城市街區(qū)層面的寒冷地區(qū)風環(huán)境評價體系研究

□文/劉君男 陳天

城市街區(qū)層面的寒冷地區(qū)風環(huán)境評價體系研究

□文/劉君男 陳天

通過明確城市街區(qū)層面風環(huán)境評價的主要評價內容，制定適用于項目建設前期的風環(huán)境評價原則、量化風環(huán)境評價指標，從而構建起適用于我國寒冷地區(qū)城市街區(qū)層面的風環(huán)境評價體系。

風環(huán)境；評價；街區(qū)；寒冷地區(qū)

在城市化進程中，為適應大量的人口增長、城市用地拓展壓力以及可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的要求，城市正朝著高層、高密度方向發(fā)展，由此，城市對自然環(huán)境的影響程度也越來越大。近年來，由于高層、高密度的城市建成環(huán)境引發(fā)的環(huán)境問題頻發(fā)，城市氣候舒適性逐漸降低，亟需通過城市規(guī)劃的優(yōu)化策略提升城市的氣候舒適性。城市氣候舒適性主要包括光環(huán)境舒適性、聲環(huán)境舒適性、風環(huán)境舒適性和熱環(huán)境舒適性。其中，風環(huán)境舒適性對居民的影響最大也最直接。它對人們室外舒適度、人身安全、自然通風、污染物濃度、建筑能源消耗等方面具有深刻的影響。

優(yōu)化城市風環(huán)境的前提條件是建立科學完善的風環(huán)境評價體系，既包括用于項目建設前期進行風環(huán)境預測、規(guī)避項目建成后風環(huán)境問題的前評價階段風環(huán)境評價體系，也包括用于項目建成后風環(huán)境效果驗收的后評價階段風環(huán)境評價體系。本文著眼于我國寒冷地區(qū)風環(huán)境的前評價階段，力求構建完善的基于項目前期的風環(huán)境評價體系，以優(yōu)化城市建設項目的風環(huán)境，同時指導我國形成基于風環(huán)境優(yōu)化的城市規(guī)劃策略，進而改善城市風環(huán)境。

1　城市街區(qū)層面的風環(huán)境評價內容

風環(huán)境評價體系依據(jù)主要控制內容可分為城市層面、街區(qū)層面及建筑單體層面的風環(huán)境評價體系。城市層面的風環(huán)境評價著重于對城市大環(huán)境通風效應、城市風害的評估，街區(qū)層面的風環(huán)境評價著重于對街區(qū)內部行人室外舒適度的評估，建筑單體層面的風環(huán)境評價著重于對高層建筑結構的抗風振、建筑室內外通風的評估。本文將以與居民生活密切相關的街區(qū)層面的風環(huán)境評價體系為研究對象。

城市街區(qū)層面風環(huán)境的評價重點為行人的室外舒適度，與風環(huán)境相關的行人室外舒適度主要包括3方面，即行為舒適度、空氣質量舒適度、熱舒適度。城市街區(qū)層面的風環(huán)境評價體系的構建要兼顧這3方面的舒適度需求。

1.1行為舒適度

行為舒適度評價是指行人在室外獲得舒適的風速感知并保證室外行為安全，主要與風速及風的湍流強度有關。基于行為舒適度的風環(huán)境評價是我國目前的主流評價方向，更是城市街區(qū)層面風環(huán)境評價的核心內容。國內關于行為舒適度的評價方法有風力數(shù)值評價法、超越概率閾值評價法、風速比評價法。

風力數(shù)值評價法是基于大量調研與試驗數(shù)據(jù)得出的人體行為舒適度與風速對應關系的評價方法，是行為舒適度評價方面應用最廣泛的一種評價方法。

超越概率閾值評價法是指運用統(tǒng)計學與概率論，通過研究超過某一標準風速閾值的概率來對風環(huán)境進行評價。該評價方法從一個較長的時間跨度來評價風環(huán)境并且兼顧了各個風向的影響而非常規(guī)的單獨考慮各季最大風頻、風向或常年盛行風向，從而使數(shù)據(jù)更加精確與完善，結論更加科學客觀。

風速比評價法是通過計算城市建成環(huán)境對風速的影響程度來評價風環(huán)境。風速比越大，說明城市建成環(huán)境對風的影響程度越大。另有學者通過相關公式換算，得出人在某點受到的風力與風速比的平方成正比，因此可以通過風速比的大小得出人受到的風力大小，進而評價風環(huán)境。

3種評價方法各有其適用性與局限性。風力數(shù)值評價法是最為直觀、簡便的評價方法，但存在一定的主觀性，不同學者對于人體行為舒適度對應的風速值的研究結論存在差異，未形成一套國際通用的評價標準。超越概率閾值評價法是建立在一個長時間跨度的數(shù)據(jù)統(tǒng)計的基礎之上，適用于已建成城市區(qū)域的風環(huán)境評價，即風環(huán)境的后評價階段，因此不適用于本文的評價體系構建。風速比評價法中的風速比數(shù)值僅能直觀反映建筑對風環(huán)境的影響程度，但影響分為積極影響與消極影響，僅從風速比數(shù)值上難以進行判斷。而通過換算得到的風力數(shù)值雖然可以評價風環(huán)境對人體行為舒適度的影響，但數(shù)據(jù)獲取方式為間接獲取，會加大評價工作的工作量，應用效率不高。因此，風力數(shù)值評價法是最適用于街區(qū)層面前評價階段的行為舒適度評價方法。

國外學者通過大量的實地測量、風洞試驗、調研統(tǒng)計數(shù)據(jù)得出了人體行為舒適度與風速之間的對應關系，主流評價指標有如下幾種。

1）蒲福風級（Beaufort Scale）。蒲福風級是19世紀初期由英國海軍上將蒲福所發(fā)明，最初是根據(jù)各種風速對于滿帆船只的風帆推進效應測量而得出的，之后經修改得到了適用于陸地的風力數(shù)值，見表1。目前，蒲福風級是世界氣象組織所建議的分級。隨后，在蒲福風級的基礎上，根據(jù)人群活動類型的不同對蒲福風級進行了舒適度分級并引入風速頻率概念[1]，見表2。

表1　蒲福風級數(shù)值[1]m/s

表2　蒲福風環(huán)境舒適度指標[1]

2）Kevin Lynch與Gary Hack的風速舒適度等級。Kevin Lynch與Gary Hack在其著作《總體設計》中，根據(jù)試驗及調研數(shù)據(jù)提出了風速舒適度等級劃分，見表3。Kevin Lynch認為風通常是變化的、陣發(fā)的，因而風速標準以當量風速而做出規(guī)定。當量風速的計算公式為[2]

式中：V為當量風速；Va為平均風速（取5 min期間風速平均值）；T為湍流強度，是平均風速瞬時偏離值除以平均風速的均方根值。

缺少其他資料時，也可以假設當量風速為平均風速的1.5倍。

表3　風速舒適度等級[2]m/s

3）Robert.H.Scanlan和Emil Simiu的風速舒適度等級。Robert.H.Scanlan和Emil Simiu在其著作《風對結構的作用——風工程導論》中同樣使用了當量風速來描述人的行為舒適度，見表4，認為行人舒適性不僅是平均風速的函數(shù)，也是風的陣發(fā)性的函數(shù)[3]。

表4　風速舒適度等級[3]m/s

1.2空氣質量舒適度

空氣質量舒適度評價是指保證室外通風，避免出現(xiàn)靜風區(qū)，減輕污染空氣滯留，從而改善空氣質量，空氣質量舒適度主要與風速有關。

近年來，隨著城市化加速，城市空氣污染程度亦呈加速之勢，研究表明，當污染源排放污染物速率比較穩(wěn)定的情況下，風、雨等氣象條件直接決定著空氣質量的高低[4]。因此，保證室外通風有利于降低空氣污染物濃度。另有研究表明，各種污染物在靜風（＜1 m/s）時污染最嚴重，風速在1～7 m/s范圍內時，污染物濃度與風速成負相關，當風速＞7 m/s時，風速與TSP（總懸浮顆粒物）變?yōu)樨撓嚓P，因為大風可以引起二次揚沙污染，增加了空氣中顆粒狀物體的含量，導致TSP濃度增加[5]。因此，利于室外通風的風速值標準為1～7 m/s。

1.3熱舒適度

熱舒適度評價是指通過調節(jié)風速改善人體的熱度感知，從而提高熱舒適度。

人體的熱舒適度主要由環(huán)境因素和個人因素共同決定，其中環(huán)境因素包括氣溫、相對濕度、風速、平均輻射溫度等因素，但一般而言，氣溫、風速和相對濕度對熱舒適度的影響最大[6]。其中，風速和氣溫、氣溫和濕度分別對熱舒適度具有復合影響效應，這種復合影響分別通過風寒指數(shù)和溫濕指數(shù)來評價。

風寒指數(shù)反映的是風速與氣溫復合作用下對裸露人體的舒適度影響，計算公式為

式中：t為溫度；v為風速。

溫濕指數(shù)是通過溫度和濕度綜合反映人體與周圍環(huán)境的熱量交換，計算公式為

式中：rh為相對濕度。

由于此處研究的是風環(huán)境對熱舒適度的影響，因此不考慮溫濕指數(shù)對熱舒適度的影響，同時由于我國寒冷地區(qū)相對濕度較低，因此，熱舒適度的主要影響因素為溫度和風速。

有學者對風寒指數(shù)與風速敏感性進行了測算，結果表明，氣溫較高時敏感性弱[7]，見圖1。

圖1　不同氣溫下風寒指數(shù)對風速的敏感性

以天津市為例，最熱月平均氣溫為26.5℃，最冷月平均氣溫為-3.4℃。通過風寒指數(shù)公式計算得出，天津市夏季，當風速為0～6.91 m/s時處于暖風范圍，6.91～29.7 m/s時處于舒適風范圍；冬季，當風速為0～0.55 m/s時處于涼風范圍，0.55～1.85 m/s時處于稍冷風范圍，1.85～4.4m/s時處于冷風范圍，超過4.4 m/s時處于強冷風范圍。由計算結果可以看出，夏季風速對于熱舒適度影響較小，而冬季影響較大。所以，在熱舒適度方面，我國寒冷地區(qū)僅考慮冬季的風速影響即可，春夏秋三季的影響可忽略。

2　城市街區(qū)層面的風環(huán)境評價原則

城市街區(qū)層面的寒冷地區(qū)風環(huán)境評價體系構建遵循如下4個原則。

1）以人文本。城市街區(qū)層面風環(huán)境優(yōu)化的最根本目的提升行人室外舒適度，因此風環(huán)境評價應立足于人的感受。

2）可操作性。可操作性是風環(huán)境評價標準得以推廣應用的重要前提，應在科學合理的原則下適度縮減評價步驟和評價細分度。

3）差異適應性。不同季節(jié)、不同氣候區(qū)、不同功能區(qū)、不同人群屬性對風環(huán)境的要求各不相同，本文在兼顧差異性與可操作性的基礎上，以寒冷地區(qū)為研究對象，對季節(jié)與功能區(qū)進行適度細分，季節(jié)細分為春夏秋與冬季，功能區(qū)細分為以室外休閑活動為主的室外休憩區(qū)以及以空間通過性為主的室外步行通過區(qū)，以滿足風環(huán)境的差異適應性。

4）分級評價。本文將風環(huán)境評價標準分為舒適值與警戒值，舒適值為滿足行人舒適度需求的風速值，警戒值為滿足行人安全需求的風速值，為絕對禁止超過的風速值。舒適值與行為舒適度、空氣質量舒適度及熱舒適度有關，而警戒值涉及人的行動安全，因此僅與行為舒適度有關。

3　城市街區(qū)層面的風環(huán)境評價指標定量化建議

在行為舒適度方面，經上述研究可知，風力數(shù)值評價法適用于方案前期的風環(huán)境評價。鑒于不同評價標準所采用的風力數(shù)值存在差異，宜綜合各評價指標，取其中最小值，以獲得最優(yōu)的舒適度水平。

蒲福風級中，室外休憩區(qū)的舒適風速值＜5.4 m/s，室外步行通過區(qū)的舒適風速值＜10.7 m/s，風速警戒值為17.2 m/s。此數(shù)值為10 m高度的平均風速，利用式（4）將其轉化為1.5 m人行高度的平均風速，見表5。

式中：V為10 m標準高度風速；Vz為人行高度Z上的風速；Z為人行高度；a為地面粗糙度（蒲福風級的風速為氣象站所測，所處地形為我國粗糙度地形分類中的B類，取值為0.16）。

Kevin Lynch與Gary Hack的風速舒適度等級中，室外休憩區(qū)的舒適風速值＜6 m/s，室外步行通過區(qū)的舒適風速值＜14 m/s，風速警戒值為20 m/s。此處的風速為1.5 m人行高度的當量風速，利用式（1）將其轉化為1.5 m人行高度的平均風速，見表5。

Robert.H.Scanlan和Emil Simiu的風速舒適度等級中，室外休憩區(qū)的舒適風速值＜5 m/s，室外步行通過區(qū)的舒適風速值＜10 m/s，風速警戒值為15 m/s。此處的風速為1.5 m人行高度的當量風速，利用式（1）將其轉化為1.5 m人行高度的平均風速，見表5。

將這3種評價方法的舒適值與我國政策法規(guī)中規(guī)定的風速值進行比較，取其中最小值，得到最優(yōu)室外行人行為舒適度所對應的風速值：室外休憩區(qū)的舒適風速值＜3.3 m/s，室外步行通過區(qū)的舒適風速值＜5 m/s，風速警戒值為10 m/s。

在空氣質量舒適度方面，由上文分析可知，當風速為1～7m/s時，室外通風效果較好，利于污染物的擴散稀釋。

在熱舒適度方面，春夏秋季的街區(qū)層面的風環(huán)境僅滿足行為舒適度與空氣質量舒適度兩方面需求即可，而冬季還需同時滿足熱舒適度的要求，由于各地冬季平均溫度不同，因此滿足熱舒適的風速值也不同，各地應根據(jù)自身情況確定風速舒適值。以我國寒冷地區(qū)中的天津市為例，冬季室外休憩區(qū)的適宜風寒程度為涼風和稍冷風，即風速為0～1.85 m/s，冬季室外步行通過區(qū)的適宜風寒程度為涼風、稍冷風和冷風，即風速為0～4.4 m/s。

城市街區(qū)層面的風環(huán)境舒適度需同時滿足行為舒適度、空氣質量舒適度、熱舒適度3方面的舒適度需求，綜合上述風速值，得出適用于城市街區(qū)層面的寒冷地區(qū)的項目建設前期的風環(huán)境評價指標建議，即春夏秋季的室外休憩區(qū)的舒適風速為1 m/s＜V＜3.3 m/s，室外步行通過區(qū)的舒適風速為1 m/s＜V＜5 m/s，冬季的舒適風速根據(jù)各地情況進行調整。警戒風速統(tǒng)一為10 m/s，以滿足行人的安全需求，見表6。

4　結語

在城市不斷朝著高層、高密度方向發(fā)展的大趨勢下，將優(yōu)化城市風環(huán)境納入城市建設活動中勢在必行。而首要任務即是構建科學合理的風環(huán)境評價體系，使城市建設項目在優(yōu)化風環(huán)境方面有據(jù)可依。

風環(huán)境評價包括項目前評價與后評價兩個階段，本文的評價體系適用于風環(huán)境的前評價階段，在此基礎上將積極探索后評價階段的風環(huán)境評價體系的構建，將概率納入評價標準中，從而形成完整的城市街區(qū)層面的風環(huán)境評價體系。

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□DOI編碼：10.3969/j.issn.1008-3197.2016.05.025

□課題項目：基于物理環(huán)境模擬的中高密度綠色住區(qū)規(guī)劃原理與方法（項目批準號：51578366）

□陳天/天津大學建筑學院。

□TU14

□C

□1008-3197（2016）05-71-04

□2016-08-08

□劉君男/女，1991年出生，碩士在讀，天津大學建筑學院，從事生態(tài)城市和綠色交通研究工作。