当前世界环境

介绍

城市面积和城市居民有增加的趋势。如今，大约有一半的世界人口居住在城市定居点。大量的居民产生了各种各样的活动，改变了城市的空气质量和模式。城市风流是由具有明显风波动的深层分层城市边界层驱动的。太阳加热效应包括建筑物和树木的阴影、空气动力阻力、受地表性质变化影响的热交换和湍流热传输。

城市风场变化的原因

在城市地区，来自盛行风的主要气流被强烈地改变，这取决于建筑物的形态和城市小气候效应。^3.由于高层建筑、工业和车辆活动等的增加，风场的改变变得尤为重要。由于以下因素和现象，城市地区垂直水平风速频率分布存在显著差异。

• 建筑物，植被(物理和热障碍/粗糙度)
• 空调(热)
• 自然地形(表面湿度、起伏等)
• 由于车辆移动造成的街道运河效应。(热)
• 高层建筑-颠簸，粗糙
• 当地气候条件/季节变化
• 躲避附近建筑物，
• 城市热岛效应(UHI)

UHI效应引起的风场变化

城市表面就像一个巨大的热能储存库。混凝土可以容纳的热量大约是同等体积空气的2000倍。

通过热遥感可以很容易地看到热岛白天的大地表温度。在夜间形成逆温层，将城市空气困在地表附近，使地表空气保持温暖，远离仍然温暖的城市地表，在UHI内形成夜间较暖的空气温度。城市地区的建筑物阻挡了夜间热量的散失。

城市风场的困难与特点 城市的粗糙度

在建筑环境中预测风速是很困难的。其中一个原因是“表面粗糙度”。建筑物的许多障碍物和不同的高度使建筑环境具有很高的粗糙度系数，²与开放的农村地区相比。通度系数通常用于根据仅在一个或两个高度和位置的测量来推断不同高度的风速。高粗糙度系数意味着随着高度的增加，速度的加速度较慢，因此产生的能量较低。

表1a给出了通常用于某一类表面的粗糙度系数(或长度)。值得注意的是，开阔的农业区(甚至有一些房屋和树篱)的粗糙度在0.055到0.1之间，相比之下，有高层建筑的大城市的粗糙度为0.8，这是目前考虑安装小型风力装置的典型地点。

表1(a):不同表面粗糙度系数2 点击这里查看表格

表1(b):城市建筑粗糙度-流动状况 点击这里查看表格

图1:地面和地面的风速 更高层次(Grimmond et al.， 2007) 点击此处查看图

由于建筑环境的高粗糙度，接近地面的风速成为一个局部参数(取决于接近地面的当地条件)。这样就不可能根据建筑环境更广泛区域的粗糙度的一些平均特征来测量局部参数(风速)。

动荡

地球表面的粗糙度会对风产生阻力，将一些风的能量转化为机械湍流。由于湍流是在地面产生的，因此地面风速远小于高空的风速(图1)。湍流包括垂直和水平的空气运动，因此表面摩擦阻力的影响向上传播。机械湍流和摩擦阻力的影响随着高度逐渐减小，在“梯度”水平(大约1000到2000英尺)，摩擦影响可以忽略不计。这个水平的压力梯度被科里奥利力(可能还有离心力)平衡，风几乎与等压线平行

风的评估和规划控制

制定适当的规划准则是避免城市地区不利风环境的重要一步。目前有各种各样的风评估标准，如建筑物在现场的位置和间距。其中大多数是有效的，彼此之间普遍一致，也与实地观察一致。其他标准要么过于严格，要么过于宽松。在前者的情况下，这也是不可取的，因为它会给建筑的形式和外观带来不必要的限制。使用风洞测试仍然是最可靠的技术来模拟风环境对城市和郊区环境的影响。计算流体动力学(CFD)或风洞可视化技术(如冲刷技术)的使用可能仅作为初始定性评估的形式有用，不应完全依赖。

图2(a):风在树内部和周围的运动 暴露的建筑:图2(b):周围的流动模式 高大的板状建筑。风力增加的地区 行人水平速度 点击此处查看图

图3:是在墨尔本的一个45层的塔楼项目 点击此处查看图

规划控制在规划控制的制定过程中应小心谨慎，以免要求过度限制创新设计。应鼓励采用符合空气动力的塔楼形式、适当的平台、提供遮阳篷、策略性种植等特点，但不是强制性的。同时，应提供控制措施，以充分模拟风的影响。

暴露的建筑物周围最关键的区域通常是建筑物底部角落附近的区域(侧流效应)，暴露的建筑物宽面底部的区域(下冲效应，适用于高度超过12层的建筑物)，以及建筑物底部的拱廊或开口向高层建筑物底部的相反方向开放的区域(间隙效应)。每一种影响的程度将取决于暴露的程度、风力气候的强度和方向性以及周围建筑的屏蔽或漏斗效应。其他需要调查的方面是风条件，如紊流风，在拟议发展内或邻近的任何计划室外区域的风的漏斗效应。

城市风环境标准

如果低矮建筑位于高层建筑的风影中，如图3b。，障碍物高度的增加将使气流以与风相反的方向通过低矮的建筑物。一个大漩涡的下翼将穿过建筑物。

实验表明，风舒适性与阵风风速的关系比与平均风速的关系更密切。¹在极端大风的情况下尤其如此，这可能导致人们在风中失去平衡。Rofail(2005)提出了一套标准，将平均舒适标准转换为最大阵风或峰值风速的一套标准。然而，这套准则是基于湍流强度为15%的假设，这在绝大多数情况下是非常保守的。Rofail(2007)提出了另一套峰值风速标准。平均气流、动态波动和建筑尺度湍流都与复杂的建筑几何结构密切相关。一个同样有效的方法是比较平均风速标准，如达文波特的标准⁵与阵风等效平均值(平均风速或阵风风速的最大值除以阵风因子)作比较。除了舒适标准之外，还有一个安全限制，适用于所有可进入的室外区域，无论使用类型或频率如何。墨尔本(1978)建议的年最大安全限值为23m/s¹Gust已被大多数顾问采用，并构成了大多数标准集的一部分。可靠的风洞试验要求确保在风洞中获得一组可靠的风速测量的关键因素是:

• 建筑和周边的比例模型，
• 模型的行为的进场风和
• 用于测量风速的采样参数和仪器类型。

风模拟的主要因素

这三个因素是各种平均和阵风环境标准的比较，假设湍流度为15%，阵风因子为1.5。风洞模型比例不应小于1:5 m。

1. 模型必须包括周围环境的影响，包括当地的地形。研究建筑以及邻近的建筑需要更精确地建模。接近模型应扩展到至少400米的半径。在对多孔元素(如树木、百叶或多孔屏风)进行建模时，应注意确保相同的空气动力学特性(如雷诺数相似性)。为了实现这一点，可能需要扭曲模型的几何形状。在模型尺度上，阳台栏杆等特征的建模可能会过度压缩通过这些区域的流量，需要特殊处理。同样，通过建筑物的间隙建模可能需要扭曲，以实现模型比例和全尺寸之间的流动状态的相似性。⁴
2. 模拟接近风行为的关键参数是确保气流在平均风速变化和湍流强度随高度的变化方面与全尺寸正确匹配在10%以内。另一个参数是对湍流积分长度尺度的建模，精度在3的因子之内(AWES, 2002)。参考风速需要基于对位于研究地点合理距离内的观测站获得的风气候数据的分析。建议使用至少10年的风速气候数据。⁷风气候资料应适当校正上游地形、遮挡效应和局地地形的影响。⁷
3. 应测量最高风速和平均风速。速度信号的滤波需要应用于最大阵风，以表示一个3秒的峰值。测量应从至少8个风向进行，虽然目前的标准做法是16个风向，并建议。有两种类型的仪器可以使用，热线风速测量和基于压力的传感器，如欧文探头⁷。请注意，某些类型的压力传感器对风向非常敏感，应避免使用。压力传感器应进行适当的校准，以确保它们在风洞中运行时提供可靠的风速估计。结果应表示为阵风风速或阵风和阵风等效平均风速。阵风等效平均定义为平均风速与阵风等效平均风速之间的最大值。

后者是阵风风速除以适当的阵风因子。初步试验应在没有植被影响的情况下进行，以使风工程顾问能够正确地确定盛行的风流机制。同样重要的是要确保报告中提出的任何建议都应在风洞中进行充分的建模和测试。这一点很重要，因为对一个项目有效的解决方案不一定对另一个项目有效，即使风的流动机制相似。

案例研究

为了确保可行的设计，策略的制定需要与负责项目的建筑师或设计师密切合作。以下是风力技术顾问公司所承担项目的一些风力影响的例子，以及通过风洞测试确认其有效性后推荐的解决方案的细节。请注意，在某些情况下，可能会提出多个解决方案。

案例研究1

图3所示的塔楼是墨尔本的一个45层塔楼项目。

塔楼位于城市街区的一个角落，宽阔的立面面对着一条狭窄的街道，以及墨尔本的主要风向(北)。此外，该地点在该方向相对暴露。结果是，塔楼可能会在城市街区的拐角处产生显著的下冲和侧流效应。图6显示了北风入射时塔的侧面轮廓。提出了两种选择。其中一项要求将塔从小巷中移开。第二种处理需要一个带有高墙的小平台，以捕获向下冲刷的风，并将其引导到可渗透的停车场水平。

图4:物业重建 位于德里的Civil Lines公司 点击此处查看图

案例研究2

图4所示的开发位于德里。这个开发项目暴露在德里所有3个盛行风向下。⁶

由于两座塔楼在南北方向上对齐，东北风和西风对这个发展特别关注。这个特殊的地点恰好位于一条南北延伸的山脊线的顶部附近。这导致了两座塔楼之间潜在的强烈漏斗效应，远远超过了安全限制。研究人员研究了许多处理方案，包括沿两座塔楼的整个长度和间隙设置大型檐篷。这可能是由于地面风在讲台北部边缘的上升流的显著贡献。由于场地位于地形鞍状构造的顶端，沿着宽阔的方向暴露在东北风中，这种效果似乎得到了加强。唯一有效的治疗方法是最便宜的。

图5:印度运输公司，古尔冈 点击此处查看图

案例研究3

印度运输公司有限公司，古尔冈-内向紧凑的形式，与控制曝光。

设计了两种类型的窗户:窥视窗用于可能的交叉通风和视野，另一种用于采光。建筑更加透明的庭院有结构框架，为遮阳屏提供支持。园林绿化是一种气候调节剂。窥视窗的窗棂把夏天的阳光剪掉，让冬天的阳光照进来。可调节的百叶百叶窗在双窗夹层，以减少绝缘和允许日光。外墙和屋顶用聚氨酯板保温。以水柱为环境调节剂的喷泉庭院。利用外部环境来补充空调系统的建筑系统。空调采用环保吸收式技术。仔细规划配风系统。 Air-conditioning standards set by acceptance level of office staff andnot by international norms. Energy-efficient lighting system and daylight integration with controls. Optimization of structure and reduction of embodied energy by use of less energy-intensive materials⁶

图6:滑铁卢模型的照片， 悉尼发展在Windtech咨询公司的风 隧道显示的最佳处理细节 西风对风况的影响 在西北角 点击此处查看图

案例分析4

另一个例子是悉尼滑铁卢的开发项目(图6)。结果表明，由于西风的影响，这一发展将受到不利的风条件的影响。

这是由于直接的地面风和侧流效应的结合，而在拟建建筑的西北角的高柱廊的影响则加剧了侧流效应。由于在建筑角落的高柱廊下设计了室外咖啡馆，这种效果变得更加复杂。最优的解决方案是在开发项目的西侧种植战略性的树木，并在柱廊区域的西北角下设置一个独立的树冠，以起到偏转作用。通过这种处理，风的条件从超过安全限制改善到可以接受的座位，因此可以作为室外咖啡馆使用。

图7:阿布扎比的发展 表示受间隙效应影响的区域 点击此处查看图

案例研究5

对阿布扎比项目进行了风环境研究，如图7所示。该开发项目包括3座相连的住宅塔楼，连接层下方有两个9层高的地下区域。

风洞模型研究表明，由于间隙效应，在这些间隙内会产生显著的加速效应。对于每个间隙，通过位于间隙两端的挡板，成功地改善了效果。

其中一个屏风用作有盖凉亭的墙壁。其他需要处理的区域包括一个街角和一个塔楼的底部。通过战略性种植，成功地改善了那里的风力影响。图7:阿布扎比的发展与受差距效应影响的区域。

结论

本文展示了如何规划可居住的风环境，同时仍然适应建筑意图。平均气流、动态波动、建筑尺度湍流等都与建筑复杂的几何结构密切相关。在设计中应鼓励采用空气动力学建筑形式、适当的平台、提供遮阳篷、策略性种植等特点。

采用适当的建模和模拟技术以及适当的风场研究。对业主和最终用户来说，实现一个有利的结果是可能的。地方政府也可以在不过度规定建筑形式的情况下，在规定开发控制方面发挥作用，因为过度规定建筑形式有扼杀创新的风险。

参考文献

1. Ahmed siraj风能理论与实践，PHI出版第一版2010
2. 李俊杰，李俊杰，李俊杰。城市空气动力学研究进展，中国科学院计算物理与流体动力学实验室，2002
3. 坎贝尔·尼尔等人发表在《科学进展》上的论文《建筑环境中的风能》。欧洲风能会议及展览会，哥本哈根，2001年7月2-6日
4. 环境条件下人类舒适标准的研究，建筑气候学研讨会，(1972)。
5. Tony Rafail，《发展可居住的建筑环境》，CUTBH 8^th2008年世界大会。
6. 印度节能建筑代表性设计，塔塔能源研究所2001年出版
7. 英国城市风能评价，城市环境风能资源评价介绍，2007年2月