通風(fēng)節(jié)能視角中多尺度的風(fēng)環(huán)境評估方法研究*
——以深圳后海中心區(qū)為例

陳日飆，陳 竹，尹名強(qiáng)，胡 紋，何寶杰

引言

隨著近些年全球范圍內(nèi)寒潮、酷暑、颶風(fēng)、洪水以及森林大火等極端天氣和自然災(zāi)害的頻繁發(fā)生，疊加疫情沖擊，有關(guān)人類生存安全、生命健康和可持續(xù)發(fā)展的問題受到了更多的關(guān)注。其中，應(yīng)對氣候變化已成為關(guān)鍵議題。風(fēng)是氣候的關(guān)鍵要素，但是在諸多氣候要素中，人們對風(fēng)環(huán)境的變化并不敏感。城鄉(xiāng)規(guī)劃作為分配地面空間資源的主要手段，必然影響城市的風(fēng)環(huán)境乃至城市氣候環(huán)境[1，2]。

高密度的城市建設(shè)行為，削弱了城市的內(nèi)部流動(dòng)風(fēng)場，進(jìn)而致使風(fēng)環(huán)境每況愈下；人工地表取代了自然地形，城市三維空間形態(tài)進(jìn)而變得層次多樣。香港從2003年開始進(jìn)行城市空氣流通的評估研究，并基于研究成果出臺了改善建筑地塊的通風(fēng)設(shè)計(jì)導(dǎo)則[3，4]。有效的自然通風(fēng)被認(rèn)為是改善城市熱島（UHI）、提升空氣質(zhì)量和人體舒適度的重要舉措之一。20世紀(jì)70年代開始，Davenport、Isyumov、Hunt、Lawson、Penwarden、Melbourne等學(xué)者先后圍繞特定風(fēng)場人行高度的風(fēng)安全閾值進(jìn)行研究，但也僅是針對行人的機(jī)械舒適度；石邢等結(jié)合機(jī)械舒適度、安全性、風(fēng)速放大效應(yīng)以及行人對風(fēng)環(huán)境的主觀心理容忍度，提出不同場所類型和行人狀態(tài)的風(fēng)速評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)[5]；《綠色建筑評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T50378-2019）基于建筑視角提出風(fēng)速、風(fēng)速比、風(fēng)壓和湍流個(gè)數(shù)等室外風(fēng)環(huán)境評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。基于目前風(fēng)環(huán)境的評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)[6]，圍繞城市形態(tài)與風(fēng)環(huán)境的耦合關(guān)系，城市形態(tài)參數(shù)被用來表征空氣流動(dòng)特征，例如：街道層面的街道高寬比、長高比等，城市層面的零位移平面、粗糙度長度、粗糙度高度、建筑覆蓋率、迎風(fēng)面指數(shù)和天空開闊度等[7-9]。

此外已有學(xué)者對風(fēng)環(huán)境與城市空間形態(tài)的關(guān)聯(lián)性展開研究，如城市整體層面的通風(fēng)廊道識別[10]、街道層面的街谷風(fēng)環(huán)境評估[11]、建筑層面的室外風(fēng)環(huán)境評價(jià)等[12-14]。20上世紀(jì)90年代開始，數(shù)值模擬技術(shù)拓寬了城市風(fēng)環(huán)境的研究寬度，形成了“數(shù)值模擬+實(shí)地觀測”定量分析與定性分析相結(jié)合的研究方法，其中數(shù)值模擬技術(shù)包括中觀尺度的天氣預(yù)報(bào)模型（WRF）、微觀尺度的計(jì)算流體力學(xué)（CFD）。

城市風(fēng)環(huán)境的評估過程依賴于側(cè)邊界條件，但是典型條件、典型時(shí)段對局地氣候風(fēng)環(huán)境的內(nèi)在影響機(jī)制并未明確?；诔鞘行螒B(tài)的風(fēng)環(huán)境評估側(cè)重于全年盛行風(fēng)況下風(fēng)環(huán)境數(shù)據(jù)的變化特征，描述城市風(fēng)場受到城市形態(tài)影響的全時(shí)段無差別結(jié)果，是一種單一邊界條件下的評估研究。既往城市風(fēng)環(huán)境評估依托評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行工程化的范式研究，忽略城市地域性，導(dǎo)致風(fēng)環(huán)境邊界亂用，局地氣候分析不足。如何突破單一邊界條件下傳統(tǒng)風(fēng)環(huán)境的分析方法，融合邊界環(huán)境的時(shí)空特征，完善既有的風(fēng)環(huán)境評估方法體系是本文的研究目的。研究選取深圳高密度開發(fā)典型地段，從“城市形態(tài)與通風(fēng)節(jié)能”兩個(gè)方面，深入研究動(dòng)態(tài)視角下城市風(fēng)環(huán)境的評估結(jié)果。

1 數(shù)據(jù)來源與研究案例

1.1 數(shù)據(jù)來源

本文數(shù)據(jù)主要包括：2018年深圳后海片區(qū)的單體建筑數(shù)據(jù)（https://www.udparty.com/index.php/lists/data）、深圳國家氣象站的氣象數(shù)據(jù)（https://opendata.sz.gov.cn/data/dataSet）、歐洲預(yù)報(bào)中心氣象數(shù)據(jù)（ECMWF，https://www.ecmwf.int/en/forecasts/datasets/reanalysis-datasets/era5）。除此之外，研究區(qū)內(nèi)其他未建地塊的建筑數(shù)據(jù)，是通過《深圳市南山后海中心區(qū)城市設(shè)計(jì)》的公示文件整理繪制。

1.2 區(qū)位與發(fā)展概況

深圳作為中國城市化建設(shè)進(jìn)程中最為發(fā)達(dá)的典型地區(qū)之一，是粵港澳大灣區(qū)具有代表性的中心城市，地處東南沿海，隸屬亞熱帶季風(fēng)氣候，夏季天氣潮濕酷熱。隨著土地資源的日益稀缺，深圳先后采取了填海造城、高層高密度的土地集約利用建設(shè)模式。

深圳后海中心區(qū)位于南山蛇口東部，深圳灣與珠江出海口交匯處，東到沙河西路，北到濱海大道，西至后海大道，南抵東濱路，由填海造陸而成，地勢平坦，地形方正（圖1）。后海作為城市的濱水生活中心，辦公、商業(yè)、文化、體育、娛樂等業(yè)態(tài)高度聚集（圖2）。本次研究為減少模型的邊界效應(yīng)，更為科學(xué)與準(zhǔn)確地反映研究范圍內(nèi)的風(fēng)場變化特征，研究范圍西擴(kuò)一個(gè)街區(qū)，西達(dá)建南路。雖然后海中心區(qū)還未完全建成（圖3），接近30%地塊尚未有明確的權(quán)屬信息，但可以根據(jù)相關(guān)城市設(shè)計(jì)資料進(jìn)行空間形態(tài)建模。通過港澳海洋研究中心的海洋數(shù)據(jù)可視化平臺分析可知，后海中心區(qū)的洋流狀況相對較弱，處于一個(gè)相對穩(wěn)定的風(fēng)環(huán)境流動(dòng)區(qū)域（圖4），受海洋洋流影響較小，更有利于本文的研究。

圖1 深圳后海中心區(qū)的區(qū)位圖（根據(jù)自然資源部測繪底圖進(jìn)行改繪）

圖2 深圳中心區(qū)的土地利用圖

圖3 實(shí)證范圍示意圖

圖4 海洋洋流分布圖（資料來源：港澳海洋研究中心）

1.3 氣象數(shù)據(jù)分析

深圳市長夏短冬，屬夏熱冬暖地區(qū)，年平均氣溫23.0℃。春季盛行偏東風(fēng)，夏季盛行偏南風(fēng)，冬季節(jié)盛行東北季風(fēng)。深圳后海中心區(qū)作為商務(wù)區(qū)，帶有明顯日間工作屬性。本次研究系統(tǒng)篩選深圳國家站建站以來的氣象數(shù)據(jù)（2002年1月~2021年8月），選用工作時(shí)間即（8：00—20：00）的深圳國家基本站近20年的氣象平均值（表1）。

表1 深圳全年工作時(shí)段氣象數(shù)據(jù)均值一覽表

2 城市風(fēng)環(huán)境的評估流程體系

風(fēng)環(huán)境評估從主體類型上可以將整個(gè)流程分為：自然風(fēng)環(huán)境分析、城市風(fēng)環(huán)境分析、行人風(fēng)環(huán)境分析[5]。整體流程如下圖所示（圖5）。自然風(fēng)環(huán)境強(qiáng)調(diào)對城市背景風(fēng)場的溯源與摸底，根據(jù)氣象站數(shù)據(jù)法分析平均風(fēng)速和風(fēng)向，使用中尺度模式疊加多層嵌套得到典型條件下的風(fēng)場信息，其中運(yùn)用廣泛的軟件是天氣預(yù)報(bào)模型(WRF)。例如杜吳鵬等通過對北京城市背景風(fēng)場的分析得出城市風(fēng)環(huán)境容量，進(jìn)而精細(xì)化分析城市的通風(fēng)廊道[15]。城市風(fēng)環(huán)境強(qiáng)調(diào)城市空間形態(tài)對于風(fēng)場的作用，計(jì)算流體力學(xué)(CFD)被廣泛運(yùn)用以描述空氣流體在建筑單元中的運(yùn)動(dòng)軌跡，但由于CFD方法強(qiáng)烈依賴于高性能計(jì)算機(jī)，所以計(jì)算周期長、計(jì)算能力有限，更多地側(cè)重于城市小微尺度，如建筑單體和街道空間，面對更廣的空間尺度應(yīng)用潛力有限[16]。CFD模擬方法受到側(cè)邊界條件的控制，即輸入的風(fēng)向、風(fēng)速和溫度，不同的邊界條件計(jì)算結(jié)果不同[17]。一般情況下，邊界條件的數(shù)據(jù)會(huì)選取來自氣象網(wǎng)站的預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)或是氣象站點(diǎn)的實(shí)測數(shù)據(jù)，都會(huì)存在一定的數(shù)據(jù)獲取局限和差異。既往風(fēng)環(huán)境分析側(cè)重城市形態(tài)對空氣流動(dòng)的影響，較少涉及城市風(fēng)環(huán)境與節(jié)能的關(guān)系。

圖5 風(fēng)環(huán)境評估流程圖

本文借鑒城市通風(fēng)廊道的技術(shù)路線與分析框架[18]，突破單一尺度的分析局限，從多尺度的分析思路著手，提出多尺度風(fēng)環(huán)境評估流程。風(fēng)環(huán)境評估作為城市規(guī)劃與設(shè)計(jì)的中期設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，利用建筑形態(tài)數(shù)據(jù)、歐洲氣象中心ECMWF氣象數(shù)據(jù)、深圳氣象站數(shù)據(jù)，進(jìn)行多尺度的嵌套研究，構(gòu)建基于“城市形態(tài)與通風(fēng)節(jié)能”的雙循環(huán)評估體系。首先，基于ECWMF數(shù)據(jù)和氣象站數(shù)據(jù)，驅(qū)動(dòng)WRF模型進(jìn)行后海中心區(qū)的精細(xì)化風(fēng)場模擬，得到后海中心區(qū)的盛行風(fēng)況以及城市用地的氣候敏感性差異結(jié)果；其次，建立后海中心區(qū)的CFD模型，提取WRF模式對后海中心區(qū)的高精度數(shù)值模擬結(jié)果，作為CFD模型的初始風(fēng)場條件 ，實(shí)現(xiàn)WRF模式與CFD方法之間的數(shù)據(jù)傳遞，完成嵌套運(yùn)算；再次，基于舒適度因子篩選深圳適宜通風(fēng)的自然月份，進(jìn)行CFD風(fēng)場分析，量化研究區(qū)域的通風(fēng)量。并通過研究后海中心區(qū)的舒適度月份每平方米的建筑能耗表征城市自然通風(fēng)對于節(jié)能的影響。最后，增加城市形態(tài)因子對于城市通風(fēng)潛力的評估以完善與驗(yàn)證基于城市形態(tài)的風(fēng)環(huán)境研究（圖6）。

圖6 風(fēng)環(huán)境評估技術(shù)路線圖

3 循環(huán)一：基于城市形態(tài)的風(fēng)環(huán)境評估

3.1 季節(jié)性背景風(fēng)場

首先利用WRF模式開展3km分辨率數(shù)值模擬，并利用廣東省地面氣象站數(shù)據(jù)進(jìn)行資料同化得到各氣象要素背景場；然后利用微尺度模式，挑選典型氣象日做動(dòng)力降尺度得到項(xiàng)目所在地的局地風(fēng)場。進(jìn)行WRF模擬時(shí)，選用了WRFv4.2版本，物理參數(shù)化方案組合為：WSM6微物理方案、RRTMG長波和短波輻射方案、Noah地表參數(shù)化方案、YSU邊界層參數(shù)化方案、KF積云對流方案等。圖7給出了WRF模擬時(shí)的網(wǎng)格嵌套分布情況，從外到內(nèi)分辨率分別為27km、9km和3km。最終只取3km分辨率網(wǎng)格，作為微尺度模式降尺度模擬輸入數(shù)據(jù)。

圖7 WRF模擬網(wǎng)格嵌套分布

由于微尺度模式積分時(shí)間較長，為節(jié)省計(jì)算量，這里基于WRF模式模擬結(jié)果，挑選當(dāng)月典型日作為代表開展分析。具體的挑選方法為：首先根據(jù)WRF逐小時(shí)模擬結(jié)果計(jì)算每日近地面u、v風(fēng)和氣溫的平均值，并統(tǒng)計(jì)其與當(dāng)月多年平均氣候態(tài)之間的空間相關(guān)系數(shù)，挑選相關(guān)系數(shù)較大的自然日作為典型日。經(jīng)分析，最終決定分別以2019年1月15日（冬季）、2019年4月18日（春季）和2019年7月15日（夏季）以及2019年10月20日（秋季）作為不同季節(jié)的典型氣象日開展模擬。微尺度模式水平分辨率為30m，垂直層次36層，模式頂高2km。圖8給出了微尺度模式模擬范圍及土地利用情況。

圖8 微尺度模式模擬范圍及土地利用分布情況

圖9給出了最終模擬得到的不同典型日近地面日平均風(fēng)向和風(fēng)速?？梢婍?xiàng)目所在地有很明顯的季風(fēng)特征：冬季以北風(fēng)為主要入流風(fēng)，夏季以南風(fēng)為主要入流風(fēng)，春季和秋季以東風(fēng)為主要入流風(fēng)。日平均風(fēng)速以夏季最大，約2.6m/s，以冬季最小，約1.4m/s，春季和秋季的平均風(fēng)速約2.2m/s和1.8m/s。風(fēng)速呈明顯的東南方向高于西北方向的特征，這與當(dāng)?shù)氐挠玫胤植缄P(guān)系密切（東南方向主要為海洋，建筑物較少，風(fēng)速衰減少）。這也證明了當(dāng)?shù)氐木值貧夂蚺c深圳的全市風(fēng)環(huán)境存在一定的區(qū)別。

圖9 不同季節(jié)典型日項(xiàng)目區(qū)域近地面風(fēng)場，其中填色為風(fēng)速，箭頭為風(fēng)向

3.2 城市形態(tài)的精細(xì)化風(fēng)場

通過WRF計(jì)算分析，采集后海中心區(qū)一年四季的晝夜城市風(fēng)場，春季的風(fēng)向是東風(fēng)，風(fēng)速是2.2m/s；夏季的風(fēng)向是南風(fēng)，風(fēng)速是2.6m/s；秋季的風(fēng)向是東南東，風(fēng)速是1.8m/s；冬季的風(fēng)向是東北東，風(fēng)速是1.4m/s（表2）。利用商用CFD軟件Fluent，選取RANS湍流方程，為保證堵塞率小于3%的要求，計(jì)算域的尺寸選取為L＊B＊H=4000＊2000＊2000。采用內(nèi)、外域分區(qū)域網(wǎng)格劃分方法，利用非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格四面體網(wǎng)格進(jìn)行離散，由于近壁面流場速度梯度較大，近壁面網(wǎng)格需進(jìn)行加密，從而提高計(jì)算效率并減小數(shù)值擴(kuò)散誤差。本研究采用6層嵌套，將離地面低層最小網(wǎng)格高度設(shè)置為0.1m，網(wǎng)格垂直高度變化比率為1.06，網(wǎng)格總量996萬。按照《廣東省建筑風(fēng)環(huán)境測試與評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》（DBJ/T15-154-2019）對于粗糙度指數(shù)的指引，本次粗糙度指數(shù)選用0.3（代表中高層建筑密集地區(qū)、起伏較大的丘陵地），得出以下四個(gè)工況的風(fēng)速云圖（圖10和表3）。

圖10 人行高度條件下風(fēng)速云圖

表2 基于城市形態(tài)的工況明細(xì)一覽表

表3 人行高度平均風(fēng)速值一覽表

根據(jù)人行高度處風(fēng)速數(shù)值評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，對研究范圍內(nèi)各個(gè)區(qū)間風(fēng)速所覆蓋的面積進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，在四個(gè)工況條件下，風(fēng)速區(qū)間為0.17-1.86m/s的軟輕風(fēng)占比例最大，均達(dá)到85%以上，其中ESE風(fēng)向占比最大，達(dá)到92.27%。其次是風(fēng)速區(qū)間為0-0.17m/s的靜風(fēng)區(qū)范圍所占的比例，平均達(dá)到7%以上，靜風(fēng)區(qū)面積最大的是夏季即S風(fēng)向，為炎熱的氣候增加了不舒適性。說明深圳后海中心區(qū)全年季風(fēng)條件下的風(fēng)況條件較好，90%以上可以達(dá)到風(fēng)速的基本舒適值（圖11）。

圖11 人行高度條件下靜風(fēng)區(qū)云圖

各季節(jié)的研究結(jié)果表明盡管來流風(fēng)速不同但是區(qū)域內(nèi)風(fēng)場的最高風(fēng)速大致一致，尤其是正南正北風(fēng)況輸入下，春季和夏季的風(fēng)速分布接近。不同主導(dǎo)風(fēng)向下，基于靜風(fēng)區(qū)面積的對比，偏南向的風(fēng)更易于縱深進(jìn)入城市建成區(qū)改善城市風(fēng)環(huán)境，偏北的風(fēng)性能相比較弱；偏向的風(fēng)況一般情況要優(yōu)于正向的風(fēng)況。

對研究區(qū)域內(nèi)行人高度的風(fēng)速比進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，圖12代表的是四個(gè)工況的風(fēng)速比云圖，按照《綠色建筑評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》GB/T 50378-2019對室外風(fēng)環(huán)境的要求，風(fēng)速比小于2是有利于室外健康與舒適度提升的。四個(gè)工況中舒適度比值最高的是夏季S風(fēng)向和秋季10月ESE風(fēng)向，比例達(dá)到100%，其次是冬季ENE風(fēng)向，比例達(dá)到99.27%，再次是春季E風(fēng)向，比例為98.80%。風(fēng)速比值大于2的區(qū)域主要出現(xiàn)在街道高寬比較大的區(qū)域，形成了峽谷效應(yīng)。

圖12 人行高度條件下風(fēng)速比值圖

3.3 用地屬性對城市風(fēng)場的影響

為評估不同規(guī)劃方案對項(xiàng)目所在地風(fēng)場的影響，下文將通過修改項(xiàng)目所在地土地利用情況，重新開展微尺度模擬，得到修改后局地風(fēng)場的分布狀況。

圖13和圖14為將項(xiàng)目用地全替換為建設(shè)用地的結(jié)果。可見當(dāng)項(xiàng)目所在地完全規(guī)劃為建設(shè)用地后，會(huì)使得當(dāng)?shù)仫L(fēng)速主要呈衰減的趨勢，尤其是項(xiàng)目范圍內(nèi)原本為水體的區(qū)域，局地風(fēng)速下降超過了0.5m/s，同時(shí)導(dǎo)致盛行風(fēng)向下游的風(fēng)速呈下降趨勢。四個(gè)典型日的規(guī)劃后日平均風(fēng)速變化數(shù)值分別為：-0.07m/s，-0.11m/s，-0.14m s和-0.1m/s，以夏季風(fēng)速衰減最大。

圖13 用地全替換為建設(shè)用地后的土地利用

圖14 用地全替換為建設(shè)用地后與原始用地情況間的平均風(fēng)速偏差

圖15和圖16為采用當(dāng)前規(guī)劃方案所得的用地和風(fēng)速變化模擬結(jié)果。可見規(guī)劃后，項(xiàng)目所在地平均風(fēng)速的較規(guī)劃前變化并不明顯，但西部和南部的風(fēng)速整體呈增大趨勢，局地風(fēng)速最大增加可達(dá)0.3m/s左右。

圖15 當(dāng)前規(guī)劃土地利用分布

圖16 當(dāng)前規(guī)劃方案對風(fēng)速的影響

圖17和圖18給出了將當(dāng)前規(guī)劃方案中的綠地全部替換為水體后的土地利用分布及對應(yīng)風(fēng)速變化。能看出當(dāng)把綠地全部替換為水體后，項(xiàng)目所在地西部可形成相對明顯的局地風(fēng)道；同時(shí)，東南部的風(fēng)速較規(guī)劃前明顯增大，局部區(qū)域風(fēng)速增大可達(dá)0.5m/s以上。另外，項(xiàng)目位置盛行風(fēng)向下游區(qū)域的風(fēng)速，相對規(guī)劃前和原始規(guī)劃方案，也有一定程度的增加。

圖17 將當(dāng)前規(guī)劃中的綠地全替換為水體后的土地利用分布

圖18 將當(dāng)前規(guī)劃中的水體全替換為綠地后對風(fēng)速的影響

圖19和圖20給出了將當(dāng)前規(guī)劃方案中的水體全部替換為綠地后的土地利用分布及對應(yīng)風(fēng)速變化。能看出若將水體全替換為綠地，由于粗糙度增大，造成項(xiàng)目區(qū)域東南位置的風(fēng)速成下降趨勢，局地風(fēng)速下降可到0.3m s左右。此時(shí)規(guī)劃后對項(xiàng)目周邊區(qū)域的風(fēng)環(huán)境影響也相對較弱，替換為水體的方案表現(xiàn)更優(yōu)。

圖19 將當(dāng)前規(guī)劃中的水體全替換為綠地后的土地利用分布

圖20 修改規(guī)劃方案中水體為綠地后對風(fēng)速的影響

表4列出了幾種比較方案對研究范圍內(nèi)日平均風(fēng)速產(chǎn)生的影響。根據(jù)前述分析，在項(xiàng)目所在地適當(dāng)增加綠地和水體都可以較好地改善局地風(fēng)環(huán)境，建議以增設(shè)水體為主；同時(shí)建筑物的規(guī)劃則應(yīng)當(dāng)注意密度和層高，以免對項(xiàng)目及項(xiàng)目盛行風(fēng)向下游的風(fēng)環(huán)境產(chǎn)生不利影響。

表4 不同規(guī)劃方案對項(xiàng)目所在地日平均風(fēng)速產(chǎn)生的影響，單位：m/s

3.4 建筑形態(tài)對風(fēng)環(huán)境的影響

迎風(fēng)面指數(shù)（FAI）作為典型的城市形態(tài)參數(shù)，表征的是垂直于某一風(fēng)向的建筑迎風(fēng)面面積與建筑所在地塊面積之比。根據(jù)建筑的占地面積及計(jì)算過程中的精度要求，選取50m×50m格網(wǎng)大小。建筑周邊風(fēng)環(huán)境受到自身及其他建筑朝向、長度等因素影響，迎風(fēng)面指數(shù)與風(fēng)向有直接的關(guān)系，風(fēng)向不同則建筑的迎風(fēng)面積不同，從而該風(fēng)向下的城市空間形態(tài)對城市空氣流通的影響也不同，該指數(shù)表示為：

AF是面向某個(gè)風(fēng)向θ的建筑物總投影面積，AT是計(jì)算單元的面積。由于后海中心區(qū)沒有山地地形，所以本次迎風(fēng)面指數(shù)的計(jì)算不需要增加地形對來流風(fēng)的衰減系數(shù)。

四個(gè)工況背景下研究區(qū)域迎風(fēng)面指數(shù)表現(xiàn)出一定的共性：數(shù)值最高的地方集中在超高層建筑周邊，例如華潤大廈。不同工況下迎風(fēng)面指數(shù)也表現(xiàn)出一定的差異性，主要表現(xiàn)在研究范圍西南側(cè)的居住單元，在ESE和E風(fēng)況下，表現(xiàn)出明顯的FAI值降低，即迎風(fēng)阻力系數(shù)減小，這與風(fēng)速云圖所呈現(xiàn)的靜風(fēng)區(qū)比值，高度一致（圖21）。

圖21 各工況條件下迎風(fēng)面指數(shù)與風(fēng)速云值的對應(yīng)圖

風(fēng)速最大值所出現(xiàn)的地方也正是迎風(fēng)面指數(shù)高的場所，代表高層建筑通過對來流風(fēng)的阻擋，改變了其運(yùn)動(dòng)軌跡，由水平運(yùn)動(dòng)變?yōu)檠刂ㄖ⒚嫦鲁?，產(chǎn)生“downwash”效應(yīng)，增加近地面風(fēng)速。

4 循環(huán)二：基于通風(fēng)節(jié)能的風(fēng)環(huán)境評價(jià)

超高層建筑的建設(shè)集約化充分利用了土地資源，使工作生活設(shè)施集中，效率顯著提高。然而，超高層建筑的能源和資源消耗大，建筑的自然通風(fēng)對保證室內(nèi)熱舒適性、提高空氣品質(zhì)都是非常有利的，從綠色建筑與節(jié)能的角度出發(fā)，采用被動(dòng)式節(jié)能技術(shù)，利用自然通風(fēng)不僅能夠有效利用室外清潔涼爽的空氣，及時(shí)更新室內(nèi)封閉已久的渾濁空氣及排除余熱，還可以降低夏季空調(diào)的機(jī)械能耗，在夏熱冬冷地區(qū)，尤其是季春至仲秋驕陽似火的漫長季節(jié)，發(fā)揮的節(jié)能效果非常顯著，使用通風(fēng)潛力分析可以激發(fā)出城市節(jié)能減排的潛力。高層高密度地區(qū)迫切需要引入節(jié)能的理念，相關(guān)研究表明，超高層建筑單位年耗電量在 200 kWh/m2左右，是一般公共建筑的 3~10 倍。童哲銘指出，城市通風(fēng)潛力節(jié)能減排的重要影響因子主要是兩個(gè)：商業(yè)辦公建筑面積和城市空氣質(zhì)量[19，20]。劉建對珠江三角洲區(qū)域空氣污染的分析表明，通風(fēng)量越大，空氣質(zhì)量越好[21]。 居住建筑相對于商業(yè)辦公建筑，具有更大的個(gè)體使用偏好和泛規(guī)律特征，因此難以短時(shí)間內(nèi)搜集住戶的個(gè)例使用偏好進(jìn)而達(dá)成一致的能耗表現(xiàn)規(guī)律。而商業(yè)建筑的使用者有近乎統(tǒng)一的工作規(guī)律和使用習(xí)慣，更有益于城市通風(fēng)節(jié)能的研究。后海中心區(qū)商業(yè)商務(wù)的功能定位更有利于研究建筑節(jié)能的減排潛力。

人體舒適度指數(shù)（CIHB）表征不同狀況下室外人體的舒適程度，利用指數(shù)大小劃分等級并確定不同的舒適程度。深圳全年日間舒適指數(shù)等級均大于0，沒有寒冷的月份，其中12、1、2三個(gè)月等級為0，即最可接受的舒適月份；3、4、10、11月為溫暖月份，較為舒適；5、6、7、8、9月份為3級，舒適度為不舒適，因此選取了12、1、2、3、4、10、11等6個(gè)月份作為城市節(jié)能減排的關(guān)鍵月份（表5）。1、2、3、12月的風(fēng)向?yàn)镹風(fēng)，風(fēng)速3.1m/s；4月的風(fēng)向?yàn)镾風(fēng)，風(fēng)速3.1m/s；10月的風(fēng)向?yàn)镋風(fēng)，風(fēng)速3.1m/s；11月的風(fēng)向?yàn)镹NE風(fēng)，風(fēng)速3.1m/s（表6）。

表5 深圳全年工作時(shí)段舒適度分類一覽表

表6 基于城市形態(tài)的工況明細(xì)一覽表

4.1 基于性能的風(fēng)場分析的結(jié)果

四個(gè)工況條件下（圖22~24）， E風(fēng)向條件下，研究范圍內(nèi)的靜風(fēng)區(qū)面積占比最大，達(dá)到了8.68%；S風(fēng)向條件下的靜風(fēng)區(qū)面積占比最小6.41%?；陟o風(fēng)區(qū)面積的對比，偏南向的風(fēng)更易于縱深進(jìn)入城市建成區(qū)改善城市風(fēng)環(huán)境，偏北的風(fēng)性能相比較弱；偏向的風(fēng)況一般情況要優(yōu)于正向的風(fēng)場，除了ENE風(fēng)向。

圖22 人行高度條件下風(fēng)速云圖

四個(gè)工況條件中，軟輕風(fēng)的風(fēng)速比例分別是85.44%、87.49%、85.44%、85.16%，10月E風(fēng)向的風(fēng)況的軟輕風(fēng)比率最高。由此可見研究范圍內(nèi)的軟輕風(fēng)頻率高于靜風(fēng)區(qū)，風(fēng)況良好，有利于城市通風(fēng)。并且N、E、NNE、S風(fēng)況中，大于1.86m/s（10m高空3.3.m/s）的比例達(dá)到7.15%、3.83%、7.15%、8.18%。在微風(fēng)標(biāo)準(zhǔn)中，4月E的風(fēng)速為0。其余的都是0.25（表7）。這也說明，當(dāng)來流風(fēng)與城市形態(tài)存在一定角度差異時(shí)，容易引起文丘里效應(yīng)，即局部風(fēng)速增大。

表7 人行高度平均風(fēng)速值一覽表

根據(jù)風(fēng)速比數(shù)值分析可知，工作時(shí)間段范圍，四個(gè)工況中風(fēng)速比小于2的比值都在95%以上，其中N風(fēng)條件下即1、2、3、12月占比最高，達(dá)到99.98%，其次是11月的NNE風(fēng)向，數(shù)值達(dá)到99.87%，再次是4月S風(fēng)向，為99.56%，最差的是10月的E風(fēng)向，為96.88%。其中風(fēng)速比最大值為2.74出現(xiàn)在海信南方大廈、中海油田大廈與創(chuàng)業(yè)路交匯處，局地環(huán)流經(jīng)過開闊場所的動(dòng)力補(bǔ)充，受到中海油田大廈與海信南方大廈顯著棱角的遮擋，產(chǎn)生了角隅效應(yīng)，加速了空氣的流動(dòng)速度。同時(shí)出現(xiàn)一個(gè)顯著特征，風(fēng)速比的高值區(qū)域普遍出現(xiàn)在迎風(fēng)面。

4.2 能耗分析

（1）通風(fēng)量的分析

以往研究表明，通風(fēng)量對空氣質(zhì)量有一定的影響 。通風(fēng)量也被稱為通風(fēng)系數(shù)或通風(fēng)指數(shù)，是單位時(shí)間單位面積空氣的流量，是描述邊界層內(nèi)大氣對污染物稀釋擴(kuò)散能力的參數(shù)，反映大氣在動(dòng)力與熱力的綜合作用下對大氣污染物的清除及擴(kuò)散能力，能夠顯示某一地區(qū)的空氣質(zhì)量和污染趨勢。一般來說，某一地區(qū)通風(fēng)量越大，大氣對污染物的擴(kuò)散能力越強(qiáng)， 該地區(qū)的空氣質(zhì)量越好; 通風(fēng)量越小，大氣對污染物的擴(kuò)散能力越弱，該地區(qū)的空氣質(zhì)量越差，即通風(fēng)量越大更有利于污染物的擴(kuò)散，更有利于城市節(jié)能。

圖23 人行高度條件下靜風(fēng)區(qū)云圖

圖24人行高度條件下風(fēng)速比值圖

自然通風(fēng)的通風(fēng)量G（kg/h）的表達(dá)公式為：

其中Q代表擴(kuò)散至室內(nèi)的全部顯熱量，Kw；c代表空氣比熱，c=1.0kJ/(kg℃)；tp代表排風(fēng)溫度，℃；twf代表夏季通風(fēng)室外計(jì)算溫度，℃。ρ代表空氣密度，v代表截面通風(fēng)量，m3/s。

考慮模擬的空氣密度均是相同的，本次研究主要研究的是截面通風(fēng)量ν。經(jīng)過計(jì)算后海中心區(qū)四個(gè)工況下的通風(fēng)量如下表8所示，在同樣的風(fēng)速條件下，不同來流風(fēng)向給后海中心區(qū)帶來了不同的通風(fēng)量。S向的通風(fēng)量最大，達(dá)到1775722m3/s。最低的是N，風(fēng)量是1340851 m3/s。通風(fēng)量大小表征空氣質(zhì)量的優(yōu)劣，在四個(gè)工況的分析中，空氣質(zhì)量最好的是4月S風(fēng)向，空氣質(zhì)量最差的是12月至次年的3月，N風(fēng)向。

表8 后海中心區(qū)通風(fēng)量分析

（2）建筑能耗分析

自然通風(fēng)可以提供大量的室外新鮮空氣，提高室內(nèi)舒適程度，減少建筑冷負(fù)荷。利用EnergyPlus分析后海中心區(qū)的商業(yè)辦公建筑能耗，建立20＊50＊3.5m的30F的簡化模型，按照夏熱冬暖氣候分區(qū)賦予邊界條件（窗戶傳熱系數(shù)2.4W/m2·K、屋頂傳熱系數(shù)0.44W/m2·K、墻體傳熱系數(shù)0.72W/m2·K、地面?zhèn)鳠嵯禂?shù)1.32W/m2·K、窗戶太陽輻射得熱值0.2），得出建筑逐月能耗，其中4月的建筑能耗最低，每平方的建筑逐月能耗是2.68kwh/m2（圖25b）。

圖 25 后海中心區(qū)建筑能耗與通風(fēng)量一覽圖

自然通風(fēng)作為減少建筑能耗、提高舒適度和保持室內(nèi)外健康環(huán)境的重要措施，在后海中心區(qū)范圍內(nèi)，表現(xiàn)出一定的規(guī)律，4月作為城市通風(fēng)量最大和建筑能耗最低的月份，空調(diào)開起時(shí)，建筑逐月能耗為5.67 kwh/m2，可以降低2.99 kwh/m2，節(jié)能潛力52.73%；其次是10月節(jié)能潛力達(dá)到50.48%，另外1月的節(jié)能潛力為19.15%，2月的節(jié)能潛力為15.22%，3月的節(jié)能潛力為19.56%，11月的節(jié)能潛力為19.11%，12月的節(jié)能潛力為19.78%。

綜合雙循環(huán)模式下的風(fēng)環(huán)境分析可知，深圳后海中心區(qū)受局地環(huán)流影響，海陸風(fēng)作用形成日間和夜間不同的來風(fēng)條件導(dǎo)致不同的通風(fēng)效果，通過1.5m人行高度的風(fēng)速分布圖對比可知，常年風(fēng)況與日間風(fēng)況的通風(fēng)性能存在顯著差異，例如四月，“城市形態(tài)下”城市風(fēng)況E風(fēng)向，風(fēng)速為2.2m/s；“通風(fēng)節(jié)能下”的工作時(shí)段的城市風(fēng)況為S風(fēng)向。得益于低緯度的近海地勢，因此東向的來風(fēng)條件對整個(gè)片區(qū)的風(fēng)環(huán)境改善效果最好，其中具體為工作時(shí)間段的10月E風(fēng)向，全年夏季的ESE，冬季的ENE。除此之外，城市形態(tài)對風(fēng)速的衰減也起到了加速作用，研究區(qū)東側(cè)為后海和中心湖，建筑覆蓋率低，對東向的海陸局地風(fēng)幾乎沒有遮擋，南側(cè)、北側(cè)、西側(cè)都為密集的城市建設(shè)區(qū)，對風(fēng)產(chǎn)生了明顯的阻礙作用，在地塊內(nèi)部表現(xiàn)最為明顯。

整體風(fēng)環(huán)境來看，東側(cè)的風(fēng)環(huán)境全年優(yōu)于西側(cè)，場地北側(cè)的風(fēng)環(huán)境相較于南側(cè)，表現(xiàn)出明顯的優(yōu)勢。八個(gè)工況的綜合圖示結(jié)果，研究范圍內(nèi)西側(cè)的居住區(qū)全年高頻低速，整體通風(fēng)質(zhì)量不佳。多種風(fēng)況下，城市道路承擔(dān)了將新鮮空氣引入城市的作用，作為研究區(qū)范圍內(nèi)的通風(fēng)廊道，中心路和創(chuàng)業(yè)大道性能最佳。同一個(gè)來流條件下，風(fēng)速的提高有利于緩解城市靜風(fēng)區(qū)，以“工況一（E,2.2m/s）與工況七（E,3.1m/s）”為例，在相同的風(fēng)向下，工況一的靜風(fēng)區(qū)面積由9.52%降低到工況七的8.68%，軟風(fēng)區(qū)面積由86.51%升到87.49%（表9）。

表9 同一風(fēng)向不同風(fēng)速的風(fēng)況對比一覽表

從用地屬性對氣候的影響性分析，深圳后海中心區(qū)下一步的園區(qū)品質(zhì)營造和高質(zhì)量設(shè)計(jì)的過程中，可以多引入綠色基礎(chǔ)設(shè)施，尤其是水域，通過增加流動(dòng)的水域改善街道微氣候，在增加風(fēng)速的同時(shí)，形成新的冷源，為城市降溫增加動(dòng)力。從迎風(fēng)面指數(shù)分析，迎風(fēng)建筑的設(shè)計(jì)需增大空間間隙率，減少對風(fēng)的阻礙，減少迎風(fēng)面指數(shù)。西南側(cè)居住區(qū)內(nèi)部常年風(fēng)況較小，建議通過建筑微改造，例如底層架空，增加來風(fēng)，減少內(nèi)部靜風(fēng)區(qū)。

5 結(jié)論

5.1 結(jié)論

本文基于城市形態(tài)和通風(fēng)節(jié)能兩個(gè)研究視角，突破單一尺度的分析局限，形成多尺度融合的城市風(fēng)環(huán)境評估技術(shù)方法（圖26）。在城市規(guī)劃與設(shè)計(jì)的中期設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，利用建筑形態(tài)數(shù)據(jù)、氣象數(shù)據(jù)，進(jìn)行多尺度的嵌套研究，可以構(gòu)建基于“城市形態(tài)與通風(fēng)節(jié)能”的雙循環(huán)評估體系，以深圳后海中心區(qū)為實(shí)證對象，利用“WRF+CFD”開展典型季節(jié)的城市風(fēng)環(huán)境多尺度耦合評估，強(qiáng)化典型時(shí)段“通風(fēng)節(jié)能”的局地氣候邊界條件。分別從風(fēng)速、風(fēng)速比、渦流靜風(fēng)區(qū)以數(shù)值化、可視化的特征直觀地展示出后海中心區(qū)城市形態(tài)中存在的風(fēng)環(huán)境問題，研究結(jié)果表明：

圖26 “基于雙循環(huán)”的城市風(fēng)環(huán)境評估體系

（1）用地屬性是影響城市風(fēng)環(huán)境的重要要素。水域用地是最有利于改善城市風(fēng)環(huán)境，適當(dāng)增加藍(lán)綠基礎(chǔ)設(shè)施尤其是水域面積可以積極改善城市的風(fēng)環(huán)境，這一點(diǎn)在后海中心區(qū)中表現(xiàn)得尤為明顯。

（2）在深圳后海片區(qū)，日間工況與全天盛行風(fēng)況差異較大。除全天盛行風(fēng)向的氣象工況以外，城市風(fēng)環(huán)境評估應(yīng)根據(jù)分析地段的功能定位與用地性質(zhì)，從性能角度探討日間（8：00-20：00）的城市風(fēng)環(huán)境狀況，反映風(fēng)環(huán)境的實(shí)際使用效能。

（3）在深圳，通風(fēng)節(jié)能潛力主要集中于1、2、3、4、10、11、12月份。在4月，城市通風(fēng)量最大、通風(fēng)節(jié)能潛力最大，達(dá)到52.73%。

5.2 討論

城市風(fēng)環(huán)境是城市氣候與城市形態(tài)共同作用的結(jié)果。特別在南方地區(qū)，溫度和濕度的共同作用會(huì)影響對舒適度的評價(jià)，這需要在風(fēng)環(huán)境的分析中綜合考慮。

國家氣象站點(diǎn)建站時(shí)間長但數(shù)量少，地方區(qū)域站建站多但運(yùn)營晚，致使國家氣象站點(diǎn)距離實(shí)證場地較遠(yuǎn)，必然會(huì)影響真實(shí)場景風(fēng)環(huán)境評估結(jié)果的準(zhǔn)確性與真實(shí)性。

圖、表來源

圖1、2：根據(jù) “深圳南山后海中心區(qū)運(yùn)營策略報(bào)告”中的區(qū)位圖紙改繪；其余圖、表均由作者繪制。