03-城市风环境

教师：胡华中南大学•建筑与城市规划系城市物理第一节风的类型第二节城市低空风的垂直变化第三节城市风场与城市规划第四节风环境与建筑设计第四章城市风环境第四章城市风环境一、风、季风、台风、龙卷风的形成1.季风季风，是海陆温度不同引起气压差异而形成的风，随季节而变化。一般对季风有以下较严格的定义：我国处于东亚季风区内，盛行风向随季节变化有很大差别，甚至相反：冬季盛行东北气流，华北——东北为西北气流，夏季盛行西南气流；中国东部——日本还盛行东南气流2.台风3.龙卷风第一节风的类型第四章城市风环境二、地形风1.概念：由于地形的起伏、各种地表材料对太阳辐射吸收率的差异、材料热容量的不同，产生各小区域之间的温差和各小区域之间的气压差，因而形成局部性的地形风。2.类型：海陆风：山谷风：后院风、花园风、林园风街巷风：中庭风：第一节风的类型第四章城市风环境三、城市化对风的影响1.城市的地面风1）摩擦使城市风速减小，但有一临界风速值城市由于建筑物参差不齐，有效地增大了近地层的粗糙度，对低层气流产生摩擦效应，使流经城区的气流受阻减速。“临界风速”：当城市盛行风速低于或者高于某一风速时，城市内部的风速就高于或者低于城市盛行风速，则这一风速就称为“临界风速”。如北京1，4，10月的临界风速为lm／s，7月的临界风速为4m／s。第一节风的类型第四章城市风环境第一节风的类型第四章城市风环境广州城市年平均风速分布(m／s)（1994）2）街道风城市建筑物由于受热不均匀而产生局部热力环流，称“街道风”。3）城市峡谷效应产生“急流”4）当气流与建筑物垂直时，产生涡流5）城市风分布不均匀，时大时小，阵性大，风向不定第一节风的类型第四章城市风环境2.城市热岛环流第一节风的类型第四章城市风环境晴天，大范围风速较小时，存在城市热岛时，城区大气层结不稳定，暖而轻的空气上升，地面形成低压，产生指向城区的气压梯度力。四周郊区较冷的空气向城区辐合，上升到高空辐散，向郊外流出并下沉，引起局地环流，称城市热岛环流。城市热岛环流模式热岛环流加强城市内部污染。强热岛区及出现强热岛的季节，空气污染最为严重。图3-3旭日市城市风与污染浓度→表示风向；30，50，100为污染浓度；(容积百分率，％)热岛环流加强城市内部污染。强热岛区及出现强热岛的季节，空气污染最为严重。一、城市湍流运动湍流：大气的无规则运动城市湍流扰动强度可用水平风向的脉动方差表示第二节城市低空风的垂直变化第四章城市风环境u/水平风向脉动方差δ(θ)湍流速度脉动方差δ(γ)为平均风速u案例：广州水平风向脉动方差δ(θ)日平均值以夏季(7月)为最大，达12.1º，冬季(1月)水平风向脉动方差δ(θ)日平均值最小，仅8.1º，尤其在夜间20时至次日早晨前后，δ(θ)平均值≤7.5。二、城郊近地气层风的垂直变化地面摩擦随高度的增加而减小，风随高度增加而增大，风向顺时针偏转。三、城市低空风垂直变化的计算1.风速的对数率公式（主要针对150米以下低空）如果下垫面均匀：第二节城市低空风的垂直变化第四章城市风环境010212lnlnlnlnzzzzuu)]/()lnlnexp[(1221120uuzuzuzz1，z2为两个不同的离地面高度(m)；u1，u2为对应于z1，z2高度上的风速(m／s)；z0为平均粗糙度AHaz2102.风速的指数率公式主要针对150米以上高空第二节城市低空风的垂直变化第四章城市风环境pzzuu11Z为任意高度(m)；U为对应z高度上的风速(m／s)；Z1为离地面l0m左右的高度，即常规气象观测站的测风器高度；U1为对应z1高度上的风速，一般为已知；P为指数指数p：①p随地面粗糙度的增大而减小，地面越粗糙p越小；②p随稳定度增大而增大。③p随风速增大而减小。稳定度级别极不稳定不稳定弱不稳定中性稳定p值0.10.150.20.250.3风速／(m／s)0~22.1~4.04.1~6.0p值0.50.220.18一、风的作用1.增加城市生活的舒适度2.减少城市的污染程度二、盛行风与城市规划第三节城市风场与城市规划第四章城市风环境风向玫瑰图：是在极坐标图上绘出一地在一年中各种风向出现的频率。因图形与玫瑰花朵相似，故名。“风向玫瑰图”是一个给定地点一段时间内的风向分布图。通过它可以得知当地的主导风向。最常见的风向玫瑰图是一个圆，圆上引出16条放射线，它们代表16个不同的方向，每条直线的长度与这个方向的风的频度成正比。静风的频度放在中间。有些风向玫瑰图上还指示出了各风向的风速范围。盛行风划分为5大类型：1.季节变化型2.主导风向型3.双主导风向型4.无主导风向型5.准静止风型第三节城市风场与城市规划第四章城市风环境1.季节变化型（包括“双主导风向型”）在季风区，风向随季节转换而变化，冬、夏季主导风风向风频相当，但方向相反或接近相反。解决办法：①城市规划布局时要尽量避开冬夏对吹的风向，选择最小风频方向；②工业区、居民区并排布局在与盛行风垂直的方向，并用防护林隔离；③山区城市建厂选南北走向的谷地。第三节城市风场与城市规划第四章城市风环境第三节城市风场与城市规划第四章城市风环境南昌：春、秋、冬季均以N（北）风为主导风向，出现频率分别为16.4%、23.2%、21.5%；夏季以SW（西南）风为主导风向，出现频率为12.8%。四季静风出现频率分别为25.9%、24.8%、21.4%、26.6%。南昌市工业园区布局最好设在西北方向。2.主导风向型主导风向型的地区，全年吹一个风向的风。解决办法：①有污染的工厂企业宜布置在主导风向的下风方，居住区置上风方；②山区城市选与风向平行的山谷第三节城市风场与城市规划第四章城市风环境污染系数Fi：某风向风频与该风向平均风速的比，称污染系数。污染风频Ri：某方向污染风频，为该方向污染系数与该地总平均风速的乘积。3.无主导风向型无主导风向的地区，全年风向不定，应着重考虑风速、风频。第三节城市风场与城市规划第四章城市风环境iiiufFiiiuufRFi为污染系数，表示来自i方位的污染程度；fi为i方位的风向频率；ui为i方向的平均风速；为该地的总平均风速u解决办法：污染源的工厂应布设在污染风频最低的方位。4.准静止风型全年静风频率50%以上，年平均风速1.0m/s以下，这种类型的地区，称为小风或准静止风型区。解决办法：有污染的工厂企业宜置于一定卫生防护距离以外。卫生距离的确定方法：计算污染源排放污染物的最大落地浓度和这个浓度的着地距离第三节城市风场与城市规划第四章城市风环境国家标准：《工业企业卫生防护距离标准》卫生距离的确定方法：计算污染源排放污染物的最大落地浓度和这个浓度的着地距离。烟源下风方地面上污染物质最大浓度计算公式为：最大浓度出现位置离源距离计算公式为：第三节城市风场与城市规划第四章城市风环境yZCCHueQC2max...102nCHXZ2/2)(maxQ为源强(g／s)；n为大气稳定度参数；H为烟囱有效高度(m)；Cz，Cy为扩散系数；为平均风速(m／s)u三、局地环流与城市规划1.城市所在区域的局地环流，例如海陆风、山谷风等；2.城乡热力场的差异所形成的城市热岛环流，又称“城市风”或“乡风”；3.城市内建筑物与街道受热不均匀所产生的小环流，又称“街道风”，或由于建筑物对气流的机械阻障作用而使气流发生改变。第三节城市风场与城市规划第四章城市风环境1.海陆风、山谷风的影响①工厂企业和居住区均平行海岸(垂直海陆风方向)布置，污染机会最小;②工厂可置谷风的上风方向，居住区置下风方向，受污染仍较小（主要是谷风利于污染物质的扩散）;③城市处于季风区，有污染的工厂企业宜置于与季风风向一致的南北走向谷地，使风速加大，有利于污染扩散;④城市处于主导风型区，则选与当地主导风向平行的山谷布置有污染的工厂企业，以利于通风。第三节城市风场与城市规划第四章城市风环境2.热岛环流的影响热岛环流使城市的污染加重，应在污染企业与城市之间规划建设环城防护林带。3.局地气流的影响在高大建筑的背风面形成涡流，容易形成污染物质聚集。第三节城市风场与城市规划第四章城市风环境一、单体建筑形态与风我国主导风向：季风型，夏季风偏南建筑布局：坐南朝北影响：屋后漩涡、室内风速第四节风环境与建筑设计第四章城市风环境风向投射角室内风速降低值屋后漩涡长度0º03.75H30º133.00H45º301.50H60º501.50H第四节风环境与建筑设计第四章城市风环境建筑高度与漩涡区的关系建筑长度与漩涡区的关系建筑深度与漩涡区的关系1.建筑形态与其屋后涡流第四节风环境与建筑设计第四章城市风环境不同几何形体的建筑物在不同风向下背风面的漩涡1.建筑形态与其屋后涡流①高度增加，涡流厚度加大②宽度增加，涡流宽度随之增加，厚度也有所增加③建筑进深小，其后涡流厚度大2.促进自然通风的措施①主要的使用房间应该尽量布置在夏季的迎风面，辅助房间可以布置在背风面，并以建筑构造与辅助措施改善通风效果。②开口部位的位置应该尽量使室内空气场的布置均匀，并且力求风能够吹过房间中的主要使用空间。③炎热期较长的地区建筑物的开口面积宜大，以争取自然通风。夏热冬冷地区，建筑物的洞口不宜太大，可以用调节洞口面积的方法，调节气流速度和流量。④门窗的相对位置应该以贯通为好，减少气流的迂回和阻力。纵向间隔墙在适当的部位开设通风口或者设置可以调节的通风构造。⑤利用天井、小亭、楼梯间等增加建筑内部的开口面积，并利用这些开口引导气流组织自然通风。第四节风环境与建筑设计第四章城市风环境炎热期较长的地区建筑物的开口面积宜大，以争取自然通风。夏热冬冷地区，建筑物的洞口不宜太大，可以用调节洞口面积的方法，调节气流速度和流量。3.单体建筑周围风的基本形态①风的形态有两种基本模式：层流——空气各质点很有规律地等速平行移动，我们可以预知其风速和风的流动路径。紊流——空气各质点不规则地运动，测定紊流的速度和压力必须取各时间间隔的数值进行平均，而对紊流各质点的瞬间速度则很难准确测定。第四节风环境与建筑设计第四章城市风环境②建筑单体周围的气流变化室外的层流遇到建筑物的阻碍时，大约在墙面高度的1/2处，层流分成向上气流和向下气流，左右方向则分成左右两支气流。当层流流经建筑物的隅角部，会产生气流的剥离现象，气流与建筑物剥离，风速则沿着剥离流线加强，形成建筑物周围的强风区。沿着建筑物迎风面侧墙面的气流到屋顶后，气流发生剥离，然后其受层流上层的压力，逐渐下降3~6H(建筑的高度)的程度，然后到达地面，恢复原来的层流现象。在建筑的背后会产生回流紊流，沿墙面上升也会产生紊流气流。层流风吹过建筑物后会在建筑物的背后形成涡动区域。建筑物横向的风，在剥离之后，有下降的趋势，下降气流与下部的风合流会形成强力的风带，轻则影响行人的步行，重则可以破坏建筑物，这就是平常所说的高楼风。建筑物在迎风侧承受正压，在背风侧承受负压，这两者之间存在的压力差往往决定着紊流的流向。第四节风环境与建筑设计第四章城市风环境第四节风环境与建筑设计第四章城市风环境当建筑物的高度(H)等于建筑物的纵深(D)时，建筑物的面宽(L)越宽，其反应点的距离(E)就越长，直到L/H=5时，E才趋于常值。当建筑物的面宽(L)等于建筑物的纵深(D)，H／L3时，E/L=1.4~1.6，说明高层建筑虽然其建筑高度很高，但是气流可以通过建筑物的两侧较便捷地到达建筑物的背后，不受建筑高度的影响。竖高形态的高层建筑对风的阻碍性较小。当建筑物的高度(H)等于面宽(L)时，有两种现象：一是当D/H非常小时，即建筑物很薄，E=2.5H。另一种情况为D/H1，E/H则在1.0~1.5之间，且D/H10时，E=1.4。这一类型的建筑对其内部的自然通风极其不利，但是对于相邻建筑物的自然通风影响不大。二、群体建筑关系与风第四节风环境与建筑设计第四章城市风环境群体建筑的布局方式错列式：通风效果好斜列式：通风效果好行列式：通风效果一般周边式：风导入较难，适合冬季寒冷地区。第四节风环境与建筑设计第四章