城市通风廊道数值模拟与优化设置研究

时间：2024-07-28

陆麟，李丹，王子月，王建奎，杨志

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

(1.浙江省建筑科学设计研究院有限公司，浙江杭州310012;2.杭州甘亚节能科技有限公司，浙江杭州310002;3.西安建筑科技大学建筑学院，陕西西安710055;4.浙江东阳建工集团有限公司，浙江金华322103)

街道，通常意义上，承担着城市的交通重任。新城市主义者则认为其空间应成为一种社交的场所。本文取街道的另一个功能——“通风”作为其研究内容。城市通风廊道类似一狭长的通风管道。利用风的流体特性，将市郊新鲜洁净的空气导入城市，市区内的原空气与新鲜空气经湿热混合之后，在风压的作用下导出市区，从而使城市大气循环良性运转。在城市建设中营造通风廊道有利于降低城市热岛效应［1］，是利用自然气象条件，在城市层面上的一种节能设计措施。虽然不同的城市有着不同的风向类型，但大都存在主要风向。城市通风廊道的布局应该与当地主要风型相对应。针对炎热地区，在城乡边缘地带设置永久性的环城绿带，指状交错的边缘过渡形态，将为郊区至城市的通风廊道创造多个有效入口［2］;通过对建筑、道路、河道、绿地等公共空间的合理规划，可为城市中风的畅通流动创造有效的通道系统。而针对寒冷地区，在冬季主导风方位，则宜适当布置防风林带，阻挡冬季风的进入。

1 研究地概况

桐庐县位于中国浙江省西北部，富春江斜贯县境，地处钱塘江中游，隶属于浙江省会杭州市，介于北纬29°35'—30°05'和东经119°10'—119°58'之间;东接诸暨，南连浦江、建德，西邻淳安，东北界富阳，西北依临安。全境东西长约77 km，南北宽约55 km，总面积1825 km2。桐庐属浙西中低山丘陵区，地势由西北和东南向富春江沿岸降低，四周群山耸立，中部为狭小河谷平原，山地与平原间则丘陵错落分布。桐庐地区冬季风出现频率最高的风向为北向，该向平均风速为3.3 m/s，夏季风出现频率最高的风向为西南向，该向平均风速为2.9 m/s。根据以上气候数据，为准确模拟城市风道，有效利用夏季风进行城市自然通风，避免冬季风影响城市舒适性，利用计算流体软件PHOENICS 模拟气候工况如下:夏季西南风向，平均风速2. 9 m/s，室外温度为32.3 ℃，冬季正北风向，平均风速3.3 m/s，室外温度为4.3 ℃。见图1、图2。

图1 夏季风玫瑰图

图2 冬季风玫瑰图

2 城市模型设置

采用CFD(computational fluid dynamics)的方法对建筑的风环境状况进行模拟评价。依据地形及规划平面图建立城市三维立体模型，如图3 所示，将建筑和山坡模型分别导入CFD 计算软件PHOENICS中进行三维流动数值模拟，从而得到建筑周边地形的流场和建筑表面的速度分布。计算区域选取:以目标建筑模型为中心，入出口与左右两边距离在5H以上，建筑上方计算区域要大于3H(其中H 为计算目标建筑中最高的建筑)。为简化建模，忽略了部分对风速分布影响较小的部件。

本次模拟采用的是标准k-ε 两方程模型。对于建筑物及山体壁面边界，可以在固定壁面上规定无滑移边界条件。根据网格的划分方法，本次模拟采用结构化网格，其中加密城区的网格总数为120 ×110 ×51。见图4。

图3 模型细节图

图4 模型与地形整体示意图

3 夏季城市风环境分析

桐庐县城各区域呈狭长条状沿江分布，夏季主导风向为西南向，气流方向与狭长条状分布的城市基本一致。与夏季主导风向平行或较小夹角的主干道路包括春江路(宽40 m)，白云源路(宽40 m)，320 国道(宽42 m)，夏季风沿上述主要道路进入城区。

夏季桐庐城区风速分布见图5～7。

受到城市建筑及地势影响，风速自西南方向深入城区，有逐步递减的趋势。各区域由于受到不同地块建筑高差的影响，上风侧较高的建筑群背风面易产生负压，下风侧较低的建筑地块风速会有明显减弱，如图7 中深蓝色区域所示的乔林区地块，城西区，杭黄区地块等。高大建筑群的背风面一般会形成风影区，区域内风速较小，通风效果较差，如图8中红色高亮标准所示的深蓝色区域建筑表面风速相对较小，一般在2.25 m/s 以下;黄色区域建筑表面风速较大，一般在5 m/s 左右。沿江的高层建筑表面风速比城区内的建筑表面风速要高，尤其是滨江区、柴埠区和洋洲区。

沿夏季主导风向或者与主导风向呈较小夹角的主干街道对夏季风有较好的引导作用，可以帮助城区内部区域的整体通风降温。与夏季主要风向平行的主干街道包括春江路、春江东路、白云源路、科技大道等，这些道路平均宽度都在40 m 以上。如图9杭黄区主干道科技大道周边地块的平均风速(图中所示区域1)较远离道路的地块(图中所示区域2) 的平均风速要高20%。

图5 桐庐地区地面风速分布云图一

图6 桐庐地区地面风速分布云图二

图7 桐庐地区夏季城区风速分布图

图8 柴埠地区风速分布图

图9 杭黄地区风速分布图

开阔广场或绿地有利于被建筑群减弱的风速恢复到相对较高的水平。如图8 中柴埠区块红色区域内公园周边的地块较上风侧的地块风速有所增加。

除了季候风之外，当城市气流比较平稳时，城市的热岛效应会导致向心的气流模式，因为高密度建筑区域比低密度建筑区域降温更慢，两者之间产生温差，会导致气流从周围低密度的建筑区域向中心高密度的建筑区域移动，填补由于温度较高而上升的城市热空气，由此形成热岛附近的对流风道。

桐庐城区为尽可能多的利用周边水域和绿地，在风道规划上宜采用如下措施:

(1)以主要城区为中心，预留向外辐射状的通风走廊连接周围山区、富春江水域等，便于周围温度较低的空气可以顺应向心的模式，到达城市内部填补因为温度过高而产生的上升气流。

(2)宽阔的林荫道和条状公园作为夏季城区的向心通风走廊。

(3)利用山区及水域降温，以通风走廊连接的山区的面积不应小于被降温的城市面积的40%～60%。

(4)在静风的情况下，从公园绿地向外扩散的冷空气运动范围一般不多于400 m 半径，重点规划区域内设置多个小面积的开敞绿地，带动绿地周边的建筑群进行通风换热。

4 冬季城市风环境分析

冬季主导风向为北向，气流方向与条状分布的城区呈较小的夹角。沿江的高层建筑对冬季风起到一定的阻挡作用，主要城区建筑风速相对有所减弱。对于深入街区的风道上的风速控制，主要依赖于上风侧建筑和下风侧建筑的间距和两幢建筑的高度比值。高层建筑应有弧形的，适于空气流动的外形，使其窄面朝向冬季风向。建筑高度不大于其上风向的相邻建筑的两倍。见图10。

图10 冬季城区风速分布图