奉皓明 ，林堯林 ，楊 方

（1. 上海工程技術(shù)大學(xué) 機(jī)械與汽車工程學(xué)院，上海 201620；2. 上海理工大學(xué) 環(huán)境與建筑學(xué)院，上海 200093）

建筑自然通風(fēng)性能一直備受關(guān)注. 《建筑十書》第一書之六詳細(xì)地闡述了東、西、南、北等24種風(fēng)向、風(fēng)名及其對人和建筑的影響[1]. 在風(fēng)壓和熱壓[2?3]的驅(qū)動(dòng)下，自然通風(fēng)有很大潛力取代機(jī)械通風(fēng)，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(dòng)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(guān)街谷單側(cè)自然通風(fēng)研究始于20世紀(jì)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(gè)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(fēng)性能的各種因素，研究包括熱條件[8]，幾何變化[9]以及當(dāng)?shù)仫L(fēng)的特征進(jìn)行了重點(diǎn)研究[10].

街谷單側(cè)自然通風(fēng)是一個(gè)復(fù)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(fù)雜性，一般借助數(shù)學(xué)模型，試驗(yàn)以及模擬軟件等進(jìn)行適當(dāng)簡化，以更方便、快速地掌握城市自然通風(fēng)建筑的通風(fēng)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(fēng)之間的聯(lián)系，進(jìn)一步研究谷單側(cè)自然通風(fēng)對室內(nèi)環(huán)境質(zhì)量的影響，并從風(fēng)壓、熱壓、建筑幾何特征、通風(fēng)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(fēng)性能揭示新方法.

1 關(guān)于城市街道峽谷單側(cè)自然通風(fēng)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(diǎn)是單窗和閉門[11?12]，所以與其他自然通風(fēng)類型相比，室外氣流與室內(nèi)氣流耦合的單側(cè)自然通風(fēng)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(fēng)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(diǎn).

1.1 風(fēng)壓與熱壓

單側(cè)自然通風(fēng)下空氣的傳輸主要是由幾個(gè)方面驅(qū)動(dòng)：風(fēng)壓、熱壓、或風(fēng)壓與熱壓共同作用. 氣流的傳輸和擴(kuò)散特性取決于這些力的強(qiáng)度和方向，而這些力的物理過程復(fù)雜且難以預(yù)測.

在最初的數(shù)學(xué)模型中，研究者大都忽略一部分復(fù)雜的動(dòng)力學(xué)以及建筑物側(cè)面流入的空腔流，使用經(jīng)典近似法來計(jì)算建筑的通風(fēng)性能. 例如，Warren[13]在關(guān)于通過單個(gè)開口時(shí)氣流湍流對流的研究中，得出風(fēng)壓和熱壓驅(qū)動(dòng)的自然通風(fēng)的方程式，且局部風(fēng)速在很大程度上取決于風(fēng)向，其原因是墻體上的氣流形態(tài)隨風(fēng)向變化，背風(fēng)側(cè)與迎風(fēng)側(cè)的氣流形態(tài)完全不同. 研究團(tuán)隊(duì)通過阿基米德數(shù)進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)，風(fēng)壓和熱壓主導(dǎo)的情況之間存在差異，說明處理風(fēng)壓和熱壓效應(yīng)的最佳方法是分別計(jì)算每個(gè)參數(shù)的影響，然后使用其中的最大值. Larsen等[14]通過風(fēng)洞試驗(yàn)研究影響單側(cè)風(fēng)流動(dòng)的主要導(dǎo)向，結(jié)果表明隨著風(fēng)浮力比的變化，流動(dòng)可能由風(fēng)壓主導(dǎo)轉(zhuǎn)變?yōu)闊釅褐鲗?dǎo).

以上文獻(xiàn)綜述表明，街谷單側(cè)自然通風(fēng)由風(fēng)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(fēng)的流動(dòng)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(fù)雜的建筑布局使單側(cè)自然通風(fēng)的風(fēng)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(fēng)量發(fā)現(xiàn)，在城市街道峽谷中單側(cè)自然通風(fēng)風(fēng)量相比未受干擾地區(qū)減少82%.

相關(guān)研究表明中，建筑布局中展弦比變化對單側(cè)自然通風(fēng)的影響不可忽視. Andreou等[17]通過試驗(yàn)研究建筑布局對風(fēng)速的影響，發(fā)現(xiàn)峽谷內(nèi)單側(cè)風(fēng)速隨峽谷展弦比的增大而減小. Ai等[18]關(guān)于通風(fēng)量的計(jì)算證實(shí)了上述觀點(diǎn)，并提出通過改善圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)來提高建筑對密集城市環(huán)境適應(yīng)性. Leung等[19]得出街谷的展弦比應(yīng)小于1. 67，以防止街谷風(fēng)場在豎直方向出現(xiàn)第2個(gè)渦旋，使得單側(cè)自然通風(fēng)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(fēng). Peng等[20]以不同形式的建筑為例，對城市街道峽谷的通風(fēng)進(jìn)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(fēng)向上都有更好的通風(fēng)效果.

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

以上文獻(xiàn)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(huì)影響單側(cè)自然通風(fēng)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(fēng)性能. 在實(shí)際研究中，需要有針對性地進(jìn)行分析.

1.3 通風(fēng)能力

街谷的通風(fēng)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(shí)間從谷頂進(jìn)出街谷的空氣量[23].

考慮周圍存在建筑時(shí)對城市街道峽谷通風(fēng)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(shí)會(huì)使建筑附近的可用風(fēng)力降低2.5%～86.8%，對建筑的自然通風(fēng)產(chǎn)生不利影響. Hooff等[25]針對8種不同風(fēng)向，對周圍有建筑和周圍沒有建筑兩種情況進(jìn)行現(xiàn)場測量，結(jié)果表明，忽略周圍建筑的影響會(huì)導(dǎo)致對ACH的高估，最高可達(dá)96%. Georgakis[26]對雅典的一個(gè)街谷自然通風(fēng)建筑中單側(cè)和交叉通風(fēng)的氣流速率采用示蹤氣體技術(shù)進(jìn)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(fēng)的氣流速度降低82%.

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

1.4 患病率

因?yàn)閱蝹?cè)自然通風(fēng)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(fēng)性能與相關(guān)疾病的患病率息息相關(guān).

相較于機(jī)械通風(fēng)建筑，單側(cè)自然通風(fēng)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(xué)校建筑必須開窗以稀釋室內(nèi)陳腐空氣. 當(dāng)關(guān)閉門窗且保持空調(diào)持續(xù)運(yùn)行時(shí)，室內(nèi)二氧化碳濃度將迅速提高[29?30]，導(dǎo)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(jī)械通風(fēng)建筑相比，自然通風(fēng)建筑中建筑綜合病的患病率較低. Seppanen等[33]通過研究當(dāng)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(shè)計(jì)、施工和維護(hù)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(shù)，發(fā)現(xiàn)自然通風(fēng)建筑比機(jī)械通風(fēng)的感染率低22%，且建筑的通風(fēng)性能與空氣傳染病的交叉?zhèn)魅竞图毙圆∶芮邢嚓P(guān)[35?39].

以上文獻(xiàn)綜述表明，通風(fēng)性能不足，過度依賴機(jī)械通風(fēng)時(shí)，室內(nèi)環(huán)境質(zhì)量下降，導(dǎo)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(fēng)建筑的通風(fēng)性能進(jìn)行更深入地研究，通過改善建筑通風(fēng)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(guān)于顆粒物濃度的研究對于指導(dǎo)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(yīng)用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（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(shù)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(fēng)率會(huì)影響氣流流型，導(dǎo)致顆粒物在室內(nèi)傳輸. Gao等[49]評估單側(cè)自然通風(fēng)是否加劇或抑制顆粒物的傳播發(fā)現(xiàn)，低速風(fēng)使顆粒物進(jìn)入高層，而高速風(fēng)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(jìn)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(fēng)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(yàn)證明利用單側(cè)自然通風(fēng)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(kuò)散，對建筑物側(cè)面和背風(fēng)面顆粒物濃度分布的預(yù)測還不準(zhǔn)確.

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

以上文獻(xiàn)綜述表明，合理利用單側(cè)風(fēng)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(huì)影響通風(fēng)性能，因此關(guān)于單側(cè)自然通風(fēng)在城市街道峽谷中發(fā)揮的作用是其后的研究重點(diǎn).

2 街谷設(shè)施對單側(cè)自然通風(fēng)性能的影響

植被、高架橋以及車輛等都是常見的街谷設(shè)施，其對單側(cè)風(fēng)通風(fēng)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(yīng)和氣動(dòng)效應(yīng)兩種方式影響擴(kuò)散[60]. 在低風(fēng)速條件下，樹木的氣動(dòng)效應(yīng)比沉積效應(yīng)更顯著.城市植被的阻力效應(yīng)可在一定程度上削弱單側(cè)風(fēng)，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(huì)降低空氣質(zhì)量，而樹籬（低層植被）則會(huì)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(kuò)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(kuò)散的影響 發(fā)現(xiàn)，高架橋會(huì)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(dòng)設(shè)施，可影響單側(cè)風(fēng)的流動(dòng)以及污染物擴(kuò)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(qiáng)[67]. Beckwith等[68]研究發(fā)現(xiàn)，在車輛加速或排隊(duì)的路段與車輛巡航時(shí)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(kuò)散[69].

以上文獻(xiàn)綜述表明，街谷設(shè)施對通風(fēng)性能以及污染物擴(kuò)散起著積極或消極的影響，合理地進(jìn)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(fēng)研究現(xiàn)狀，單側(cè)自然通風(fēng)復(fù)雜的流動(dòng)過程導(dǎo)致研究方法的多樣化，使用數(shù)值模擬輔助試驗(yàn)?zāi)軌蛱岣哐芯康木_性. 現(xiàn)有文獻(xiàn)表明，合理的展弦比、更好的城市布局以及精心的街谷設(shè)施設(shè)計(jì)能夠最大限度地利用自然通風(fēng)，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(fēng)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(fēng)街谷的展弦比應(yīng)小于1.67以及將街谷規(guī)劃為不對稱的上升型，以增強(qiáng)街谷通風(fēng)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(fēng)的影響，并進(jìn)行開窗通風(fēng). 街道選擇南北向街道并將街谷朝向與單測風(fēng)向成 45°夾角，以增強(qiáng)通風(fēng)效果.

3）避免街谷中樹木過高，以免影響到單側(cè)風(fēng)通風(fēng)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(kuò)散；適當(dāng)增加高架橋的高度以減輕地面污染.