【Open Access】空气质量低劣背景下的“等风来”

 编 者 按 

风对于空气质量的巨大影响在近年来频发的公众卫生事件以及雾霾天气下表现的尤为突出，有效的通风成为缓解城市局部区域空气质量的重要手段。然何为有效通风？城市中同一区域，是否会随着设计布局的差异带来通风效果的差异？哪些设计要素是影响空气质量的决定因素？基于上述问题，本刊第8期刊登的《广场空气质量与空间设计要素相关性分析——以乌鲁木齐钻石城广场的六个设计方案为例》，首先确定了有效通风的临界风速，以“静风率”对通风效果进行了量化表征，在此基础上，通过研究同一地块不同设计方案的通风效果，确定了城市规划设计中最能有效改善通风的设计要素。研究结果表明，通过设计改善城市局部区域空气质量是可行的，将“健康”的概念纳入城市规划设计之中是未来学科发展的亮点。

闫利，写于2020年8月27日

广场空气质量与空间设计要素相关性分析

  ——以乌鲁木齐钻石城广场的六个设计方案为例   

【文章编号】1002-1329 (2020)08-0061-10

【中图分类号】TU984；X16

【文献标识码】A

【doi】10.11819/cpr20200805a

【作者简介】

闫  利 (1985-)，女，重庆大学建筑城规学院博士研究生。

胡  纹 (1957-)，男，重庆大学建筑城规学院教授，博士生导师。重庆大学山地城镇建设与新技术教育部重点实验室，城市设计研究所所长。中国城市规划学会会员。本文通信作者。

顾力溧 (1990-)，男，硕士，中国城市规划设计研究院城市规划师。

* 本文刊载于《城市规划》杂志2020年第8期。

精彩导读

【摘要】城市的快速发展，带来雾霾天气的持续蔓延。如何通过空间设计手段调控城市微气候环境成为迫切需要研究的问题。研究选取同一地块6个不同的城市设计投标方案，提取6个不同方案的城市广场空间设计要素，采用计算流体力学(CFD)方法，分别对各方案中心广场通风效果进行数值模拟，对有效稀释污染空气的风速阈值进行了界定，并以静风率进行量化表征，取得各空间要素与静风率之间的关联排序关系。研究结果显示，设计要素的改变对同一气象条件下的广场通风效果具有显著影响。其中，开发强度要素为次要影响因素，布局要素为重要影响因素，且布局要素中的广场风道长宽值是影响广场空气质量的决定因素。

【关键词】空间设计要素；静风率；风道；空气质量；广场

CORRELATION ANALYSIS BETWEEN AIR QUALITY IN SQUARES AND SPATIAL DESIGN ELEMENTS: A CASE STUDY ON SIX DESIGN SCHEMES OF URUMQI DIAMOND CITY SQUARE

ABSTRACT：The rapid development of cities brings about continuously spreading of haze. How to control micro-climate environment of current cities through urban planning methods has become an important issue that needs to be studied urgently. Six different urban design bidding schemes of the same land were chosen in the present research and their design elements of urban square space were extracted. The ventilation effect in the central square of each bidding scheme was simulated numerically using computational fluid dynamics (CFD) to obtain the static wind rate of the square as the criterion and then to get the relation between the spatial elements and the static wind rate. The results show that the design elements affect the square ventilation effects obviously under the same weather condition. Among them, the intensity of development was a secondary factor, and the layout was an important factor, in which the length and width of the air duct on the square were the decisive factors affecting the air quality of the square.

KEYWORDS：spatial design elements; static wind rate; air duct; air quality; square

1

 引言

近年来，我国雾霾天气日渐加剧，空气中PM2.5的浓度不断升高，尤其是在通风不畅的冬季，受到采暖燃煤的影响，雾霾天气持续的时间更长[1]。截止2017年，全国338个地级及以上城市中，217个城市环境空气质量超标，占64.2%，以PM2.5为首要污染物的天数占重度及以上污染天数的60%[2]。

产生雾霾的原因包括污染物浓度的增加和水平方向静风频率的增高。有效缓解雾霾天气的方法：一方面要减少污染源，降低空气污染物浓度；另一方面则在于保持有效的通风。在污染物浓度不变的情况下，立于空间规划设计的角度研究缓解雾霾天气的方法，其核心在于探究空间设计要素与静风环境之间的关联，寻找平衡调控策略，改善空气质量[3-4]。

2

 国内外相关研究综述 

2.1  研究区域气象情况

案例来源于新疆乌鲁木齐市高新区“钻石城”城市设计投标项目①，核心设计范围面积为68hm²。研究对象为火炬广场(图1)，位于城市设计项目的中心位置，是高新区原有城市中心，也是片区人口密度最高的区域。

▲ 图1  研究对象位置示意

Fig.1 Location of research object

资料来源：笔者自绘。

乌鲁木齐是我国西部地区大气污染最严重的一座省会城市，1998年就被列为世界十大污染城市之一[5]。乌鲁木齐属中温带大陆性干旱气候，年平均降水量为294mm，最暖的七八月平均气温为25.7℃，最冷的一月平均气温为-15.2℃。依据中国空气质量在线监测分析平台提供的数据显示[6]，2016-2019年间，乌鲁木齐市夏季风速较高，最高值可达6～7级之间，冬季风速较低，处于0～1级之间。因此，冬季空气质量较差，污染严重。在2017年和2019年的1月，空气质量指数(AQI)突破了300，空气质量极差。因此，选取此区域的项目作为研究对象，具有较强的实际意义。

2.2  研究方法及核心技术路线

采用基于有限体积法的ANSYS Fluent进行CFD数值模拟[7]，主控方程为三维定常雷诺平均Navier-Stokes(RANS)方程，采用二阶精度离散方法，湍流模型为Realizable k-ε湍流模型。该湍流模型适用于流动分离和复杂二次流，适合城市大尺度范围的风环境模拟，且在行人层面通风效果评价中获得了成功的应用及验证[8-10]。

2.2.1  控制方程及湍流模型

控制方程为三维定常RANS方程：

         (1)

其中，Q为流动守恒变量，F为无粘通量，Fv为粘性通量，各项具体表达式为：

  (2)

这里，ρ、u_i、p、E、H分别代表流体的密度、速度矢量、压强、单位质量总能和单位质量总焓[11]。

Realizable k-ε模型包含湍动能(k)输运方程和耗散率(ε)方程：

 (3)

 (4)

2.2.2  计算网格及边界条件

计算网格是对计算区域的离散化，即将城市建筑周围物理空间上连续的大气流动区域划分成许多个子区域，并确定每个区域中的节点。本文采用ICEM CFD生成研究对象的计算网格。

边界条件包括：建筑物表面和地面采用无滑移壁面边界条件；迎风边界采用入口边界条件，来流速度采用大气层全湍流边界层对数形式的分布；建筑两侧边界、上边界和出口边界采用边界面法线方向梯度为零的自由流出条件。

2.2.3  验证算例

为了对上述CFD方法进行验证，对风洞试验[12]中的单体建筑模型进行了数值模拟。图2给出了单体建筑风洞试验模型及试验段入口速度型，单体建筑长宽都为b=0.08m，高H=2b，风洞试验段长7m，宽1.1m，高0.9m，模型放置于试验段入口下方4.6m处。试验段风速设定为6.75m/s，湍流强度约为0.5%，基于建筑物高度处的速度和建筑物宽度b的雷诺数约为2.4×10⁴。

▲ 图2  单体建筑风洞试验模型及试验段入口速度型

Fig.2 Wind tunnel test for single building and velocity profile at entrance of test section

资料来源：笔者自绘。

基于上述模型生成了约包含118万个六面体单元的计算网格，在试验段壁面和单体建筑表面的法向进行了适当加密。分别采用了k-ε模型和k-ω湍流模型(作为对照模型)进行了数值计算，经过400步迭代，最大残差下降了3个量级以上，得到数值计算结果。两组数值计算结果和风洞试验结果的对比如图3～图4所示。图3给出了y/b=0平面内9个站位上流向速度U和法向速度W的垂直分布，图4给出了z/b=1.25平面内9个站位上流向速度U和展向速度V的水平分布。可以看出，计算结果与试验结果吻合较好，尤其是在物面附近，两组数值结果都与试验结果基本一致。但是，在建筑物下游的分离流动区，k-ε模型得到的结果与风洞试验更为吻合，k-ω湍流模型得到的结果则与风洞试验存在一定偏差。这说明研究所采用的数值方法能够较为准确地给出建筑物周围风场的风速和风向等流动数据，能够对城市建筑设计方案的通风效果进行有效评估。

▲ 图3  流向速度U和法向速度W的垂直分布(y/b = 0平面)

Fig.3 Vertical distribution of the streamwise velocity U and normal velocity W (y/b = 0 plane)

资料来源：笔者自绘。

▲ 图4  流向速度U和展向速度V的水平分布(z/b = 1.25平面)

Fig.4 Horizontal distribution of the streamwise velocity U and the spanning velocity V (z/b = 1.25 plane)

资料来源：笔者自绘。

2.2.4  静风率的界定

传统的静风是指距地面10m高处平均风速U_z=10m小于0.5m/s的气象条件。本文结合污染物稀释效率，重新定义了静风的风速阈值(图5)。假设初始状态下，计算域内全部都是污染空气，从零时刻开始，左边入口吹入方向和大小不变的洁净空气，风速大小沿高度按对数形式分布。随着时间推移，污染空气不断被吹离计算域，洁净空气逐渐代替污染空气。对于计算域内的任一监测点，污染物浓度从开始降低直至降为零需要一定的时间，这一段时间就是污染物扩散时间。

▲ 图5  污染物扩散过程及污染物扩散时间示意

Fig.5 Air pollutant diffusion process and pollutant diffusion time

资料来源：笔者自绘。

以乌鲁木齐市2018年11月至次年1月冬季3个月的平均气温(-10℃)、平均大气压(91162Pa)为来流条件，假设空气受到严重污染，空气质量指数为300，主要污染物为SO₂、NO₂和PM2.5，考察不同风速下高度1.5m处监测点的污染物扩散时间。通过多个风速条件下的污染物扩散非定常数值模拟计算，得到的结果如图6所示。以污染物扩散时间40s为阈值，经过多轮计算，得到风速为1.04m/s时的污染物扩散时间为40.272s，风速为1.05m/s时的污染物扩散时间为39.856s。至此，得到静风率对应的风速阈值为U_z=1.5m=1.04m/s，即空气滞留区(stagnant zones)为高1.5m处风速低于1.04m/s的区域。此空气滞留区所占的研究区域的面积比例即为静风率，以此作为判定相应区域空气质量好坏的标准，静风率越高，空气质量越差，反之越好。

▲ 图6  乌鲁木齐市冬季平均气象环境下不同风速对应的污染物扩散时间

Fig.6 Pollutant diffusion time with different wind speeds in Urumqi under the average weather conditions in winter

资料来源：笔者自绘。

2.2.5  来流条件及技术路线

同样，以乌鲁木齐冬季(2018年11月至次年1月)气象资料[13]的相关数据作为CFD模拟的来流条件。包括气温、气压、风速以及风向(表1)。

▲表1  对应CFD计算来流条件的气象数据

Tab.1 Meteorological data for the flow condition by CFD computation 

资料来源：http://lishi.tianqi.com/wulumuqi/index.html。

研究的核心在于建立设计要素、风速与空气污染物浓度之间的关联关系。设计要素影响局地风速，而风速又直接作用于空气质量。依据静风的评判标准，对同一气象条件下不同城市设计方案的广场风场进行模拟，得出静风率，提取广场设计要素，与静风率进行关联排序，得出设计要素与空气质量之间的关联关系(图7)。

▲ 图7  核心设计路线

Fig.7 The core design route

资料来源：笔者自绘。

3

 不同设计方案

 广场风环境模拟研究结果比较 

3.1  各方案广场静风环境模拟结果

3.1.1  方案设计对现状静风率有明显改善

计算结果如图8～图14及表2所示，气压和温度基本无变化，风速有较大变化，最大风速达到1.89m/s，最小风速为0m/s。现状广场静风率为97.12%。依据静风率越高，风环境越差的结论，方案二的广场风环境最好，方案一、方案四、方案五、方案六都对广场现状风环境有一定程度的改善，方案三的静风率高于现状，对现状风环境产生了消极影响。

▲ 图8  现状风环境模拟结果图示

Fig.8 Simulation results of current wind environment

资料来源：笔者自绘。

▲ 图9  方案一风环境模拟结果图示

Fig.9 Simulation results of wind environment simulation in Scheme 1

资料来源：笔者自绘。

▲ 图10  方案二风环境模拟结果图示

Fig.10 Simulation results of wind environment simulation in Scheme 2

资料来源：笔者自绘。

▲ 图11  方案三风环境模拟结果图示

Fig.11 Simulation results of wind environment simulation in Scheme 3

资料来源：笔者自绘。

▲ 图12  方案四风环境模拟结果图示

Fig.12 Simulation results of wind environment simulation in Scheme 4

资料来源：笔者自绘。

▲ 图13  方案五风环境模拟结果图示

Fig.13 Simulation results of wind environment simulation in Scheme 5

资料来源：笔者自绘。

▲ 图14  方案六风环境模拟结果图示

Fig.14 Simulation results of wind environment simulation in Scheme 6

资料来源：笔者自绘。

▲表2  广场风环境模拟结果统计

Tab.2 Simulation results of wind environment on the square

资料来源：笔者自绘。

3.1.2  各方案静风率的差异

依据计算所得结果，同一气象条件下，不同的设计布局方案，对城市风环境，特别是城市广场的风环境的影响有差异。故寻求具体设计要素与风环境之间的关联，对于积极适应、利用风环境是有效的，也为通过设计手段改善空气质量提供了途径。

3.2  各方案整体设计要素提取

3.2.1  各方案要素提取标准判定及意义

(1) 广场核心区空间设计要素(表3)

核心区开发强度指标：包括核心区容积率、建筑密度、平均层高。计算范围以火炬广场为核心，向外延伸的第一圈建筑所包围的区域。

▲表3  广场核心区空间设计要素提取

Tab.3 Extraction of spatial design elements in the core area of the square

资料来源：笔者自绘。

广场围合程度指标：代表广场周围建筑物围合状态，以广场边界向外延伸的第一圈建筑为参考标准。表征算法为第一圈建筑中线相连的总长度与整个第一圈建筑范围构成的多边形的周长比率。

主要开口数目：代表广场核心连通外围的出口数目。

最大开口宽度：代表广场向外开口的最宽开口宽度。

广场形状：以广场形状规则与否进行判定。

(2) 广场外围区设计要素(表4)

步行街设计指标：6个方案中都有相关的步行街设计，且大多与广场有衔接。表征步行街定量的设计要素，包括步行街的长度、宽度、长宽比3个分量。关于其宽度的量化，各个步行街并不是完全意义上的等宽，所以选取其平均宽度作为宽度标准。

▲表4  广场外围区设计要素提取

Tab.4 Extraction of design elements in the periphery of the square

资料来源：笔者自绘。

主导风向与步行街的夹角范围：表征步行街作为风道的有效性，以偏离15°范围作为衡量标准。

最高层建筑布点：选取的超高层建筑专门指设计范围内最高层建筑，用其高度以及与广场的位置表征其属性。至于广场周围其他的高层建筑，则由第四点要素弥补。

外围容积率：为钻石城区域城市设计的环境整体开发强度，它能真实的反映广场周围用地情况，建筑在土地上的布局容量。

3.2.2  各方案要素比较

(1)广场核心区各要素比较

核心区整体开发强度：6个方案的整体开发强度都较高，以方案三最为突出，容积率、建筑密度、平均层数分别为7.77、56.35%以及29.8层。这与设计理念一致，中心广场周边作为城市重点开发项目，一般会增加开发强度以提高土地利用率。

核心区域围合程度：6个方案围合程度相对比较均衡，维持在0.4～0.6之间，其中方案四最高，为0.63，方案一最低，为0.41。

核心区主要开口数目：6个方案基本一致，除方案二和方案三外，都有一个沿着风道、一个垂直于左侧道路的两个向外开口。

最大开口宽度差异较大，最宽的方案二为70m，最低的方案六为26m。

广场形状：除方案二和方案六为规则形状之外，其他4个方案的广场核心区都由于建筑的分割，呈现不规则平面。

(2)广场外围区各要素比较

步行街设计参数：各方案差异较大，长度上，方案二达到474m，而方案三只有122m。宽度上，方案二为66m，最低的方案三以及方案六只有9m。

步行街与主导风向的夹角：除方案二的步行街与主导风向的夹角大于45°外，其余方案的步行街方向都基本平行于主导风向。方案三和方案六的步行街没有与广场直接相接，方案六的步行街太过曲折，被建筑阻挡较多。方案三的步行街被建筑完全隔断，没有和广场直接相接。

各方案最高层建筑选址：方案一、二、三、四都选在了与主导风向平行的位置上，除去方案三之外，其他的超高层建筑都避开了风道的来流，不会对主导风的引入产生阻碍；方案五和方案六的超高层建筑布点与主导风向不在同一方向上，夹角都超过了45°。最高层建筑高度方面，方案四最高，方案二最低，分别为165m和105m。

外围容积率：开发强度最高的为方案二，最低的为方案一，分别为3.26和2.40。

3.3  各方案设计要素对应的静风率关联性分析

关联性判定条件是基于各要素值与静风率的线性关系而言，样本点为6个不同的设计方案，当有3个或以上样本点与静风率正相关或负相关，就将其确定为静风率与这一要素呈现关联关系，否则就判定为无关。

3.3.1  基本布局要素的是非判定结果

据静风率从低到高排序，表征的是优化空气质量的能力由强到弱(表5)。首先，单从广场形状而言，规整的长方形广场是最有利的通风布局形态。其次，关于风道设计布局：布局成直线的通风效果会好于布置成曲折的效果；开口与主导风向平行与否不是最重要的因素，只要不完全背离主导风向，或在下风向开口，都会带来较好的通风效果。第三，在风道设计中，没有构筑物阻挡，将达到最好的通风效果。第四，风道与广场的衔接性，也在很大程度上影响着通风效果，风道穿越广场效果最佳，衔接次之，完全隔断最差，故超高层建筑尤其不能放到风道上，会严重阻碍通风效果。最后，关于广场上建筑物的布置：留有风道出口，且在其他方向周边式布置建筑对广场的通风效果影响较弱，而在广场中心布置大体量的建筑，将严重影响通风。

▲表5  各方案空间布局要素的是非判定结果

Tab.5 Judging results of the spatial layout elements of each scheme

资料来源：笔者自绘。

3.3.2  广场核心区设计参数与静风率的关联性比较

广场核心区设计参数与静风率关联性结果分析显示：首先，从广场核心区开发强度3个分量指标来看，广场核心区建筑密度对通风影响不大，反而某种程度上呈现负相关的关系，这是因为广场核心区的建筑布局在广场周边，没有满铺在广场之上；其次，容积率越大，通风效果越差，这与常识性结论一致，高容积率让广场的开敞性变差，风被遮挡或减弱；第三，广场核心区平均层数与静风率的关系无明确规律(表6)。

▲表6  各方案广场核心区域相关要素与静风率关联性结果

Tab.6 Correlation of related elements and static wind rate in the core square of each scheme 

资料来源：笔者自绘。

基于广场围合度设计参数，围合度越高，静风率越高，通风效果越差。这是因为在1.5m高度上，大量的裙房相连，相连的部分严重阻碍了通风，因此相连的距离越长，围合度越高，开敞性越差，通风效果越差。

基于广场向外的开口数影响，开口越多，越有利于静风率的降低。

关于广场开口的最大宽度，宽度越宽，越能保证广场内部静风区的弱化。这是因为广场最大的开口是引入风源的主要通道，开口越大，同样条件下引入的风量越多，通风效果越好。

广场面积与静风率之间无明确关联性。

3.3.3  广场外围设计参数与静风率的关联性比较

步行街(风道)的设计对静风率的影响明显。步行街的长度与静风率呈现负相关的关系。步行街越长，静风率越低，通风效果越好。步行街的宽度与静风率呈现负相关的关系，步行街越宽，通风效果越好。关于步行街的长宽比，模拟结果显示，长宽比越低，风环境越好。但是，基于静风率与风道长度和宽度的关系，这种长宽比会有一个最小的极限范围，不会呈现绝对的负相关。

外围容积率对静风率的影响与核心区容积率的影响刚好相反，呈现正相关，外围容积率越高，静风率越小。但该结论还需进一步试验证实(表7)。

▲表7  各方案广场外围区域相关要素与静风率关联性结果

Tab.7 Correlation of related elements and static wind rate in the square periphery of each scheme

资料来源：笔者自绘。

3.4  综合判定各方案环境效应

上述分析结果表明，由于没有从最初的构思上就把降低静风率作为设计目标，因此6个方案在兼顾设计对广场风环境的改善上都非常有限。方案二的静风率最低，通风效果最好，但是方案二出现静风率最低的原因，是其将步行街风道整个贯穿于广场，事实上广场成为了步行街的一部分，结合空间布局以及经济技术指标，方案二并不一定为最优方案。

4

 结论

研究界定了有效稀释污染空气的风速阈值，即在人行层面(1.5m)上，当风速低于1.04m/s时，空气污染物得不到有效稀释，容易造成空气污染。

研究引入了新的空气质量判定指标“静风率”，此指标的引入，简化了城市局部区域通风效率的判定程序，可通过对城市局部区域风速云图的模拟，便捷直观的显示出某一具体区域空气质量的优劣。

研究表明了在同一用地环境，相同的地块、相同的气候背景信息下，不同的设计布局会带来静风区的分布和比率的差异，参照通风与空气质量的关联关系，证明合理的设计可成为改善局部区域空气质量的重要手段。通过将设计要素与空气质量进行分类关联排序，得出优化通风效果的设计建议，即：开发强度要素对于空气质量的影响并不明显，在通风设计中应优先考虑布局要素。其中，合理的风道长宽值是影响城市局部区域空气质量的决定性因素。在未来的基于空气质量优化设计中，可参考当地具体气候条件，通过智能优化算法调用数值模拟过程，在合适的优化目标和约束条件下，确定出适宜该区域通风的最佳的风道长宽值，以保证该区域的通风效率，实现对该区域空气质量的优化设计。

注释

① 方案来源：方案一：中国中元国际工程有限公司；方案二：上海合城规划建筑设计有限公司；方案三：上海同济城市规划设计研究院；方案四：重庆大学规划设计研究院有限公司；方案五：南京大学城市规划设计研究院有限公司；方案六：上海复旦规划建筑设计研究院。

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