城市街区层面的寒冷地区风环境评价体系研究

2016-12-05刘君男陈天

天津建设科技 2016年5期

关键词：舒适度风速层面

□文/刘君男陈天

□文/刘君男陈天

通过明确城市街区层面风环境评价的主要评价内容，制定适用于项目建设前期的风环境评价原则、量化风环境评价指标，从而构建起适用于我国寒冷地区城市街区层面的风环境评价体系。

风环境；评价；街区；寒冷地区

在城市化进程中，为适应大量的人口增长、城市用地拓展压力以及可持续发展战略的要求，城市正朝着高层、高密度方向发展，由此，城市对自然环境的影响程度也越来越大。近年来，由于高层、高密度的城市建成环境引发的环境问题频发，城市气候舒适性逐渐降低，亟需通过城市规划的优化策略提升城市的气候舒适性。城市气候舒适性主要包括光环境舒适性、声环境舒适性、风环境舒适性和热环境舒适性。其中，风环境舒适性对居民的影响最大也最直接。它对人们室外舒适度、人身安全、自然通风、污染物浓度、建筑能源消耗等方面具有深刻的影响。

优化城市风环境的前提条件是建立科学完善的风环境评价体系，既包括用于项目建设前期进行风环境预测、规避项目建成后风环境问题的前评价阶段风环境评价体系，也包括用于项目建成后风环境效果验收的后评价阶段风环境评价体系。本文着眼于我国寒冷地区风环境的前评价阶段，力求构建完善的基于项目前期的风环境评价体系，以优化城市建设项目的风环境，同时指导我国形成基于风环境优化的城市规划策略，进而改善城市风环境。

1　城市街区层面的风环境评价内容

风环境评价体系依据主要控制内容可分为城市层面、街区层面及建筑单体层面的风环境评价体系。城市层面的风环境评价着重于对城市大环境通风效应、城市风害的评估，街区层面的风环境评价着重于对街区内部行人室外舒适度的评估，建筑单体层面的风环境评价着重于对高层建筑结构的抗风振、建筑室内外通风的评估。本文将以与居民生活密切相关的街区层面的风环境评价体系为研究对象。

城市街区层面风环境的评价重点为行人的室外舒适度，与风环境相关的行人室外舒适度主要包括3方面，即行为舒适度、空气质量舒适度、热舒适度。城市街区层面的风环境评价体系的构建要兼顾这3方面的舒适度需求。

1.1行为舒适度

行为舒适度评价是指行人在室外获得舒适的风速感知并保证室外行为安全，主要与风速及风的湍流强度有关。基于行为舒适度的风环境评价是我国目前的主流评价方向，更是城市街区层面风环境评价的核心内容。国内关于行为舒适度的评价方法有风力数值评价法、超越概率阈值评价法、风速比评价法。

风力数值评价法是基于大量调研与试验数据得出的人体行为舒适度与风速对应关系的评价方法，是行为舒适度评价方面应用最广泛的一种评价方法。

超越概率阈值评价法是指运用统计学与概率论，通过研究超过某一标准风速阈值的概率来对风环境进行评价。该评价方法从一个较长的时间跨度来评价风环境并且兼顾了各个风向的影响而非常规的单独考虑各季最大风频、风向或常年盛行风向，从而使数据更加精确与完善，结论更加科学客观。

风速比评价法是通过计算城市建成环境对风速的影响程度来评价风环境。风速比越大，说明城市建成环境对风的影响程度越大。另有学者通过相关公式换算，得出人在某点受到的风力与风速比的平方成正比，因此可以通过风速比的大小得出人受到的风力大小，进而评价风环境。

3种评价方法各有其适用性与局限性。风力数值评价法是最为直观、简便的评价方法，但存在一定的主观性，不同学者对于人体行为舒适度对应的风速值的研究结论存在差异，未形成一套国际通用的评价标准。超越概率阈值评价法是建立在一个长时间跨度的数据统计的基础之上，适用于已建成城市区域的风环境评价，即风环境的后评价阶段，因此不适用于本文的评价体系构建。风速比评价法中的风速比数值仅能直观反映建筑对风环境的影响程度，但影响分为积极影响与消极影响，仅从风速比数值上难以进行判断。而通过换算得到的风力数值虽然可以评价风环境对人体行为舒适度的影响，但数据获取方式为间接获取，会加大评价工作的工作量，应用效率不高。因此，风力数值评价法是最适用于街区层面前评价阶段的行为舒适度评价方法。

国外学者通过大量的实地测量、风洞试验、调研统计数据得出了人体行为舒适度与风速之间的对应关系，主流评价指标有如下几种。

1）蒲福风级（Beaufort Scale）。蒲福风级是19世纪初期由英国海军上将蒲福所发明，最初是根据各种风速对于满帆船只的风帆推进效应测量而得出的，之后经修改得到了适用于陆地的风力数值，见表1。目前，蒲福风级是世界气象组织所建议的分级。随后，在蒲福风级的基础上，根据人群活动类型的不同对蒲福风级进行了舒适度分级并引入风速频率概念[1]，见表2。

表1　蒲福风级数值[1]m/s

表2　蒲福风环境舒适度指标[1]

2）Kevin Lynch与Gary Hack的风速舒适度等级。Kevin Lynch与Gary Hack在其著作《总体设计》中，根据试验及调研数据提出了风速舒适度等级划分，见表3。Kevin Lynch认为风通常是变化的、阵发的，因而风速标准以当量风速而做出规定。当量风速的计算公式为[2]

式中：V为当量风速；Va为平均风速（取5 min期间风速平均值）；T为湍流强度，是平均风速瞬时偏离值除以平均风速的均方根值。

缺少其他资料时，也可以假设当量风速为平均风速的1.5倍。

表3　风速舒适度等级[2]m/s

3）Robert.H.Scanlan和Emil Simiu的风速舒适度等级。Robert.H.Scanlan和Emil Simiu在其著作《风对结构的作用——风工程导论》中同样使用了当量风速来描述人的行为舒适度，见表4，认为行人舒适性不仅是平均风速的函数，也是风的阵发性的函数[3]。

表4　风速舒适度等级[3]m/s

1.2空气质量舒适度

空气质量舒适度评价是指保证室外通风，避免出现静风区，减轻污染空气滞留，从而改善空气质量，空气质量舒适度主要与风速有关。

近年来，随着城市化加速，城市空气污染程度亦呈加速之势，研究表明，当污染源排放污染物速率比较稳定的情况下，风、雨等气象条件直接决定着空气质量的高低[4]。因此，保证室外通风有利于降低空气污染物浓度。另有研究表明，各种污染物在静风（＜1 m/s）时污染最严重，风速在1～7 m/s范围内时，污染物浓度与风速成负相关，当风速＞7 m/s时，风速与TSP（总悬浮颗粒物）变为负相关，因为大风可以引起二次扬沙污染，增加了空气中颗粒状物体的含量，导致TSP浓度增加[5]。因此，利于室外通风的风速值标准为1～7 m/s。

1.3热舒适度

热舒适度评价是指通过调节风速改善人体的热度感知，从而提高热舒适度。

人体的热舒适度主要由环境因素和个人因素共同决定，其中环境因素包括气温、相对湿度、风速、平均辐射温度等因素，但一般而言，气温、风速和相对湿度对热舒适度的影响最大[6]。其中，风速和气温、气温和湿度分别对热舒适度具有复合影响效应，这种复合影响分别通过风寒指数和温湿指数来评价。

风寒指数反映的是风速与气温复合作用下对裸露人体的舒适度影响，计算公式为

式中：t为温度；v为风速。

温湿指数是通过温度和湿度综合反映人体与周围环境的热量交换，计算公式为

式中：rh为相对湿度。

由于此处研究的是风环境对热舒适度的影响，因此不考虑温湿指数对热舒适度的影响，同时由于我国寒冷地区相对湿度较低，因此，热舒适度的主要影响因素为温度和风速。

有学者对风寒指数与风速敏感性进行了测算，结果表明，气温较高时敏感性弱[7]，见图1。

图1　不同气温下风寒指数对风速的敏感性

以天津市为例，最热月平均气温为26.5℃，最冷月平均气温为-3.4℃。通过风寒指数公式计算得出，天津市夏季，当风速为0～6.91 m/s时处于暖风范围，6.91～29.7 m/s时处于舒适风范围；冬季，当风速为0～0.55 m/s时处于凉风范围，0.55～1.85 m/s时处于稍冷风范围，1.85～4.4m/s时处于冷风范围，超过4.4 m/s时处于强冷风范围。由计算结果可以看出，夏季风速对于热舒适度影响较小，而冬季影响较大。所以，在热舒适度方面，我国寒冷地区仅考虑冬季的风速影响即可，春夏秋三季的影响可忽略。

2　城市街区层面的风环境评价原则

城市街区层面的寒冷地区风环境评价体系构建遵循如下4个原则。

1）以人文本。城市街区层面风环境优化的最根本目的提升行人室外舒适度，因此风环境评价应立足于人的感受。

2）可操作性。可操作性是风环境评价标准得以推广应用的重要前提，应在科学合理的原则下适度缩减评价步骤和评价细分度。

3）差异适应性。不同季节、不同气候区、不同功能区、不同人群属性对风环境的要求各不相同，本文在兼顾差异性与可操作性的基础上，以寒冷地区为研究对象，对季节与功能区进行适度细分，季节细分为春夏秋与冬季，功能区细分为以室外休闲活动为主的室外休憩区以及以空间通过性为主的室外步行通过区，以满足风环境的差异适应性。

4）分级评价。本文将风环境评价标准分为舒适值与警戒值，舒适值为满足行人舒适度需求的风速值，警戒值为满足行人安全需求的风速值，为绝对禁止超过的风速值。舒适值与行为舒适度、空气质量舒适度及热舒适度有关，而警戒值涉及人的行动安全，因此仅与行为舒适度有关。

3　城市街区层面的风环境评价指标定量化建议

在行为舒适度方面，经上述研究可知，风力数值评价法适用于方案前期的风环境评价。鉴于不同评价标准所采用的风力数值存在差异，宜综合各评价指标，取其中最小值，以获得最优的舒适度水平。

蒲福风级中，室外休憩区的舒适风速值＜5.4 m/s，室外步行通过区的舒适风速值＜10.7 m/s，风速警戒值为17.2 m/s。此数值为10 m高度的平均风速，利用式（4）将其转化为1.5 m人行高度的平均风速，见表5。

式中：V为10 m标准高度风速；Vz为人行高度Z上的风速；Z为人行高度；a为地面粗糙度（蒲福风级的风速为气象站所测，所处地形为我国粗糙度地形分类中的B类，取值为0.16）。

Kevin Lynch与Gary Hack的风速舒适度等级中，室外休憩区的舒适风速值＜6 m/s，室外步行通过区的舒适风速值＜14 m/s，风速警戒值为20 m/s。此处的风速为1.5 m人行高度的当量风速，利用式（1）将其转化为1.5 m人行高度的平均风速，见表5。

Robert.H.Scanlan和Emil Simiu的风速舒适度等级中，室外休憩区的舒适风速值＜5 m/s，室外步行通过区的舒适风速值＜10 m/s，风速警戒值为15 m/s。此处的风速为1.5 m人行高度的当量风速，利用式（1）将其转化为1.5 m人行高度的平均风速，见表5。

将这3种评价方法的舒适值与我国政策法规中规定的风速值进行比较，取其中最小值，得到最优室外行人行为舒适度所对应的风速值：室外休憩区的舒适风速值＜3.3 m/s，室外步行通过区的舒适风速值＜5 m/s，风速警戒值为10 m/s。

在空气质量舒适度方面，由上文分析可知，当风速为1～7m/s时，室外通风效果较好，利于污染物的扩散稀释。

在热舒适度方面，春夏秋季的街区层面的风环境仅满足行为舒适度与空气质量舒适度两方面需求即可，而冬季还需同时满足热舒适度的要求，由于各地冬季平均温度不同，因此满足热舒适的风速值也不同，各地应根据自身情况确定风速舒适值。以我国寒冷地区中的天津市为例，冬季室外休憩区的适宜风寒程度为凉风和稍冷风，即风速为0～1.85 m/s，冬季室外步行通过区的适宜风寒程度为凉风、稍冷风和冷风，即风速为0～4.4 m/s。

城市街区层面的风环境舒适度需同时满足行为舒适度、空气质量舒适度、热舒适度3方面的舒适度需求，综合上述风速值，得出适用于城市街区层面的寒冷地区的项目建设前期的风环境评价指标建议，即春夏秋季的室外休憩区的舒适风速为1 m/s＜V＜3.3 m/s，室外步行通过区的舒适风速为1 m/s＜V＜5 m/s，冬季的舒适风速根据各地情况进行调整。警戒风速统一为10 m/s，以满足行人的安全需求，见表6。