江南水乡住区冬季室外热环境实测及分析——以上海魅客小镇滨江社区为例

■ 周伊利 ZHOU Yili 李 琪 LI Qi 程 明 CHENG Ming 朱 丹 ZHU Dan

随着我国城乡进入高质量发展时代，乡村战略全面推进实施，新型城镇化进入新阶段，乡村人居环境科学发展已成为地区乃至国家重大需求。江南水乡以密布水网为最重要的地貌特征，乡村住区承载乡村聚居生活功能，以大小不一、形态各异的组团形式分布于水网之间，与其它自然环境要素交织在一起。乡村住区室外物理环境对乡村人居品质具有重要影响，其中，室外热环境是一个很好的切入点和突破口，现有研究体系在针对乡村住区室外热环境方面存在较大空白。本文聚焦江南水网密布地区的乡村住区，立足夏热冬冷气候特征，通过冬季典型日室外热环境相关参数的实测与分析，尝试揭示江南水网密布地区新型住区冬季热环境特征、影响要素及作用机制，在一定程度上可以弥补上述研究空白。

1 乡村住区热环境研究综述

乡村住区热环境是乡村人居环境研究的重要载体，主要分为室内和室外两部分，主要通过气候、地理等自然要素与人工环境的耦合作用而成。室内热环境相对稳定，常见以空气温度、相对湿度及辐射温度等指标为衡量参数，可调控程度较高，使用者感知性直接，内在作用机制也比较清晰。室外热环境变化较大，受影响因素较多，常见以空气温湿度、风速、平均辐射温度等参数作为衡量指标，形成机制比较复杂，牵涉较多，但室外热环境影响范围较大，关系住区总体环境的品质和使用者的满意度，也是改善室内热环境的重要因素。

相比之下，针对城市住区室内外热环境的研究成果较多，探讨也较为深入，其技术路线大体是通过典型日微气候参数实测、软件模拟及两者相结合的方法，即在不同建筑气候区的乡村，选择典型居住空间展开室内热环境研究和热舒适性评估，揭示住区热环境的影响因素及机制，从而试图为住区规划设计提供科学依据和技术支撑。

关于乡村住区热环境研究多集中于室内部分，研究对象遍及各个建筑气候区，如郑文亨等人研究[1]选取桂北地区（夏热冬冷地区）具有代表性的新旧民居，分别测试其在夏季和冬季的热环境参数，为山区乡村民居热环境研究提供重要参考；邵腾等人立足东北严寒气候，对典型乡村民居进行冬季室内热环境测试与分析，探寻乡村住宅在建筑物理方面的问题[2]；张芳芳等人通过测试分析冬季豫西（寒冷地区）典型民居室内外热环境，明确影响室内温度的主要因素，并从多方面提出改善室内热环境的建筑策略[3]。此外，还有部分学者针对西北干旱地区[4-6]、青藏高原地区[7]等代表性民居进行典型季节的实测，呈现了气候、地理等多种自然要素影响下的室内热环境特征，为住宅建筑设计提供优化依据。针对乡村住区室外热环境的研究成果并不多，如豆思梦等人研究[8]通过对农村住宅区室外林荫道路夏季室外热环境参数进行测量及分析，借用数理统计得出室外夏季热中性温度和可接受的温度范围。

学界对乡村住区室外热环境关注较少，原因是多方面的。首先，乡村住区相对比较零散，人口密度较低，在城乡发展中处于弱势地位，而且内部结构较为松散，难以有效组织营造室外环境，在过去几十年快速城镇化阶段，更多关注于乡村住区交通便利、卫生提升、居住改善等基础性需求。其次，各地乡村住区布局、形态差异较大，往往与生态空间、生产空间间杂相处，人们习惯性地认为乡村建筑物理环境必然“美好”；乡村住区室外热环境影响因素比城市住区更多，其复杂性和艰苦性让不少研究者“望而生畏”。再者，乡村住区分布普遍分散，类型多样，典型案例提取难度较大，乡村住区规划设计的引导机制尚未建立，从技术研究到设计指引的反馈路径不够顺畅，使很多人失去研究的热情。

2 对象与方法

2.1 研究对象

魅客小镇项目位于归园居一期示范区内，地处黄浦江东岸、沈庄塘南岸，总规划面积3 万m2，试图重新定义关于未来理想乡村社区。魅客小镇依托郊野村庄肌理，形成“生态岛居”形态（图1）。魅客小镇项目以丰收村9 组中约十几处闲置宅基地为基地，通过有偿转让方式获得一定年限的房屋及场地使用权，以不超过原宅基地范围和原产证面积、建筑檐口离地不超过10 m 为约束条件，以生活、休闲、工作新模式引导空间设计，创造出新型乡村社区。滨江社区的具体设计策略包括：①在建筑面积不变的前提下，分拆农宅指标，形成多栋建筑及其围合院落空间（图2）；② 以标准模块类型重构分拆后的基本单元，并将这些基本单元进行重新组合，形成多样的建筑形态（图3）；③以白色为主色调，通过几何造型特征显示基本单元的叠加或拼合，以当代简约手法重塑乡村住区高低错落的风貌（图4～6）。

图1 魅客小镇滨江社区示范区及实验场地

图2 拆分示意图（夏翀）

2.2 场地选择

魅客小镇滨江社区一期项目已完成三个组团的建筑施工：两个小组团和一个稍大组团分列河流两侧。本次实验选择河南岸稍大组团作为实测场地，理由如下：①该组团规模较大，共有三排建筑，基本单元及组合类型齐全，代表性较强，体现本项目的精华；②组团室外空间围合变化较多，既有较大中心庭院，又有宅间小场地；③地面类型丰富，包括草地、灌木、彩色石子等，便于开展不同测点比较研究；④周边环境有高大乔木、未改造农宅，可以对多种要素影响室外热环境进行讨论。

2.3 实测方案

为观测水乡住区在寒冷冬季的室外热环境,选择冬季测试日期为2021 年2 月4 日，有效数据时段为11:00～16:30，是白天室外活动较为集中的时段，可以直接体现室外热环境与热舒适性的相关性。测试内容是室外11 个测点的温湿度及其中3处测点的风速。此次实验采用了3 台Kestrel NK-4500 热应力气象仪和9台HOBO UX100-003温湿自计仪（表1），所有仪器都设定每间隔2 min记录一次数据。

表1 实测仪器及参数说明

图5 中心庭院实景

为方便研究，此次实验设置了2个参照点，参照点T1 处于实验组团西侧临河的开阔草地上，高度1.1 m，白天有较好日照，参照点T2 处于实验组团东侧未改造农宅庭院的水泥地上，高度1.1 m，白天有较好日照，采用Kestrel NK-4500 气象仪获取空气温度、相对湿度、风速等气象数据。在组团内部，设置测点T3 位于组团中心庭院偏北位置，日照较为充足，同时采用HOBO UX100-003 温湿自计仪和Kestrel NK-4500 气象仪获取空气温度、相对湿度及风速；其余8个测点布置在不同空间属性的位置，旨在探寻不同属性空间的热环境特征（图6）。

图6 实测仪器布点位置示意图（夏翀）

在测试前，同类仪器通过预测试进行校核,以验证数据的科学性和可靠性。具体工作是：选取某一测点作为预测试点,使用同类的仪器对其进行测试，比较测试数据，以测试数据与其平均值之差处于仪器精度范围内为标准，这样可以保证数据误差是由仪器本身的精度引起的，仪器可以正常使用。

2.4 数据处理

本次实验选择晴好天气的2 月4日，在白天时段进行布点实测。在测试期间，所有HOBO 仪器都未采用必要的防辐射措施，因此，少数测点（如T4、T8、T9）的仪器在部分时间段受到太阳直接辐射，导致空气温度数据偏高，受太阳直接辐射前后的数据突变比较显著。在对比研究中，需要对这部分数据予以说明，在平均数、最大值和最小值统计时，这部分数据也应予以剔除，以避免形成误导（图7）。

图7 测点温湿度数据箱型图

3 结果与分析

3.1 参照点实测数据

测试期间，T1 处空气温度范围为10.5℃～17.4℃，平均温度13.2℃，其中峰值出现在14:10；相对湿度范围为37.0%～58.7%，平均相对湿度为47.1%；平均风速为0.8 m/s，最高风速为2.7 m/s。T2 处空气温度范围为10.0℃～19.1℃，平均温度13.9 ℃，其中峰值出现在14:18；相对湿度范围为27.2%～53.4%，平均相对湿度为39.3%；平均风速为0.7 m/ s，最高风速为3.7 m/s（表2）。测试期间，两参照点在上午和傍晚的空气温度都较低，在10 ℃左右,可以推测夜晚室外空气温度将更低。相比测点T2，测点T1 平均空气温度较低，波幅也较小，平均相对湿度较高，平均风速略大（图8）。探其主要原因，是因为测点T1 处于草地之上，北侧临河，对西北来风遮挡较少；而测点T2处于普通住宅的水泥庭院中，升温较快，西侧和北侧均为两层楼房，对西北来风有一定阻挡作用。从测试结果来看，在冬季晴朗白天，上海乡村住区室外空气温度不低，湿度也不高，但由于有一定的风速，人体感觉偏冷。

图8 两个参照点温度和湿度图

表2 参照点T1/T2 的空气温度和相对湿度

两个参照点的空气温度都在午后14:00 之后达到峰值，傍晚之后逐渐下降；相对湿度则都在午后14:00 之后达到谷值，之后逐渐升高，傍晚之后稳定在高值。也就是说，在冬季白天，随着空气温度上升，空气相对湿度逐渐下降，人体热舒适感觉明显提升；可以推测，在夜间由于相对湿度较高，空气温度较低，人体热舒适感觉会有所下降，不过乡村住区的夜间活动较少，以室内活动为主。

3.2 组团室外热环境测试

测点T3～T11 的数据经过整理剔除，计算出空气温度和相对湿度的平均数、最大值及最小值（表3）。各点的平均空气温度在10.98 ℃～13.2 ℃之间，最高温度为18.2℃，最低温为9.46℃；平均相对湿度在41.93%～48.77% 之间，相对湿度最高为59.50%，最低为31.6%（表3）。相比夏季，动辄75%及以上的相对湿度，冬季的相对湿度显然较低，尤其在正午前后，相对湿度都处于较低的“谷区”，稍有干燥感觉，晴天的白天湿冷感觉较弱；随着下午高度角变小，空气温度下降，相对湿度反而稳步升高。

表3 各测点空气温度和相对湿度的平均数、最大值及最小值

3.2.1 中心庭院温湿度

测点T3 处的温度最高，根据该测点Kestrel NK-4500 气象仪的数据，平均值达到13.4℃，最大值为18.2℃，最小值为10.4℃，波幅达到7.8℃；相对湿度平均值为44.5%，介于两参照点之间，最大值和最小值分别为56.9%和31.6%。测点T3 位于组团中心庭院中央靠北位置，距离绿化较远，也不受前排建筑的遮挡，在14:40 之前均处于太阳直接辐射中，HOBO UX100-003 测得的空气温度较高,偏离严重；在14:40～15:00间，空气温度从17.44 ℃陡降至13.56℃，幅度达到3.88℃，随后逐步降至10.00℃左右（图9），主要原因是随着太阳高度角的降低，使该测点处于西南处住宅三层部分产生的阴影中，加上西侧高大常绿乔木对阳光遮挡较多，综合作用之下导致测点T3 处空气温度在14:40 之后快速下降。

图9 测点T3处温湿度（以气象仪数据为计算基数）

测点T4 和T5 处于测点T3 的西侧，处于庭院的东北角和西南角，地面均铺设白色细石子。测点T4 的平均空气温度为13.02℃，最大值和最小值分别为16.11℃、9.91℃，波幅为6.20℃，仅次于测点T3。自测试开始大约至11:40，测点T3 都处于来自东侧太阳的直接辐射中，显示的空气温度在20℃以上，在没有仪器缺乏防辐射罩的条件下，数值偏离较大；至12:00，空气温度快速下降至15℃左右；在这之后，该测点空气温度经过两个小波峰以较稳定的速率下降至10.00℃以下。

测点T5 的平均空气温度为12.0 ℃，最大值和最小值分别为15.10℃、10.17℃，波幅为4.93℃。相对湿度平均值为48.77%，最小值达到41.10%，湿度在各测点中都居首位，意味着测点T5 是最为潮湿的。测点T5 位置靠近西侧的树林，处于树荫遮蔽之下，大约12:30 之前，基本处于前排建筑的阴影之中，测得空气温度缓慢升高；12:30 之后偏西的阳光穿过树木枝叶，对测点位置形成间歇性辐射，出现4 个明显的“峰值”，大约15:00 之后，以稳定的速率下降至10.00℃以下（图10）。

图10 测点T4 和T5 处温湿度

测点T6 和T7 都处于建筑北面位置，两个测点在测试期间都处于阴影之中，始终没有受到太阳的直接辐射。两测点的空气温度和相对湿度数据显示变化平稳、趋势明显。

测点T6 在靠近中心庭院南侧的绿植附近，其平均空气温度为11.10 ℃，最大值和最小值分别为11.78℃和9.53℃，波幅为2.25℃；相对湿度平均值为47.25%，波幅为18.04%。主要原因是受阴影处灌木和建筑北侧外墙冷辐射的影响，显示空气温度较低，午后14:00 左右出现空气温度最大值，而在傍晚后以较快的速率下降到10.0℃以下（图11）。测点6 在各测点位置中空气温度较低，也意味着该位置体感较冷。

图11 测点T6 处温湿度

3.2.2 临河场地温湿度

测点T7 则处于临河一排建筑的北侧入口雨棚之下，平均空气温度为11.55℃，最高温度为12.32℃，最低温为10.27℃，波幅居各测点之末；相对湿度平均值为46.06%,最大值和最小值分别为57.13%、40.48%，波幅为16.65%，波幅在各测点中最小。测点T7 位置临河又靠近建筑，建筑围合程度较高，使得平均空气温度略高、波幅小（图12）。

图12 测点T7 处温湿度

测点T8 和T9 都位于组团东北角，空间开敞，南侧建筑有所遮挡。从温湿度数据显示来看，两测点在12:00 之后的不同时间段内受到太阳的直接辐射，导致局部数据偏离较大（图13）。

图13 测点T8 和T9 处温湿度

测点T8 紧邻北侧灌木丛，温湿度数据经过处理，空气温度平均值、最大值和最小值分别为10.98 ℃、13.69℃和9.46℃，波幅达到4.23℃，平均值在各测点中最低；相对湿度平均值为48.14%，波幅达21.14%。测试开始之后，测点8 处于阴影之中，空气温度持续偏低，略高于10.00℃；大约在12:00～13:20，受太阳辐射，仪器显示温度陡升，较长时间都在25℃以上波动；当重新回到阴影中时，空气温度陡然降至12℃以下，并缓慢下降至9.00℃左右。

测点T9 布置在河岸边的栏杆柱头上，平均空气温度为11.57℃，最大值和最小值分别为13.86 ℃、10.12℃，波幅为3.73℃；相对湿度平均值为46.38%。测试开始后，测点T9 处于建筑阴影区，空气温度较低，稍高于10℃，后逐渐升高，至13:30 达到12℃左右；大约从13:30开始，该测点受太阳直接辐射，仪器显示的温度数据飙升，在20℃以上波动，至14:30 左右，随着该测点位置重新被建筑阴影所覆盖，温度数据陡然下降至15℃；在这之后的大约2.5 h 内下降到10℃左右。

测点T8 的平均空气温度较低，测点T9 的数据略高，主要原因是测点T8 紧邻灌木丛，测点T9 在河岸边，可见河流具有稳定温度的作用，测点T6 和T7 也遵循类似规律。由于测点T8 在太阳角较大的正午开始受太阳连续直接辐射，测点T9 受太阳直接辐射较晚，因此，两个同类仪器出现陡升的现象有先后。

3.2.3 宅间绿地温湿度

测点T10 和T11 处于第一排建筑和第二排建筑之间的小块绿地之上。测试期间，两个测点始终处于第一排建筑形成的阴影之中，只是距离地面的高度有所区别。测点T10 位置离地高度约1.10 m，测点T11 位置距离地面约0.40 m。总体来看，测点T10、T11 的温湿度趋势明显，突变状况很少，意味着温湿度变化比较稳定；两测点温湿度平均值、最大值和最小值及波幅都较为接近，意味着两个测点温湿度状况相差不大。测点T10 布置在西侧，靠近西侧树林。相比东侧的测点T11，测点T10 处的平均空气温度略低，波幅较小；相对湿度平均值较高，最大值和最小值都略高于测点T11，波幅也较小（图14）。

图14 测点T10 和T11 处温湿度

4 讨论与建议

4.1 空气温度与太阳辐射的关联性

通过组团内各点实测，太阳热辐射是乡村住区室外空间热环境最重要的影响因素。实验中，两个参照点T1、T2 一直处于太阳直接辐射之下，空气温度在午后14:15 达到最高值。结合太阳高度角、辐射强度的变化，空气温度的变化存在明显滞后；测点T3 数据显示，在太阳直接辐射前后的空气温度变化比较显著。少数几个测点（如T4、T8 和T9）在部分时间受到持续的太阳辐射，仪器显示的空气温度数据偏离严重，尽管不能用来说明太阳辐射下空气温度的真实变化情况，但也体现出持续的太阳辐射对空气温度存在显著影响。测点T5 由于受西侧树木的遮挡，测点位置间歇性受到短时间的太阳辐射，空气温度显示出若干个波峰，客观上也说明太阳辐射对冬季热环境的正向作用。

在夏热冬冷气候区，太阳辐射对乡村住区的室外热环境改善有较大的促进作用。在住区空间设计中，应尽量减少遮挡和阴影区域，使活动频率较高的空间得热较多，改善冬季空间使用者的热舒适性。

4.2 空气温度与地面类型的关联性

空气温度受地面类型的影响，主要参数包括地面反射率、比热容等，还有地面颜色、粗糙度等参数。本次实验涉及地面类型有：草地、水泥地面、彩色石子地面、白色石子地面、灌木丛及石材地面等（表4）。

表4 不同类型对应测点及其热反射系数

4.2.1 处于太阳辐射条件下

测点T1、T2 和T3 的地面类型有较大差异，同处于太阳辐射之下，空气温度存在较大差异。测点T1 所处的草地反射率为0.20 左右，能通过土壤蒸发散热，因此，空气温度最低；测点T2 所在浅灰色水泥地面反射率为0.26 左右，但比热容较小，受太阳辐射时升温较快，并辐射近地面空气，使之有所升温，因此，空气温度最高；而测点T3 处于彩色石子地面上，地面比较粗糙，热反射率低，显然低于浅灰色水泥地面，但由于是透水地面做法，通过水分蒸发减弱热辐射对地表的影响，测点T3 的平均空气温度及其波幅、相对湿度及波幅都介于两参照点之间。可见，相比常见的水泥地面，透水性地面具有一定的降温作用。

4.2.2 处于阴影条件下

测点T6、T11 在测试期间，绝大部分时间处于建筑形成的阴影之中，基本能反应测点位置的空气真实温度。测点T6 紧邻灌木，而T11 处于草地上，灌木反射系数略大于草地，意味着灌木吸收热量略少，导致灌木附近的空气温度略低于测点T11 处的空气温度。灌木蒸腾速率也高于草地，使得周边空气相对湿度稍大于草地上的空气相对湿度（图15）。

图15 不同地面类型的测点空气温湿度比较

地面类型对住区室外空气温度有较大影响，一般来说，地面对太阳辐射的反射率越低，吸收热量越多，其周边空气的平均温度越高，有利于冬季采暖；地面透水性能越强，降温作用越强，周边空气相对湿度越高，温度波动幅度越小，有利于夏季致凉；相比草地，灌木“降温”作用更强，还有助于保持空气稳定。在许多乡村住区中，以水泥浇筑地面为代表的硬质地面比例较高，吸收更多太阳辐射，容易导致日夜温差较大；在炎热夏季，这类硬质铺地在白天吸收太阳大量辐射热量，夜间产生逆辐射，不利于自然致凉，通常傍晚采用泼水降温来改善。因此，硬质铺地的比例需要科学分析，根据日常生活真实需求来确定位置与占比，可以有效改善住区微气候环境。

4.3 空气温度与围合程度的关联性

测点T6、T8 都位于建筑北侧紧邻灌木的位置。测试期间，测点T6始终处于建筑形成的阴影区，T8 在部分时段受太阳辐射，数据偏离较大。数据经处理后，发现测点T6 的平均空气温度数据还略高于T8，测点T6的相对湿度平均值略低于T8，波幅也略小于T8。事实上，测点T6 位于建筑围合的庭院中，测点T8 位于建筑北侧临河位置，相比之下，测点T6的空间围合度要高于T8，受庭院被加热空气对流和附近建筑热辐射等影响，比围合度较弱的测点T8 更容易得热。一般来说，空间围合度越高，热量越容易留存，有利于冬季保暖，反之则利于夏季致凉。乡村住区室外空间的围合度应综合考虑不同季节热环境，通过场地构筑物等方式改善局部的热环境（图16）。

图16 测点T6 和T8 处温湿度

4.4 温湿度与树冠覆盖的关联性

测点T10 和T11 与建筑空间关系相近，空间围合度也相似，地面类型也相同，主要差异在于与西侧高大乔木的距离，测点T10 距离树冠边缘投影线约1.5 m，测点T11 距离树冠边缘投影线约7.5 m。实测数据显示，测点T10 平均空气温度稍低，尤其是在午后，差异幅度较大；大约15:30之后，测点T11 的空气温度下降较快，测点T10 则较为缓慢。测点T10 相对湿度略高，差异幅度在午后显示较明显。可见，西侧高大乔木对测点T10处有降温保湿作用（图17）。

图17 测点T10 和T11 处温湿度

显然，高大乔木对室外温湿度影响较大。高大乔木具有较大的树冠和较强的蒸腾作用，树冠会产生较大面积的树荫，有效遮挡太阳辐射，加上自身较强的蒸腾作用，使得树冠以及树荫周边空气温度较低、相对湿度较高，对乡村低层住区微气候产生较大影响。高大乔木在冬季主要起到阻挡冬季寒风的作用，在炎热夏季致凉效果会比较显著。因此，在乡村住区中，高大乔木的种植需先进行场地分析，减少对夏季主导风的阻挡，而增强对冬季寒风的阻挡。因此，东侧、南侧的乔木宜采用落叶型树种，而西侧、北侧的乔木宜采用常绿型树种。此外，还应充分利用高大乔木产生阴影和自身蒸腾作用，发挥遮阳和蒸发致凉效用，改善住区在冷热季节的热环境。

5 结语

实验基地地处上海郊野公园，周边绿化良好，紧邻自然河道，生态品质较高，为乡村聚居创造较好的小气候环境。魅客小镇滨江社区是一种新型乡村住区，集生活、工作、休闲等功能为一体，以简洁的建筑造型重塑乡村社区风貌。通过室外温湿度实测，本文初步探讨了不同空间属性下的热环境及其影响因素，形成以下几点认识。

（1）在以密布水网为主的地理背景下，立足新型城镇化时代特征，人们对江南水乡新型住区模式充满期待。魅客小镇滨江社区以建筑覆盖和容量为约束条件，通过空间解构和重组，创造了具有江南水乡特色风貌的新型住区。由于空间形态的多样性和典型性，魅客小镇滨江社区成为良好的江南水乡住区室外热环境研究的实验基地。

（2）太阳辐射是影响乡村住区冬季热环境的最重要因素，朝阳处的空气温度平均值比阴影区至少高出1.5～2.5℃，在冬季寒冷地区，应减少住区室外空间的南向遮挡，充分保证太阳辐射热能，从而提升室外热舒适水平。

（3）地面类型、空间围合度及树冠遮盖都对住区室外温湿度有不同程度的影响，根据实测数据分析表明：蒸腾作用越强，降温保湿作用越显著；透水性地面有助于温湿度稳定；空间围合度高有助于集热，反之利于散热；空间围合度越高，热量保留可能性越高；与高大乔木距离越近，树冠遮盖率越高，室外空间的空气温度越低、相对湿度越高。

（4）上海郊区冬季白天的相对湿度并非想象那么高，冬季湿冷并不严重，大约在午后2～3 h，是一天中相对湿度最低的时段；随着傍晚来临，气温降低，相对湿度以较快速度上升。

笔者通过上海郊区乡村住区室外热环境的关键参数进行实测并分析，初步呈现了江南乡村住区冬季热环境特征，并揭示出乡村住区热环境影响因素及作用机制，以开启江南地区乡村人居环境的科学研究，为下一步深入探讨奠定基础。

（致谢：感谢魅客小镇项目主持建筑师夏翀博士提供实验场地、项目基础资料及相关设计图纸。）