后,湿度较高,这与既往研究结果一致。散乱建筑群不利于空气流动,阻碍水汽流动,街巷之间局部小面积日照阻碍了蒸发。建设中间窄街巷湿度长时间保持高峰。在冬季,由于西侧风被阻,村内受风影响较小。

由于风速为瞬时数据,村内风速变化不大。建筑群对风速有明显影响。建筑密度对风速影响显著,建设中间大面积代表风静态。

（3） 村落公共空间

       九龙广场位于佘村中部,面积约2400平方米。它沿东西轴将佘村一分为二,广场在村口。东侧为低洼农田,南北侧邻接建筑(图12)。夏季温度从08:00至16:00高于气象数据,平均差值1.32°C。开敞无水加速了蒸发,白天湿度急剧下降。结合大面积绿地未能阻挡夏冬风。空间形成风道,风速可达夏季3.20 m·s-1,冬季1.90 m·s-1,为村落沿路形成风通道,加速气流,有利于内部通风。

                         九龙广场                                                                           建国西北部分绿地

图12. 九龙广场和建国西北部分

      建国西北绿靠近村尾。面积约30平方米。由北侧公共空间和南侧停车场组成。此处讨论北侧公共空间(图12),东侧为半开敞空间,邻接建筑。底面铺设蓝砖,有4个石凳。每个石凳上方种植高大乔木,提供遮荫。根据数据,测点4夏季温度最低,与气象数据平均差2.4°C。常绿树木灌木形成天然屏障,遮挡夏季太阳辐射,为居民提供舒适遮荫,有效降低温度,增加湿度。测点4冬季平均温度第三高,高出气象数据平均2.91°C。

四、 策略

      根据上述测量和模拟情况,对佘村内部空间进行分类梳理,按照江南气候特点归纳佘村适应气候的空间类型。

表4.空间形态与气候适应性综述

五、结论

      本研究从景观、街空和公共空间三个空间层次,中观到微观尺度分析了江南传统村落的整体空间结构。基于实测数据和数值模拟,分析了不同空间的特征,归纳了改善策略。主要结论如下:

      (1)传统江南村落善于利用自然环境,适应天然气候,创造更舒适的小气候环境,因而有益居民健康。本研究通过测量数据、生理等效温度和模拟验证了佘村风、光、湿等小气候因子受周边环境影响。通过景观“风水”的有效利用,在一定程度上调节了全村温湿度。平均气温冬季比城市高2-3°C,具热绝缘作用;平均湿度夏季比城市低3.06%-9.08%,缓解潮湿。验证了“靠山朝水”的冬夏调节效应,改善小气候环境。

      (2)对村内空间研究发现,建筑密度、建筑朝向、街巷宽度直接影响照射面,形成相对低温区,利于气流,形成局部气流通道,提高风速。增加密度,朝南的建筑削弱冬风,提高街巷冬温,形成舒适小气候。

      (3)公共空间分布于全村。合理的乔灌草配置或水景能改变这些空间小气候。通过PET比较,冬夏PET值顺序为:建筑群空间(MP1、3和5)>植被空间(MP2)>水体空间(MP4)。冬季PET值与舒适感正相关,夏季反相关。植被空间PET平均值比水体空间冬季高3.18°C。说明水体夏季有利空间舒适度调节,而冬季相反,植被调节效果高于水体。

基于野外测量与模拟相结合,本研究按照江南区域小气候特征,归纳佘村不同空间类型适应小气候的策略,提供了科学参考,也为新农村建设提供模式。

（本文内容来源于“Yao Xiong , Jianping Zhang , Yan Yan , Shibo Sun , Xiyan Xu ,Ester Higueras , Effect of the Spatial Form of Jiangnan Traditional Villages on Microclimate and Hu-man Comfort, Sustainable Cities and Society (2022), doi: https://doi.org/10.1016/j.scs.2022.104136”）

（编辑：孔杰8221321362）