城市街道峡谷单侧自然通风研究进展

奉皓明 ，林尧林 ，杨 方

（1. 上海工程技术大学 机械与汽车工程学院，上海 201620；2. 上海理工大学 环境与建筑学院，上海 200093）

建筑自然通风性能一直备受关注. 《建筑十书》第一书之六详细地阐述了东、西、南、北等24种风向、风名及其对人和建筑的影响[1]. 在风压和热压[2−3]的驱动下，自然通风有很大潜力取代机械通风，从而降低建筑能耗[4]，并创造健康与舒适的室内环境.

城市街道峡谷（Urban Street Canyon, USC），简称街谷，是城市中人群活动的重要场所[5]，指两侧有连续建筑物的狭长城市街道空间[6]. 有关街谷单侧自然通风研究始于20世纪60年代，一直是城市小气候背景下重要的研究课题之一，其中一个主要方向便是涡流结构[7]. 为研究其对室内热舒适性和健康的影响，人们一直致力于研究影响街谷单侧自然通风性能的各种因素，研究包括热条件[8]，几何变化[9]以及当地风的特征进行了重点研究[10].

街谷单侧自然通风是一个复杂的过程，它受从建筑物屋顶流入的剪切流，从建筑物侧面流入的空腔流以及城市街道峡谷内气流循环的相互作用. 鉴于研究的复杂性，一般借助数学模型，试验以及模拟软件等进行适当简化，以更方便、快速地掌握城市自然通风建筑的通风特性.

本研究分析城市街道峡谷的类型，阐述其与单侧自然通风之间的联系，进一步研究谷单侧自然通风对室内环境质量的影响，并从风压、热压、建筑几何特征、通风量、污染率以及颗粒物浓度等方面展开阐述，为深入研究街谷单侧自然通风性能揭示新方法.

1 关于城市街道峡谷单侧自然通风的研究

城市街道峡谷对于人口密集的城市街道峡谷地区，由于其房间的特点是单窗和闭门[11−12]，所以与其他自然通风类型相比，室外气流与室内气流耦合的单侧自然通风在城市建筑中更为常见.

随着城市的发展，高密度社区越来越多，研究城市街道峡谷中单侧自然通风性能及其对室内环境质量的影响是后续要就重点.

1.1 风压与热压

单侧自然通风下空气的传输主要是由几个方面驱动：风压、热压、或风压与热压共同作用. 气流的传输和扩散特性取决于这些力的强度和方向，而这些力的物理过程复杂且难以预测.

在最初的数学模型中，研究者大都忽略一部分复杂的动力学以及建筑物侧面流入的空腔流，使用经典近似法来计算建筑的通风性能. 例如，Warren[13]在关于通过单个开口时气流湍流对流的研究中，得出风压和热压驱动的自然通风的方程式，且局部风速在很大程度上取决于风向，其原因是墙体上的气流形态随风向变化，背风侧与迎风侧的气流形态完全不同. 研究团队通过阿基米德数进一步分析发现，风压和热压主导的情况之间存在差异，说明处理风压和热压效应的最佳方法是分别计算每个参数的影响，然后使用其中的最大值. Larsen等[14]通过风洞试验研究影响单侧风流动的主要导向，结果表明随着风浮力比的变化，流动可能由风压主导转变为热压主导.

以上文献综述表明，街谷单侧自然通风由风压与热压共同作用，相互叠加.

1.2 建筑的几何特征

单侧自然通风的流动特征取决于建筑的几何特征，如城市街道峡谷的展弦比（高/宽）、街道朝向以及对称性[15]等. 城市街道峡谷中复杂的建筑布局使单侧自然通风的风速下降. Ng[16]比较城市街道峡谷与未受干扰地区的单侧通风量发现，在城市街道峡谷中单侧自然通风风量相比未受干扰地区减少82%.

相关研究表明中，建筑布局中展弦比变化对单侧自然通风的影响不可忽视. Andreou等[17]通过试验研究建筑布局对风速的影响，发现峡谷内单侧风速随峡谷展弦比的增大而减小. Ai等[18]关于通风量的计算证实了上述观点，并提出通过改善围护结构设计来提高建筑对密集城市环境适应性. Leung等[19]得出街谷的展弦比应小于1. 67，以防止街谷风场在竖直方向出现第2个涡旋，使得单侧自然通风性能降低.

城市街道峡谷中的街道朝向同样影响单侧自然通风. Peng等[20]以不同形式的建筑为例，对城市街道峡谷的通风进行数值研究发现，南北向街道相比东西向街道在所有风向上都有更好的通风效果.

此外，对称性街谷的漩涡对通风也有直接影响，尤其是在较深的街谷，竖向形成多个涡旋，自上而下涡旋依次减弱，通风效率逐渐减小[21]. 由单侧自然通风主导的街谷，可规划为不对称的上升型，以增强街谷通风性能[22].

以上文献综述表明，城市街道峡谷的建筑布局、街道朝向、对称性等几何特征会影响单侧自然通风量，选择较低的展弦比以及合理的城市规划，能够有效提高建筑通风性能. 在实际研究中，需要有针对性地进行分析.

1.3 通风能力

街谷的通风能力是指街谷与外界空气交换的能力，其中，空气交换率（ACH）表示单位时间从谷顶进出街谷的空气量[23].

考虑周围存在建筑时对城市街道峡谷通风能力的影响. Gao等[24]比较周围存在建筑和不存在建筑两种情况下的影响发现，周围存在建筑时会使建筑附近的可用风力降低2.5%～86.8%，对建筑的自然通风产生不利影响. Hooff等[25]针对8种不同风向，对周围有建筑和周围没有建筑两种情况进行现场测量，结果表明，忽略周围建筑的影响会导致对ACH的高估，最高可达96%. Georgakis[26]对雅典的一个街谷自然通风建筑中单侧和交叉通风的气流速率采用示踪气体技术进行测量发现，城市街道峡谷下方与城市街道峡谷上方未受干扰处相比，单侧自然通风的气流速度降低82%.

以上文献综述表明，单侧风的通风量容易受街谷周围特征的影响，但这些情况大都属于个例，不具有普适性，测量结果在不同情况下和随着时间的推移也有很大的差异，很难为自然通风建筑的通风性能研究提供参考.

1.4 患病率

因为单侧自然通风而产生空气交换，在污染传播中起着重要作用[27]，所以街谷单侧自然通风性能与相关疾病的患病率息息相关.

相较于机械通风建筑，单侧自然通风建筑能够提升室内空气质量以及降低疾病的患病率. 普通家用空调无法提供新鲜空气[28]，住宅和学校建筑必须开窗以稀释室内陈腐空气. 当关闭门窗且保持空调持续运行时，室内二氧化碳浓度将迅速提高[29−30]，导致室内空气质量恶化[31]. Jaakkola等[32]通过交叉研究发现，与机械通风建筑相比，自然通风建筑中建筑综合病的患病率较低. Seppanen等[33]通过研究当前建筑与建筑综合病之间的联系发现，暖通空调设计、施工和维护过程，包括空调污染物排放，都可能增加建筑综合病的患病率.Escombe等[34]使用二氧化碳示踪气体技术，发现自然通风建筑比机械通风的感染率低22%，且建筑的通风性能与空气传染病的交叉传染和急性病密切相关[35−39].

以上文献综述表明，通风性能不足，过度依赖机械通风时，室内环境质量下降，导致病态建筑综合症患病率增高. 这些问题还需要对街谷单侧自然通风建筑的通风性能进行更深入地研究，通过改善建筑通风性能，能够有效降低交叉感染和急性病患病率.

1.5 颗粒物浓度

关于颗粒物浓度的研究对于指导城市规划具有显著意义，能够解决空气污染问题[40−43]. 而雷诺平均Navier-Stokes方程（RANS）和大涡模拟（LES）是应用计算流体动力学（CFD）解决工程湍流问题以及研究街谷颗粒物浓度最有效的选择[44−48].

基于CFD技术中RANS和LES湍流模型，Zhou等[48]研究发现，城市街谷单侧自然通风率会影响气流流型，导致颗粒物在室内传输. Gao等[49]评估单侧自然通风是否加剧或抑制颗粒物的传播发现，低速风使颗粒物进入高层，而高速风在建筑物立面附近形成空气幕，限制颗粒物在楼层间的传播. Wang等[50]对城市街道峡谷中6种窗口模型进行研究发现，打开部分的倾斜窗，可以在单侧自然通风活跃的情况下，有效地限制颗粒物在楼层之间的传播. Stabile等[51]在意大利的试验证明利用单侧自然通风可以有效降低室内一氧化碳浓度.Tominaga等[52]对数值模型的精确性评估发现，现有CFD模型由于低估了区域颗粒物浓度扩散，对建筑物侧面和背风面颗粒物浓度分布的预测还不准确.

展弦比同样影响颗粒物浓度. 随着展弦比增大，污染扩散能力下降，颗粒物浓度提高[53]. 街谷与单侧风向夹角的增大导致颗粒物浓度降低，在45°夹角时颗粒物浓度最低；随着夹角的增大，通风减弱，90°夹角时颗粒物浓度最高[54]. 总而言之，通风效率降低，污染物难以扩散，颗粒物浓度增大[55 − 57].

以上文献综述表明，合理利用单侧风可以有效降低污染物浓度. 但由于目前模型大都局限于孤立的建筑物，如单室建筑[58]和多室建筑[59]，考虑到市区建筑很少能被视为孤立建筑，且城市小气候也会影响通风性能，因此关于单侧自然通风在城市街道峡谷中发挥的作用是其后的研究重点.

2 街谷设施对单侧自然通风性能的影响

植被、高架桥以及车辆等都是常见的街谷设施，其对单侧风通风性能以及空气污染的影响也不容忽视. 城市植被一般包括树木和树篱，主要以沉积效应和气动效应两种方式影响扩散[60]. 在低风速条件下，树木的气动效应比沉积效应更显著.城市植被的阻力效应可在一定程度上削弱单侧风，改变颗粒物的分布格局，使局部颗粒物浓度增大或减少[61]. 一般情况下，树木（高层植被）会降低空气质量，而树篱（低层植被）则会改善街道峡谷的空气质量[62].

街谷中高架桥对污染物扩散具有重要影响，且能改变污染源位置[63−64]. Hao等[65]研究高架桥对街谷中污染物扩散的影响 发现，高架桥会造成街谷中产生更多的污染物. Ding等[66]研究发现，高架桥引起逆流，加剧了城市的空气污染，而采用双层平顶屋顶的街谷，能够在一定程度上减少污染.

街谷中车辆作为可移动设施，可影响单侧风的流动以及污染物扩散. 停靠在路边和树侧的车辆相较于停在人行道的车辆能造成的空气污染更强[67]. Beckwith等[68]研究发现，在车辆加速或排队的路段与车辆巡航时相比，NO2浓度分别提高58.6%和52.6%. 减少重型车辆的数目及改善道路路面，可以减少污染物扩散[69].

以上文献综述表明，街谷设施对通风性能以及污染物扩散起着积极或消极的影响，合理地进行城市规划，能够有效地改善环境质量.

3 结 语

本研究总结了城市街道峡谷中的单侧自然通风研究现状，单侧自然通风复杂的流动过程导致研究方法的多样化，使用数值模拟辅助试验能够提高研究的精确性. 现有文献表明，合理的展弦比、更好的城市布局以及精心的街谷设施设计能够最大限度地利用自然通风，减少城市街道峡谷的颗粒物浓度以及降低患病率.

为改善城市自然通风建筑的不受影响程度，提高建筑的环境影响系数，对今后的研究提出以下建议.

1）单侧自然通风街谷的展弦比应小于1.67以及将街谷规划为不对称的上升型，以增强街谷通风性能，降低患病率以及颗粒物浓度.

2）尽可能避免街谷周围特征对单侧自然通风的影响，并进行开窗通风. 街道选择南北向街道并将街谷朝向与单测风向成 45°夹角，以增强通风效果.

3）避免街谷中树木过高，以免影响到单侧风通风性能；采用树篱、双层平顶屋顶以及控制重型车辆的数量减轻污染物扩散；适当增加高架桥的高度以减轻地面污染.