城市通風(fēng)廊道數(shù)值模擬與優(yōu)化設(shè)置研究

陸 麟，李 丹，王子月，王建奎，楊 志

LU Lin1，LI Dan2，WANG Ziyue3，WANG Jiankui1，YANG Zhi4

(1.浙江省建筑科學(xué)設(shè)計(jì)研究院有限公司，浙江 杭州310012;2.杭州甘亞節(jié)能科技有限公司，浙江 杭州310002;3.西安建筑科技大學(xué)建筑學(xué)院，陜西 西安710055;4.浙江東陽建工集團(tuán)有限公司，浙江 金華322103)

街道，通常意義上，承擔(dān)著城市的交通重任。新城市主義者則認(rèn)為其空間應(yīng)成為一種社交的場所。本文取街道的另一個(gè)功能——“通風(fēng)”作為其研究內(nèi)容。城市通風(fēng)廊道類似一狹長的通風(fēng)管道。利用風(fēng)的流體特性，將市郊新鮮潔凈的空氣導(dǎo)入城市，市區(qū)內(nèi)的原空氣與新鮮空氣經(jīng)濕熱混合之后，在風(fēng)壓的作用下導(dǎo)出市區(qū)，從而使城市大氣循環(huán)良性運(yùn)轉(zhuǎn)。在城市建設(shè)中營造通風(fēng)廊道有利于降低城市熱島效應(yīng)［1］，是利用自然氣象條件，在城市層面上的一種節(jié)能設(shè)計(jì)措施。雖然不同的城市有著不同的風(fēng)向類型，但大都存在主要風(fēng)向。城市通風(fēng)廊道的布局應(yīng)該與當(dāng)?shù)刂饕L(fēng)型相對應(yīng)。針對炎熱地區(qū)，在城鄉(xiāng)邊緣地帶設(shè)置永久性的環(huán)城綠帶，指狀交錯(cuò)的邊緣過渡形態(tài)，將為郊區(qū)至城市的通風(fēng)廊道創(chuàng)造多個(gè)有效入口［2］;通過對建筑、道路、河道、綠地等公共空間的合理規(guī)劃，可為城市中風(fēng)的暢通流動(dòng)創(chuàng)造有效的通道系統(tǒng)。而針對寒冷地區(qū)，在冬季主導(dǎo)風(fēng)方位，則宜適當(dāng)布置防風(fēng)林帶，阻擋冬季風(fēng)的進(jìn)入。

1 研究地概況

桐廬縣位于中國浙江省西北部，富春江斜貫縣境，地處錢塘江中游，隸屬于浙江省會(huì)杭州市，介于北緯29°35'—30°05'和東經(jīng)119°10'—119°58'之間;東接諸暨，南連浦江、建德，西鄰淳安，東北界富陽，西北依臨安。全境東西長約77 km，南北寬約55 km，總面積1825 km2。桐廬屬浙西中低山丘陵區(qū)，地勢由西北和東南向富春江沿岸降低，四周群山聳立，中部為狹小河谷平原，山地與平原間則丘陵錯(cuò)落分布。桐廬地區(qū)冬季風(fēng)出現(xiàn)頻率最高的風(fēng)向?yàn)楸毕?，該向平均風(fēng)速為3.3 m/s，夏季風(fēng)出現(xiàn)頻率最高的風(fēng)向?yàn)槲髂舷颍撓蚱骄L(fēng)速為2.9 m/s。根據(jù)以上氣候數(shù)據(jù)，為準(zhǔn)確模擬城市風(fēng)道，有效利用夏季風(fēng)進(jìn)行城市自然通風(fēng)，避免冬季風(fēng)影響城市舒適性，利用計(jì)算流體軟件PHOENICS 模擬氣候工況如下:夏季西南風(fēng)向，平均風(fēng)速2. 9 m/s，室外溫度為32.3 ℃，冬季正北風(fēng)向，平均風(fēng)速3.3 m/s，室外溫度為4.3 ℃。見圖1、圖2。

圖1 夏季風(fēng)玫瑰圖

圖2 冬季風(fēng)玫瑰圖

2 城市模型設(shè)置

采用CFD(computational fluid dynamics)的方法對建筑的風(fēng)環(huán)境狀況進(jìn)行模擬評價(jià)。依據(jù)地形及規(guī)劃平面圖建立城市三維立體模型，如圖3 所示，將建筑和山坡模型分別導(dǎo)入CFD 計(jì)算軟件PHOENICS中進(jìn)行三維流動(dòng)數(shù)值模擬，從而得到建筑周邊地形的流場和建筑表面的速度分布。計(jì)算區(qū)域選取:以目標(biāo)建筑模型為中心，入出口與左右兩邊距離在5H以上，建筑上方計(jì)算區(qū)域要大于3H(其中H 為計(jì)算目標(biāo)建筑中最高的建筑)。為簡化建模，忽略了部分對風(fēng)速分布影響較小的部件。

本次模擬采用的是標(biāo)準(zhǔn)k-ε 兩方程模型。對于建筑物及山體壁面邊界，可以在固定壁面上規(guī)定無滑移邊界條件。根據(jù)網(wǎng)格的劃分方法，本次模擬采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，其中加密城區(qū)的網(wǎng)格總數(shù)為120 ×110 ×51。見圖4。

圖3 模型細(xì)節(jié)圖

圖4 模型與地形整體示意圖

3 夏季城市風(fēng)環(huán)境分析

桐廬縣城各區(qū)域呈狹長條狀沿江分布，夏季主導(dǎo)風(fēng)向?yàn)槲髂舷?，氣流方向與狹長條狀分布的城市基本一致。與夏季主導(dǎo)風(fēng)向平行或較小夾角的主干道路包括春江路(寬40 m)，白云源路(寬40 m)，320 國道(寬42 m)，夏季風(fēng)沿上述主要道路進(jìn)入城區(qū)。

夏季桐廬城區(qū)風(fēng)速分布見圖5～7。

受到城市建筑及地勢影響，風(fēng)速自西南方向深入城區(qū)，有逐步遞減的趨勢。各區(qū)域由于受到不同地塊建筑高差的影響，上風(fēng)側(cè)較高的建筑群背風(fēng)面易產(chǎn)生負(fù)壓，下風(fēng)側(cè)較低的建筑地塊風(fēng)速會(huì)有明顯減弱，如圖7 中深藍(lán)色區(qū)域所示的喬林區(qū)地塊，城西區(qū)，杭黃區(qū)地塊等。高大建筑群的背風(fēng)面一般會(huì)形成風(fēng)影區(qū)，區(qū)域內(nèi)風(fēng)速較小，通風(fēng)效果較差，如圖8中紅色高亮標(biāo)準(zhǔn)所示的深藍(lán)色區(qū)域建筑表面風(fēng)速相對較小，一般在2.25 m/s 以下;黃色區(qū)域建筑表面風(fēng)速較大，一般在5 m/s 左右。沿江的高層建筑表面風(fēng)速比城區(qū)內(nèi)的建筑表面風(fēng)速要高，尤其是濱江區(qū)、柴埠區(qū)和洋洲區(qū)。

沿夏季主導(dǎo)風(fēng)向或者與主導(dǎo)風(fēng)向呈較小夾角的主干街道對夏季風(fēng)有較好的引導(dǎo)作用，可以幫助城區(qū)內(nèi)部區(qū)域的整體通風(fēng)降溫。與夏季主要風(fēng)向平行的主干街道包括春江路、春江東路、白云源路、科技大道等，這些道路平均寬度都在40 m 以上。如圖9杭黃區(qū)主干道科技大道周邊地塊的平均風(fēng)速(圖中所示區(qū)域1)較遠(yuǎn)離道路的地塊(圖中所示區(qū)域2) 的平均風(fēng)速要高20%。

圖5 桐廬地區(qū)地面風(fēng)速分布云圖一

圖6 桐廬地區(qū)地面風(fēng)速分布云圖二

圖7 桐廬地區(qū)夏季城區(qū)風(fēng)速分布圖

圖8 柴埠地區(qū)風(fēng)速分布圖

圖9 杭黃地區(qū)風(fēng)速分布圖

開闊廣場或綠地有利于被建筑群減弱的風(fēng)速恢復(fù)到相對較高的水平。如圖8 中柴埠區(qū)塊紅色區(qū)域內(nèi)公園周邊的地塊較上風(fēng)側(cè)的地塊風(fēng)速有所增加。

除了季候風(fēng)之外，當(dāng)城市氣流比較平穩(wěn)時(shí)，城市的熱島效應(yīng)會(huì)導(dǎo)致向心的氣流模式，因?yàn)楦呙芏冉ㄖ^(qū)域比低密度建筑區(qū)域降溫更慢，兩者之間產(chǎn)生溫差，會(huì)導(dǎo)致氣流從周圍低密度的建筑區(qū)域向中心高密度的建筑區(qū)域移動(dòng)，填補(bǔ)由于溫度較高而上升的城市熱空氣，由此形成熱島附近的對流風(fēng)道。

桐廬城區(qū)為盡可能多的利用周邊水域和綠地，在風(fēng)道規(guī)劃上宜采用如下措施:

(1)以主要城區(qū)為中心，預(yù)留向外輻射狀的通風(fēng)走廊連接周圍山區(qū)、富春江水域等，便于周圍溫度較低的空氣可以順應(yīng)向心的模式，到達(dá)城市內(nèi)部填補(bǔ)因?yàn)闇囟冗^高而產(chǎn)生的上升氣流。

(2)寬闊的林蔭道和條狀公園作為夏季城區(qū)的向心通風(fēng)走廊。

(3)利用山區(qū)及水域降溫，以通風(fēng)走廊連接的山區(qū)的面積不應(yīng)小于被降溫的城市面積的40%～60%。

(4)在靜風(fēng)的情況下，從公園綠地向外擴(kuò)散的冷空氣運(yùn)動(dòng)范圍一般不多于400 m 半徑，重點(diǎn)規(guī)劃區(qū)域內(nèi)設(shè)置多個(gè)小面積的開敞綠地，帶動(dòng)綠地周邊的建筑群進(jìn)行通風(fēng)換熱。

4 冬季城市風(fēng)環(huán)境分析

冬季主導(dǎo)風(fēng)向?yàn)楸毕?，氣流方向與條狀分布的城區(qū)呈較小的夾角。沿江的高層建筑對冬季風(fēng)起到一定的阻擋作用，主要城區(qū)建筑風(fēng)速相對有所減弱。對于深入街區(qū)的風(fēng)道上的風(fēng)速控制，主要依賴于上風(fēng)側(cè)建筑和下風(fēng)側(cè)建筑的間距和兩幢建筑的高度比值。高層建筑應(yīng)有弧形的，適于空氣流動(dòng)的外形，使其窄面朝向冬季風(fēng)向。建筑高度不大于其上風(fēng)向的相鄰建筑的兩倍。見圖10。

圖10 冬季城區(qū)風(fēng)速分布圖

5 結(jié) 語

CFD 計(jì)算流體力學(xué)模擬是分析城市通風(fēng)狀況的有效手段。本文通過建筑地塊模型，分析了街區(qū)分布、建筑高度、廣場綠地對城市通風(fēng)效果所產(chǎn)生的影響。通過改變建筑群的排布形式，改變相鄰建筑的高度比，以及改變街道與主導(dǎo)風(fēng)向的夾角和綠地廣場的分布位置，可有效改善城區(qū)內(nèi)部通風(fēng)狀況。

［1]伊克.風(fēng)洞試驗(yàn)打造建康城市［J］.安全與健康，2004(5):48.

［2]柏春.城市氣候設(shè)計(jì)［M］.北京:中國建筑工業(yè)出版社，2009.