隨著高速城市化進程的不斷推進,國內(nèi)外許多城市的人口規(guī)模與空間體量進一步增大。東京、香港、上海等典型的高密度城市中心區(qū)域,一方面,為居民帶來更加便捷的基礎建設、更優(yōu)質(zhì)的教育與更好的醫(yī)療水平;另一方面,也引發(fā)了諸多問題,如不斷缺失的良好建成環(huán)境。
高速的城市化影響了城市下墊面與近地面的低層氣流和湍流,進而對人們的日常生活造成了影響。良好的室外風環(huán)境在給行人帶來熱舒適、風安全等諸多益處的同時,還可以幫助城市緩解快速發(fā)展造成的能源短缺與環(huán)境污染等問題,這在熱島效應嚴重的高層高密度區(qū)域更為顯著。因此,近些年城市室外風環(huán)境的模擬與評價不斷地受到風工程師、城市規(guī)劃師、建筑師與環(huán)境學家的關注。
中國城市發(fā)展所確定的“可持續(xù)性”目標,要求建立和完善城市規(guī)劃和建筑設計的響應機制,用以合理應對城市氣候變化。目前,商業(yè)數(shù)值模擬軟件的應用日趨成熟,建筑室外風環(huán)境的模擬方法和技術已經(jīng)趨于規(guī)范化,但是,關于風環(huán)境的綜合評價工作因其本身時空復雜性的特點,略顯不足。本文分別選取“點”(特殊敏感區(qū)域)、“面”(行人高度)、“體”(三維城市空間)、“時間”(季節(jié))四個維度指標,總結(jié)已經(jīng)被充分研究的主流風環(huán)境評價方法,并綜合考慮實際操作的便捷性,為風環(huán)境學者提供選擇策略。
建成環(huán)境的評價通常可以分為設計階段與使用階段。通過實地測量,城市或建筑周圍的建成環(huán)境現(xiàn)狀可以得到準確可靠的測量與分析。設計階段的評價主要依賴于理論分析與模擬預測工作,并且由于其發(fā)生在建設工作前,便于環(huán)境性能化設計方案的調(diào)整與深化設計,從而能夠保證建成后的環(huán)境品質(zhì)。自20 世紀70 年代以來,人們提出了許多城市風環(huán)境評價方法,但仍存在一系列問題,如:復雜城市中的風環(huán)境評價存在片面性,現(xiàn)有的多種評價準則對同一客體的評價結(jié)果一致性較差;要評價行人高度(1.5 m 離地高度)的機械舒適度,但較少考慮特殊區(qū)域(如學校、醫(yī)院的出入口)處的敏感人群所需風環(huán)境;盡管空間計算域的設置已被研究,但數(shù)值模擬結(jié)果分析域的設定缺少科學合理的統(tǒng)一標準;結(jié)合人體熱舒適性與環(huán)境的時空演變特征,需要更加全面地分析不同季節(jié)下的風環(huán)境質(zhì)量;雖然我國現(xiàn)有的風環(huán)境評價標準《綠色建筑評價標準》對冬夏的風壓與風速有所限制,然而給出的閾值限制略顯寬泛,未考慮夏季低風速的不舒適感與排污防霾對風速下限的需求,實際應用價值不夠全面[1]。
風環(huán)境影響著城市居民的舒適、安全與健康。一方面,室外空間的風環(huán)境會影響使用者的感受與行為,在降低舒適度的同時,它還會影響城市廣場等公共空間的使用,降低城市的活力,甚至產(chǎn)生安全隱患;另一方面,城市中大量機動車與建筑的污染物排放,也會由于低通風效應,影響顆粒物擴散,從而造成局部地區(qū)高污染環(huán)境,影響居民生命健康。
19 世紀初期,由英國人Francis Beaufort 發(fā)明的蒲福風級(Beaufort Scale),第一次把風速及其影響程度對應了起來,為風工程學者建立了初 步 概 念[2]。Robert.H.Scanlan 和Emil Simiu 將風速總結(jié)為其大小是否會影響人的行動以及多大程度影響人的行動[3]。由于風環(huán)境的不確定性,在極端天氣條件下,風速可能過高,并且存在吹倒行人的危險。考慮到這種情況,設置高風速限制以避免風險。目前普遍認為,行人高度風速大于5 m/s 將會對人的安全性產(chǎn)生一定的影響,因此,基于街道安全性的評價應被視為風環(huán)境評價的首要準則。
Davenport 引入風速頻率概念對行人高度風速進行舒適度分級,提出了舒適的風速范圍[4]。Simiu 和Scanlan 使用現(xiàn)場調(diào)查、問卷調(diào)查和風洞試驗等方法,更全面地總結(jié)風舒適度與室外平均風速和風頻之間的關系[3]。Kevin Lynch 與Gary Hack 開始使用當量風速來描述人的行為舒適度[5]。評價不同風速對行人行為造成影響的風環(huán)境機械舒適性,成為了多種風環(huán)境評價體系中最普遍被討論的因素。
然而,僅基于機械舒適度建立的評價標準仍不夠全面,丹麥技術大學PO Fanger 教授提出的熱舒適評估方法已得到國際標準化組織的批準,用于描述和評估熱環(huán)境[6]。主要包含六項參數(shù):①微氣候環(huán)境參數(shù)(空氣溫度Ta、風速V、平均輻射溫度Tmrt、相對濕度H);②人體參數(shù)(新陳代謝率M、服裝熱阻Clo)。評價方法是基于可量化計算的人體熱平衡方程,確定了大多數(shù)人的冷熱感覺。相似的熱舒適性評價標度還有 ASHRAE標度,已經(jīng)被主要運用在更加可控的室內(nèi)環(huán)境中。香港中文大學的Edward Ng 教授通過實測和數(shù)據(jù)分析,得出了不同風速、氣溫、太陽輻射下的人體舒適圖[7]。此外,Ratcliff和 Peterka(2009)提出,將風寒(wind chill)等造成的熱舒適度問題也納入行人高度風速評價考慮中[8],因此,熱舒適性評價標準更加全面和客觀。
早在20 世紀60 年代,美國學者 Boettger CM 發(fā)現(xiàn)風速與空氣污染有很大關系,在研究中,將地面風速小于3.6 m/s 作為有利當?shù)乜諝馕廴緮U散的重要指標[9]。隨著生態(tài)城市和低碳建筑等問題不斷升溫,風對熱島效應、空氣污染物和塵埃擴散的影響日益突出。馬劍等建立的風環(huán)境生態(tài)指標評價體系中考慮了城市污染區(qū)風速指標,生態(tài)景觀區(qū)風速指標等[10]。徐望月等分析了肺癌病患案例社區(qū)空間形態(tài)與室外風環(huán)境以及顆粒物分布的相關性,提出了呼吸健康導向的設計原則[11]。Parham A.Mirzaei 和Fariborz Haghughat 應對行人高度污染物難以擴散的問題提出了一種街道通風系統(tǒng),并用空氣交換效率(ACH)和污染物交換效率(PCH)進行評價,ACH 與PCH 成為了計算污染物擴散效率的主要指標[12]。
此外,由于風影區(qū)以及局部的渦旋造成空氣沉積,嚴重阻礙污染物稀釋,因此,渦旋個數(shù)、渦旋平均范圍等也應是風環(huán)境評價的指標。無風區(qū)域和靜風區(qū)域?qū)鹬T如悶熱感和體溫上升以及高濃度的空氣污染物等問題,靜風區(qū)面積比也應在適當范圍之內(nèi)。
城市室外風環(huán)境是一個復雜的綜合體,過去的研究多數(shù)是從單一目標出發(fā)進行風環(huán)境評價和優(yōu)化,但在實際中,單一的評價指標無法描述地塊內(nèi)的風環(huán)境質(zhì)量,無法對建筑形態(tài)和城市布局進行準確的評價。本文嘗試從“點”“面”“體”“時間”四個維度總結(jié)并建立多目標的風環(huán)境評價指標體系,建立全面的風環(huán)境評價流程和框架,并給出相應的計算方法,滿足風環(huán)境研究不同尺度、不同層次的評價需求。
在風環(huán)境評價中,應首先考慮城市敏感區(qū)域的相關指標。根據(jù)建筑類型與特定人群,應當著重考慮建筑物附近關鍵節(jié)點的風速值。如幼托建筑和療養(yǎng)院入口和關鍵節(jié)點,應考慮幼兒和老人的抗風能力,盡量減小風速值。醫(yī)院入口不僅應考慮風速數(shù)值的合理范圍,還應考慮病房和醫(yī)院附近的通風以及污染物擴散問題,控制內(nèi)部和附近的渦旋數(shù)量。
3.1.1 行人高度風速
蒲福風級中的風速是10 m 高度處的風速,轉(zhuǎn)化為行人高度(1.5 m)風速(m/s)應按下式計算:

式中,V為10 m 高度風速;Vz為z高度的風速;a為地面粗糙度,根據(jù)粗糙度地形分類中的B 類,取值為0.16,V的計算公式為:

式中,V為當量風速;Va為平均風速;T為湍流強度,當缺少信息時,可以假設V=1.5Va。
已有學者對行人高度風速與對人行為的影響做了詳細分析,代表研究總結(jié)見表1。
此外,應評價關鍵節(jié)點的機械舒適度,以濕熱氣候的香港行人高度風速分類為代表,可分為:滯 風(V<0.3 m/s)、差 舒 適(0.3 m/ s ≤V<0.6 m/ s)、低舒適(0.6 m/ s ≤V<1 m/ s)、基 本 舒適(1 m/ s ≤V<1.3 m/s)與很舒適(V≥1.3 m/ s)[13]。
3.1.2 風速放大系數(shù)
風速放大系數(shù)即風速比是基地內(nèi)某點風速與某一風向風速大小的比值,用于判定風速放大是否已到某一極限,以此評估風環(huán)境質(zhì)量。風速比反映的是因建筑的存在而引起風速變化的程度,在一定風速范圍內(nèi)風速比是恒定的,且不隨來流風速變化。風速比的一般算法是:

表1 行人高度風速對行為的影響

式中,Ri為風速比;Vi為某風向的風速;V0為該風向受擾的風速(城市邊界層頂部風速)。Edward Ng 對風速比的評價方法進行研究,提出全年考慮風頻風向的平均風速比,能夠全面地評價區(qū)域內(nèi)建成建筑對風速的影響程度[7]:

式中,F(xiàn)i是i風向的風頻。
《深圳綠色建筑評價規(guī)范》是國內(nèi)第一個評價風速比的地方規(guī)范。規(guī)范指出,建筑物周圍風速比應小于2(行人高度1.5 m 處),城區(qū)風速比不小于0.3 的面積占比應高于80%[14]。《綠色建筑評價標準》指出,冬季建筑室外風速比小于2[1]。
3.1.3 渦旋個數(shù)及渦流范圍
由于局部的渦旋不利于通風、熱島的消解以及污染物的稀釋,規(guī)劃中應盡量避免渦流的產(chǎn)生,尤其應避免城市關鍵區(qū)域產(chǎn)生渦旋。如城市醫(yī)療建筑附近不應出現(xiàn)渦旋,以保證醫(yī)療污染物快速稀釋;幼托建筑和療養(yǎng)院建筑附近不應出現(xiàn)渦旋,保證體弱者的通風需求;城市公交樞紐附近不應出現(xiàn)渦旋,以避免汽車排放污染物點狀堆積;城市公共空間不應出現(xiàn)渦旋,有利于減少熱島效應,同時保證其使用品質(zhì)。此外,應考慮渦流平均范圍(總渦流范圍÷渦旋數(shù)),大渦流范圍和小渦流范圍來定量描述模擬中的渦流[15]。
由于城市空間風環(huán)境對人體的影響主要以城市室外行人為感知主體,因此,目前絕大多數(shù)研究都取行人距地面1.5 m 處為標準高度空間作為重點研究的區(qū)域,包含:街道、機動車道、公共廣場、半公眾性空間等不同形式。石邢、李艷霞[16]創(chuàng)新性地將行人高度風環(huán)境理解為三維風環(huán)境在這一高度的兩維切面。因此,本文延續(xù)該定義進行城市風環(huán)境在“面”維度的評價體系研究。
3.2.1 行人高度平均風速
目前的建筑風環(huán)境研究中主要以平均風速,尤其是行人高度風速作為研究對象,行人高度平均風速計算公式:

式中,?為平均風速;Vn,X,Vn,y和Vn,z分別表示某點的個方向的瞬時分速度;n 為點數(shù),在風環(huán)境模擬中,區(qū)域被網(wǎng)格所劃分,每個網(wǎng)格中被認為是一個單一的風速數(shù)值,目標區(qū)域的平均風速計算由區(qū)域網(wǎng)格中的風速平均得到,一般可由模擬軟件直接得出。
國內(nèi)外許多規(guī)范已經(jīng)給出相應的條文規(guī)定。美國舊金山相關法規(guī)要求公共空間風速應小于等于5 m/s[17]。澳洲規(guī)劃部門規(guī)定:城市廣場、步行街道、公園等空間風速不應大于13 m/s,城市次干道和城市支路風速不應大于10 m/s,城區(qū)全部區(qū)域風速不得超過16 m/s[18]。我國《綠色建筑評價標準》也指出,冬季城市空間行人高度處風速值不應超過5 m/s[1]。
通過對風速與污染物的稀釋和擴散關系的分析,劉君男指出,寒冷地區(qū)允許風速應為1 m/s<V<7 m/ s,大于7 m/s 會造成二次揚塵[19]。《防治城市揚塵污染技術規(guī)范》(FJ/T393—2007)指出,風速大于5.5~7.9 m/ s會造成揚塵。換算成行人高度風速為3.6~5.2 m/ s,5.2 m/ s 可以作為是否揚塵的界限[20]。北京市氣象局相關研究表明,城市污染物擴散的基準風速為≥1 m/ s[20]。
3.2.2 風速概率與超越風速概率
在許多情況下,很難從風速全面評價一個區(qū)域風環(huán)境的年度情況,風速概率和超越概率閾值評價法是指,研究全年超過某一風速基準的概率對風環(huán)境進行評價,這種方法是從長時間跨度來評估風環(huán)境并考慮每個風向的影響,而不是只考慮每個季節(jié)中的最大風頻、風向或常年風向。
根據(jù)波士頓《城市建筑管理指南》規(guī)定,高度在47 m 以上的建筑,其周邊風速超過13 m/ s 的時間頻率不能超過1%[18]。舊金山有關環(huán)境管理的法規(guī)規(guī)定,高度在91 m 以上的建筑,其周圍風速超過 11.6 m/ s的時間每年不準超過1 h,在建筑物周圍的公共休閑區(qū)風速不能超過5 m/ s[21]。B.Blocken 根據(jù)超越風速閥值的概率,將風舒適度分為五個等級(A~E),并判斷風環(huán)境對行人不同活動類型的影響情況(表2 )[22]。

表2 超越風速概率與風舒適度等級
1981 年,風環(huán)境學者Kitotaka Deguchi 與Shuzo Murakami 提出了臨界風速的概念,并給出了一系列具體條件以滿足舒適度要求[23]。1998年,Michael J.Soligo 也提出一套基于不同行為的臨界風速及頻率的評價標準(表3)[24]。

表3 行為舒適的臨界風速及頻率
3.2.3 強風區(qū)面積比與靜風區(qū)面積比
城市中的風速過大會使污染物發(fā)生二次揚塵,并產(chǎn)生安全隱患,風速過小會導致熱島聚集、余熱和污染物均難以擴散、體感悶熱等情況。風力過大的區(qū)域為強風區(qū),風速過小的區(qū)域為靜風區(qū),所以,很多學者在研究中討論計算域中強風區(qū)和靜風區(qū)與總體區(qū)域的面積比,能夠全年考量計算域的風環(huán)境分布情況,而不是僅考慮平均風速。
大部分研究均將靜風區(qū)定義為風速低于1 m/ s[15,18,21],而強風區(qū)的設置稍有不同。前文已經(jīng)提到,在北方地區(qū)寒冷的冬季,風速大于5 m/ s已經(jīng)可以對地面活動造成較明顯的影響。林博[18]在對重慶市化龍橋片區(qū)更新規(guī)劃的CFD 模擬評價中,定義風速大于5 m/ s 為強風區(qū);曾穗平在其博士論文中,將強風區(qū)定義為風速大于7.3 m/ s 的區(qū)域[15]。
3.2.4 風速離散度
在城市中,由于諸多建筑物的影響,很可能在小范圍內(nèi)風速存在很大差異。行人高度風速分布是否均勻,即風速離散度,也應當被納入風環(huán)境的指標中。在統(tǒng)計學中,數(shù)據(jù)的標準偏差通常用于測量數(shù)據(jù)集的分散程度。計算風速離散度的方法有:極差(Range);四分位距(Interquartile Range);方差(Variance);標準差(Standard Deviation);平均差(Mean Deviation),離散度越小,風速分布越均勻,反之亦然。研究表明,小范圍的風速變化超過70%,人們的舒適度將大大降低。
3.2.5 建筑前后壓差
風壓是風流產(chǎn)生的重要驅(qū)動力。對于建筑單體,建筑物前后壓力差指建筑物迎風和背風面兩個表面之間的氣壓差,其大小與室內(nèi)自然通風息息相關。對于城區(qū),城市中不同位置的建筑之前和之后的風壓差與城市通風和污染物擴散密切相關,建筑前后的壓力差越大,城市通風的可行性越高,通風潛力越大,反之亦然。因此,行人高度建筑前后壓力差的數(shù)值越大,對風環(huán)境越有利。然而如果風壓太大,將不利于冬季保溫;如果風壓太小,則不利于建筑和區(qū)域的自然通風。因此,我國《綠色建筑評價標準》[1]規(guī)定,冬季:除迎風方向第一排建筑外,建筑迎風面與背風面壓差小于5 Pa;夏季:75%以上的板式建筑的前后應有1.5 Pa 的風壓差。
基于衛(wèi)生性準則,考慮城市污染物擴散,則風環(huán)境評價的尺度應擴大到三維連續(xù)城市空間,即“體”分析域的范圍(圖1)。
3.3.1 空氣齡
城市空氣的新鮮程度可以通過假想邊界中的空氣齡來描述,空氣齡是室內(nèi)環(huán)境控制領域內(nèi)一項重要的評價指標,其意義是進入室內(nèi)的新鮮空氣取代原有空氣的速度[13]。將用于室內(nèi)的空氣齡指標引伸到城市尺度,如圖2 所示,城市空間空氣流入的區(qū)域空氣最為新鮮,此處空氣停留的時間最短(接近零),新鮮空氣取代原有空氣的速度最快。根據(jù)氣流的分布,最陳舊的空氣常出現(xiàn)在渦旋處或者風影區(qū),在此處新鮮空氣取代原有空氣的速度最慢。
可以通過示蹤氣體濃度的自然衰減方法來確定空氣齡。初始示蹤氣體濃度最高,其濃度會隨著時間的推移而降低。濃度和時間之間的關系以及由坐標軸包圍區(qū)域的面積反映該點的空氣的新鮮度(圖3)[25]。
故某一測點A 空氣齡的定義式為曲線下面積與初始濃度之比,其表達式為:

式中,Co為A點的初始濃度(kg/ m3),C為瞬時速度(m/s)。
計算區(qū)域的平均空氣齡為:


圖1 建筑周邊三維分析域示意圖

圖2 城區(qū)空氣置換示意圖

圖3 示蹤氣體濃度積分與空氣齡計算
式中,Cp為排出空氣濃度(kg/ m3)。

一些學者對城市風環(huán)境的空氣齡進行研究,Jian Hang 等人指出,城市尺度空氣齡主要反映新鮮空氣在進入城市空間后,從區(qū)域中的某點到達另一點所需的時間[13]。Riccardo Buccolieri[26]等人也將平均空氣齡概念引入對城市呼吸性能的評價體系中,曾穗平[15]也提到了用均勻配置示蹤氣體散發(fā)源的方法,用下式對空氣齡數(shù)值進行計算,空氣齡的數(shù)值越低,說明城市呼吸性能越好:

其中,C為某處示蹤氣體濃度(kg/ m3),m為均勻的示蹤氣體排放率,m=10-5kg/ m3s,為空氣齡(s)。目前,一些針對建筑領域的流體模擬軟件內(nèi)置了空氣齡的計算,如Fluent Airpak,但許多經(jīng)典的模擬軟件尚不支持[27],曾穗平利用UDF(User Defined Function)定義空氣齡的計算方法,由模擬軟件直接計算出空氣齡云圖[15],這種方法可以為研究者提供思路。
3.3.2 通風效率
通風效率用于評價室內(nèi)通風排除污染物能力。目前,僅有少數(shù)學者使用通風效率作為城市風環(huán)境的評價指標,但事實上,通風效率確實可以作為一個有力的評價指標解耦城市風環(huán)境與城區(qū)的污染物擴散。通風效率為出口邊界處污染物濃度與計算域內(nèi)平均濃度之比,其物理意義是指移除城區(qū)污染物的迅速程度:

式(10)是以進風濃度Co=0 為條件,否則應為:

通風效率也可用空氣齡和被污染氣流的排出時間來表示,如下:

式中,為計算域內(nèi)平均濃度(kg/ m3);V為計算域體積(m3);為排空時間(s);MC為污染物單位發(fā)生量(kg/s)。
用換氣量G 除以上式,注意到Mc/G=Cp的關系,可得:

當建筑規(guī)劃設計構造出合理的氣流組織,使得污染物直接流向出流邊界時,則排出時間最短。以室內(nèi)為研究對象的通風效率指出,比較接近活塞流的置換通風值往往遠遠低于值,故其通風效率較高,實驗表明,E=1~4,而混合通風中的E≈1 指的是平均效率。但應用于城市的通風效率還需要類似的原型研究。很多學者對于城區(qū)污染物擴散的研究目標,僅是以相較原本污染物濃度水平降低為導向,沒有提及污染物通風效率的指標,也缺乏污染物濃度基準線的討論,相關數(shù)值準則尚有空白,亟待風環(huán)境學者的進一步研究。
3.4.1 不同季節(jié)的熱舒適性
人體熱舒適度是指一定數(shù)量的人群在感受外界氣象環(huán)境時的舒適感指標。它體現(xiàn)了空氣溫度、濕度、風速等要素對人體的綜合影響,具體熱舒適度的評價指標包括體感溫度、實測溫度、相對濕度,以及風冷力指數(shù)、不舒適指數(shù)、炎熱指數(shù)等。因此,本文擬在風環(huán)境研究中,根據(jù)不同季節(jié),采用不同的評價指數(shù),即在夏季采用炎熱指數(shù)反映舒適度,冬季用風冷力指數(shù),春秋季則用實感溫度。其計算公式如下。

式中,t為日平均溫度(℃);V為日平均風速(m/s);RH為日平均濕度(%);ta為環(huán)境空氣溫度(℃);ET、K和q分別代表的是實感溫度、炎熱指數(shù)和風冷力指數(shù)。根據(jù)人們的對舒適度感受程度的差異,可以分5個評價等級的舒適度指數(shù),具體內(nèi)容見表4。
3.4.2 戶外熱舒適度圖
香港中文大學的Edward Ng 教授進行了廣泛的現(xiàn)場測量和數(shù)據(jù)分析。研究春夏季戶外人體舒適度與風速、氣溫和太陽輻射強度的關系。在不同的人類行為模式和不同的室外氣溫和太陽輻射強度下,人體的熱舒適度與風速的相關性得以量化分析研究

表4 不同舒適度指數(shù)范圍及人體感覺程度
[6]。可直接利用圖4 判斷目標區(qū)域行人是否處于舒適度區(qū)間。
當前建筑室外風環(huán)境模擬工作主要依賴于CFD 數(shù)值模擬軟件,在輸入建筑模型與一系列環(huán)境參數(shù)與邊界條件后,即可結(jié)合網(wǎng)格精度開展計算工作。某些商業(yè)軟件,如Star CCM,可根據(jù)模擬結(jié)果,直接選取評價指標或輸入特定指標計算公式進行二次計算,最終得到一個綜合性的風環(huán)境評價結(jié)果(圖5)。不同評價指標可對應不同的項目或行業(yè)需求。

圖4 香港戶外熱舒適度圖

圖5 建筑風環(huán)境數(shù)值模擬綜合評價路線圖
基于廣泛的文獻調(diào)研,本文將風環(huán)境評價指標歸納為“點”“面”“體”“時間”四個方面,分別討論每項指標的意義、計算方法和評價準則,并給出從原始數(shù)據(jù)到模擬結(jié)果進一步進行環(huán)境評價的路線圖,有助于學者和設計師全面多維綜合地評價城市和建筑風環(huán)境,并用于指導工程實踐,構建綠色、健康、舒適、可持續(xù)的人居環(huán)境。