建筑室外风环境综合评价方法研究

2021-03-30

住宅科技 2021年3期

0 引言

随着高速城市化进程的不断推进，国内外许多城市的人口规模与空间体量进一步增大。东京、香港、上海等典型的高密度城市中心区域，一方面，为居民带来更加便捷的基础建设、更优质的教育与更好的医疗水平；另一方面，也引发了诸多问题，如不断缺失的良好建成环境。

高速的城市化影响了城市下垫面与近地面的低层气流和湍流，进而对人们的日常生活造成了影响。良好的室外风环境在给行人带来热舒适、风安全等诸多益处的同时，还可以帮助城市缓解快速发展造成的能源短缺与环境污染等问题，这在热岛效应严重的高层高密度区域更为显著。因此，近些年城市室外风环境的模拟与评价不断地受到风工程师、城市规划师、建筑师与环境学家的关注。

中国城市发展所确定的“可持续性”目标，要求建立和完善城市规划和建筑设计的响应机制，用以合理应对城市气候变化。目前，商业数值模拟软件的应用日趋成熟，建筑室外风环境的模拟方法和技术已经趋于规范化，但是，关于风环境的综合评价工作因其本身时空复杂性的特点，略显不足。本文分别选取“点”（特殊敏感区域）、“面”（行人高度）、“体”（三维城市空间）、“时间”（季节）四个维度指标，总结已经被充分研究的主流风环境评价方法，并综合考虑实际操作的便捷性，为风环境学者提供选择策略。

1 风环境评价现存问题

建成环境的评价通常可以分为设计阶段与使用阶段。通过实地测量，城市或建筑周围的建成环境现状可以得到准确可靠的测量与分析。设计阶段的评价主要依赖于理论分析与模拟预测工作，并且由于其发生在建设工作前，便于环境性能化设计方案的调整与深化设计，从而能够保证建成后的环境品质。自20 世纪70 年代以来，人们提出了许多城市风环境评价方法，但仍存在一系列问题，如：复杂城市中的风环境评价存在片面性，现有的多种评价准则对同一客体的评价结果一致性较差；要评价行人高度（1.5 m 离地高度）的机械舒适度，但较少考虑特殊区域（如学校、医院的出入口）处的敏感人群所需风环境；尽管空间计算域的设置已被研究，但数值模拟结果分析域的设定缺少科学合理的统一标准；结合人体热舒适性与环境的时空演变特征，需要更加全面地分析不同季节下的风环境质量；虽然我国现有的风环境评价标准《绿色建筑评价标准》对冬夏的风压与风速有所限制，然而给出的阈值限制略显宽泛，未考虑夏季低风速的不舒适感与排污防霾对风速下限的需求，实际应用价值不够全面[1]。

2 风环境评价准则

风环境影响着城市居民的舒适、安全与健康。一方面，室外空间的风环境会影响使用者的感受与行为，在降低舒适度的同时，它还会影响城市广场等公共空间的使用，降低城市的活力，甚至产生安全隐患；另一方面，城市中大量机动车与建筑的污染物排放，也会由于低通风效应，影响颗粒物扩散，从而造成局部地区高污染环境，影响居民生命健康。

2.1 基于安全的评价

19 世纪初期，由英国人Francis Beaufort 发明的蒲福风级（Beaufort Scale），第一次把风速及其影响程度对应了起来，为风工程学者建立了初步概念[2]。Robert.H.Scanlan 和Emil Simiu 将风速总结为其大小是否会影响人的行动以及多大程度影响人的行动[3]。由于风环境的不确定性，在极端天气条件下，风速可能过高，并且存在吹倒行人的危险。考虑到这种情况，设置高风速限制以避免风险。目前普遍认为，行人高度风速大于5 m/s 将会对人的安全性产生一定的影响，因此，基于街道安全性的评价应被视为风环境评价的首要准则。

2.2 基于机械舒适度的评价

Davenport 引入风速频率概念对行人高度风速进行舒适度分级，提出了舒适的风速范围[4]。Simiu 和Scanlan 使用现场调查、问卷调查和风洞试验等方法，更全面地总结风舒适度与室外平均风速和风频之间的关系[3]。Kevin Lynch 与Gary Hack 开始使用当量风速来描述人的行为舒适度[5]。评价不同风速对行人行为造成影响的风环境机械舒适性，成为了多种风环境评价体系中最普遍被讨论的因素。

2.3 基于热舒适度的评价

然而，仅基于机械舒适度建立的评价标准仍不够全面，丹麦技术大学PO Fanger 教授提出的热舒适评估方法已得到国际标准化组织的批准，用于描述和评估热环境[6]。主要包含六项参数：①微气候环境参数（空气温度Ta、风速V、平均辐射温度Tmrt、相对湿度H）；②人体参数（新陈代谢率M、服装热阻Clo）。评价方法是基于可量化计算的人体热平衡方程，确定了大多数人的冷热感觉。相似的热舒适性评价标度还有 ASHRAE标度，已经被主要运用在更加可控的室内环境中。香港中文大学的Edward Ng 教授通过实测和数据分析，得出了不同风速、气温、太阳辐射下的人体舒适图[7]。此外，Ratcliff和 Peterka（2009）提出，将风寒（wind chill）等造成的热舒适度问题也纳入行人高度风速评价考虑中[8]，因此，热舒适性评价标准更加全面和客观。

2.4 基于污染物评价

早在20 世纪60 年代，美国学者 Boettger CM 发现风速与空气污染有很大关系，在研究中，将地面风速小于3.6 m/s 作为有利当地空气污染扩散的重要指标[9]。随着生态城市和低碳建筑等问题不断升温，风对热岛效应、空气污染物和尘埃扩散的影响日益突出。马剑等建立的风环境生态指标评价体系中考虑了城市污染区风速指标，生态景观区风速指标等[10]。徐望月等分析了肺癌病患案例社区空间形态与室外风环境以及颗粒物分布的相关性，提出了呼吸健康导向的设计原则[11]。Parham A.Mirzaei 和Fariborz Haghughat 应对行人高度污染物难以扩散的问题提出了一种街道通风系统，并用空气交换效率（ACH）和污染物交换效率（PCH）进行评价，ACH 与PCH 成为了计算污染物扩散效率的主要指标[12]。

此外，由于风影区以及局部的涡旋造成空气沉积，严重阻碍污染物稀释，因此，涡旋个数、涡旋平均范围等也应是风环境评价的指标。无风区域和静风区域将会引起诸如闷热感和体温上升以及高浓度的空气污染物等问题，静风区面积比也应在适当范围之内。

3 综合性评价指标及相应算法

城市室外风环境是一个复杂的综合体，过去的研究多数是从单一目标出发进行风环境评价和优化，但在实际中，单一的评价指标无法描述地块内的风环境质量，无法对建筑形态和城市布局进行准确的评价。本文尝试从“点”“面”“体”“时间”四个维度总结并建立多目标的风环境评价指标体系，建立全面的风环境评价流程和框架，并给出相应的计算方法，满足风环境研究不同尺度、不同层次的评价需求。

3.1 “点”

在风环境评价中，应首先考虑城市敏感区域的相关指标。根据建筑类型与特定人群，应当着重考虑建筑物附近关键节点的风速值。如幼托建筑和疗养院入口和关键节点，应考虑幼儿和老人的抗风能力，尽量减小风速值。医院入口不仅应考虑风速数值的合理范围，还应考虑病房和医院附近的通风以及污染物扩散问题，控制内部和附近的涡旋数量。

3.1.1 行人高度风速

蒲福风级中的风速是10 m 高度处的风速，转化为行人高度（1.5 m）风速（m/s）应按下式计算：

式中，V为10 m 高度风速；Vz为z高度的风速；a为地面粗糙度，根据粗糙度地形分类中的B 类，取值为0.16，V的计算公式为：

式中，V为当量风速；Va为平均风速；T为湍流强度，当缺少信息时，可以假设V=1.5Va。

已有学者对行人高度风速与对人行为的影响做了详细分析，代表研究总结见表1。

此外，应评价关键节点的机械舒适度，以湿热气候的香港行人高度风速分类为代表，可分为：滞风（V＜0.3 m/s）、差舒适（0.3 m/ s ≤V＜0.6 m/ s）、低舒适（0.6 m/ s ≤V＜1 m/ s）、基本舒适（1 m/ s ≤V＜1.3 m/s）与很舒适（V≥1.3 m/ s）[13]。

3.1.2 风速放大系数

风速放大系数即风速比是基地内某点风速与某一风向风速大小的比值，用于判定风速放大是否已到某一极限，以此评估风环境质量。风速比反映的是因建筑的存在而引起风速变化的程度，在一定风速范围内风速比是恒定的，且不随来流风速变化。风速比的一般算法是：

表1 行人高度风速对行为的影响

式中，Ri为风速比；Vi为某风向的风速；V0为该风向受扰的风速（城市边界层顶部风速）。Edward Ng 对风速比的评价方法进行研究，提出全年考虑风频风向的平均风速比，能够全面地评价区域内建成建筑对风速的影响程度[7]：

式中，Fi是i风向的风频。

《深圳绿色建筑评价规范》是国内第一个评价风速比的地方规范。规范指出，建筑物周围风速比应小于2（行人高度1.5 m 处），城区风速比不小于0.3 的面积占比应高于80%[14]。《绿色建筑评价标准》指出，冬季建筑室外风速比小于2[1]。

3.1.3 涡旋个数及涡流范围

由于局部的涡旋不利于通风、热岛的消解以及污染物的稀释，规划中应尽量避免涡流的产生，尤其应避免城市关键区域产生涡旋。如城市医疗建筑附近不应出现涡旋，以保证医疗污染物快速稀释；幼托建筑和疗养院建筑附近不应出现涡旋，保证体弱者的通风需求；城市公交枢纽附近不应出现涡旋，以避免汽车排放污染物点状堆积；城市公共空间不应出现涡旋，有利于减少热岛效应，同时保证其使用品质。此外，应考虑涡流平均范围（总涡流范围÷涡旋数），大涡流范围和小涡流范围来定量描述模拟中的涡流[15]。

3.2 “面”

由于城市空间风环境对人体的影响主要以城市室外行人为感知主体，因此，目前绝大多数研究都取行人距地面1.5 m 处为标准高度空间作为重点研究的区域，包含：街道、机动车道、公共广场、半公众性空间等不同形式。石邢、李艳霞[16]创新性地将行人高度风环境理解为三维风环境在这一高度的两维切面。因此，本文延续该定义进行城市风环境在“面”维度的评价体系研究。

3.2.1 行人高度平均风速

目前的建筑风环境研究中主要以平均风速，尤其是行人高度风速作为研究对象，行人高度平均风速计算公式：

式中，∇为平均风速；Vn,X，Vn,y和Vn,z分别表示某点的个方向的瞬时分速度；n 为点数，在风环境模拟中，区域被网格所划分，每个网格中被认为是一个单一的风速数值，目标区域的平均风速计算由区域网格中的风速平均得到，一般可由模拟软件直接得出。

国内外许多规范已经给出相应的条文规定。美国旧金山相关法规要求公共空间风速应小于等于5 m/s[17]。澳洲规划部门规定：城市广场、步行街道、公园等空间风速不应大于13 m/s，城市次干道和城市支路风速不应大于10 m/s，城区全部区域风速不得超过16 m/s[18]。我国《绿色建筑评价标准》也指出，冬季城市空间行人高度处风速值不应超过5 m/s[1]。

通过对风速与污染物的稀释和扩散关系的分析，刘君男指出，寒冷地区允许风速应为1 m/s＜V＜7 m/ s，大于7 m/s 会造成二次扬尘[19]。《防治城市扬尘污染技术规范》（FJ/T393—2007）指出，风速大于5.5～7.9 m/ s会造成扬尘。换算成行人高度风速为3.6～5.2 m/ s，5.2 m/ s 可以作为是否扬尘的界限[20]。北京市气象局相关研究表明，城市污染物扩散的基准风速为≥1 m/ s[20]。

3.2.2 风速概率与超越风速概率

在许多情况下，很难从风速全面评价一个区域风环境的年度情况，风速概率和超越概率阈值评价法是指，研究全年超过某一风速基准的概率对风环境进行评价，这种方法是从长时间跨度来评估风环境并考虑每个风向的影响，而不是只考虑每个季节中的最大风频、风向或常年风向。

根据波士顿《城市建筑管理指南》规定，高度在47 m 以上的建筑，其周边风速超过13 m/ s 的时间频率不能超过1%[18]。旧金山有关环境管理的法规规定，高度在91 m 以上的建筑，其周围风速超过 11.6 m/ s的时间每年不准超过1 h，在建筑物周围的公共休闲区风速不能超过5 m/ s[21]。B.Blocken 根据超越风速阀值的概率，将风舒适度分为五个等级（A～E），并判断风环境对行人不同活动类型的影响情况（表2 ）[22]。

表2 超越风速概率与风舒适度等级

1981 年，风环境学者Kitotaka Deguchi 与Shuzo Murakami 提出了临界风速的概念，并给出了一系列具体条件以满足舒适度要求[23]。1998年，Michael J.Soligo 也提出一套基于不同行为的临界风速及频率的评价标准（表3）[24]。

表3 行为舒适的临界风速及频率

3.2.3 强风区面积比与静风区面积比

城市中的风速过大会使污染物发生二次扬尘，并产生安全隐患，风速过小会导致热岛聚集、余热和污染物均难以扩散、体感闷热等情况。风力过大的区域为强风区，风速过小的区域为静风区，所以，很多学者在研究中讨论计算域中强风区和静风区与总体区域的面积比，能够全年考量计算域的风环境分布情况，而不是仅考虑平均风速。

大部分研究均将静风区定义为风速低于1 m/ s[15,18,21]，而强风区的设置稍有不同。前文已经提到，在北方地区寒冷的冬季，风速大于5 m/ s已经可以对地面活动造成较明显的影响。林博[18]在对重庆市化龙桥片区更新规划的CFD 模拟评价中，定义风速大于5 m/ s 为强风区；曾穗平在其博士论文中，将强风区定义为风速大于7.3 m/ s 的区域[15]。

3.2.4 风速离散度

在城市中，由于诸多建筑物的影响，很可能在小范围内风速存在很大差异。行人高度风速分布是否均匀，即风速离散度，也应当被纳入风环境的指标中。在统计学中，数据的标准偏差通常用于测量数据集的分散程度。计算风速离散度的方法有：极差（Range）;四分位距（Interquartile Range）;方差（Variance）;标准差（Standard Deviation）;平均差（Mean Deviation），离散度越小，风速分布越均匀，反之亦然。研究表明，小范围的风速变化超过70%，人们的舒适度将大大降低。

3.2.5 建筑前后压差

风压是风流产生的重要驱动力。对于建筑单体，建筑物前后压力差指建筑物迎风和背风面两个表面之间的气压差，其大小与室内自然通风息息相关。对于城区，城市中不同位置的建筑之前和之后的风压差与城市通风和污染物扩散密切相关，建筑前后的压力差越大，城市通风的可行性越高，通风潜力越大，反之亦然。因此，行人高度建筑前后压力差的数值越大，对风环境越有利。然而如果风压太大，将不利于冬季保温；如果风压太小，则不利于建筑和区域的自然通风。因此，我国《绿色建筑评价标准》[1]规定，冬季：除迎风方向第一排建筑外，建筑迎风面与背风面压差小于5 Pa；夏季：75%以上的板式建筑的前后应有1.5 Pa 的风压差。

3.3 “体”

基于卫生性准则，考虑城市污染物扩散，则风环境评价的尺度应扩大到三维连续城市空间，即“体”分析域的范围（图1）。

3.3.1 空气龄

城市空气的新鲜程度可以通过假想边界中的空气龄来描述，空气龄是室内环境控制领域内一项重要的评价指标，其意义是进入室内的新鲜空气取代原有空气的速度[13]。将用于室内的空气龄指标引伸到城市尺度，如图2 所示，城市空间空气流入的区域空气最为新鲜，此处空气停留的时间最短（接近零），新鲜空气取代原有空气的速度最快。根据气流的分布，最陈旧的空气常出现在涡旋处或者风影区，在此处新鲜空气取代原有空气的速度最慢。

可以通过示踪气体浓度的自然衰减方法来确定空气龄。初始示踪气体浓度最高，其浓度会随着时间的推移而降低。浓度和时间之间的关系以及由坐标轴包围区域的面积反映该点的空气的新鲜度（图3）[25]。

故某一测点A 空气龄的定义式为曲线下面积与初始浓度之比，其表达式为：

式中，Co为A点的初始浓度（kg/ m3），C为瞬时速度（m/s）。

计算区域的平均空气龄为：

图1 建筑周边三维分析域示意图

图2 城区空气置换示意图

图3 示踪气体浓度积分与空气龄计算

式中，Cp为排出空气浓度（kg/ m3）。

一些学者对城市风环境的空气龄进行研究，Jian Hang 等人指出，城市尺度空气龄主要反映新鲜空气在进入城市空间后，从区域中的某点到达另一点所需的时间[13]。Riccardo Buccolieri[26]等人也将平均空气龄概念引入对城市呼吸性能的评价体系中，曾穗平[15]也提到了用均匀配置示踪气体散发源的方法，用下式对空气龄数值进行计算，空气龄的数值越低，说明城市呼吸性能越好：

其中，C为某处示踪气体浓度（kg/ m3），m为均匀的示踪气体排放率，m=10-5kg/ m3s，为空气龄（s）。目前，一些针对建筑领域的流体模拟软件内置了空气龄的计算，如Fluent Airpak，但许多经典的模拟软件尚不支持[27]，曾穗平利用UDF（User Defined Function）定义空气龄的计算方法，由模拟软件直接计算出空气龄云图[15]，这种方法可以为研究者提供思路。

3.3.2 通风效率

通风效率用于评价室内通风排除污染物能力。目前，仅有少数学者使用通风效率作为城市风环境的评价指标，但事实上，通风效率确实可以作为一个有力的评价指标解耦城市风环境与城区的污染物扩散。通风效率为出口边界处污染物浓度与计算域内平均浓度之比，其物理意义是指移除城区污染物的迅速程度：

式（10）是以进风浓度Co=0 为条件，否则应为：

通风效率也可用空气龄和被污染气流的排出时间来表示，如下：

式中，为计算域内平均浓度（kg/ m3）；V为计算域体积（m3）；为排空时间（s）；MC为污染物单位发生量（kg/s）。

用换气量G 除以上式，注意到Mc/G=Cp的关系，可得：

当建筑规划设计构造出合理的气流组织，使得污染物直接流向出流边界时，则排出时间最短。以室内为研究对象的通风效率指出，比较接近活塞流的置换通风值往往远远低于值，故其通风效率较高，实验表明，E=1～4，而混合通风中的E≈1 指的是平均效率。但应用于城市的通风效率还需要类似的原型研究。很多学者对于城区污染物扩散的研究目标，仅是以相较原本污染物浓度水平降低为导向，没有提及污染物通风效率的指标，也缺乏污染物浓度基准线的讨论，相关数值准则尚有空白，亟待风环境学者的进一步研究。

3.4 “时间”

3.4.1 不同季节的热舒适性

人体热舒适度是指一定数量的人群在感受外界气象环境时的舒适感指标。它体现了空气温度、湿度、风速等要素对人体的综合影响，具体热舒适度的评价指标包括体感温度、实测温度、相对湿度，以及风冷力指数、不舒适指数、炎热指数等。因此，本文拟在风环境研究中，根据不同季节，采用不同的评价指数，即在夏季采用炎热指数反映舒适度，冬季用风冷力指数，春秋季则用实感温度。其计算公式如下。

式中，t为日平均温度（℃）；V为日平均风速（m/s）；RH为日平均湿度（%）；ta为环境空气温度（℃）；ET、K和q分别代表的是实感温度、炎热指数和风冷力指数。根据人们的对舒适度感受程度的差异，可以分5个评价等级的舒适度指数，具体内容见表4。

3.4.2 户外热舒适度图

香港中文大学的Edward Ng 教授进行了广泛的现场测量和数据分析。研究春夏季户外人体舒适度与风速、气温和太阳辐射强度的关系。在不同的人类行为模式和不同的室外气温和太阳辐射强度下，人体的热舒适度与风速的相关性得以量化分析研究

表4 不同舒适度指数范围及人体感觉程度

[6]。可直接利用图4 判断目标区域行人是否处于舒适度区间。

4 综合评价路线图

当前建筑室外风环境模拟工作主要依赖于CFD 数值模拟软件，在输入建筑模型与一系列环境参数与边界条件后，即可结合网格精度开展计算工作。某些商业软件，如Star CCM，可根据模拟结果，直接选取评价指标或输入特定指标计算公式进行二次计算，最终得到一个综合性的风环境评价结果（图5）。不同评价指标可对应不同的项目或行业需求。