城市街道峽谷單側(cè)自然通風研究進展

奉皓明 ，林堯林 ，楊 方

（1. 上海工程技術大學 機械與汽車工程學院，上海 201620；2. 上海理工大學 環(huán)境與建筑學院，上海 200093）

建筑自然通風性能一直備受關注. 《建筑十書》第一書之六詳細地闡述了東、西、南、北等24種風向、風名及其對人和建筑的影響[1]. 在風壓和熱壓[2?3]的驅(qū)動下，自然通風有很大潛力取代機械通風，從而降低建筑能耗[4]，并創(chuàng)造健康與舒適的室內(nèi)環(huán)境.

城市街道峽谷（Urban Street Canyon, USC），簡稱街谷，是城市中人群活動的重要場所[5]，指兩側(cè)有連續(xù)建筑物的狹長城市街道空間[6]. 有關街谷單側(cè)自然通風研究始于20世紀60年代，一直是城市小氣候背景下重要的研究課題之一，其中一個主要方向便是渦流結(jié)構(gòu)[7]. 為研究其對室內(nèi)熱舒適性和健康的影響，人們一直致力于研究影響街谷單側(cè)自然通風性能的各種因素，研究包括熱條件[8]，幾何變化[9]以及當?shù)仫L的特征進行了重點研究[10].

街谷單側(cè)自然通風是一個復雜的過程，它受從建筑物屋頂流入的剪切流，從建筑物側(cè)面流入的空腔流以及城市街道峽谷內(nèi)氣流循環(huán)的相互作用. 鑒于研究的復雜性，一般借助數(shù)學模型，試驗以及模擬軟件等進行適當簡化，以更方便、快速地掌握城市自然通風建筑的通風特性.

本研究分析城市街道峽谷的類型，闡述其與單側(cè)自然通風之間的聯(lián)系，進一步研究谷單側(cè)自然通風對室內(nèi)環(huán)境質(zhì)量的影響，并從風壓、熱壓、建筑幾何特征、通風量、污染率以及顆粒物濃度等方面展開闡述，為深入研究街谷單側(cè)自然通風性能揭示新方法.

1 關于城市街道峽谷單側(cè)自然通風的研究

城市街道峽谷對于人口密集的城市街道峽谷地區(qū)，由于其房間的特點是單窗和閉門[11?12]，所以與其他自然通風類型相比，室外氣流與室內(nèi)氣流耦合的單側(cè)自然通風在城市建筑中更為常見.

隨著城市的發(fā)展，高密度社區(qū)越來越多，研究城市街道峽谷中單側(cè)自然通風性能及其對室內(nèi)環(huán)境質(zhì)量的影響是后續(xù)要就重點.

1.1 風壓與熱壓

單側(cè)自然通風下空氣的傳輸主要是由幾個方面驅(qū)動：風壓、熱壓、或風壓與熱壓共同作用. 氣流的傳輸和擴散特性取決于這些力的強度和方向，而這些力的物理過程復雜且難以預測.

在最初的數(shù)學模型中，研究者大都忽略一部分復雜的動力學以及建筑物側(cè)面流入的空腔流，使用經(jīng)典近似法來計算建筑的通風性能. 例如，Warren[13]在關于通過單個開口時氣流湍流對流的研究中，得出風壓和熱壓驅(qū)動的自然通風的方程式，且局部風速在很大程度上取決于風向，其原因是墻體上的氣流形態(tài)隨風向變化，背風側(cè)與迎風側(cè)的氣流形態(tài)完全不同. 研究團隊通過阿基米德數(shù)進一步分析發(fā)現(xiàn)，風壓和熱壓主導的情況之間存在差異，說明處理風壓和熱壓效應的最佳方法是分別計算每個參數(shù)的影響，然后使用其中的最大值. Larsen等[14]通過風洞試驗研究影響單側(cè)風流動的主要導向，結(jié)果表明隨著風浮力比的變化，流動可能由風壓主導轉(zhuǎn)變?yōu)闊釅褐鲗?

以上文獻綜述表明，街谷單側(cè)自然通風由風壓與熱壓共同作用，相互疊加.

1.2 建筑的幾何特征

單側(cè)自然通風的流動特征取決于建筑的幾何特征，如城市街道峽谷的展弦比（高/寬）、街道朝向以及對稱性[15]等. 城市街道峽谷中復雜的建筑布局使單側(cè)自然通風的風速下降. Ng[16]比較城市街道峽谷與未受干擾地區(qū)的單側(cè)通風量發(fā)現(xiàn)，在城市街道峽谷中單側(cè)自然通風風量相比未受干擾地區(qū)減少82%.

相關研究表明中，建筑布局中展弦比變化對單側(cè)自然通風的影響不可忽視. Andreou等[17]通過試驗研究建筑布局對風速的影響，發(fā)現(xiàn)峽谷內(nèi)單側(cè)風速隨峽谷展弦比的增大而減小. Ai等[18]關于通風量的計算證實了上述觀點，并提出通過改善圍護結(jié)構(gòu)設計來提高建筑對密集城市環(huán)境適應性. Leung等[19]得出街谷的展弦比應小于1. 67，以防止街谷風場在豎直方向出現(xiàn)第2個渦旋，使得單側(cè)自然通風性能降低.

城市街道峽谷中的街道朝向同樣影響單側(cè)自然通風. Peng等[20]以不同形式的建筑為例，對城市街道峽谷的通風進行數(shù)值研究發(fā)現(xiàn)，南北向街道相比東西向街道在所有風向上都有更好的通風效果.

此外，對稱性街谷的漩渦對通風也有直接影響，尤其是在較深的街谷，豎向形成多個渦旋，自上而下渦旋依次減弱，通風效率逐漸減小[21]. 由單側(cè)自然通風主導的街谷，可規(guī)劃為不對稱的上升型，以增強街谷通風性能[22].

以上文獻綜述表明，城市街道峽谷的建筑布局、街道朝向、對稱性等幾何特征會影響單側(cè)自然通風量，選擇較低的展弦比以及合理的城市規(guī)劃，能夠有效提高建筑通風性能. 在實際研究中，需要有針對性地進行分析.

1.3 通風能力

街谷的通風能力是指街谷與外界空氣交換的能力，其中，空氣交換率（ACH）表示單位時間從谷頂進出街谷的空氣量[23].

考慮周圍存在建筑時對城市街道峽谷通風能力的影響. Gao等[24]比較周圍存在建筑和不存在建筑兩種情況下的影響發(fā)現(xiàn)，周圍存在建筑時會使建筑附近的可用風力降低2.5%～86.8%，對建筑的自然通風產(chǎn)生不利影響. Hooff等[25]針對8種不同風向，對周圍有建筑和周圍沒有建筑兩種情況進行現(xiàn)場測量，結(jié)果表明，忽略周圍建筑的影響會導致對ACH的高估，最高可達96%. Georgakis[26]對雅典的一個街谷自然通風建筑中單側(cè)和交叉通風的氣流速率采用示蹤氣體技術進行測量發(fā)現(xiàn)，城市街道峽谷下方與城市街道峽谷上方未受干擾處相比，單側(cè)自然通風的氣流速度降低82%.

以上文獻綜述表明，單側(cè)風的通風量容易受街谷周圍特征的影響，但這些情況大都屬于個例，不具有普適性，測量結(jié)果在不同情況下和隨著時間的推移也有很大的差異，很難為自然通風建筑的通風性能研究提供參考.

1.4 患病率

因為單側(cè)自然通風而產(chǎn)生空氣交換，在污染傳播中起著重要作用[27]，所以街谷單側(cè)自然通風性能與相關疾病的患病率息息相關.

相較于機械通風建筑，單側(cè)自然通風建筑能夠提升室內(nèi)空氣質(zhì)量以及降低疾病的患病率. 普通家用空調(diào)無法提供新鮮空氣[28]，住宅和學校建筑必須開窗以稀釋室內(nèi)陳腐空氣. 當關閉門窗且保持空調(diào)持續(xù)運行時，室內(nèi)二氧化碳濃度將迅速提高[29?30]，導致室內(nèi)空氣質(zhì)量惡化[31]. Jaakkola等[32]通過交叉研究發(fā)現(xiàn)，與機械通風建筑相比，自然通風建筑中建筑綜合病的患病率較低. Seppanen等[33]通過研究當前建筑與建筑綜合病之間的聯(lián)系發(fā)現(xiàn)，暖通空調(diào)設計、施工和維護過程，包括空調(diào)污染物排放，都可能增加建筑綜合病的患病率.Escombe等[34]使用二氧化碳示蹤氣體技術，發(fā)現(xiàn)自然通風建筑比機械通風的感染率低22%，且建筑的通風性能與空氣傳染病的交叉?zhèn)魅竞图毙圆∶芮邢嚓P[35?39].

以上文獻綜述表明，通風性能不足，過度依賴機械通風時，室內(nèi)環(huán)境質(zhì)量下降，導致病態(tài)建筑綜合癥患病率增高. 這些問題還需要對街谷單側(cè)自然通風建筑的通風性能進行更深入地研究，通過改善建筑通風性能，能夠有效降低交叉感染和急性病患病率.

1.5 顆粒物濃度

關于顆粒物濃度的研究對于指導城市規(guī)劃具有顯著意義，能夠解決空氣污染問題[40?43]. 而雷諾平均Navier-Stokes方程（RANS）和大渦模擬（LES）是應用計算流體動力學（CFD）解決工程湍流問題以及研究街谷顆粒物濃度最有效的選擇[44?48].

基于CFD技術中RANS和LES湍流模型，Zhou等[48]研究發(fā)現(xiàn)，城市街谷單側(cè)自然通風率會影響氣流流型，導致顆粒物在室內(nèi)傳輸. Gao等[49]評估單側(cè)自然通風是否加劇或抑制顆粒物的傳播發(fā)現(xiàn)，低速風使顆粒物進入高層，而高速風在建筑物立面附近形成空氣幕，限制顆粒物在樓層間的傳播. Wang等[50]對城市街道峽谷中6種窗口模型進行研究發(fā)現(xiàn)，打開部分的傾斜窗，可以在單側(cè)自然通風活躍的情況下，有效地限制顆粒物在樓層之間的傳播. Stabile等[51]在意大利的試驗證明利用單側(cè)自然通風可以有效降低室內(nèi)一氧化碳濃度.Tominaga等[52]對數(shù)值模型的精確性評估發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)有CFD模型由于低估了區(qū)域顆粒物濃度擴散，對建筑物側(cè)面和背風面顆粒物濃度分布的預測還不準確.

展弦比同樣影響顆粒物濃度. 隨著展弦比增大，污染擴散能力下降，顆粒物濃度提高[53]. 街谷與單側(cè)風向夾角的增大導致顆粒物濃度降低，在45°夾角時顆粒物濃度最低；隨著夾角的增大，通風減弱，90°夾角時顆粒物濃度最高[54]. 總而言之，通風效率降低，污染物難以擴散，顆粒物濃度增大[55 ? 57].

以上文獻綜述表明，合理利用單側(cè)風可以有效降低污染物濃度. 但由于目前模型大都局限于孤立的建筑物，如單室建筑[58]和多室建筑[59]，考慮到市區(qū)建筑很少能被視為孤立建筑，且城市小氣候也會影響通風性能，因此關于單側(cè)自然通風在城市街道峽谷中發(fā)揮的作用是其后的研究重點.

2 街谷設施對單側(cè)自然通風性能的影響

植被、高架橋以及車輛等都是常見的街谷設施，其對單側(cè)風通風性能以及空氣污染的影響也不容忽視. 城市植被一般包括樹木和樹籬，主要以沉積效應和氣動效應兩種方式影響擴散[60]. 在低風速條件下，樹木的氣動效應比沉積效應更顯著.城市植被的阻力效應可在一定程度上削弱單側(cè)風，改變顆粒物的分布格局，使局部顆粒物濃度增大或減少[61]. 一般情況下，樹木（高層植被）會降低空氣質(zhì)量，而樹籬（低層植被）則會改善街道峽谷的空氣質(zhì)量[62].

街谷中高架橋?qū)ξ廴疚飻U散具有重要影響，且能改變污染源位置[63?64]. Hao等[65]研究高架橋?qū)止戎形廴疚飻U散的影響 發(fā)現(xiàn)，高架橋會造成街谷中產(chǎn)生更多的污染物. Ding等[66]研究發(fā)現(xiàn)，高架橋引起逆流，加劇了城市的空氣污染，而采用雙層平頂屋頂?shù)慕止?，能夠在一定程度上減少污染.

街谷中車輛作為可移動設施，可影響單側(cè)風的流動以及污染物擴散. ?？吭诼愤吅蜆鋫?cè)的車輛相較于停在人行道的車輛能造成的空氣污染更強[67]. Beckwith等[68]研究發(fā)現(xiàn)，在車輛加速或排隊的路段與車輛巡航時相比，NO2濃度分別提高58.6%和52.6%. 減少重型車輛的數(shù)目及改善道路路面，可以減少污染物擴散[69].

以上文獻綜述表明，街谷設施對通風性能以及污染物擴散起著積極或消極的影響，合理地進行城市規(guī)劃，能夠有效地改善環(huán)境質(zhì)量.

3 結(jié) 語

本研究總結(jié)了城市街道峽谷中的單側(cè)自然通風研究現(xiàn)狀，單側(cè)自然通風復雜的流動過程導致研究方法的多樣化，使用數(shù)值模擬輔助試驗能夠提高研究的精確性. 現(xiàn)有文獻表明，合理的展弦比、更好的城市布局以及精心的街谷設施設計能夠最大限度地利用自然通風，減少城市街道峽谷的顆粒物濃度以及降低患病率.

為改善城市自然通風建筑的不受影響程度，提高建筑的環(huán)境影響系數(shù)，對今后的研究提出以下建議.

1）單側(cè)自然通風街谷的展弦比應小于1.67以及將街谷規(guī)劃為不對稱的上升型，以增強街谷通風性能，降低患病率以及顆粒物濃度.

2）盡可能避免街谷周圍特征對單側(cè)自然通風的影響，并進行開窗通風. 街道選擇南北向街道并將街谷朝向與單測風向成 45°夾角，以增強通風效果.

3）避免街谷中樹木過高，以免影響到單側(cè)風通風性能；采用樹籬、雙層平頂屋頂以及控制重型車輛的數(shù)量減輕污染物擴散；適當增加高架橋的高度以減輕地面污染.