古建筑庭园空间热环境的分析研究——以苏州潘世恩故居为例

曹 文， 赵书杰

（苏州科技大学 建筑与城市规划学院，江苏 苏州215011）

传统古建筑群在修复或改造时，古建筑部分会按照文保建筑或控保建筑的要求进行保护性修复，建筑群中的庭园空间的修复往往会被忽视。 其原因在于这类古建筑庭园空间过小不受重视，缺乏理论上指导性的修复意见；另外，这类古建筑被售卖后，室外庭园空间的变化往往受室内空间功能改变的影响较大，庭园空间微气候热环境在极端季节较不舒适。

目前，人们对苏州古建筑庭园的研究还停留在通过庭园的构景空间和构景类型等原理的阐述去解析庭园的气候适应性[1]，或者是探究江南传统民居的小尺度的天井空间，发现庭园空间不仅是人们日常活动的公共空间， 在使用功能上还起到了调节屋内微气候的作用[2]。 这些虽然对古建筑庭园空间有一定的理论指导意义， 但是对于具体修复后庭园空间布置和利用没有一定的科学依据。 本文选取较为典型的古建筑庭园空间苏州潘世恩故居为研究对象，其位于江苏省苏州市（北纬31°19’，东经120°37’）姑苏区临顿路钮家巷3 号，南邻钮家巷，西临临顿路[3]；建造年代可追溯到清嘉庆十四年（1809 年），据20 世纪50 年代实测的《钮家巷太平天国英王府平面图》记载[4]：它占地6 266 m2，宅后有园、有池、有山；2006 年6 月被列为省级文物保护单位，整个控制保护区域东西全长约为35 m，南北长约66 m，占地面积约2 100 m2，现存建筑面积约1 500 m2。 通过对故居修复后的庭园空间微气候的实测和模拟分析， 找出庭园空间布局模式优化策略。

图1 改造后总平面图

1 研究方法

改造后的的潘世恩故居庭园空间布局见图1，分为两个部分——“①部分”的状元博物馆，包括西路和中路门厅、中路轿厅，主要是以硬质铺地和植物为主的天井院落；“②部分”的商业部分，包括东路和中路正厅、内厅、后楼厅、后花园，既有硬质铺装和植物为主的天井院落，也有以水面为主的后花园。

图2 ENVI-met 计算模型

1.1 建立ENVI-met 模型

根据测绘数据用ENVI-met[5]建立潘世恩故居模型，见图2。设置参数：分辨率为1 m×1 m×1 m，水平方向x轴和y轴的网格为52 m×85 m；垂直网格为24 个等距网格，实际庭院无较大高差，建模时忽略不计。

1.2 获取典型模拟日的初始气象条件

苏州属于夏热冬冷地区，根据地区的气候特征，炎热的夏季和寒冷的冬季庭园热环境更需要改善，因此在对庭园空间微环境实测和模拟时选用夏冬这两个季节[5-8]。 分别选取2018 年8 月1 日为夏季、2019 年01月22 日为冬季的实测和模拟时段（见表1 所列）；模拟边界条件的主要参数见表2 所列，根据苏州气象局提供的当日气象数据[6]及实测数据综合得到工况，从中国气象网农业气象板块网站[7]得到土壤初始温度，ENVImet 中通过对各层的叶面积密度（LAD）来设置植被[8]。

表1 平江历史文化街区潘世恩故居冬、夏两季典型模拟日气象数据[6]

表2 冬、夏两季主要边界条件设置[5，7]

1.3 热环境评价指标

影响个人冷热感觉的因素主要有个人的活动量大小和该人衣着保温程度， 以及空气温度、 空气相对湿度、空气流速和平均辐射温度等环境变量[9]，通过对这些因素的实验研究可以较为准确地预测人在特定环境下的热感觉。目前国外对室外热环境评价较为适用的理论性指标有PMV-PPD（热舒适评价指标）、PET*（生理等效温度）和SET*（Standard Effective Temperature，标准有效温度）等，较为通用的评价指标为SET*。 SET* 涉及有关人的活动状态、服装和环境物理变量的函数，它可以给出作为人体状态函数的热感和不舒适感。

对潘世恩故居的庭院热环境涉及到的物理因子进行了实测， 主要包括气温、相对湿度和风速。通过实测分析和电脑模拟后，选取SET*作为苏州传统古建筑庭园热舒适的评价指标[10]。

图3 潘世恩故居测点设置图

2 修复后的庭园空间的实测分析

2.1 测点分布

潘世恩故居的实测中共设置了13 个测点，包括一个室外测点（见图3）。

2.2 测点概况

潘世恩故居修复后主要分为两部分， 根据这两部分的现状分开进行测量，实测数据分为两区，这两区的营业时间均在8:00-18:00 之间，可以同时进行实测。一区是状元博物馆部分，主要是点A1、A2、A3、A4、A5、A6，这些测点部分均无水景，室外铺装大部分为硬质铺装，保证了博物院内部干燥和通风状态；另一区为商业部分，主要由几个小商铺组成，商业部分的南部为建筑密集区，北部有后花园，根据现场实测，主要点a7、a8、a9、a10、a11、a12；点a7、a8 主要是南部建筑密集区，点a9、a10、a11、a12 为后花园的游歇空间（见表3 所列），这两区的庭园空间有较大不同，有较好的对比分析价值。

表3 潘世恩故居观测点概况

2.3 测试方法与过程

2018 年8 月1 日和2019 年1 月22 日，到苏州老城区的潘世恩故居中采集实地数据，热环境部分是所收集数据的主体。 在三个地点进行观测的过程中，以点为源，对该处的空气温度、相对湿度、风速风向等数据进行了汇总整理。 数据采集的高度在离地面1.5 m 处，10 min 为间隔，以照片方式记录早上8 点到下午6 点之间的数据，每2 h 一轮。 测试仪器如下表4 所列。

表4 测量仪器的型号及参数

2.4 实测数据分析

2.4.1 实测气温分析 实测气温如图4 所示，具体气温分析如下。

在状元博物馆部分，TA5-A6＜TA1-A3-A4＜TA2，A5-A6 部分处于内廊内， 无阳光的直接照射，A1 是轿厅天井，天井内置有装水的水缸，且天井的宽高比较小，A3-A4 即纱帽厅天井和后厅天井，天井的宽高比虽大，但是其中种植了可以遮阴的常绿乔木，以及高大厅堂遮阴；A2 即鸳鸯厅天井，天井宽高比较大，且所植乔木为落叶乔木，栽种位置也离厅堂较远，由此说明季节性的景观和庭园的高宽比也会影响庭园的热环境。

在商业部分，由于中路不能进入，主要分析了西路部分和后花园，可以得出Ta12＜Ta7-a9-a10＜Ta8-a11，a12 位于后花园水池边的园路，有大面积水体和花木，水体蒸发可以带走部分热量，不论是夏季还是冬季，此处为庭园内气温最低的部分；a9 位于半亭内，a7-a10 处于长廊内，屋顶可以减少太阳辐射，a8-a11 分别是书楼阁天井和花篮厅前，且无花木，受太阳直射，温度为商业部分最高。 综合两部分可以看出，建筑庭园内的夏季平均最大温差可达4.39 ℃，冬季温差可达2.83 ℃。

2.4.2 实测相对湿度分析 实测相对湿度如图5 所示。可以看出，白天空气温度越大则相对湿度越小，不论冬季或夏季，潘世恩故居内的商业部分（特别是后花园）的湿度明显大于状元博物馆部分，这主要是由于后花园中的大面积水体受太阳辐照蒸发水分，形成较大湿度。

图4 潘世恩故居实测空气温度

图5 潘世恩故居实测空气湿度

状元博物馆部分冬季和夏季湿度均较大处为A1-A3-A4，这部分宅园建筑及植被种植密度较大，且这三处天井是有储水的水缸或者是常绿的乔木，蒸发水分较多，湿度较大。 商业部分冬季和夏季湿度较大处为a12，虽然该处位于开敞庭园主导风向的后端，且实测显示是庭园中通风最好的空间，但是水体蒸发水分较大，故在夏季和冬季此处的舒适度较低；相对于接近水池的园路，湿度较为适宜的反而是a7 和a8 部分，这两处分别为半亭内和长廊处，长廊为南北走向，是商业部分建筑高密度区向建筑密度较低地区过渡的一个重要风口设置，这也可以从风速的测量中得到验证，并且其湿度不高，半亭部分离水池较远，周围栽种的灌木较多，只有一株高大落叶乔木，且主干较高，因而湿度也较低。

2.4.3 潘世恩故居实测风速分析 潘世恩故居实测风速如图6 所示。 空气流动是风形成的一个重要因素，所以在测量和风力有关的数据时候必须从动态变化的角度进行，因为风环境也是在一直变动的，其数据记录往往是瞬时值，所以要想提高风环境在研究园林布局时数据的可依赖性，在模型实验中必须假定风不变。

执照环境科学大辞典（2008 年修订版）的定义：静风指距地面10 m 高处平均风速小于0.2 m/s 的气象条件。 根据平均风速柱状图可以知道，庭园中的大部分风速超过了0.5 m/s，风速较为明显，但是大多都不超过1 m/s，庭园布局在根本上保证了在夏季和冬季有基本的空气流通，可以改善庭园的热环境。

从图6 可以看出，在状元博物馆部分，夏季和冬季平均风速最大处为A3，大于1 m/s，对比这部分内的几个天井可以看出，纱帽厅天井的宽高比较大，且栽植树木多，温度和湿度相较于前后两个天井低，当庭园受到四面围墙围合时，庭园的整体虽然无风，但这不代表它的温度和空气流动也处于静止状态，一旦这些条件发生变化，就会形成热压差，此时就会形成风，并且风力不小。在商业部分，在夏季和冬季a7-a8-a9 的平均风速均小于1 m/s，在0.5 m/s 左右，在庭园环境中较为舒适，且风速呈现的变化趋势是从南到北逐渐变大，这主要与建筑和庭园的布局有关，南端形成了高密度的建筑区，北端为开阔的后花园，且有大面积的水面，面向夏季东南风的主导风向，从密集区到后花园通过通廊的连接，可以利用开敞庭园形成较好的室外风环境，面向冬季西北风的主导风向，能够利用开敞庭园的常绿乔木和书楼阁的大体积建筑对西北风进行阻隔。

图6 潘世恩故居实测风速

2.5 实测数据分析总结

通过对实测的微气候各因素的分析，得出了以下的几点结论：

（1）通常来说1.5 m 高位置的测点，其气温大小通常均随太阳升高，气温渐渐提高，且在下午2 点附近产生最大值，随后渐渐的降低。 研究对比室外的相关测点，能够发现白天中植物多的庭园区域较无水体或植物少的庭园区域的空气温度更低，其温度平均差值大小通常在1～2 ℃之间。 从夏天的实际测量数据能够发现树木和水体相结合的配置对庭园室外环境的微气候改善是更有利的。

（2）通过防止太阳直接照射可以让空气温度快速下降。对于三个古建筑庭园来说，其要想防止太阳直射，庭园空间的布局方式一般采用高大乔木结合建筑来实现。

（3）增加空气相对湿度主要是水体或者是植物，水体受太阳辐射后温度上升，同时会有部分水分产主蒸发；而植物通过蒸发水分，水池上方和植物下方的相对湿度较高，在夏季可以产生降温增湿的作用。

（4）风环境在实际测量之中表现出的是瞬时值，园内里面绝大多数测点均存在空气的流动发生，然而其基本都被控制在了静风的区间里面。 其中水池周围风速较大，可能是由水陆风形成的微气候现象，备弄和廊处于连接建筑密度较高和花园区域的交界位置，风速平均值较高。 这主要是因为围墙和庭园里面的组合布局构成了独特的风环境。

3 修复后的庭园空间的模拟优化分析

为了应对夏季湿热、冬季湿冷这一气候特征，苏州地区的古建筑内庭园布置了很多庭园空间。 合理地利用庭园空间可以从源头上解决夏季太阳辐射所带来的不舒适的微气候热环境。

从不同的平面形态的庭园空间来看，围合庭园的建筑布局方式和景观要素配置对太阳辐射的遮挡和对风的引导有不同的影响。 对既定而成的庭园的平面形态，应该从以下两个方面对苏州地区的日照条件和风条件进行利用，来确定合理的庭园布置方式。

3.1 对建筑布局方式的利用

《苏州市古建筑条例》第十三条明确规定“维修古建筑不得任意改变和破坏原有建筑的布局、结构和装修，不得任意改建、扩建”。故古建筑的面阔、进深和高度是不能够改变的，只能以前后建筑的关系对太阳辐射和自然通风加以利用。 潘世恩故居庭园平面如图7 所示。

在古建筑群中，建筑的布局方式为南低北高时，这种形式利于夏季通风和冬季避风，同时有利于冬季对太阳辐射的利用，但是对庭园不利于其夏季遮阴；建筑的布局方式为前后高度一致时，庭园在夏季不能将东南风引入室内，冬季能较好的阻挡寒冷北风，对于太阳辐射，当建筑都为一层层高时，有利于冬季纳阳；当建筑大都为两层层高时，有利于夏季遮阳。 建筑的布局方式为南高北低时，南向建筑高会将夏季东南风阻挡在庭园外，北向建筑低，冬季西北风会在庭园内形成漩涡区，这种形式不利于对风的引导，南高北低的格局在庭园中形成的阴影面积较大，有利于夏季遮阳，不利于冬季纳阳。

3.2 景观要素配置

3.2.1 植物配置 根据植物的体量大小可以将植物分为乔木、灌木和草本，在进行景观设计时，选择遮阴的大中型乔木，在夏季可以提供荫凉，而冬季能防风。 在夏季太阳暴晒下，林荫处的气温比空旷地低3～4 ℃[11]。为了达到最大遮阳效果，大中型乔木应种植在庭园空间或建筑物的西南或者西北面。 乔木的冠幅普遍较大，不仅可以在夏季有效地提供遮阴面积，通过合理的布置方式，可以对风进行引导，改变风的流向。

根据表5 中的景观布置在ENVI-met 中模拟并输出夏季和冬季14:00 时标准有效温度色阶图（见图8），从图8 来看，在夏季，纱帽厅天井的各项指数最佳，其次是鸳鸯厅天井，最差的为后厅天井，高大乔木可以调节庭院内的夏季微气候，达到较为舒适的热环境；在冬季则相反。 为了营造夏季和冬季都较为舒适的微气候特征，可以落叶乔木和常绿乔木搭配种植，在夏季遮阴面积大，冬季也可以有防风作用。

3.2.2 水体的设置 水的比热容比一般材料的比热容大，经太阳照射后，升温较慢，温度较附近硬质铺地要低，而且水体蒸发时可以带走近水位置的热量，降低周围空气温度。 当水体的位置设置合理时，与周围硬质地面形成温差较大，可以形成局部气流，在夏季可以利用这一点使周围风速变大，舒适度增加。

图7 潘世恩故居庭园平面图

表5 潘世恩故居西路庭园空间景观配置

两个庭园中最主要的不同是水体位置的不同（见图9），现存的水体位置在东路后花园L 形平面的北部，对比模拟分析时将相同面积的水体置于庭园的南端，经计算机模拟后对比可知：

（1）在夏季14 时（见图10），从标准有效温度值来看，不舒适的区域范围较为集中在硬质铺装处，但是水体位置处于南时，庭园中人活动的区域廊亭四周及树荫底处的值较水体处于北时低1～2 ℃，水体处于南时有利于改善夏季庭园空间微气候热环境。

（2）在冬季14 时（见图11），但是从标准有效温度色阶图上可以看出，当水体位置处于南时，硬质铺地受太阳辐射的区域较水体处于北时的面积大，人在庭园中的活动区域就较大。

（3）分析对比了优化前后的区别，水体的位置对庭园内夏、冬季的舒适度有一定的影响，可以从建筑的布局方式着手，根据建筑功能的需求去优化庭园空间布局，合理的布置建筑、水体、植物等，营造较为舒适的微气候环境。

图8 标准有效温度色阶图

图9 水体位置

图10 夏季14:00 标准有效温度色阶图

图11 冬季14:00 标准有效温度色阶图

3.3 模拟优化分析总结

由古建筑群的布局方式着手分析，得出该庭园空间的优化布局方式，从庭园景观要素植物和水体的配置出发，将修复后的古建筑庭园空间与优化布局后的庭园空间进行软件模拟分析，得出相应的结论：

（1）在设计平面时合理地布置植物，可以有效地改善通风或减弱风速。在模拟优化时，可以发现庭园面积小或空间深时，种植乔木可以营造夏季阴凉微气候。庭园面积大或空间开阔时，乔木可以营造夏季凉爽感觉；

灌木和草木在冬季则不会遮挡过多太的阳辐射，较为温暖。

（2）当庭园空间可以设置水体时，一般来说水体设置在南更有利于水体设置在北，在夏季，东南风可以携

带南部水体上空水汽降低周围温度来达到凉爽舒适的感觉， 冬季流行的西北风会由园墙或树木遮挡而减弱强度，园内更为舒适。

根据优化前后的对比分析可以得出庭园空间布局模式优化策略流程图（见图12），从影响庭园空间微气候热环境的各因素如建筑布局方式、植物、水体等出发，对庭园空间布局进行优化模拟分析，得出相应的优化设计策略。

图12 庭园空间布局模式优化策略流程图

4 结论

根据ENVI-met 的输出结果的分析可知， 通过对庭园空间景观的布局变化的模拟可以较为直观的得出相对应的室外舒适度。 如果庭院空间的舒适度太差， 可以对庭园空间景观进行二次设计和模拟分析得出结论，当模拟结果趋向优化即室外热环境得到改善，并且在之后的庭园空间改造中可以体现，可以作为该庭园空间的优化设计方案。

这种模拟分析得出的优化设计方案，主要适用在特定的地理气候环境下，而且庭园空间形态受到古建筑的制约，可能还会因建筑功能的改变而变化，这一优化方案是权衡多个方面得到的结果。 这一方法不仅仅适用于古建筑内庭园空间微气候热环境的设计优化，对现代庭园的设计也有一定的指导。