水鄉(xiāng)聚落公共空間小氣候感受評(píng)價(jià)
——以同里古鎮(zhèn)為例

■ 馬椿棟 MA Chundong 劉濱誼 LIU Binyi 張 琳 ZHANG Lin

1 背景

對(duì)環(huán)境的氣候適應(yīng)性空間是人類生存的重要途徑和保障[1]，傳統(tǒng)聚落景觀是在一定的地域環(huán)境內(nèi)，由自然要素和人文因素相互作用形成的綜合體[2]。江南地區(qū)水鄉(xiāng)聚落是傳統(tǒng)人居環(huán)境系統(tǒng)中的一種重要形式，也是人類通過選址氣候適宜的地區(qū)聚居，并進(jìn)一步適應(yīng)和有機(jī)改造，使其形成能長期穩(wěn)定發(fā)展的景觀。同里古鎮(zhèn)于宋代建鎮(zhèn)，經(jīng)歷近千年發(fā)展，所表現(xiàn)出的人居環(huán)境的生態(tài)、形態(tài)、情態(tài)和諧，除聚落選址外，其本身內(nèi)部的空間類型多樣，形態(tài)結(jié)構(gòu)蘊(yùn)含著小氣候的營造智慧[3]。從人居環(huán)境理論出發(fā)[4]，研究小氣候環(huán)境感受與傳統(tǒng)水網(wǎng)地區(qū)人居模式的關(guān)聯(lián)特征，探尋水鄉(xiāng)環(huán)境聚居游的熱舒適性空間模式，需要跨學(xué)科的共同研究，如何以實(shí)測為基礎(chǔ)、以量化為依據(jù)、以空間為載體，進(jìn)行小氣候感受效能的總體評(píng)價(jià)，是當(dāng)前傳統(tǒng)聚落景觀公共空間營造策略研究的重要方向。

本研究以同里古鎮(zhèn)為例，基于現(xiàn)場實(shí)測驗(yàn)證，選取初夏時(shí)期中某一天的4個(gè)時(shí)段，應(yīng)用計(jì)算流體力學(xué)熱流仿真平臺(tái)進(jìn)行數(shù)值模擬，再現(xiàn)小氣候風(fēng)濕熱物理過程，建立同里古鎮(zhèn)戶外公共步行空間小氣候物理和感受可視化圖解，力圖評(píng)估其不同時(shí)空類型的熱舒適度分布格局，并進(jìn)一步重構(gòu)探究傳統(tǒng)水鄉(xiāng)聚落小氣候環(huán)境中，水體、植被、建筑等空間要素結(jié)構(gòu)與小氣候熱舒適感受的聯(lián)系，總結(jié)其公共空間中改善小氣候感受的模式策略。

2 研究內(nèi)容

2.1 研究對(duì)象

同里古鎮(zhèn)（120。7'E，31。2'N，5m）位于蘇州吳江，是典型網(wǎng)狀布局的傳統(tǒng)水鄉(xiāng)聚落[5]，是重要的歷史建成遺產(chǎn)。整個(gè)研究區(qū)呈塊狀，被水網(wǎng)縱橫分隔環(huán)繞（圖1），形成居住街坊的整體骨架。環(huán)水的居住街坊內(nèi)，傳統(tǒng)民居密集發(fā)展，形成豐富多變的巷弄肌理，結(jié)合濱水空間、廣場、主要街道，承載主要的戶外公共活動(dòng)，提供類型多樣的空間樣本。同里的古鎮(zhèn)區(qū)目前實(shí)行了嚴(yán)格的保護(hù)措施，已作為旅游景區(qū)，呈現(xiàn)出古鎮(zhèn)居民日常與游客觀光的雙向交織[6]，其逗留與出行的選擇均受環(huán)境舒適性、愉悅性的影響。

2.2 小氣候人體感受適宜性

基于風(fēng)景園三元論[7]，小氣候環(huán)境（背景元）與空間設(shè)計(jì)、建造（建設(shè)元）之間的根本問題是人體感受的舒適性（活動(dòng)元）。熱感受是人體對(duì)環(huán)境冷熱程度的判斷，熱舒適是心理和生理共同作用的，是人體對(duì)熱環(huán)境滿意的程度，其由風(fēng)速、相對(duì)濕度、空氣溫度、太陽輻射、人體活動(dòng)狀態(tài)等共同組合影響，僅單獨(dú)一項(xiàng)氣候因子指標(biāo)很難全面評(píng)價(jià)。對(duì)于熱舒適感受的評(píng)價(jià)方法，主要有物理客觀評(píng)價(jià)、生理評(píng)價(jià)和主觀心理評(píng)價(jià)。其中，心理評(píng)價(jià)的測度主要通過現(xiàn)場調(diào)研主觀感受問卷或感知地圖[8]；生理評(píng)價(jià)通過設(shè)備監(jiān)測腦電、皮電等人體數(shù)據(jù)；物理客觀評(píng)價(jià)是在現(xiàn)場實(shí)測的小氣候數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，結(jié)合活動(dòng)水平與衣著情況，通過熱舒適度指標(biāo)模型來計(jì)算出熱舒適程度，是評(píng)價(jià)小氣候感受的主要方式。預(yù)測平均投票（PMV）、生理等效溫度（PET）、標(biāo)準(zhǔn)有效溫度（SET*）及普遍熱舒適指數(shù)（UTCI）等評(píng)價(jià)指標(biāo)被廣泛使用，本文采用標(biāo)準(zhǔn)有效溫度（SET*）作為小氣候感受評(píng)價(jià)指標(biāo)，其計(jì)算參數(shù)有氣溫、風(fēng)速、平均輻射溫度、相對(duì)濕度、大氣壓和衣著指數(shù)、活動(dòng)強(qiáng)度等。已有研究表明，SET*適合評(píng)估長三角地區(qū)戶外熱感受[9]，對(duì)于初夏季節(jié)同里古鎮(zhèn)步行公共空間熱舒適性研究，本文設(shè)置高170cm、重55kg的人體模型，其服裝熱阻為0.093mK/W（薄短袖），平均新陳代謝率為100W/m2（散步游覽）。

圖1 同里古鎮(zhèn)現(xiàn)狀及測點(diǎn)布局平面圖

受多種條件限制，同里古鎮(zhèn)的空間復(fù)雜、游人集中，不便于進(jìn)行現(xiàn)場觀測，較難以此對(duì)小氣候環(huán)境進(jìn)行全面評(píng)估；且目前多以測點(diǎn)的方式呈現(xiàn)，可作為建成環(huán)境熱舒適性的一種空間抽樣評(píng)估，但受儀器數(shù)量限制，無法整體反映熱舒適感受區(qū)域尺度與空間變化，而計(jì)算機(jī)模擬是實(shí)現(xiàn)小氣候熱舒適感受研究空間化、可視化的有效手段。

2.3 小氣候環(huán)境模擬

CFD模擬分析已廣泛應(yīng)用于汽車、飛行器、電子冷卻、水利等領(lǐng)域。目前，建筑領(lǐng)域的小氣候模擬將風(fēng)環(huán)境與熱環(huán)境分開進(jìn)行研究的較多，且存在長波輻射、地表溫度、水體的模擬不準(zhǔn)確等問題[10]，但綜合的自然過程涵蓋風(fēng)濕熱三元，互相聯(lián)系與影響，密不可分。同時(shí)，對(duì)復(fù)雜自然過程的仿真模擬并不能完全復(fù)原，模擬數(shù)據(jù)缺乏對(duì)模擬結(jié)果的不確定性證明，但模擬數(shù)據(jù)與實(shí)測數(shù)據(jù)的比較可以減少模擬結(jié)果的誤差。

本文采用Cradle scStream熱流CFD模擬軟件進(jìn)行小氣候環(huán)境仿真模擬，其對(duì)流與熱、水蒸氣運(yùn)動(dòng)耦合模擬的方程包括：運(yùn)動(dòng)動(dòng)量方程、溫度方程、絕對(duì)濕度q方程、湍流動(dòng)能k方程、耗散率ε方程、日射的熱量、長波輻射的熱量、對(duì)流傳熱量、材料熱傳導(dǎo)、植物蒸發(fā)散濕潛熱散熱量。

對(duì)于室外風(fēng)環(huán)境計(jì)算：①通過Power Law入流邊界，對(duì)不同類型下墊面的風(fēng)，可以給定高度方向上速度和湍流強(qiáng)度的風(fēng)速梯度冪率輪廓線，并設(shè)置入流風(fēng)速、濕度、溫度等參數(shù)。②通過VF method模擬輻射換熱過程，根據(jù)實(shí)際狀況調(diào)整天空云量和能見度，確定建筑和下墊面材料的太陽輻射吸收率和反射率、長波輻射的發(fā)射率。③考慮植物的熱流效應(yīng)，可根據(jù)不同的樹種，選擇和輸入植被模型和濕熱特征的相關(guān)參數(shù)。④水體的布局與形態(tài)對(duì)小氣候環(huán)境很大，但水體內(nèi)部溫度分層，濕熱不易測取[11]；蒸發(fā)時(shí)的濕熱過程較為復(fù)雜，在常溫空氣下，蒸發(fā)潛熱為2 500kJ/kg，空氣中的熱濕交換由熱質(zhì)交換類比律Lewis Law確定，通常取0.857≈1，濕度擴(kuò)散與大氣壓和溫度有關(guān)。⑤通過多種網(wǎng)格控制和生成方法，進(jìn)行仿真模擬。后處理器可根據(jù)模擬數(shù)值，生成流線、矢量圖、云圖等可視化圖示。

本文對(duì)小氣候環(huán)境中水體蒸發(fā)的濕度影響，植物的風(fēng)濕熱特性、材料物性、自然對(duì)流、輻射和太陽輻射通量、平均輻射溫度空間分布、空氣溫度、地表溫度及其帶來的風(fēng)向風(fēng)速效應(yīng)耦合進(jìn)行數(shù)值模擬。

3 研究方法

3.1 現(xiàn)場實(shí)測

實(shí)測的目的是采集現(xiàn)場小氣候環(huán)境因子（風(fēng)濕熱）數(shù)據(jù)，用以檢驗(yàn)小氣候仿真模擬中同一測點(diǎn)輸出的數(shù)值結(jié)果誤差?？紤]到避免非可控因素（如旅游高峰期的游客流量、人為熱）及天氣狀況（晴朗少云無風(fēng)，晝夜溫差較大，風(fēng)速<2m/s[12]），于五一旅游假期的前一天，時(shí)間為初夏4月30日的7:00～19:00，選取同里古鎮(zhèn)濱水林下空間、濱水開敞空間2處（圖1），進(jìn)行現(xiàn)場觀測。每個(gè)測點(diǎn)放置一臺(tái)watchdog氣象站，每1min自動(dòng)采集1次距地面1.5m高度小氣候物理環(huán)境數(shù)據(jù)（氣溫、相對(duì)濕度、風(fēng)向風(fēng)速、太陽輻射、地溫、氣壓）。由于古鎮(zhèn)環(huán)境局地小氣候與區(qū)域大氣候存在差異，為輔助后續(xù)模擬，宜測量沿上風(fēng)向水平距離約10倍平均建筑高度處、垂直為1倍平均建筑高度的參照點(diǎn)環(huán)境數(shù)據(jù)作為模擬的邊界條件，而由于實(shí)地條件的復(fù)雜性及儀器設(shè)備管理的限制，使前述測量較難以實(shí)現(xiàn)[13]，因而本研究中模擬邊界條件的氣象數(shù)據(jù)來源于測試當(dāng)日當(dāng)?shù)貧庀蟛块T（吳江站）所觀測的逐分鐘10m高度大氣數(shù)據(jù)。實(shí)測表明，1和2測點(diǎn)相對(duì)濕度在13:00前持續(xù)降低，13:00～16:00比較平穩(wěn)，氣壓從早到晚持續(xù)降低，氣溫均在14:00最高，1測點(diǎn)地溫在15:00最高，2測點(diǎn)在12:30最高（圖2），說明1測點(diǎn)下墊面主要受長波輻射，被緩慢加熱，2測點(diǎn)則隨太陽輻射直接變化。

3.2 模擬驗(yàn)證與小氣候感受評(píng)測

圖2 氣象站觀測與現(xiàn)場實(shí)測比較

圖3 同里古鎮(zhèn)小氣候環(huán)境模擬模型

本文基于小氣候風(fēng)濕熱環(huán)境仿真模擬，解析熱舒適指標(biāo)模型，計(jì)算千萬數(shù)量級(jí)算點(diǎn)的熱舒適度，積點(diǎn)成面，發(fā)揮模擬圖解數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)形[14]的功能，以熱感受區(qū)作為熱舒適性和小氣候感受的評(píng)價(jià)方法，解釋研究對(duì)象熱舒適感受區(qū)分布的時(shí)間過程與空間范圍。

3.2.1 模型建立

本模型選取當(dāng)日4個(gè)時(shí)段（9:30、11:30、13:30和15:30）進(jìn)行數(shù)值模擬。平面資料主要來源于Google Earth影像及相關(guān)規(guī)劃圖紙，并結(jié)合實(shí)地 踏勘，對(duì)同里古鎮(zhèn)區(qū)及周邊共1km范圍內(nèi)的建筑、水體、主要植被和下墊面進(jìn)行描繪，建立三維模型，古鎮(zhèn)公共空間（圖3中淺紅色區(qū)域，主要包括巷弄、廣場、街道峽谷、濱水帶）作為熱舒適性評(píng)估研究區(qū)域范圍。導(dǎo)入前處理器，計(jì)算域1 400m×1 200m×200m，域內(nèi)為不可壓縮空氣，設(shè)置初始物體輻射發(fā)射率和各材料物性，采用Standard k-ε湍流模型和View Factor(VF)輻射分析，綜合計(jì)算流體、湍流、熱量、濕度、輻射和太陽輻射。4個(gè)時(shí)段的各初始邊界條件為：①風(fēng)向、參考高度風(fēng)速、氣溫、地溫、相對(duì)濕度，根據(jù)氣象觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行設(shè)置，入流為Power Law梯度風(fēng)邊界，出流為開放邊界，除底邊界外均可完全透過太陽輻射；②植物采用Plant Canopy模型，并考慮植物的熱特征[15、16]；③濕度擴(kuò)散均以相對(duì)濕度計(jì)算，由于同里古鎮(zhèn)區(qū)水系整體流速較慢[17]，將水體考慮為靜水池蒸發(fā)；④太陽高度及方位角根據(jù)ASHRAE Handbook 2013，由同里古鎮(zhèn)所在地理位置及模擬時(shí)段確定，15:30由于能見度下降，調(diào)整云量系數(shù)設(shè)為0.3，以保證太陽輻射通量與實(shí)際一致，考慮地面反射，反射率設(shè)為典型村鎮(zhèn)地區(qū)（0.5），吸收率設(shè)為0.5；⑤長波輻射發(fā)射率0.9，輻射采樣數(shù)2.6萬個(gè)。對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格尺度閾值標(biāo)準(zhǔn)為1m，最大10m，幾何級(jí)數(shù)過渡比1～1.5，采用典型頂點(diǎn)探測，將計(jì)算網(wǎng)格數(shù)控制在960萬個(gè)，自動(dòng)計(jì)算步長，運(yùn)算器進(jìn)行數(shù)值計(jì)算求解，進(jìn)行小氣候環(huán)境數(shù)值模擬運(yùn)算。

3.2.2 模擬結(jié)果

在后處理器中，輸出1、2測點(diǎn)的模擬數(shù)據(jù)，與實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比（圖4）。實(shí)測值與模擬值平均絕對(duì)百分比誤差值（MAPE）小于10%，說明實(shí)測值與模擬值之間的偏離較小[18]，模型能較好地模擬小氣候環(huán)境數(shù)值。較大的誤差來源于9:30的風(fēng)速，這是由于測試儀器對(duì)極低風(fēng)速無法較好采集。在后處理器中拓展變量，輸入當(dāng)時(shí)段大氣壓及人體衣著、活動(dòng)強(qiáng)度、體型等，通過風(fēng)速、濕度等物理環(huán)境數(shù)據(jù)計(jì)算熱舒適指標(biāo)SET*，統(tǒng)一標(biāo)度生成各時(shí)段1.5m高度熱舒適度空間分布圖（圖5），用人居環(huán)境“空間-時(shí)間”視角，通過可視化的手段，評(píng)估其熱舒適性及熱感受區(qū)[19]格局。

圖4 模擬值與實(shí)測值對(duì)比

圖5 不同時(shí)段小氣候熱舒適感受分區(qū)平面圖

圖6 現(xiàn)狀及無植被后小氣候舒適度分布對(duì)比圖

圖7 各時(shí)段風(fēng)速、相對(duì)濕度、氣溫模擬分布平面圖

運(yùn)用情景分析的方法，在圖6（1）現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，增加圖6（2）無植被情景算例，作為空間結(jié)構(gòu)重構(gòu)的單一變量模擬實(shí)驗(yàn)。在無植被工況下，同里古鎮(zhèn)區(qū)整體熱舒適性明顯惡化，不適區(qū)域擴(kuò)大、程度加重；但部分區(qū)域如古鎮(zhèn)中軸線上廣場a、廣場b、街道c點(diǎn)所在空間，a點(diǎn)的天空開闊度（SVF）由0.47上升為0.58，b點(diǎn)由0.3上升為0.77，c點(diǎn)由0.11上升為0.55，均更加開闊，其所在空間更加舒適，且舒適感受區(qū)面積尺度出現(xiàn)大幅擴(kuò)展，是因風(fēng)、濕環(huán)境得到改善。這表明除天空開闊度的減少和增加綠化遮陰方式外，對(duì)小氣候熱舒適性的改善也可通過兼顧空氣流速、濕度、溫度等的平衡[20]得到實(shí)現(xiàn)。

4 分析與結(jié)論

4.1 小氣候熱舒適性格局

從圖5可以看出：時(shí)間跨度上，9:30同里古鎮(zhèn)絕大部分區(qū)域的熱舒適度≤26℃，屬于舒適范圍[9]。11:30不適區(qū)域分布明顯多余13:30和15:30，這可能與13:30前出現(xiàn)的多云狀態(tài)降低了該時(shí)段的地表溫度，15:30大氣能見度下降減少了太陽輻射通量有關(guān)。各時(shí)段小氣候物理環(huán)境因子分布（圖7）表明，在這3個(gè)時(shí)段中，風(fēng)速的格局分布較一致，11:30同里古鎮(zhèn)戶外公共空間氣溫較另兩個(gè)時(shí)段低，但地表溫度、相對(duì)濕度與太陽輻射均較高，因而這個(gè)時(shí)段不適空間面積較大?？臻g類型上，除9:30外，3個(gè)時(shí)段總體同里古鎮(zhèn)不適區(qū)面積較大，但濱水帶林下空間和街道峽谷仍是相對(duì)舒適的區(qū)域，優(yōu)于內(nèi)部廣場和巷弄區(qū)域。

4.2 小氣候舒適性空間模式

在人居環(huán)境當(dāng)中，不同景觀要素的不同組織模式塑造出了人居環(huán)境的不同景觀，進(jìn)而影響了區(qū)域內(nèi)的小氣候狀況。如何整合景觀要素并整合歸結(jié)出景觀空間要素的影響體系，一直是設(shè)計(jì)過程中所面臨的重要任務(wù)[20]。過往研究中，研究者大多將基于測點(diǎn)的高寬比和SVF（天空開闊度）作為主要的小氣候熱舒適性空間評(píng)價(jià)指標(biāo)，一般認(rèn)為夏季空間熱舒適度高低與其SVF成正相關(guān)[21]。通過現(xiàn)狀空間結(jié)構(gòu)與各時(shí)段小氣候感受平面圖互動(dòng)分析，提取了同里古鎮(zhèn)4種熱感受區(qū)相對(duì)較舒適的空間模式（圖8）。

圖8 不同時(shí)段、不同空間模式小氣候熱舒適度平面圖

熱舒適區(qū)的形態(tài)與尺度皆隨時(shí)間存在小范圍動(dòng)態(tài)變化。其中，以模式4濱水林下空間為同里古鎮(zhèn)分布最多、最普遍的熱舒適空間類型，其水系廊道帶來較好的風(fēng)環(huán)境，綠化遮陰降低氣溫和太陽輻射，且總體上克服了濕度偏高的影響；而模式1～3均是缺少遮陰與綠化覆蓋的SVF較高區(qū)域，同樣可以提供相當(dāng)尺度的較舒適區(qū)，這說明增加遮陰減少太陽輻射不是唯一改善初夏環(huán)境舒適性的手段，存在通過建筑等空間限定要素的合理尺度與形態(tài)組合而形成滿足需求的熱舒適感受區(qū)的設(shè)計(jì)原型。

5 結(jié)語

綜上所述，通過對(duì)同里古鎮(zhèn)的小氣候環(huán)境進(jìn)行現(xiàn)場實(shí)測和數(shù)值模擬，評(píng)價(jià)江南水網(wǎng)地區(qū)傳統(tǒng)聚落的戶外公共空間熱感受格局，對(duì)不同結(jié)構(gòu)類型的空間小氣候熱舒適性進(jìn)行分析。應(yīng)用大算量的熱流仿真模擬，耦合風(fēng)濕熱各項(xiàng)自然過程，以定量化、可視化、空間化的測度方法，模擬同里初夏旅游旺季的熱舒適度空間分布，結(jié)果表明：實(shí)驗(yàn)當(dāng)日4個(gè)時(shí)段中，11:30是小氣候熱感受較差的時(shí)段，9:30較好，熱舒適空間分布受綠化和建筑布局及水系結(jié)構(gòu)模式的影響。通過熱舒適度分布平面圖，比較不同空間類型的小氣候熱舒適效能，并總結(jié)公共空間小氣候改善策略：①濱水帶林下空間和街道峽谷是相對(duì)舒適的區(qū)域，優(yōu)于廣場和居住街坊巷弄區(qū)域；②植被的減少會(huì)惡化整體環(huán)境的熱舒適性，但局部開闊后，風(fēng)、濕環(huán)境的改善可形成更舒適且舒適區(qū)尺度更大的空間；③不增加遮陰的情況下，開敞空間也可通過特殊的空間形態(tài)模式創(chuàng)造舒適的小氣候。

本研究由于景區(qū)管理原因，未能增加更多的測點(diǎn)以進(jìn)一步驗(yàn)證模擬的準(zhǔn)確性，對(duì)水體蒸發(fā)的潛熱計(jì)算仍有待提高，且精度受限，將在以后的研究中改進(jìn)解決。希望借助同里古鎮(zhèn)公共步行空間的熱舒適性模擬評(píng)價(jià)為開端，發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)聚落的小氣候營造策略，為現(xiàn)代戶外公共空間設(shè)計(jì)提供參考。