0 引言

隨著高速城市化進(jìn)程的不斷推進(jìn)，國內(nèi)外許多城市的人口規(guī)模與空間體量進(jìn)一步增大。東京、香港、上海等典型的高密度城市中心區(qū)域，一方面，為居民帶來更加便捷的基礎(chǔ)建設(shè)、更優(yōu)質(zhì)的教育與更好的醫(yī)療水平；另一方面，也引發(fā)了諸多問題，如不斷缺失的良好建成環(huán)境。

高速的城市化影響了城市下墊面與近地面的低層氣流和湍流，進(jìn)而對人們的日常生活造成了影響。良好的室外風(fēng)環(huán)境在給行人帶來熱舒適、風(fēng)安全等諸多益處的同時(shí)，還可以幫助城市緩解快速發(fā)展造成的能源短缺與環(huán)境污染等問題，這在熱島效應(yīng)嚴(yán)重的高層高密度區(qū)域更為顯著。因此，近些年城市室外風(fēng)環(huán)境的模擬與評價(jià)不斷地受到風(fēng)工程師、城市規(guī)劃師、建筑師與環(huán)境學(xué)家的關(guān)注。

中國城市發(fā)展所確定的“可持續(xù)性”目標(biāo)，要求建立和完善城市規(guī)劃和建筑設(shè)計(jì)的響應(yīng)機(jī)制，用以合理應(yīng)對城市氣候變化。目前，商業(yè)數(shù)值模擬軟件的應(yīng)用日趨成熟，建筑室外風(fēng)環(huán)境的模擬方法和技術(shù)已經(jīng)趨于規(guī)范化，但是，關(guān)于風(fēng)環(huán)境的綜合評價(jià)工作因其本身時(shí)空復(fù)雜性的特點(diǎn)，略顯不足。本文分別選取“點(diǎn)”（特殊敏感區(qū)域）、“面”（行人高度）、“體”（三維城市空間）、“時(shí)間”（季節(jié)）四個(gè)維度指標(biāo)，總結(jié)已經(jīng)被充分研究的主流風(fēng)環(huán)境評價(jià)方法，并綜合考慮實(shí)際操作的便捷性，為風(fēng)環(huán)境學(xué)者提供選擇策略。

1 風(fēng)環(huán)境評價(jià)現(xiàn)存問題

建成環(huán)境的評價(jià)通?？梢苑譃樵O(shè)計(jì)階段與使用階段。通過實(shí)地測量，城市或建筑周圍的建成環(huán)境現(xiàn)狀可以得到準(zhǔn)確可靠的測量與分析。設(shè)計(jì)階段的評價(jià)主要依賴于理論分析與模擬預(yù)測工作，并且由于其發(fā)生在建設(shè)工作前，便于環(huán)境性能化設(shè)計(jì)方案的調(diào)整與深化設(shè)計(jì)，從而能夠保證建成后的環(huán)境品質(zhì)。自20 世紀(jì)70 年代以來，人們提出了許多城市風(fēng)環(huán)境評價(jià)方法，但仍存在一系列問題，如：復(fù)雜城市中的風(fēng)環(huán)境評價(jià)存在片面性，現(xiàn)有的多種評價(jià)準(zhǔn)則對同一客體的評價(jià)結(jié)果一致性較差；要評價(jià)行人高度（1.5 m 離地高度）的機(jī)械舒適度，但較少考慮特殊區(qū)域（如學(xué)校、醫(yī)院的出入口）處的敏感人群所需風(fēng)環(huán)境；盡管空間計(jì)算域的設(shè)置已被研究，但數(shù)值模擬結(jié)果分析域的設(shè)定缺少科學(xué)合理的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)；結(jié)合人體熱舒適性與環(huán)境的時(shí)空演變特征，需要更加全面地分析不同季節(jié)下的風(fēng)環(huán)境質(zhì)量；雖然我國現(xiàn)有的風(fēng)環(huán)境評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)《綠色建筑評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》對冬夏的風(fēng)壓與風(fēng)速有所限制，然而給出的閾值限制略顯寬泛，未考慮夏季低風(fēng)速的不舒適感與排污防霾對風(fēng)速下限的需求，實(shí)際應(yīng)用價(jià)值不夠全面[1]。

2 風(fēng)環(huán)境評價(jià)準(zhǔn)則

風(fēng)環(huán)境影響著城市居民的舒適、安全與健康。一方面，室外空間的風(fēng)環(huán)境會影響使用者的感受與行為，在降低舒適度的同時(shí)，它還會影響城市廣場等公共空間的使用，降低城市的活力，甚至產(chǎn)生安全隱患；另一方面，城市中大量機(jī)動車與建筑的污染物排放，也會由于低通風(fēng)效應(yīng)，影響顆粒物擴(kuò)散，從而造成局部地區(qū)高污染環(huán)境，影響居民生命健康。

2.1 基于安全的評價(jià)

19 世紀(jì)初期，由英國人Francis Beaufort 發(fā)明的蒲福風(fēng)級（Beaufort Scale），第一次把風(fēng)速及其影響程度對應(yīng)了起來，為風(fēng)工程學(xué)者建立了初 步 概 念[2]。Robert.H.Scanlan 和Emil Simiu 將風(fēng)速總結(jié)為其大小是否會影響人的行動以及多大程度影響人的行動[3]。由于風(fēng)環(huán)境的不確定性，在極端天氣條件下，風(fēng)速可能過高，并且存在吹倒行人的危險(xiǎn)?？紤]到這種情況，設(shè)置高風(fēng)速限制以避免風(fēng)險(xiǎn)。目前普遍認(rèn)為，行人高度風(fēng)速大于5 m/s 將會對人的安全性產(chǎn)生一定的影響，因此，基于街道安全性的評價(jià)應(yīng)被視為風(fēng)環(huán)境評價(jià)的首要準(zhǔn)則。

2.2 基于機(jī)械舒適度的評價(jià)

Davenport 引入風(fēng)速頻率概念對行人高度風(fēng)速進(jìn)行舒適度分級，提出了舒適的風(fēng)速范圍[4]。Simiu 和Scanlan 使用現(xiàn)場調(diào)查、問卷調(diào)查和風(fēng)洞試驗(yàn)等方法，更全面地總結(jié)風(fēng)舒適度與室外平均風(fēng)速和風(fēng)頻之間的關(guān)系[3]。Kevin Lynch 與Gary Hack 開始使用當(dāng)量風(fēng)速來描述人的行為舒適度[5]。評價(jià)不同風(fēng)速對行人行為造成影響的風(fēng)環(huán)境機(jī)械舒適性，成為了多種風(fēng)環(huán)境評價(jià)體系中最普遍被討論的因素。

2.3 基于熱舒適度的評價(jià)

然而，僅基于機(jī)械舒適度建立的評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)仍不夠全面，丹麥技術(shù)大學(xué)PO Fanger 教授提出的熱舒適評估方法已得到國際標(biāo)準(zhǔn)化組織的批準(zhǔn)，用于描述和評估熱環(huán)境[6]。主要包含六項(xiàng)參數(shù)：①微氣候環(huán)境參數(shù)（空氣溫度Ta、風(fēng)速V、平均輻射溫度Tmrt、相對濕度H）；②人體參數(shù)（新陳代謝率M、服裝熱阻Clo）。評價(jià)方法是基于可量化計(jì)算的人體熱平衡方程，確定了大多數(shù)人的冷熱感覺。相似的熱舒適性評價(jià)標(biāo)度還有 ASHRAE標(biāo)度，已經(jīng)被主要運(yùn)用在更加可控的室內(nèi)環(huán)境中。香港中文大學(xué)的Edward Ng 教授通過實(shí)測和數(shù)據(jù)分析，得出了不同風(fēng)速、氣溫、太陽輻射下的人體舒適圖[7]。此外，Ratcliff和 Peterka（2009）提出，將風(fēng)寒（wind chill）等造成的熱舒適度問題也納入行人高度風(fēng)速評價(jià)考慮中[8]，因此，熱舒適性評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)更加全面和客觀。

2.4 基于污染物評價(jià)

早在20 世紀(jì)60 年代，美國學(xué)者 Boettger CM 發(fā)現(xiàn)風(fēng)速與空氣污染有很大關(guān)系，在研究中，將地面風(fēng)速小于3.6 m/s 作為有利當(dāng)?shù)乜諝馕廴緮U(kuò)散的重要指標(biāo)[9]。隨著生態(tài)城市和低碳建筑等問題不斷升溫，風(fēng)對熱島效應(yīng)、空氣污染物和塵埃擴(kuò)散的影響日益突出。馬劍等建立的風(fēng)環(huán)境生態(tài)指標(biāo)評價(jià)體系中考慮了城市污染區(qū)風(fēng)速指標(biāo)，生態(tài)景觀區(qū)風(fēng)速指標(biāo)等[10]。徐望月等分析了肺癌病患案例社區(qū)空間形態(tài)與室外風(fēng)環(huán)境以及顆粒物分布的相關(guān)性，提出了呼吸健康導(dǎo)向的設(shè)計(jì)原則[11]。Parham A.Mirzaei 和Fariborz Haghughat 應(yīng)對行人高度污染物難以擴(kuò)散的問題提出了一種街道通風(fēng)系統(tǒng)，并用空氣交換效率（ACH）和污染物交換效率（PCH）進(jìn)行評價(jià)，ACH 與PCH 成為了計(jì)算污染物擴(kuò)散效率的主要指標(biāo)[12]。

此外，由于風(fēng)影區(qū)以及局部的渦旋造成空氣沉積，嚴(yán)重阻礙污染物稀釋，因此，渦旋個(gè)數(shù)、渦旋平均范圍等也應(yīng)是風(fēng)環(huán)境評價(jià)的指標(biāo)。無風(fēng)區(qū)域和靜風(fēng)區(qū)域?qū)鹬T如悶熱感和體溫上升以及高濃度的空氣污染物等問題，靜風(fēng)區(qū)面積比也應(yīng)在適當(dāng)范圍之內(nèi)。

3 綜合性評價(jià)指標(biāo)及相應(yīng)算法

城市室外風(fēng)環(huán)境是一個(gè)復(fù)雜的綜合體，過去的研究多數(shù)是從單一目標(biāo)出發(fā)進(jìn)行風(fēng)環(huán)境評價(jià)和優(yōu)化，但在實(shí)際中，單一的評價(jià)指標(biāo)無法描述地塊內(nèi)的風(fēng)環(huán)境質(zhì)量，無法對建筑形態(tài)和城市布局進(jìn)行準(zhǔn)確的評價(jià)。本文嘗試從“點(diǎn)”“面”“體”“時(shí)間”四個(gè)維度總結(jié)并建立多目標(biāo)的風(fēng)環(huán)境評價(jià)指標(biāo)體系，建立全面的風(fēng)環(huán)境評價(jià)流程和框架，并給出相應(yīng)的計(jì)算方法，滿足風(fēng)環(huán)境研究不同尺度、不同層次的評價(jià)需求。

3.1 “點(diǎn)”

在風(fēng)環(huán)境評價(jià)中，應(yīng)首先考慮城市敏感區(qū)域的相關(guān)指標(biāo)。根據(jù)建筑類型與特定人群，應(yīng)當(dāng)著重考慮建筑物附近關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的風(fēng)速值。如幼托建筑和療養(yǎng)院入口和關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)，應(yīng)考慮幼兒和老人的抗風(fēng)能力，盡量減小風(fēng)速值。醫(yī)院入口不僅應(yīng)考慮風(fēng)速數(shù)值的合理范圍，還應(yīng)考慮病房和醫(yī)院附近的通風(fēng)以及污染物擴(kuò)散問題，控制內(nèi)部和附近的渦旋數(shù)量。

3.1.1 行人高度風(fēng)速

蒲福風(fēng)級中的風(fēng)速是10 m 高度處的風(fēng)速，轉(zhuǎn)化為行人高度（1.5 m）風(fēng)速（m/s）應(yīng)按下式計(jì)算：

式中，V為10 m 高度風(fēng)速；Vz為z高度的風(fēng)速；a為地面粗糙度，根據(jù)粗糙度地形分類中的B 類，取值為0.16，V的計(jì)算公式為：

式中，V為當(dāng)量風(fēng)速；Va為平均風(fēng)速；T為湍流強(qiáng)度，當(dāng)缺少信息時(shí)，可以假設(shè)V=1.5Va。

已有學(xué)者對行人高度風(fēng)速與對人行為的影響做了詳細(xì)分析，代表研究總結(jié)見表1。

此外，應(yīng)評價(jià)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的機(jī)械舒適度，以濕熱氣候的香港行人高度風(fēng)速分類為代表，可分為：滯 風(fēng)（V＜0.3 m/s）、差 舒 適（0.3 m/ s ≤V＜0.6 m/ s）、低舒適（0.6 m/ s ≤V＜1 m/ s）、基 本 舒適（1 m/ s ≤V＜1.3 m/s）與很舒適（V≥1.3 m/ s）[13]。

3.1.2 風(fēng)速放大系數(shù)

風(fēng)速放大系數(shù)即風(fēng)速比是基地內(nèi)某點(diǎn)風(fēng)速與某一風(fēng)向風(fēng)速大小的比值，用于判定風(fēng)速放大是否已到某一極限，以此評估風(fēng)環(huán)境質(zhì)量。風(fēng)速比反映的是因建筑的存在而引起風(fēng)速變化的程度，在一定風(fēng)速范圍內(nèi)風(fēng)速比是恒定的，且不隨來流風(fēng)速變化。風(fēng)速比的一般算法是：

表1 行人高度風(fēng)速對行為的影響

式中，Ri為風(fēng)速比；Vi為某風(fēng)向的風(fēng)速；V0為該風(fēng)向受擾的風(fēng)速（城市邊界層頂部風(fēng)速）。Edward Ng 對風(fēng)速比的評價(jià)方法進(jìn)行研究，提出全年考慮風(fēng)頻風(fēng)向的平均風(fēng)速比，能夠全面地評價(jià)區(qū)域內(nèi)建成建筑對風(fēng)速的影響程度[7]：

式中，F(xiàn)i是i風(fēng)向的風(fēng)頻。

《深圳綠色建筑評價(jià)規(guī)范》是國內(nèi)第一個(gè)評價(jià)風(fēng)速比的地方規(guī)范。規(guī)范指出，建筑物周圍風(fēng)速比應(yīng)小于2（行人高度1.5 m 處），城區(qū)風(fēng)速比不小于0.3 的面積占比應(yīng)高于80%[14]?！毒G色建筑評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》指出，冬季建筑室外風(fēng)速比小于2[1]。

3.1.3 渦旋個(gè)數(shù)及渦流范圍

由于局部的渦旋不利于通風(fēng)、熱島的消解以及污染物的稀釋，規(guī)劃中應(yīng)盡量避免渦流的產(chǎn)生，尤其應(yīng)避免城市關(guān)鍵區(qū)域產(chǎn)生渦旋。如城市醫(yī)療建筑附近不應(yīng)出現(xiàn)渦旋，以保證醫(yī)療污染物快速稀釋；幼托建筑和療養(yǎng)院建筑附近不應(yīng)出現(xiàn)渦旋，保證體弱者的通風(fēng)需求；城市公交樞紐附近不應(yīng)出現(xiàn)渦旋，以避免汽車排放污染物點(diǎn)狀堆積；城市公共空間不應(yīng)出現(xiàn)渦旋，有利于減少熱島效應(yīng)，同時(shí)保證其使用品質(zhì)。此外，應(yīng)考慮渦流平均范圍（總渦流范圍÷渦旋數(shù)），大渦流范圍和小渦流范圍來定量描述模擬中的渦流[15]。

3.2 “面”

由于城市空間風(fēng)環(huán)境對人體的影響主要以城市室外行人為感知主體，因此，目前絕大多數(shù)研究都取行人距地面1.5 m 處為標(biāo)準(zhǔn)高度空間作為重點(diǎn)研究的區(qū)域，包含：街道、機(jī)動車道、公共廣場、半公眾性空間等不同形式。石邢、李艷霞[16]創(chuàng)新性地將行人高度風(fēng)環(huán)境理解為三維風(fēng)環(huán)境在這一高度的兩維切面。因此，本文延續(xù)該定義進(jìn)行城市風(fēng)環(huán)境在“面”維度的評價(jià)體系研究。

3.2.1 行人高度平均風(fēng)速

目前的建筑風(fēng)環(huán)境研究中主要以平均風(fēng)速，尤其是行人高度風(fēng)速作為研究對象，行人高度平均風(fēng)速計(jì)算公式：

式中，?為平均風(fēng)速；Vn,X，Vn,y和Vn,z分別表示某點(diǎn)的個(gè)方向的瞬時(shí)分速度；n 為點(diǎn)數(shù)，在風(fēng)環(huán)境模擬中，區(qū)域被網(wǎng)格所劃分，每個(gè)網(wǎng)格中被認(rèn)為是一個(gè)單一的風(fēng)速數(shù)值，目標(biāo)區(qū)域的平均風(fēng)速計(jì)算由區(qū)域網(wǎng)格中的風(fēng)速平均得到，一般可由模擬軟件直接得出。

國內(nèi)外許多規(guī)范已經(jīng)給出相應(yīng)的條文規(guī)定。美國舊金山相關(guān)法規(guī)要求公共空間風(fēng)速應(yīng)小于等于5 m/s[17]。澳洲規(guī)劃部門規(guī)定：城市廣場、步行街道、公園等空間風(fēng)速不應(yīng)大于13 m/s，城市次干道和城市支路風(fēng)速不應(yīng)大于10 m/s，城區(qū)全部區(qū)域風(fēng)速不得超過16 m/s[18]。我國《綠色建筑評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》也指出，冬季城市空間行人高度處風(fēng)速值不應(yīng)超過5 m/s[1]。

通過對風(fēng)速與污染物的稀釋和擴(kuò)散關(guān)系的分析，劉君男指出，寒冷地區(qū)允許風(fēng)速應(yīng)為1 m/s＜V＜7 m/ s，大于7 m/s 會造成二次揚(yáng)塵[19]?！斗乐纬鞘袚P(yáng)塵污染技術(shù)規(guī)范》（FJ/T393—2007）指出，風(fēng)速大于5.5～7.9 m/ s會造成揚(yáng)塵。換算成行人高度風(fēng)速為3.6～5.2 m/ s，5.2 m/ s 可以作為是否揚(yáng)塵的界限[20]。北京市氣象局相關(guān)研究表明，城市污染物擴(kuò)散的基準(zhǔn)風(fēng)速為≥1 m/ s[20]。

3.2.2 風(fēng)速概率與超越風(fēng)速概率

在許多情況下，很難從風(fēng)速全面評價(jià)一個(gè)區(qū)域風(fēng)環(huán)境的年度情況，風(fēng)速概率和超越概率閾值評價(jià)法是指，研究全年超過某一風(fēng)速基準(zhǔn)的概率對風(fēng)環(huán)境進(jìn)行評價(jià)，這種方法是從長時(shí)間跨度來評估風(fēng)環(huán)境并考慮每個(gè)風(fēng)向的影響，而不是只考慮每個(gè)季節(jié)中的最大風(fēng)頻、風(fēng)向或常年風(fēng)向。

根據(jù)波士頓《城市建筑管理指南》規(guī)定，高度在47 m 以上的建筑，其周邊風(fēng)速超過13 m/ s 的時(shí)間頻率不能超過1%[18]。舊金山有關(guān)環(huán)境管理的法規(guī)規(guī)定，高度在91 m 以上的建筑，其周圍風(fēng)速超過 11.6 m/ s的時(shí)間每年不準(zhǔn)超過1 h，在建筑物周圍的公共休閑區(qū)風(fēng)速不能超過5 m/ s[21]。B.Blocken 根據(jù)超越風(fēng)速閥值的概率，將風(fēng)舒適度分為五個(gè)等級（A～E），并判斷風(fēng)環(huán)境對行人不同活動類型的影響情況（表2 ）[22]。

表2 超越風(fēng)速概率與風(fēng)舒適度等級

1981 年，風(fēng)環(huán)境學(xué)者Kitotaka Deguchi 與Shuzo Murakami 提出了臨界風(fēng)速的概念，并給出了一系列具體條件以滿足舒適度要求[23]。1998年，Michael J.Soligo 也提出一套基于不同行為的臨界風(fēng)速及頻率的評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)（表3）[24]。

表3 行為舒適的臨界風(fēng)速及頻率

3.2.3 強(qiáng)風(fēng)區(qū)面積比與靜風(fēng)區(qū)面積比

城市中的風(fēng)速過大會使污染物發(fā)生二次揚(yáng)塵，并產(chǎn)生安全隱患，風(fēng)速過小會導(dǎo)致熱島聚集、余熱和污染物均難以擴(kuò)散、體感悶熱等情況。風(fēng)力過大的區(qū)域?yàn)閺?qiáng)風(fēng)區(qū)，風(fēng)速過小的區(qū)域?yàn)殪o風(fēng)區(qū)，所以，很多學(xué)者在研究中討論計(jì)算域中強(qiáng)風(fēng)區(qū)和靜風(fēng)區(qū)與總體區(qū)域的面積比，能夠全年考量計(jì)算域的風(fēng)環(huán)境分布情況，而不是僅考慮平均風(fēng)速。

大部分研究均將靜風(fēng)區(qū)定義為風(fēng)速低于1 m/ s[15,18,21]，而強(qiáng)風(fēng)區(qū)的設(shè)置稍有不同。前文已經(jīng)提到，在北方地區(qū)寒冷的冬季，風(fēng)速大于5 m/ s已經(jīng)可以對地面活動造成較明顯的影響。林博[18]在對重慶市化龍橋片區(qū)更新規(guī)劃的CFD 模擬評價(jià)中，定義風(fēng)速大于5 m/ s 為強(qiáng)風(fēng)區(qū)；曾穗平在其博士論文中，將強(qiáng)風(fēng)區(qū)定義為風(fēng)速大于7.3 m/ s 的區(qū)域[15]。

3.2.4 風(fēng)速離散度

在城市中，由于諸多建筑物的影響，很可能在小范圍內(nèi)風(fēng)速存在很大差異。行人高度風(fēng)速分布是否均勻，即風(fēng)速離散度，也應(yīng)當(dāng)被納入風(fēng)環(huán)境的指標(biāo)中。在統(tǒng)計(jì)學(xué)中，數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)偏差通常用于測量數(shù)據(jù)集的分散程度。計(jì)算風(fēng)速離散度的方法有：極差（Range）;四分位距（Interquartile Range）;方差（Variance）;標(biāo)準(zhǔn)差（Standard Deviation）;平均差（Mean Deviation），離散度越小，風(fēng)速分布越均勻，反之亦然。研究表明，小范圍的風(fēng)速變化超過70%，人們的舒適度將大大降低。

3.2.5 建筑前后壓差

風(fēng)壓是風(fēng)流產(chǎn)生的重要驅(qū)動力。對于建筑單體，建筑物前后壓力差指建筑物迎風(fēng)和背風(fēng)面兩個(gè)表面之間的氣壓差，其大小與室內(nèi)自然通風(fēng)息息相關(guān)。對于城區(qū)，城市中不同位置的建筑之前和之后的風(fēng)壓差與城市通風(fēng)和污染物擴(kuò)散密切相關(guān)，建筑前后的壓力差越大，城市通風(fēng)的可行性越高，通風(fēng)潛力越大，反之亦然。因此，行人高度建筑前后壓力差的數(shù)值越大，對風(fēng)環(huán)境越有利。然而如果風(fēng)壓太大，將不利于冬季保溫；如果風(fēng)壓太小，則不利于建筑和區(qū)域的自然通風(fēng)。因此，我國《綠色建筑評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》[1]規(guī)定，冬季：除迎風(fēng)方向第一排建筑外，建筑迎風(fēng)面與背風(fēng)面壓差小于5 Pa；夏季：75%以上的板式建筑的前后應(yīng)有1.5 Pa 的風(fēng)壓差。

3.3 “體”

基于衛(wèi)生性準(zhǔn)則，考慮城市污染物擴(kuò)散，則風(fēng)環(huán)境評價(jià)的尺度應(yīng)擴(kuò)大到三維連續(xù)城市空間，即“體”分析域的范圍（圖1）。

3.3.1 空氣齡

城市空氣的新鮮程度可以通過假想邊界中的空氣齡來描述，空氣齡是室內(nèi)環(huán)境控制領(lǐng)域內(nèi)一項(xiàng)重要的評價(jià)指標(biāo)，其意義是進(jìn)入室內(nèi)的新鮮空氣取代原有空氣的速度[13]。將用于室內(nèi)的空氣齡指標(biāo)引伸到城市尺度，如圖2 所示，城市空間空氣流入的區(qū)域空氣最為新鮮，此處空氣停留的時(shí)間最短（接近零），新鮮空氣取代原有空氣的速度最快。根據(jù)氣流的分布，最陳舊的空氣常出現(xiàn)在渦旋處或者風(fēng)影區(qū)，在此處新鮮空氣取代原有空氣的速度最慢。

可以通過示蹤氣體濃度的自然衰減方法來確定空氣齡。初始示蹤氣體濃度最高，其濃度會隨著時(shí)間的推移而降低。濃度和時(shí)間之間的關(guān)系以及由坐標(biāo)軸包圍區(qū)域的面積反映該點(diǎn)的空氣的新鮮度（圖3）[25]。

故某一測點(diǎn)A 空氣齡的定義式為曲線下面積與初始濃度之比，其表達(dá)式為：

式中，Co為A點(diǎn)的初始濃度（kg/ m3），C為瞬時(shí)速度（m/s）。

計(jì)算區(qū)域的平均空氣齡為：

圖1 建筑周邊三維分析域示意圖

圖2 城區(qū)空氣置換示意圖

圖3 示蹤氣體濃度積分與空氣齡計(jì)算

式中，Cp為排出空氣濃度（kg/ m3）。

一些學(xué)者對城市風(fēng)環(huán)境的空氣齡進(jìn)行研究，Jian Hang 等人指出，城市尺度空氣齡主要反映新鮮空氣在進(jìn)入城市空間后，從區(qū)域中的某點(diǎn)到達(dá)另一點(diǎn)所需的時(shí)間[13]。Riccardo Buccolieri[26]等人也將平均空氣齡概念引入對城市呼吸性能的評價(jià)體系中，曾穗平[15]也提到了用均勻配置示蹤氣體散發(fā)源的方法，用下式對空氣齡數(shù)值進(jìn)行計(jì)算，空氣齡的數(shù)值越低，說明城市呼吸性能越好：

其中，C為某處示蹤氣體濃度（kg/ m3），m為均勻的示蹤氣體排放率，m=10-5kg/ m3s，為空氣齡（s）。目前，一些針對建筑領(lǐng)域的流體模擬軟件內(nèi)置了空氣齡的計(jì)算，如Fluent Airpak，但許多經(jīng)典的模擬軟件尚不支持[27]，曾穗平利用UDF（User Defined Function）定義空氣齡的計(jì)算方法，由模擬軟件直接計(jì)算出空氣齡云圖[15]，這種方法可以為研究者提供思路。

3.3.2 通風(fēng)效率

通風(fēng)效率用于評價(jià)室內(nèi)通風(fēng)排除污染物能力。目前，僅有少數(shù)學(xué)者使用通風(fēng)效率作為城市風(fēng)環(huán)境的評價(jià)指標(biāo)，但事實(shí)上，通風(fēng)效率確實(shí)可以作為一個(gè)有力的評價(jià)指標(biāo)解耦城市風(fēng)環(huán)境與城區(qū)的污染物擴(kuò)散。通風(fēng)效率為出口邊界處污染物濃度與計(jì)算域內(nèi)平均濃度之比，其物理意義是指移除城區(qū)污染物的迅速程度：

式（10）是以進(jìn)風(fēng)濃度Co=0 為條件，否則應(yīng)為：

通風(fēng)效率也可用空氣齡和被污染氣流的排出時(shí)間來表示，如下：

式中，為計(jì)算域內(nèi)平均濃度（kg/ m3）；V為計(jì)算域體積（m3）；為排空時(shí)間（s）；MC為污染物單位發(fā)生量（kg/s）。

用換氣量G 除以上式，注意到Mc/G=Cp的關(guān)系，可得：

當(dāng)建筑規(guī)劃設(shè)計(jì)構(gòu)造出合理的氣流組織，使得污染物直接流向出流邊界時(shí)，則排出時(shí)間最短。以室內(nèi)為研究對象的通風(fēng)效率指出，比較接近活塞流的置換通風(fēng)值往往遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于值，故其通風(fēng)效率較高，實(shí)驗(yàn)表明，E=1～4，而混合通風(fēng)中的E≈1 指的是平均效率。但應(yīng)用于城市的通風(fēng)效率還需要類似的原型研究。很多學(xué)者對于城區(qū)污染物擴(kuò)散的研究目標(biāo)，僅是以相較原本污染物濃度水平降低為導(dǎo)向，沒有提及污染物通風(fēng)效率的指標(biāo)，也缺乏污染物濃度基準(zhǔn)線的討論，相關(guān)數(shù)值準(zhǔn)則尚有空白，亟待風(fēng)環(huán)境學(xué)者的進(jìn)一步研究。

3.4 “時(shí)間”

3.4.1 不同季節(jié)的熱舒適性

人體熱舒適度是指一定數(shù)量的人群在感受外界氣象環(huán)境時(shí)的舒適感指標(biāo)。它體現(xiàn)了空氣溫度、濕度、風(fēng)速等要素對人體的綜合影響，具體熱舒適度的評價(jià)指標(biāo)包括體感溫度、實(shí)測溫度、相對濕度，以及風(fēng)冷力指數(shù)、不舒適指數(shù)、炎熱指數(shù)等。因此，本文擬在風(fēng)環(huán)境研究中，根據(jù)不同季節(jié)，采用不同的評價(jià)指數(shù)，即在夏季采用炎熱指數(shù)反映舒適度，冬季用風(fēng)冷力指數(shù)，春秋季則用實(shí)感溫度。其計(jì)算公式如下。

式中，t為日平均溫度（℃）；V為日平均風(fēng)速（m/s）；RH為日平均濕度（%）；ta為環(huán)境空氣溫度（℃）；ET、K和q分別代表的是實(shí)感溫度、炎熱指數(shù)和風(fēng)冷力指數(shù)。根據(jù)人們的對舒適度感受程度的差異，可以分5個(gè)評價(jià)等級的舒適度指數(shù)，具體內(nèi)容見表4。

3.4.2 戶外熱舒適度圖

香港中文大學(xué)的Edward Ng 教授進(jìn)行了廣泛的現(xiàn)場測量和數(shù)據(jù)分析。研究春夏季戶外人體舒適度與風(fēng)速、氣溫和太陽輻射強(qiáng)度的關(guān)系。在不同的人類行為模式和不同的室外氣溫和太陽輻射強(qiáng)度下，人體的熱舒適度與風(fēng)速的相關(guān)性得以量化分析研究

表4 不同舒適度指數(shù)范圍及人體感覺程度

[6]?？芍苯永脠D4 判斷目標(biāo)區(qū)域行人是否處于舒適度區(qū)間。

4 綜合評價(jià)路線圖

當(dāng)前建筑室外風(fēng)環(huán)境模擬工作主要依賴于CFD 數(shù)值模擬軟件，在輸入建筑模型與一系列環(huán)境參數(shù)與邊界條件后，即可結(jié)合網(wǎng)格精度開展計(jì)算工作。某些商業(yè)軟件，如Star CCM，可根據(jù)模擬結(jié)果，直接選取評價(jià)指標(biāo)或輸入特定指標(biāo)計(jì)算公式進(jìn)行二次計(jì)算，最終得到一個(gè)綜合性的風(fēng)環(huán)境評價(jià)結(jié)果（圖5）。不同評價(jià)指標(biāo)可對應(yīng)不同的項(xiàng)目或行業(yè)需求。

圖4 香港戶外熱舒適度圖

圖5 建筑風(fēng)環(huán)境數(shù)值模擬綜合評價(jià)路線圖

5 結(jié)語

基于廣泛的文獻(xiàn)調(diào)研，本文將風(fēng)環(huán)境評價(jià)指標(biāo)歸納為“點(diǎn)”“面”“體”“時(shí)間”四個(gè)方面，分別討論每項(xiàng)指標(biāo)的意義、計(jì)算方法和評價(jià)準(zhǔn)則，并給出從原始數(shù)據(jù)到模擬結(jié)果進(jìn)一步進(jìn)行環(huán)境評價(jià)的路線圖，有助于學(xué)者和設(shè)計(jì)師全面多維綜合地評價(jià)城市和建筑風(fēng)環(huán)境，并用于指導(dǎo)工程實(shí)踐，構(gòu)建綠色、健康、舒適、可持續(xù)的人居環(huán)境。