三坊七巷小黃樓庭院空間的氣候適應(yīng)性模擬*

王楠楠 喬雨軒 王月明 陳梓茹 傅偉聰 董建文

福建農(nóng)林大學(xué)園林學(xué)院 福州 350002

自可持續(xù)發(fā)展理念提出以來，國內(nèi)外學(xué)者相繼對室外不同領(lǐng)域的微氣候環(huán)境進行了研究。Farzaneh Soflaei等[1]對伊朗傳統(tǒng)庭院空間微氣候與庭院朝向、規(guī)模、比例間的相關(guān)性進行研究；黃力藜[2]探討了東莞可園空間布局對熱環(huán)境的影響并分析了氣候適應(yīng)性策略。本文以福州三坊七巷典型的宅園式古典園林小黃樓東花廳為研究對象，運用ENVI-met數(shù)值模擬法，結(jié)合實地調(diào)研，研究植被對庭院微氣候的作用，分析不同季節(jié)的微氣候環(huán)境及人體舒適度情況，以期為古典園林庭院植被的種植及游覽活動的開展提供建設(shè)性意見。

1 研究區(qū)概況與研究方法

1.1 研究對象

小黃樓位于福州市鼓樓區(qū)三坊七巷歷史文化街區(qū)，占地面積3 640 m2，是全國重點文物保護單位。唐進士、崇文閣校書郎黃璞相繼居此，清道光年間進行全面修葺，并建了西花廳小黃樓及園林小筑 “東園”[3]。本次研究以對外開放的東花廳為主，占地面積1 220 m2，是南北走向的不規(guī)則矩形，花廳中央建筑占地面積100 m2，喬木覆蓋率40%，主要喬木有蘋婆樹、芒果、桂花、玉蘭，灌木有紅花檵木、鵝掌柴、南天竹等。

1.2 研究方法

1.2.1 模擬軟件

ENVI-met是德國開發(fā)的一款適用于城市中小尺度微氣候環(huán)境的模擬軟件。隨著ENVI-met在國內(nèi)外城市設(shè)計、村落、住區(qū)、校園等領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，其模擬可行性已得到國內(nèi)外學(xué)者的廣泛證實[4-8]。根據(jù)小黃樓的衛(wèi)星影像圖，利用ENVI-met建立模擬模型，模型設(shè)置50個×90個×30個網(wǎng)格數(shù)量，每個網(wǎng)格的精度是1 m，嵌套網(wǎng)格數(shù)為5。

該模擬基于福州市2018年的氣象數(shù)據(jù) (數(shù)據(jù)來源http://data.cma.cn/)，通過比較平均溫度、最高最低溫度等，以夏季高溫天氣日 (2018-07-30)和冬季低溫天氣日 (2018-02-06)為典型模擬日。模擬開始時間為7∶00，持續(xù)模擬12 h。ENVI-met模擬參數(shù)設(shè)置見表1。

表1 ENVI-met模擬參數(shù)設(shè)置表

1.2.2 評價指標(biāo)

PMV(Predicted Mean Vote)，即預(yù)測平均票數(shù)，PMV值是由丹麥Fanger教授提出的代表人體熱反應(yīng)的評價指標(biāo)，可以反映同一環(huán)境中絕大多數(shù)人的熱感覺[9]。本文采用可決系數(shù)R-square(R2)、均方根誤差 (RMSE)、平均絕對百分比誤差 (MAPE)3個指標(biāo)對模擬結(jié)果進行評價，3個指標(biāo)計算公式如 (1) (2) (3)所示。式中，xa為實際方案模擬值，xb為僅喬木模擬值，n為次數(shù)。

2 模擬結(jié)果與討論

2.1 喬木對人體舒適度的時空分析

對三坊七巷小黃樓東花廳建立實際和僅喬木兩種模型 (喬木覆蓋率為40%)研究喬木對人體舒適度的影響。根據(jù)模擬結(jié)果，計算2018年7月30日8∶00—18∶00不同高度兩種方案的PMV平均值 (表2)。

2.1.1 不同高度PMV值的分析

根據(jù)表2，計算8∶00—18∶00隨著高度上升，兩種方案PMV值的R2、RMSE、MAPE，以探討喬木對人體舒適度的影響 (空間維度)。計算結(jié)果表明，任一時間隨著垂直高度變化，兩種方案PMV值的 R2介于0.91～1.00，RMSE介于0.02～0.07，MAPE介于0.60%～1.60%，說明兩種方案PMV值的擬合程度極高，即研究區(qū)喬木覆蓋率達40%時，在空間維度喬木對人體舒適度的作用占主導(dǎo)地位，灌草的作用幾乎可以忽略。

2.1.2 不同時間PMV值的分析

根據(jù)表2，計算高度0.1～1.5 m，隨著時間變化，兩種方案 PMV值的 R2、RMSE、MAPE，以探討喬木對人體舒適度的影響 (時間維度)。計算結(jié)果表明，任一高度隨著時間變化，兩種方案PMV值的R2接近1.00，且隨著高度上升，R2趨近 1，RMSE介于 0.04～0.07，MAPE介于0.79%～1.49%，說明兩種方案PMV值的擬合程度極高，即研究區(qū)喬木覆蓋率達40%時，在時間維度喬木對人體舒適度的作用占主導(dǎo)地位，灌草的作用幾乎可以忽略。

表2 2018-07-30 8∶00—18∶00不同垂直高度兩種方案的PMV平均值

2.2 夏季模擬與結(jié)果分析

2.2.1 空氣溫度

根據(jù)模擬結(jié)果，計算 2018年 7月 30日8∶00—18∶00小黃樓東花廳1.5 m處的溫度平均值。該時間段溫度先升后降，8∶00溫度最低，為28.82℃，14∶00溫度最高，為38.06℃。

由8∶00，14∶00，18∶00小黃樓的溫度場分布可知，8∶00小黃樓東花廳溫度在28.27℃～29.21℃，受建筑及植被遮蔭影響，花廳西北、東南、中庭建筑以西是相對低溫區(qū)。14∶00溫度最高，此時，太陽近似垂直輻射到整個區(qū)域，建筑遮蔭效果不明顯，植被降溫效應(yīng)占主導(dǎo)地位；花廳西北、東南是相對低溫區(qū)，受主導(dǎo)風(fēng) (東南風(fēng))影響，東南角的相對低溫向西北傳遞。18∶00溫度降低，由于建筑及植被共同遮蔭降溫效應(yīng)，花廳南側(cè)、喬木附近溫度較其他區(qū)域低。總體上，喬木附近一直是整個區(qū)域的相對低溫區(qū)。

2.2.2 相對濕度

根據(jù)模擬結(jié)果，計算 2018年 7月 30日8∶00—18∶00小黃樓東花廳1.5 m處的濕度平均值。該時間段濕度先降后升，8∶00濕度最高，為71.83%，14∶00濕度最低，為39.75%。

由8∶00，14∶00，18∶00小黃樓的濕度場分布可知，8∶00小黃樓東花廳最大濕度為74.30%，分布在花廳西北及東南角的喬木附近。14∶00最大濕度為 42.36%，最小濕度為37.95%。18∶00最大濕度為54.50%，最小濕度為52.66%。隨著時間變化，受太陽輻射影響，東花廳的相對低濕區(qū)由西南向東北轉(zhuǎn)移，花廳西北、東南角種植高大喬木，長期遮蔭，是整個區(qū)域濕度最大的地方。

2.2.3 風(fēng)速

根據(jù)模擬結(jié)果，計算2018年7月30日8∶00—18∶00小黃樓東花廳1.5 m處的風(fēng)速平均值。該時間段風(fēng)速介于0.0～0.2 m/s，0級風(fēng)，行人幾乎感受不到。對照小黃樓1.5 m處的風(fēng)速分布，由于花廳四周有建筑和圍墻圍合，東花廳形成相對閉合的空間，導(dǎo)致內(nèi)部整體風(fēng)速小，不利于通風(fēng)；此外，東花廳呈中央風(fēng)速略大于周邊的格局，在內(nèi)部形成渦流。

2.2.4 熱環(huán)境評價

通常PMV等級在-3～＋3(非常冷到非常熱，0代表舒適)。根據(jù)模擬結(jié)果，計算2018年7月30日8∶00—18∶00小黃樓東花廳1.5 m處的PMV平均值 (圖1)。該時間段小黃樓東花廳PMV值在2.64～5.50，對照PMV的 《7個等級熱感覺量表》，9∶00—17∶00 PMV均值大于3，屬于非常熱等級，行人不宜長時間室外活動。

圖1 夏季8∶00—18∶00小黃樓東花廳1.5 m處的PMV變化圖

從輸出8∶00，14∶00， 17∶00， 18∶00夏季小黃樓1.5 m高的PMV分布圖 (圖2)可見，17∶00前，建筑背陽面和樹木附近PMV值最小，其他大部分區(qū)域PMV值大于3，會對人產(chǎn)生極度熱壓力，不宜長時間室外活動；18∶00庭院空地PMV值略小于樹木附近的PMV值。

圖2 夏季小黃樓1.5m處的PMV分布圖(左上8∶00，右上14∶00；左下17∶00，右下18∶00)

8∶00建筑背陽面PMV值最小 (1～2)，樹木附近其次 (2～3)，庭院空地上方PMV值最大(＞3)，PMV最大與最小值差2個等級；14∶00太陽近似垂直輻射于地面，樹木附近PMV值(4.30～5.80)雖略小于庭院空地，但整體大于3，對行人是極不舒適的環(huán)境，宜開展室內(nèi)活動；17∶00建筑背陽面PMV值小于樹木附近，空地周圍PMV最大，但整體PMV值 (3.22～5.29)大于3，也不宜長時間在室外活動；18∶00太陽輻射減弱，建筑周邊PMV值 (2.45～2.52)＜庭院空地 (2.58～2.65) ＜植被附近 (2.65～2.78)，整體PMV值仍然較高 (2～3)，但較18∶00前明顯下降。

2.3 冬季模擬與結(jié)果分析

2.3.1 空氣溫度

用同樣方法計算2018年2月6日8∶00—18∶00小黃樓東花廳1.5 m處溫度的平均值。該時間段溫度先升后降，8∶00溫度最低，為4.98℃，14∶00溫度最高，為11.09℃。

由8∶00，14∶00，18∶00小黃樓的溫度場分布可知，8∶00小黃樓東花廳溫度是4.48℃～6.17℃；14∶00是10.34℃～11.79℃；18∶00是7.62℃～8.72℃。溫度分布整體一致，花廳以西高于花廳以北。

總體而言，相對高溫區(qū)在花廳西北、東南角的大喬附近，以及花廳西南區(qū)域，相對低溫區(qū)集中分布在中庭建筑四周。可以推測冬季影響庭院氣溫最大的因素是冷空氣輸入，由于冬季太陽高度角低，太陽輻射在冬季的影響力弱于冷空氣。

2.3.2 相對濕度

通過計算2018年2月6日8∶00—18∶00小黃樓東花廳1.5 m處的濕度平均值可知，該時間段濕度先降后升，8∶00—12∶00平均濕度下降較快，12∶00以后平緩上升；8∶00平均濕度最高，為58.79%，12∶00最低，為27.29%，說明冬季溫濕度的相關(guān)度較夏季弱。

由8∶00，14∶00，18∶00小黃樓的濕度場分布可知，8∶00小黃樓東花廳最大濕度為60.58%，最小濕度為54.39%。14∶00最大濕度為29.67%，最小濕度為27.37%。18∶00最大濕度為37.49%，最小濕度為34.85%。花廳的高濕區(qū)整體繞花廳中央建筑呈西北—東南軸線分布，冬季冷空氣輸入對濕度影響很大，其次是太陽輻射；冬季氣溫低，植被葉片的蒸騰作用減弱。

2.3.3 風(fēng)速

通過計算2018年2月6日8∶00—18∶00小黃樓東花廳1.5 m處的風(fēng)速平均值可知，該時間段風(fēng)速在0.17～0.23 m/s，游人幾乎感受不到。由于花廳四周有建筑和圍墻圍合，形成相對密閉的空間，整體風(fēng)速較小，且中央風(fēng)速略大于四周，會形成渦流。

2.3.4 熱環(huán)境評價

根據(jù)模擬結(jié)果，計算2018年2月6日8∶00—18∶00小黃樓東花廳1.5 m處的PMV平均值(圖3)。該時間段PMV值在-1.70～-3.99，對照PMV的 《7個等級熱感覺量表》，8∶00—9∶00，17∶00—18∶00PMV均值小于-3，是非常冷級別，游人長時間待室外有極度冷壓力。

圖3 冬季8∶00—18∶00小黃樓東花廳1.5 m處的PMV變化圖

從輸出8∶00，14∶00， 17∶00， 18∶00冬季小黃樓1.5 m處的PMV分布圖 (圖4)可見，8∶00花廳空地的PMV值 (-4.34～-4.01)小于植被附近 (-4.01～-3.01)，但都小于-3，不宜長時間室外活動；14∶00受太陽輻射影響，建筑背陽面PMV值最小 (-2.45～-2.11)，樹木附近其次 (-2.11～-1.43)，庭院空地最大 (-1.43～-1.09)，PMV最大與最小差1個等級；17∶00大部分區(qū)域PMV值為-3.35～-2.90，小于-3，不宜長時間室外活動；18∶00與17∶00的PMV分布大體一致，PMV值 (-3.82～-3.41)呈庭院中央小于四周分布，小于-3，也會對人有極度冷壓力，不宜長時間待在室外。

圖4 冬季小黃樓1.5 m處的PMV分布圖(左上8∶00，右上14∶00；左下17∶00，右下18∶00)

3 建議

3.1 植被種植

研究表明，要達到同樣的降溫效果，需要的喬木蔭蔽面積最小，其次是矮小灌木，草坪面積最大，即高大喬木的降溫效應(yīng)是最佳的[10]。根據(jù)實驗結(jié)果，當(dāng)庭院中喬木的蔭蔽面積達40%時，對人體舒適度的作用占主導(dǎo)地位，灌草的作用幾乎可以忽略，所以在空間允許的范圍內(nèi)，應(yīng)盡可能種植覆蓋率大的喬木；灌木及草坪的種植仍以觀賞為主，但要綜合考慮庭院的類型、空間條件等。對于古典園林，植被的類型及種植模式要符合庭院審美，避免破壞庭院審美。

3.2 觀賞游覽

1)游覽時間。實地調(diào)研表明，大部分庭院開放時間是8∶30—17∶00，16∶30停止入場。研究表明，夏季9∶00—17∶00游人長時間在室外活動會產(chǎn)生極度熱壓力；而冬季10∶00—16∶00是較適合游人外出活動的時間，10∶00前、16∶00后行人長時間在室外活動會產(chǎn)生極度冷壓力。針對不同的環(huán)境條件，可以適當(dāng)調(diào)整庭院的開放時間，進行人為調(diào)控，為游人提供最佳的游覽時間、游覽環(huán)境。對于景觀豐富的庭院，夏季休息日可以適當(dāng)延長開放時間，讓游人參與到室外庭院活動中，了解其深刻內(nèi)涵，同時愉悅身心，提升幸福感。

2)游覽活動。加強古典園林的宣傳保護力度。對于冬夏不宜室外活動的時間段，可豐富室內(nèi)活動的內(nèi)容，增強庭院的特色性。節(jié)假日可以適當(dāng)在 “水榭戲臺”中開展戲曲活動，讓更多人了解民族藝術(shù)，弘揚中國傳統(tǒng)文化；冬夏極冷極熱月可以在 “二梅書屋” “冰心故居”等開展室內(nèi)文教活動，了解歷史、領(lǐng)略時代精神。

通過實地調(diào)研發(fā)現(xiàn)，三坊七巷南后街夜晚游客很多，但可能受南后街兩側(cè)庭院開放時間等影響，巷坊內(nèi)光線較暗，會使游人產(chǎn)生不安全的心理因素，所以游人很少。針對這一現(xiàn)象，夏季可以適當(dāng)延長庭院開放時間，在夜晚開展主題夜景活動。

4 結(jié)語

本研究基于先前學(xué)者對微氣候的研究[11-17]，對福州古典園林三坊七巷小黃樓東花廳開展ENVI-met數(shù)值模擬具有一定的可行性，通過對場景模擬再現(xiàn)，有利于規(guī)劃者保護歷史、吸取經(jīng)驗，對未來的建設(shè)做出系統(tǒng)合理的判斷。本次僅進行了冬夏極端季的研究，研究對象較為單一，后期還需增加研究對象，增加對過渡季春秋季節(jié)的研究，并進一步具體對庭院的空間形態(tài)與微氣候環(huán)境的變化規(guī)律展開定量研究，以期創(chuàng)造更加適宜的庭院微氣候環(huán)境，提升全民幸福感。