基于“風感”的緊湊型城市開放空間風環境實測和CFD模擬比對研究

王 凱,梁 紅,施 鵬,趙 鳴

1 青島農業大學園林與林學院,青島 266109 2 棕櫚建筑規劃設計(北京)有限公司,北京 100016 3 北京林業大學園林學院,北京 100083

“風”是城市氣候的主要影響因子之一,在微觀尺度上,風關系到微氣候的優劣和城市景觀的動態效果,影響“景感”的形成；在宏觀尺度上,風關系到城市氣象和生態系統,影響城市熱島效應和空氣清潔度[1]。景感生態學把人對風的感知稱作“風感”,“風感”是景感的八個類型之一。景感生態學是指以可持續發展為目標,基于生態學的基本原理,從自然要素、物理感知、心理反應、社會經濟、過程與風險等相關方面,研究土地利用規劃、建設與管理的科學[2]。 “風感”舒適度是評價風環境優劣的重要標準,是景感生態規劃所需要考慮的重要因素[3-4]。但是,“風”一直是城市氣候因子中最難以捉摸和預測的因子。城市規劃設計也很難對風速、風向和風壓進行有效把控和應用。城市開放空間在建筑實體形成后,風環境受到了很大的影響,緊湊型城市開放空間的風環境問題尤其突出[5-6]。由于樓間空氣流通通道的位置和大小變化導致風場變化。局部空間的風速比較高,增強至正常風速的3—4倍；局部空間風速過小,出現了風速小于1.5 m/s的靜微風[7]。但事實上,復雜的風環境可以通過改變城市開放空間形態和格局來進行調控,在一定程度上改善地面“風感”[8-10]。

1 緊湊型城市開放空間形態和風場特點

本論文所研究的緊湊型城市開放空間是在風環境研究中觀尺度(100—2×103m)下的一種綠色開放空間,如居住區綠地、庭院綠地、城市廣場綠地和道路綠化等,它們的風環境受街谷空間影響很大[11]。典型街谷空間的風環境有一定的規律性,根據Oke的相關研究,不受綠地等因素干擾的理想街谷空間按照前后建筑高寬比(H/W)不同,風場有3種不同的表現,分別是獨立粗糙流模式(H/W<0.3—0.5)、滑行流模式(H/W>0.65)和尾流干擾模式(0.5

2 研究對象和研究方法

2.1 研究對象

為了研究緊湊型城市開放空間中綠地對風場的影響,本文對不同的緊湊型城市開放空間進行測定和模擬對比研究。研究實測地選在青島,因為青島的平均風速較大,風環境具有典型性。但本文僅研究風場的受綠地空間干擾的基本規律,不涉及到城市氣候的基本內容。研究對象選擇青島市城陽區翰林苑居住小區,小區為高層、多層、別墅等混合型建筑群。以便于研究在同一風場條件下,不同類型建筑組團的室外風環境情況及其影響因素。在測定點選擇時,排除區域溫差較大的區域,減低局部熱力環流對場地的影響。城市開放空間風感舒適度受到風速、風頻、風向變化和人活動狀態等的綜合影響,但是風速和風向的影響最大[13],所以本次主要關注這兩個氣候因子,并對其影響因素進行討論和研究。

2.2 研究方法

本文通過對行人高度的風場的實測數據和Fluent 14.0的模擬結果的比對來判斷開放空間風場受建筑物和綠地的影響程度。

2.2.1測定儀器和測定方法

實測分為8組,共16人。運用美國Kestrel NK4500手持氣象站、指南針和風向儀測定整點前后30 min內1.5 m高處的即時風場數據。由于本次實測場地面積偏大,按照傳統的固定氣象站的實測方法很難測定全部風場。因此本次測定對傳統方法改進創新,借鑒德國斯圖加特市的城市尺度風場數據收集采用車載氣象站的方法[14],以移動方式手持便攜氣象站來快速測定和記錄。測定結束后,在矯正后的衛星地圖上標注將測量點的風速和風向,形成二維風向、風速流場圖,作為風場比對和分析的基礎[15]。

2.2.2CFD模擬方法

為了使模擬結果和實測結果具有可比性,本次風環境的模擬工況以距離該點最近氣象站的氣象數據為參照,取城市整點風速(整點前10 min的平均風速為整點風速)、風向數據作為模型進風口10 m高度的風速和風向。為確保比對的有效性,整點前、后30 min內的測定數據才能和模擬結果進行比對。

本次模擬運用Auto CAD建模,并進行簡化和優化,導入Fluent 14.0中運用Solid works對建筑3D模型進行結構化網絡劃分,并利用Fluent 14.0的網格自適應功能加密網格,將建筑的每一邊人行區1.5 m高度劃分10個以上的網格等。進行風環境模擬的計算域要求建筑迎風截面堵塞比(建筑面積/迎風面計算區域截面積)小于4%；計算域以目標建筑(高度H)為中心,半徑5H范圍內為建筑計算域,在來流方向上,建筑計算域前方距離外場計算邊界要大于2H,建筑計算域后方距離外場計算邊界要大于6H。墻面、地面的粗糙度長度和粗糙度指數按實際情況設置,其中粗糙度指數為0.28,參考高度為10 m。采用標準k-ε模型進行運算,用指數方程描述氣體入口界面的風速變化[16-17]。

3 研究結果與分析

本研究選擇青島市城陽區翰林苑作為研究對象,主要對高層建筑、多層建筑和別墅區組團的開放空間風環境進行測定和模擬的示意圖進行比對,直觀再現綠地對風場的干預程度。

3.1 高層建筑開放空間

高層建筑組團A區為小區北側入口。實測的高層分為前后兩排,北側高層高為50 m,南側高層高為39 m。北側高層1—2樓為樓裙,高度約為9 m。建筑之間的道路寬度為22 m,路側建筑間距為28 m,中間綠化帶寬2.5 m,兩側樓底綠化各為3 m。按照15 m×15 m進行布點實測。測定后,在衛星地圖上繪制二維風向、風速實測圖(圖1)。風場的CFD模擬設定入口風向為306°(NW),參考風速U10為5.7 m/s,根據模擬結果輸出風速矢量圖和氣流流線示意圖(圖2)。

3.1.1風向比對結果與分析

高層建筑樓間峽谷后方綠地內測定點的風向整體上和CFD模擬的風向相同,如測定點A40、A41、A43、A61、A72、A73、A75、A76。因為綠地植物相對較矮,基本在建筑風場的控制下,且冬天綠地的疏透度較高,所以實測和模擬風場的流向基本保持一致。

右側后排高層的前方邊角處出現了顯著的下沖渦旋,并向兩側分流,如A07、A11、A12、A15、A16、A17、A23；建筑后方的風影區出現了典型的回流渦旋,如A45、A47—A52,但渦旋并不像Fluent 14.0模擬結果一樣明顯。由此可見,樓間的風場容易受建筑的影響導致風向和風速變化,而出現降低風感舒適度的湍流、渦旋現象。根據實際測定,綠地對高層風形成湍流、漩渦氣流具有一定緩解作用,但是總體風向不會發生改變。

后排A28—A39測定點風向和CFD模擬結果風向差別較大,原因在于該區域左側道路曲折,道路綠化較多,經過較長距離后風力已經被大大消減,而風向變得不是太明顯。

高層后方綠地中的風向除了西北風之外最多的風向為北風,原因在于左側建筑之間的峽谷來風對中心影響較弱,而受到狹管風力的影響,氣流順著綠地兩側的道路流動,所以測點A58、A60、A62、A63、A70、A71、A74、A77的風向為北風。

到綠地后方,隨著狹管風風速的降低,綠地內測定點A57、A61、A65—A71的風受到了綠地的約束,風著實測點小空間的方向流動。

圖1 高層組團二維風向、風速實測圖 Fig.1 Two-dimensional wind measurement chart in high building groupsNW：西北向，North west

圖2 高層組團風速矢量圖、氣流流線示意圖 Fig.2 Wind speed vector and airflow streamline diagrams in high building groups

3.1.2風速比對結果與分析

高層之間出現了明顯的狹管效應,狹管風增速明顯。狹管效應受到后方綠地的干擾,行人高度風速下降明顯。A53(6.7 m/s)、A54(4.7 m/s)、A56(4.1 m/s),到20 m后A75(2.1 m/s)、A60(3.8 m/s)、A57(3.6 m/s),擋風綠地寬度約為10 m,平均風速降低39%；下一排20 m處測定點A72(1.8 m/s)、A61(1.6 m/s)、A62(1.6 m/s),擋風綠地寬度為20 m,平均風速降低49%。而再往后排的測定點A69(1.6 m/s)、A65(1.5 m/s)、A66(1.4 m/s)的風速平均值維持林間流動的較低風速。由此可知,綠地對風力有削減作用,30 m寬且疏透度適中的綠地能夠有效降低風速,降低峽谷效應產生的不舒適風對人的影響。

對比東側后排高層四周的測定風速與CFD模擬風速,結果發現測定風速小于模擬風速。由此可見,高層下的綠地有助于緩解高層建筑的下沖氣流、邊角氣流和回流渦旋的風力。

3.2 多層建筑開放空間

多層建筑B區位于小區的西側。南北建筑均為5層共16 m,建筑間距為24 m。建筑間綠化形式簡單,前面的帶狀綠化寬度約為12 m。建筑西側有道路,道路外圍有寬約8 m的疏密度較小的林帶,樹種為雪松。測定后,繪制二維風向、風速實測圖(圖3)。風場的CFD模擬設定入口風向為306°(NW),參考風速U10為3.2 m/s,根據模擬結果輸出風速矢量圖和氣流流線圖(圖4)。

3.2.1風向比對結果與分析

當建筑巷道和風向呈26°夾角,測定風向和模擬風向軌跡基本相同。風從西側入口進入后,風向從西北向逐步轉變成西南向或者西向。由于綠地影響,實際風流線比模擬的氣流流線示意圖偏折角度小。

根據CFD流場模擬,建筑后方都出現了較為明顯的風影區渦旋。根據二維風速、風向實測圖(圖3)所示,實測點B12、B15形成了明顯的風影區渦旋,而南側樓間綠地相應位置渦旋不明顯。建筑西側和后部的綠化是造成測量點風環境差異的主要原因,風的流線因此產生改變。同時,外圍的環境變化也造成了風場的變化。

圖3 多層組團二維風向、風速實測圖 Fig.3 Two-dimensional wind measurement chart in multi-layer building groups

圖4 多層組團風速矢量圖、氣流流線示意圖 Fig.4 Wind speed vector and airflow streamline diagrams in multi、|layer building groups

從二維風向、風速實測圖(圖4)不難發現,西側林帶和建筑的圍合,西側道路空間形成了空氣域,形成了氣流通道,所以B16、B18—B20、B23點的風向向南。氣流通道上由于建筑阻擋,點B17、B21和B24的位置出現了小湍流。

3.2.2風速比對結果與分析

南側樓間綠地和北側樓間綠地內的測定點測量風速均小于模擬風速,原因在于綠地對氣流的阻滯作用,樓間綠地能夠減弱密集型建筑樓間的峽管效應。根據測定風速,建筑周邊的密集型常綠林帶對風場的影響很大,不僅消弱風速,甚至改變風向。南北樓間綠地的中間測定點的風速較高,接近模擬結果,數據表明下墊面為水泥時,風速相對較高。

通過實測和模擬對比可以看出,西側密集型常綠林帶改變氣流方向,減小風速。測定點B28(1.0 m/s)、B29(1.0 m/s)、B30(1.6 m/s)和B10(0.9 m/s)、B11(0.7 m/s)、B12(0.6 m/s)及以西的測量點風速均小于模擬風速,也小于它們右側實測點的風速。再往東側的測定點B31(1.9 m/s)、B32(3.1 m/s)、B33(1.9 m/s)和B07(1.6 m/s)、B08(1.5 m/s)、B09(0.4 m/s),風速逐漸增大。風速變大是因為在距離西側常綠林的4H—5H處,收到了越過西側林帶上方的下沖氣流的影響。

3.3 別墅區開放空間

雙拼別墅C區位于小區的中部。別墅高度約9 m,建筑樓間距為10 m。建筑間道路寬度為4 m,兩側為綠地。實測后,繪制二維風向、風速實測圖(圖5)。風場的CFD模擬設定入口風向為306°(NW),參考風速U10為3.2 m/s。根據模擬結果輸出風速矢量圖和氣流流線圖(圖6)。

3.3.1風向比對結果與分析

實地測定和CFD模擬的風向基本相同,氣流順著東西向的建筑街谷空間流動,而建筑南北向的巷道的風向并不明顯。這是因為別墅兩側的巷道受到綠地的影響,并位形成南北向氣流明顯的流動。

別墅山墻之間巷道局部出現了湍流,但大部分測定點的風向仍為西北向。由此可知,雖然綠地對風向有一定的影響,但是氣流流動的大方向不會改變。

圖5 雙拼別墅組團二維風向、風速實測圖 Fig.5 Two-dimensional wind measurement chart in semi-detached house groups

圖6 雙拼別墅風速矢量圖、氣流流線示意圖 Fig.6 Wind speed vector and airflow streamline diagrams in semi-detached house groups

3.3.2風速比對結果與分析

東西走向的建筑峽谷空間的三個平行測點中,中排測點的平均風速最高,上排和下排受到綠地和建筑立面的影響,風速相對較低。

CFD模擬結果顯示后排建筑樓間的狹管效應較強,前排的狹管效應相對較弱。但實際測定結果表明,前后排狹管效應差異不明顯。原因測定地點在居住區內部,上風向的建筑和綠地,尤其是西側的綠化帶對橫向氣流的干擾而使風場均勻化。

4 結論

本文對傳統研究方法進行創新,利用實測和比對的方法對行人高度的風場進行研究,緊湊型開放城市空間由于建筑、林帶,草地和鋪裝等上方的通風區域的綜合影響,風速風向呈現一定的復雜性,其規律和特征如下：

(1)緊湊型城市開放空間的“風感”受建筑和綠地空間布局的共同影響。當建筑高于綠地時,風場主要受建筑的控制；當植物高于建筑時,行人高度的風場除了考慮建筑的影響之外,植物對風場的影響較大,林帶對風環境的影響程度受林帶疏密度影響。

(2)綠化帶的疏密度會影響緊湊型開放空間的風環境,疏密度較高的常綠林帶對風向和風速影響很大,而疏密度較低的林帶會影響風速,對風向影響不大。一般來說中等疏透度,寬20—30m的林帶就能有效的降低風速。植物綠化會擾亂建筑間隙的高速氣流,使得風場均勻化,有效避免局部強風的出現。

(3)影響風速的主要因素是空間圍合所形成的空氣域,相比不透風建筑實體、多孔介質,空氣域對風的阻力要小的多。如鋪裝、草坪上方的通風廊道是行人高度層通風、導風的關鍵。

(4)緊湊型開放空間的建筑風影區、邊角隅流、下沖氣流,狹管風效應同樣存在。但是其表現程度強度受綠化帶疏密度的影響。疏密度越小,風向無變化或風速略減小；疏密度越大風向會發生偏轉,風速減小。

5 緊湊型開放空間“風感”的改善方法與對策

緊湊型開放空間的樓間距是按照最低日照間距標準進行規劃,而未考慮迎風建筑后方5H的風影區對后方建筑的影響,不合理的規劃方式埋下了城市通風不良的“天生”缺陷,所以綠地的“后天”調節措施就顯得極為重要。根據緊湊型開放空間風感舒適度相關標準[13],綠地改善風感舒適度主要方法如下：

(1)針對目前的緊湊型城市開放空間的通風現狀。緊湊型開放空間的綠地空間設計,應以通風為主,減少不舒適靜微風,促進空氣流通。在通風不良的區域,盡量減少“喬-灌-草”多層綠化,改為“喬-草”結構。

(2)應建立有效的擋風、導風綠地體系。通過不同空間形態的綠地,利用疏密度不同的常綠或落葉林帶進行擋風或者導風,以改善緊湊型開放空間近地面層的風感舒適度,如加快風影區的氣流流動,減小峽谷風風速等。尤其是低矮建筑周邊的綠地是影響建筑區域室外空間的關鍵性因素。

(3)開放空間中通風最好的區域是沒有任何遮擋的空氣域。利用道路,草坪鋪裝空間所形成的空氣域加強通風是改善人行高度風環境,提高風感舒適度最直接也是重要的方法。

(4)綠地建設時,應該預留平面上和豎向上的導風路徑,促進氣流在平面和豎向上的流動交換,提高空氣質量和風感的健康度。