风景园林空间冠层遮阴对夏季小气候及人体热舒适度的影响研究——以南京军区杭州疗养院为例
关键词：风景园林；夏季小气候；冠层遮阴；人体热舒适度
文章编号：1000-6664(2018)05-0064-07
中图分类号：TU 986
文献标志码：A
收稿日期：2018-02-02
修回日期：2018-03-05
基金项目：国家自然科学基金重点项目“城市宜居环境风景园林小气候适应性设计理论和方法研究”(编号51338007)和浙江农林大学“校发展基金人才启动”项目(编号2014FR080)共同资助
Abstract: In order to study the influence of landscape space canopy shading on summer micro-climate and human thermal comfort of Hangzhou area, the Nanjing military sanatorium in Hangzhou was chosen as the test site. Through field measurement of 3 different types of shade, full shade, semi shade and no shading, with 18 points of various micro-climatic factors in the Hangzhou sanatorium of Nanjing military region, the influence of different hot summer canopy shading on landscape spatial thermal environment, humidity environment and wind environment, were analyzed, combined with the figure of Physiological Equivalent Temperature (PET) to evaluate human thermal comfort feeling of different types shading space. The results show that the human thermal comfort have significant negative correlation with thermal environment factor and sky view factor, having a significant positive correlation with relative humidity and there was no obvious correlation between wind speed and direction; in the three kinds of shading type, the thermal environment and humidity and wind environment of no shading space have obvious difference with full and semi shading space and the body feelings are most uncomfortable; full shading has slight difference with semi shading in the thermal environment, the average value of solar radiation and surface temperature of semi shading space is a bit higher than full shading space, and no big differences in the air temperature, humidity and wind environment, but it mainly affected the thermal environment, the full shading space is still the most comfortable. At last, relevant design improvement strategies for micro-climate are put forward, in order to provide reference for the thermal comfort improvement of outdoor landscape space in Hangzhou.
Key words: landscape architecture; summer micro-climate; canopy shading; human thermal comfort
小气候(micro-climate)是指在具有相同大气候环境范围内，由于受下垫面条件、地形方位等多种因素的影响而在局部地区形成的独特气候状况[1]。城市气候作为在区域大气候背景下形成的一种相对独立的小气候，它与城市的发展和人类活动密切相关，风景园林空间是当今社会人们亲近自然的有效途径，它基于风景园林学的视角，涵盖了包括地形地貌、植(动)物、建(构)筑物、水体等多种物质形态在内的空间构成，在微观层面上可以看作是人们日常生活、工作游憩和生存所需的户外环境[2]。其使用频率及质量评价受到多种因素的影响，在典型的夏热冬冷地区，风景园林空间的局部小气候特征能够直接影响置身其中的使用者的舒适度感受。研究表明树木群落的冠层特征对群落内的微气候因子具有重要的调节作用[3]，如城市森林冠层在削减太阳辐射、高温滞后与改善舒适度方面作用显著[4]，而在小尺度空间内的绿地冠层格局也具有一定的温、湿度调控效应，其中温度调控能力主要来自绿地植物的遮阴作用[5]。在有关户外热环境的人体舒适度研究中，常用的热舒适模拟和评价指标包括PMV(预测平均投票)、PET(生理等效温度)、SET*(标准有效温度)[6]，其中生理等效温度(Physiologically Equivalent Temperature, PET)[7]近些年借助RayMan热舒适模拟计算软件被广泛用作有关小气候热舒适研究的理论评价依据[8-11]。
目前有关城市小气候、户外热环境的研究中，主要包括各类公园、广场、居住区、街道等类型，疗养院作为具有一定特殊治疗效果的医疗保健机构，十分重视并有赖于景观的优势，风景园林空间也是疗养院的重要疗养因子[12]。本文基于疗养院内良好的景观环境，通过对各小气候因子的实地测量，分析不同冠层遮阴在夏季炎热气候背景下对风景园林空间内热环境(太阳辐射、空气温度、地表或表面温度)、湿环境(相对湿度)、风环境(风速、风向)[11]的影响差异，采用生理等效温度(PET)作为热舒适度评价指标，探索影响夏季人体热舒适度感受的主要因素，并提出相应设计改善策略。
图1 杭州疗养院平面图及测点分布(底图引自天地图网站)1 场地概况
南京军区杭州疗养院( 1 2 0 ° 1 2′E，29°11′~30°24′N)位于杭州市西湖区杨公堤畔，占地面积约20.53hm2，院内植物群落种类丰富，结构稳定，绿化覆盖率达90%。根据杭州市气象局的气象资料，2017年7月杭州市西湖区平均高温为36.2℃，平均低温为27.9℃，极端高温出现在7月24日，41.1℃，各测试日天气情况见表1。
2 实验方法
2.1 小气候因子测试方法
本次实验数据测量，选择了7月晴朗少云的天气进行，测试日分别是2017年7月26—28日连续3d，每日具体测试时间为白天大多数人群的活动时间8：00—19：00，测试仪器包括太阳辐射仪、高精度温湿度计、风速风向仪、红外测温枪等，对各个测点的太阳辐射、空气温度、相对湿度、地表(表面)温度、瞬时风速、风向、地表(表面)温度等气候因子进行定点走动观测，各测点每小时逐时记录一次，测试仪器距离地面1.5m，各仪器的测定范围及精度见表2。
2.2 天空可视因子的计算
天空可视因子(Sky View Factor，SVF)是指地面某点对天空的可见程度，是表征城市形态和空间冠层结构的重要指标，也是影响室外热舒适度和城市热岛效应的重要因素[13]。SVF是介于0~1之间的无量纲量，对于视觉无阻的空旷地区，其值为1，而对于天空完全被遮蔽的地方，其值为0。SVF的计算参考了有关林冠郁闭度的简易测量方法[14]，首先采用鱼眼镜头拍摄各测点顶部遮阴覆盖空间影像图，而后利用Photoshop进行像素化处理，图像中无覆盖物的可视部分像素值与整体空间像素值之比即可近似视为该测点空间的天空可视因子。
2.3 测点的选择与分布
基于户外人群的行为活动情况，根据SVF的不同分别选出全遮阴(SVF值小于0.1)、半遮阴(SVF值0.5左右)、无遮阴(SVF值大于0.95)3种类型的风景园林活动空间共计18个测点(分布情况见图1)，每种类型空间包含6个测点，各测点分类及具体信息见表3。
3 结果与分析
为避免实验结果的偶然性，将各测点3个测量日各时段实测数据的算术平均值作为最终结果进行数据分析。
3.1 热环境
本文中热环境的衡量指标包括太阳辐射强度，空气温度以及地表(表面)温度，其中太阳辐射作为地球表层最主要的能量来源，能够直接影响空气温度以及地表(表面)温度，对于人类来说，太阳辐射不仅影响人体热舒适度，其携带的紫外线更能对眼睛、皮肤甚至免疫系统产生损害[15]。
图2-1 平均太阳辐射
图2-2 全遮阴测点太阳辐射
图2-3 半遮阴测点太阳辐射
图2-4 无遮阴测点太阳辐射
3.1.1 太阳辐射强度日变化
图2-1显示，各不同遮阴类型的测点空间平均太阳辐射强度差异较大，尤其是无遮阴空间，从8：00开始强度平均已至400wat/m2，最高700wat/m2，其中测点14(图2-4)在12：00左右太阳辐射值接近900wat/m2；半遮阴和全遮阴空间总体平均太阳辐射值始终处于低位且差距不大，最高值不足200wat/m2，说明在炎热的夏季，相对于露天空间，当SVF降至0.5左右时，即能显著降低太阳辐射强度，阻隔近70%的直射阳光。大乔木遮阴空间受树干分枝点高低的影响，遮阴效果会随太阳高度角的变化而变化，因此在半遮阴空间中(图2-3)，大部分测点在13：00—14：00太阳西斜时太阳辐射达到峰值；无遮阴空间(图2-4)，最高值出现在12：00左右，测点3的太阳辐射值相对较低， 最高值441.13wat/m2，接近无遮阴测点平均值的最低值，表明相对于室外完全露天的风景园林空间，透明有机玻璃虽然整体透光性很高，几乎等同于无遮阴状态，但依然能显著降低太阳辐射强度，削弱太阳直射可能给人带来的不良影响。
图3-1 平均空气温度
图3-2 全遮阴测点空气温度
图3-3 半遮阴测点空气温度
图3-4 无遮阴测点空气温度
3.1.2 空气温度日变化
对于空气温度，各不同遮阴空间及其内部各测点间的差距较小，图3-1所示，3种不同类型遮阴空间中，全遮阴与半遮阴空间平均空气温度几乎同步变化，只在12：00—14：00出现最高约0.5℃左右的差值，其余时间段2种类型空间平均空气温度基本一致，无遮阴空间在16：00前，其平均空气温度始终相对于前两者高3℃左右，表明遮阴状况对空气温度的间接影响：在炎热的夏季，太阳辐射较强时，一定的遮阴能够显著降低太阳辐射强度，进而影响空气温度。
全遮阴空间(图3-2)因不同遮阴材料的影响，各测点空气温度变化趋势一致，差值较为稳定，最大差值出现在14：00—16：00，约2℃；半遮阴(图3-3)测点在12：00—17：00，空气 温度差值较大，尤其是测点2和6，在12：00—13：00、15：00—16：00 明显高于同时段其他测点，最大差值2.5℃左右； 无遮阴空间随着太阳辐射强度的增加，各测点直接经受太阳直射，空气温度均快速升高，温差逐渐减小，于15：00—16：00均达到峰值，最大差值约4℃(8：00—9：00)。
3.1.3 地表(表面)温度日变化
地表(表面)温度的变化与太阳辐射强度较为密切，且受到各测点铺装材质的影响，因此各不同遮阴类型空间及同一类遮阴空间内各测点间差异都较大，图4-1显示，无遮阴空间远高于半遮阴及全遮阴空间，最大差值高达20℃，最小差值也在5℃以上；半遮阴与全遮阴空间在12：00—15：00差值最大，约5℃，其他时间段差值约2℃，18：00后二者趋同，但由于地表(表面) 温度具有一定的累积效应，此时无遮阴空间仍在40℃以上。
图4-1 平均地表(表面)温度
图4-2 全遮阴测点地表(表面)温度
图4-3 半遮阴测点地表(表面)温度
图4-4 无遮阴测点地表(表面)温度全遮阴空间(图4-2)的变化一直是缓慢上升的趋势，约在13：00—14：00达到峰值，卵石铺地的测点5和17地表温度始终较低；半遮阴空间先快速上升，13：00—14：00达到峰值而后逐渐回落；无遮阴空间中(图4-4)测点14与11始终存在明显差距，最大地表温度差值在中午时分达到了15℃，最小差值也在10℃以上，表明沥青比花岗岩等天然石材更易储热，不宜在无遮荫环境下大面积使用。
3.2 湿环境
相对湿度的变化受太阳辐射及空气温度的直接或间接影响，与空气温度紧密相关且呈相反的变化趋势。全遮阴空间与半遮阴空间几乎没有差异，与无遮阴空间差距明显，但三者总体的变化趋势同步，差值稳定，最低值都出现在15：00—16：00。
全遮阴各测点间差值较大，测点1 5始终较低，测点1受水体影响，测点7和17周边绿化量较大，因此相对湿度偏高；半遮阴测点在12：00—17：00太阳辐射较强时出现波动，最大差值约5%，其他时间段差值不明显；无遮阴测点最大差值超过10%，出现在8：00—10：00和18：00—19：00太阳辐射强度在全天最弱时。
图5-1 平均相对湿度
图5-2 全遮阴测点相对湿度
图5-3 半遮阴测点相对湿度
图5-4 无遮阴测点相对湿度
图6-1 各类型空间总风量占比
图6-2 各类型空间平均风速
图6-3 各测点风向分布
图6-4 各类型空间风向分布3.3 风环境
风环境主要指各测点空间内的风速和风向变化，将3个测试日所得各个测点的平均风速进行分类累加，得到各类型遮阴空间总风量的对比(图6-1)，结果显示无遮阴空间总风量最大，全遮阴与半遮阴空间差距不大；计算3种遮阴类型空间平均风速(图6-2)，整体来看，平均风速从大到小的排序是无遮阴空间>半遮阴空间>全遮阴空间，表明相对开敞的空间有利于风的形成和流通，风速风量较大。
风向的变化较为复杂，除了受季节性大气候环境的影响及各测试日当天的主风向影响外，还与各测点所处位置的周边建筑布局、植被种植等密切相关，3种遮阴类型中全遮阴、半遮阴测点无风状态偏多，尤其是测点5、7、8、17，无风状态占比超过2/3(图6-3)；在方向的分布上，3个测试日的统计结果显示3种类型空间无明显区别(图6-4)。
3.4 生理等效温度日变化特征
PET是由Höppe基于MEMI ( Munich Energy Balance Model forIndividuals)模型而提出的人体热舒适度指标[7]，利用Ray Man软件可以计算出各个测点每一时间段内的PET值，对应PET热感觉和生理应激等级(图7)模型区间则可得出相应的热舒适感受。
对比各遮阴空间平均热舒适度及各测点热舒适度日变化(图8-1~8-4)，结果显示在炎热夏季，无遮阴空间最不舒适，内部所有测点全天几乎都处于“热”及“炎热”的状态，只有在18：00以后才回归舒适水平；全遮阴空间仅在12：00—16：00有点热，且程度较低，属于微热，整体舒适度仍然很高；半遮阴空间在10：00—17：00表现较热，尤其是13：00—14：00最热，但尚未达到“炎热”的程度，只有测点2、9午后伴随太阳西斜接受阳光直射而在短时间内达到“炎热”。
利用SPSS统计分析各测点的PET值与SVF及各小气候因子间的相关性(表4)，结果表明，在置信度(双测)为0.01时，PET与SVF、太阳辐射强度、空气温度以及地表(表面)温度呈显著正相关；与相对湿度呈显著负相关，与平均风速无明显相关关系；即在炎热夏季，随着太阳辐射强度的增加，空气温度及地表(表面)温度随之上升，使得人体在室外风景园林空间中的舒适度感受逐渐降低，适度的遮阴和增加湿度能显著降低这一影响，提高夏季室外空间人体热舒适度。
图7 PET热感觉和生理应激等级[9]
图8-1 平均热舒适度
图8-2 全遮阴测点热舒适度
图8-3 半遮阴测点热舒适度
图8-4 无遮阴测点热舒适度4 结论和讨论
通过以上对全遮阴、半遮阴、无遮阴3种不同遮阴类型下18个测点各小气候因子的实地测量和结果分析得出以下结论。1)太阳辐射强度是影响室外小气候环境的重要因素，因此遮阴对于夏季风景园林空间的舒适度营造至为关键。相对于露天空间，全遮阴与半遮阴空间整体差异不大，当SVF降至0.5左右时，即能降低空间内70%的太阳辐射量，有效避免了阳光直射带来的高温高热及对人体产生的不适影响。2)遮阴材料及地表(表面)铺装材质的选择尤为重要，对于遮阴材料，首选实顶或不透光的人工构筑物，可结合一定量的绿化配置，能有效阻隔午后的直射阳光；其次可选冠大荫浓、分枝点较低的乔木(也可通过抬升或架空平台来实现)或密度较高的大灌木；对于铺装材料，在面积较小的区域可考虑鹅卵石、防腐木，避免在太阳直射区域大面积使用沥青、水泥等材料，推荐使用人工透水砖或增加一定木质铺装比例。3)在炎热夏季，可通过喷泉、跌水等流动性的水体景观来增加空气湿度，提高人体的舒适度感受。
本实验旨在探究室外风景园林空间冠层遮阴对夏季小气候及人体热舒适度感受的影响，仍存在一定欠缺。首先，天空可视因子不能全面反映空间的遮阴情况，一天中随着太阳高度角的变化各个测点空间的遮阴情况也在不断改变，后期可结合软件模拟进行光影的动态实时分析；其次，3个测试日的平均风速都偏小，以致最终的风速数据均较小，因而弱化了风速对热舒适度的影响，后面的研究可考虑选择风速偏大的天气进行测量；最后，测量时间局限于白天的8：00—19：00，未考虑到人们早上及晚间的户外活动时间段，未来也须完善。
注：文中图片除注明外，均由作者拍摄或绘制。
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(编辑/李旻)
作者简介：
段玉侠
1993年生/女/安徽阜阳人/浙江农林大学风景园林与建筑学院在读硕士研究生/研究方向为城市小气候(临安 311300)
金荷仙
1964年生/女/浙江东阳人/博士/浙江农林大学风景园林与建筑学院教授/研究方向为康复花园、寺庙园林、植物景观规划设计/本刊社长、常务副主编(北京 100037)
史琰
1981年生/女/山东淄博人/博士/浙江农林大学风景园林与建筑学院讲师/研究方向为生态规划设计理论与应用(临安 311300)