基于人体热舒适度的江南历史街区空间格局研究
——以南京高淳老街为例

熊 瑶，严 妍

(南京林业大学艺术设计学院，江苏 南京 210037)

自20世纪70年代起，国内外学者开展了大量关于城市微气候的研究：Salata 等[1]和刘滨谊等[2]将计算机数字模拟与实测相结合，探讨室外微气候与人体舒适度的关联性； Soflaei 等[3]研究了伊朗传统庭院微气候与空间尺度之间的相关性；张博[4]对西安街道的温湿度及风环境进行监测，结合软件模拟提出了调节夏季微气候的街道设计策略；刘滨谊等[5]对上海地区人体热舒适性感受的影响机制和研究方法进行了探索，以定性结合定量的方式探究了夏热冬冷地区风景园林气候适应性设计策略。大型城市中人类活动的强力干扰和人工建筑物的高度密集，致使城市环境的大气成分、热力环流、下垫面性质与结构等发生了显著改变，由此产生的风、热环境日益恶化，已成为城市安全与居民健康的主要威胁。随着经济高速增长，历史街区作为历史文化名城的中心所在，其复兴或重建备受公众关注，而人群聚集加之城市病态气候的产生，使得大量文化古街的峡谷效应加剧，宜游宜居性日益降低。因而，如何通过有效的环境设计策略，充分利用现有资源和气候条件来改善街区风热环境，已成为当前历史街区复兴过程中刻不容缓的任务与课题。为此，笔者在实测数据基础上，利用回归分析方法剖析微气候因子与人体热舒适度的关系，以期探索适宜江南历史街区空间复兴的设计策略。

1 材料与方法

1.1 研究对象概况及样点设置

江苏省南京市高淳区(118°41′～119°21′E，30°14′～31°26′N)地处北亚热带和中亚热带过度季风气候区，年均降水量为1 157 mm，年均气温为15.9 ℃，雨量充沛，光照充足，属典型的夏热冬冷型地区。研究对象高淳老街占地面积约为10 000 m2，场地内建筑群落保存完好，为高淳的商业中心，由入口广场、步行街道、历史遗迹、居民住宅等构成了丰富的空间格局。由于场地内多以平地为主，地势平坦，有助于更加准确地分析历史街区空间肌理对微气候的影响。根据现有多样的建筑布局和空间肌理，将场地分为街坊式、庭院式、行列式和独栋式4组典型街区空间。

实地调研得知，场地共分为4种空间格局，为了保证样点的典型性，且能够覆盖整个场地，共设置样点10组(表1)，充分考虑空间中建筑、下垫面类型、植物、水体等不同因素的异质性。其中，每种格局设置对照组，街坊式与独栋式各设置2组，庭院式与行列式各设置3组，并增加街道走向、建筑高度以及街道宽度数值。

表1 高淳老街测点设置表

1.2 生理等效温度的测定

选用生理等效温度(physiological equivalent temperature, PET)作为人体热舒适度的评价指标；定义为给定环境下的生理平衡温度, 其值等于典型室内环境下达到室外同等热状态时所对应的气温[6-7]。谈建国等[8]在2001年利用 PET 和舒适感觉参照关系研究了华东地区的人体舒适度，并进一步将其完善；郑有飞等[9]在此基础上将PET与南京热舒适感的概率分布、气象参数等进行了关联性研究。综合而言，PET是当前较为科学、合理的量化微气候的一种手段，其评判标准结合了气象参数、地理位置、衣着打扮及个人参数等多重因素。

1.3 天空视域因子测算

天空视域因子(sky view factor, SVF)是一个描述三维城市形态的数值，常用于热岛效应研究，在描述街道高宽比的基础上，天空视域因子更能反映复杂的城市形态[9-13]。天空可视因子(SVF)的区间值为[0，1]，SVF值越小，代表空间内障碍物遮蔽天空视野越多，天空开阔程度越小。当SVF值为零时，即天空视野不可见；当SVF值等于1时，代表空间内无遮蔽物，人眼可见完整的天空。经约翰逊等修正的公式为目前的常见算法[14]：

其中：n是划分的同心环形总数，i代表环指数，ai代表在第i个圆环内天空的角度宽。在实测中，对10个测点依次使用鱼眼镜头进行拍摄，为保证数值精确，将拍摄高度调至离地面约为1.5 m处，具体如表2。

表2 不同测点的鱼眼成像及天空可视域分析

根据夏冬两季各测点天空视域因子的不同，将所有测点分成全遮阴空间(SVF 值小于 0.1)、半遮阴空间(SVF 值 0.5 左右)和无遮阴空间(SVF值大于 0.85)3种类型的活动空间[15]。

1.4 问卷调查

为了能更加准确地研究历史街区的人体热舒适感受，在2019年7月21日典型气象日对街区游人进行了问卷调查。调查内容分为两部分:一是受访者的性别、年龄、衣着、填表时间等基本信息，以便获取RayMan软件所需的参数；二是侧重调查人体主观热感受，包含受访者需选择热环境最舒适的场地、所处地风感的舒适度等。调查分布于10个样点，分别在8:00—18:00中的11个时刻进行发布，共制作调查问卷1 000份。

2 结果与分析

2.1 热舒适度问卷调查分析

据收回的调查问卷得出，受访者的男女比例约为65%和35%，以青壮年居多。其中热舒适度等级分为6级：舒适、比较舒适、一般、比较热、热、非常热。为了保证调查的科学性和合理性，将1 000份样本进一步筛选分析，剔除无效问卷后，共得到986份有效问卷。在4组不同的空间肌理、不同时刻中，受访者的热感受分布见图1。

1.北入口 north entrance;2.南出口 south exit;3.吴氏宗祠 Wu Ancestral Hall;4.民间艺术馆 Folk Art Museum;5.关帝庙 Guan Yu Temple;6.傅家巷 Fu Jia Lane;7.河滨街 Riverside Street;8.主街 Main Street;9.照相馆 Photo Studio;10.仓巷入口 Cang Lane entrance。图1 不同空间肌理舒适度问卷调查分布Fig.1 Questionnaire distributions of muscle comfort in different spaces

由图1可知，在街坊式空间中，测点2的人体热舒适度要优于测点1，其中，在8:00时人群普遍感觉舒适，在12:00—15:00时游人感受极不舒适。在庭院式空间中，测点3的热舒适度明显优于其他两个测点。在行列式空间中，测点7的热环境劣于其他两种场地，不舒适数值在14:00时达到顶峰，不适宜人群的活动与交流。在独栋式空间中，测点9的人体热舒适度最低，且不适宜指数皆高于其他空间。综上可知，大众普遍认为行列式空间和独栋式空间不适宜长时间游览和停留。

2.2 不同建筑肌理的空间微气候实测分析

1)街坊式。街坊式空间各测点气象因素实测分布如图2所示。由图2可知，街坊式空间位于老街的两个不同方位出入口，从空气温度变化来看，在8:00—16:00区间范围内，北入口的空气温度一直高于南出口，8:00皆为空气温度的最低值，而14:00则是最高值。从相对湿度的高低分布图来看，湿度在8:00—10:00骤降程度明显，在13:00—18:00变化程度趋于平缓，其中在14:00湿度高低分布为南出口<北入口。南出口的相对湿度值最低为48.7%。瞬时风速变化幅度极大，其中北入口在11:00的瞬时风速值0.8 m/s，而在13:00南出口的瞬时风速值达到该测点的顶峰，为0.35 m/s。从二者的天空可视域分析，SVF值的大小分布为北入口<南出口，即南出口的天空开阔程度高于北入口。

图2 街坊式空间各测点气象因素实测分布图Fig.2 Measured distributions of meteorological factors at each point in the neighborhood space

北入口和南出口都位于整个场地的边界，但北入口东南面有建筑物遮挡，因而阻隔了夏季常见的东南风，成为其微气候环境不佳的因素之一。此外，北入口虽设有栽植小乔木的树池供游人停驻，但其遮阴效果却并不明显，而南出口有两株高大乔木，其中1株冠幅近10 m，亦是与坐凳树池相结合，浓郁的树荫便可吸引游人在此停驻逗留。

2)庭院式。由于庭院式空间结构和景观要素较为复杂，因而从庭院式空间的空气温度分布图可知，三者的曲线变化程度远胜于其他空间(图3)。就数据比较而言，14:00观测值最具代表性，在14:00庭院式空间内温度高低分布为关帝庙<吴氏宗祠<民间艺术馆；湿度高低分布情况为关帝庙<民间艺术馆<吴氏宗祠。因为场地内有小水池的缘故，吴氏宗祠的湿度高于其他两个测点。从瞬时风速变化图可知，3个测点都存在不同程度的微风，在14:00民间艺术馆的风速值达到顶峰，为0.5 m/s。另外，3个测点的SVF值为民间艺术馆<吴氏宗祠<关帝庙，关帝庙仅有少许空间障碍物，因而天空视野最佳。

图3 庭院式空间各测点气象因素实测分布图Fig.3 Measured distributions of meteorological factors at each point in the courtyard space of the courtyard

图4 行列式空间各测点气象因素实测分布图Fig.4 Measured distributions of meteorological factors at each point in the determinant space

从上述分析来看，由于吴氏宗祠内各种优越的景观因素使得其整体表现优于其他两测点：乔木能够遮阴阻光；水体较大的比热容可调节整个空间的温度和湿度在一定的舒适值内；近8 m高的建筑物也能在一定程度上遮挡太阳辐射，带来部分的遮阳空间。民间艺术馆与关帝庙景观要素配置情况相近，但是下垫面为砖石铺地的人体舒适度效果要优于仿古砖铺地。此外，由于围合空间内四周均有建筑物阻挡，造成通风效果不佳，因而在4种空间中庭院式空间内的瞬时风速值最低。

3)行列式。从行列式空间的气温变化来看，8:00、14:00、18:00空气温度差异最为明显(图4)，在13:00—14:00，3个测点的温度值皆达到峰值，14:00最具代表性，该时刻内行列式空间内温度高低分布为河滨街<主街<傅家巷。从相对湿度的分布来看，在8:00湿度值最高，而在12:00—14:00，相对湿度值大幅下降，之后湿度变化平缓，在14:00，湿度高低分布为傅家巷<河滨街<主街。由于风速的瞬时性，风速变化并无明显规律，由8:00—18:00这11个时刻的风速分布来看，河滨街保持风速状态最佳，而傅家巷一直保持在0.1 m/s以内，处于无风状态。此外，3个测点的天空视域因子SVF值为傅家巷<主街<河滨街，河滨街天空视野最好，空间通透性高。

综上可知，在行列式空间内，由于傅家巷街道宽度过小，给人以闭塞之感，同时该测点的建筑高度又无法遮蔽大部分的太阳辐射。且在东南风盛行的夏季，东北—西南走向的空间内，无法借助自然通风来降温，导致该测点在行列式空间中的微气候环境最差。而主街由于建筑高度的优势，能够使街道长期处于阴影之下，避免太阳直射，且主街建筑旁边的高大乔木有降温增湿的作用，因而相对湿度值最佳。河滨街的瞬时风速表现较为突出，该测点的街道宽度值在行列式空间中最大，其西北—东南的空间走向能够很好地迎合夏季风，加之该测点内建筑密度与人群密度皆为适中，因而适合游客停驻休憩。

4)独栋式。从独栋式空间的空气温度变化综合来看，两者气温变化幅度差异并不大，均在14:00为一天中最炎热的时间，该时刻内，温度数值为照相馆<仓巷入口(图5)。

图5 独栋式空间各测点气象因素实测分布图Fig.5 Measured distributions of meteorological factors at each point in a single pillar space

北入口和南出口在8:00—18:00内相对湿度的分布几乎持平。从瞬时风速的分布来看，仓巷入口的瞬时风速值普遍高于照相馆，照相馆的瞬时风速波动较为平稳，基本处于无风状态，但在16：00时有明显风感，为1.5 m/s。此外，二者的天空可视域大小为仓巷入口<照相馆，仓巷入口的空间开敞效果差于照相馆。根据上述分析可知，仓巷入口的热舒适度略优于照相馆，这是由于仓巷入口四周开阔，无过多障碍物阻挡，因而水汽和自然风输送通畅。照相馆场地内虽有一棵大乔木，但由于位置较偏，无法对整个场地内的热环境起到明显的改善作用。

2.3 生理等效温度(PET)与微气候因素的关联性

PET是影响热感受各要素的综合值，在南京地区，PET和人体热感觉的等级划分见表3。

根据表3所划分的9个指标，可对人体热舒适度作出判断。利用软件RayMan输入典型气象日日期，并包含所测量的11个时间段，10个测点的经纬度、海拔以及每个测点各时段所测气象因素(太阳辐射强度、空气温度、相对湿度、风速等)。根据问卷调查所得出的数据，将人体因素设置为男性，其身高、体质量与年龄分别为 175 cm、70 kg、35岁，将服装热阻系数夏季设置为 0.5 clo，活动方面新陈代谢率取80 W/m2 [16]。

表3 南京地区生理等效温度

1)PET与空气温度。利用Rayman计算得出的PET值与各测点不同时刻测量所得的空气温度进行线性计算[17-18],结果见表4。由表4可知，空气温度与PET呈正相关性，即空气温度上升的同时，PET值也随之上升，且空气温度与PET有直接的相关性。

表4 各测点空气温度值、相对湿度和瞬时风速与PET值的关联性分析

在4个不同空间的10个测点中，R2值均超过0.9(R2>0.9)。其中，在街坊式空间中，两个测点的PET值在8:00—11:00所反映的人体感觉为热，在此后的时刻PET值均超过41 ℃，人体感觉为很热，街坊式空间中最具代表性的测点为南出口(R2=0.972 6)。在庭院式空间中，人体感觉分为热与很热两个程度，14:00、15:00这两个时刻中PET值达到最高，说明该时段人体感觉最不舒适；线性回归效果最好的是吴氏宗祠在行列式空间中，14:00达到了PET值的顶峰，人体感觉显示为很热，其中，傅家巷的线性回归值较高，说明该空间空气温度和人体热舒适度强相关。在独栋式空间中，仓巷入口的空气温度值与PET的线性关系最具代表性(R2=0.998 4)，这是由于仓巷入口南北走向的空间内无水体、植被等具有降温作用的景观要素。

2)PET与相对湿度。相对湿度与PET值呈负相关性，即相对湿度上升，PET值下降(R2<0.9)。已知气象PET值处在38.4～42.8 ℃，人体感知为热和很热两个阶段。

在行列式空间中，3个测点的相对湿度与PET的相关性最优(R2>0.8)，其方位布局与建筑高宽比成为重要影响因素，人体热感受也随之变化。在街坊式空间中，两个测点的相对湿度与PET的相关性较弱，其中南出口的相对湿度与PET的线性关联较低(R2=0.761 0)。在行列式空间中，河滨街的回归效果最优；而在独栋式空间中，照相馆的R2值远大于仓巷入口的R2值，这是由于照相馆场地内植物具有较强的降温增湿作用。

3)PET与瞬时风速。因实测风速为每一时段的瞬时风速，并非各时刻的平均风速，因而呈现效果并不明显。瞬时风速不确定性高，且无规律可循，PET作为科学化的综合指标，瞬时风速无法作为PET的参考指标，由表4可知，各点散乱分布，R2所呈数值也不如气温与相对湿度，其相关性并不明显。

3 结 论

从人体热舒适度的角度对江南地区的历史街区空间格局进行研究，归纳出以下5点改造策略：

1)确定有利于通风的街道方位与几何形态。在研究区4种空间内，庭院式空间是封闭式空间，街坊式空间是半封闭式空间，独栋式空间与行列式空间皆为半开敞空间。半开敞空间微气候表现效果最好，半封闭空间次之，封闭空间最差。由于本次实测季节为夏季，东南—西北走向的空间能够疏通自然风，风热环境更加优于其他走向的空间。同时东南—西北走向的街道结合适宜高度的建筑物，能够在一定程度上遮挡太阳辐射，缓解夏季高温。

2)确定适宜的高宽比。场地内的街道不宜过窄，建筑物不宜过高，否则容易使游人产生拥塞压抑之感。研究区建筑高度与街道宽度比值为0.8～1.5时最为适宜，既避免太阳直射，也能借助建筑高度产生一定面积的背阴区域，提供一定的凉爽空间。

3)优化建筑表皮。场地内现存大量保存完好的古建筑，街区改造提升时，建筑外立面材质主要选用砖石贴面，该材质施工方便，成本低廉，同时也与历史街区原建筑色彩及质感相协调，保存了古街风貌。但随着街区的不断扩建，砖石材质透光性差，吸热性强，太阳直射墙面则会使得外立面温度升高，成为街区热源，因而可适当引入多样的垂直绿化材料来缓解建筑吸热。同时在建筑墙面的色彩选择上宜多选用浅色系。

4)增加绿化面积。当前对历史街区的复兴大多注重于对建筑和铺地等设施的修缮，往往忽略了对场地生态性的提升；加之街区内现存民居多纵横交错紧密排列，难以形成较大的绿化空间，因而历史街区的绿化覆盖率通常较低，生态性弱。在改造提升时，应在公共空间尤其是人群聚集的景点处见缝插绿，加大遮阳植物的种植量。此外，植物的合理搭配是优化微气候的关键手段。选取植物时必须充分考虑植物季相，如落叶乔木的优点在于秋冬落叶，而春夏生叶，秋冬便于纳阳，缓解封闭场地内的阴冷，夏季又可提供绿荫，降低太阳辐射，满足对人体热舒适度的调节；在灌木的选取上，应多选用观花观叶类植物，缓解整个街区建筑灰暗沉重的色调，给人以生机活力。种植模式上应尽量采取乔灌草复层种植，使植被的降温增湿效益最大化。

5)完善景观设施。当前历史街区的景观设施更多注重对其形态材质的考虑，气候适宜性较弱。在改造中，可依托现有大型乔木设置树池坐凳，或在建筑投影下的阴凉处结合廊架等提供遮阴纳凉的休憩场所。此外，历史街区较少有水体设置，可根据场地条件增设水景，如顺应街巷肌理设置水渠，结合公共空间营造小型水池、雾喷等，在增强游赏性的同时，起到一定的降温增湿功效。

历史文化游作为当下旅游的大热趋势，促进社会经济效益的同时，也为历史街区带来了复兴与修缮的契机。当前城市快速发展下的热岛效应不可避免，对于历史街区而言，应利用适宜的空间布局、细部设计来优化街区风热环境，从而降低热岛强度，构筑良好的街区公共空间，增加游人观赏旅行的舒适度，同时亦能提高街区的吸引力。