基于正交試驗(yàn)的大學(xué)校園室外風(fēng)環(huán)境優(yōu)化設(shè)計

王艷霞 楊鵬 孫婷

【摘? ?要】? ?利用數(shù)值模擬技術(shù)分析室外風(fēng)環(huán)境狀況，以正交試驗(yàn)為研究方法，探討建筑布局、建筑長度、建筑間距等多因素對室外風(fēng)環(huán)境的影響。通過試驗(yàn)得到的13組試驗(yàn)組合，以平均風(fēng)速與平均空氣齡為風(fēng)環(huán)境的評價指標(biāo)，利用Design Expert對風(fēng)環(huán)境影響因素進(jìn)行響應(yīng)面分析，再根據(jù)分析結(jié)果確定最優(yōu)的試驗(yàn)組合。研究表明行列式布局、建筑長度70 m及建筑間距25 m是最優(yōu)組合，能夠有效改善校園風(fēng)環(huán)境現(xiàn)狀。

【關(guān)鍵詞】? ?風(fēng)環(huán)境；數(shù)值模擬；正交試驗(yàn)；響應(yīng)度分析

Research on the Optimization Design of Outdoor Wind Environment

of University Campus Based on Orthogonal Test

——Take Hebei Engineering University as An Example

Wang Yanxia1，2*， Yang Peng1，2， Sun Ting3

（1. Hebei Engineering University， Handan 056107，? China; 2. Key Laboratory of Building Physical Environment and Regional Building Protection Technology， Handan 056107， China;

3. Sichuan Research Institute of Ecological and Environmental Sciences， Chengdu 610041， China）

【Abstract】? ? Numerical simulation technology was used to analyze the current wind environment condition， and orthogonal tests were used as the research method to explore the influence of multiple factors such as building layout， building length and building spacing on the outdoor wind environment. The 13 sets of test combinations obtained from the tests were evaluated by using the average wind speed and the average air age as the wind environment evaluation index， and the response surface analysis of the wind environment influencing factors was conducted by using Design Expert， and then the optimal test combination was determined according to the analysis results. The study shows that the optimal combination of row layout， building length of 70 meters and building spacing of 25 meters can effectively improve the current wind environment of the campus.

【Key words】? ? ?wind environment; numerical simulation; orthogonal test; responsivity analysis

〔中圖分類號〕? TU14? ? ? ? ? ? ? ? ?〔文獻(xiàn)標(biāo)識碼〕? A ? ? ? ? ? ? ?〔文章編號〕 1674 - 3229（2023）01- 0075 - 07

0? ? ?引言

大學(xué)校園位于城市節(jié)點(diǎn)中，室外風(fēng)環(huán)境和城市建設(shè)發(fā)展聯(lián)系密切。史北祥等［1］分別從城市尺度、街區(qū)尺度、建筑尺度出發(fā)研究了不同尺度下的城市風(fēng)安全和城市健康。校園作為人群聚集較多的場所，其內(nèi)部的風(fēng)環(huán)境質(zhì)量應(yīng)該得到有效保障，為師生營造舒適和健康的生活、學(xué)習(xí)的環(huán)境。通過文獻(xiàn)分析和調(diào)研發(fā)現(xiàn)建筑院落空間容易產(chǎn)生較大面積靜風(fēng)區(qū)和局部強(qiáng)風(fēng)區(qū)，而局部強(qiáng)風(fēng)區(qū)在強(qiáng)風(fēng)季節(jié)容易引起風(fēng)險，靜風(fēng)區(qū)不利于夏季的通風(fēng)散熱及污染空氣的擴(kuò)散［2］。

近年來隨著計算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，計算流體力學(xué)（CFD）相關(guān)的工具得到了較大的改進(jìn)，其中運(yùn)用較多的有Phoenics、Fluent、Airpak等。莊智等［3］對常見的CFD模擬工具分別從應(yīng)用范圍、數(shù)學(xué)模型、計算能力等多方面進(jìn)行了對比分析，為后續(xù)風(fēng)環(huán)境的研究進(jìn)行了技術(shù)要點(diǎn)的總結(jié)。經(jīng)過諸多學(xué)者多次的試驗(yàn)驗(yàn)證，證明Phoenics有足夠的可靠性和精度，能真實(shí)有效地分析試驗(yàn)的場景［4-5］。目前國內(nèi)校園風(fēng)環(huán)境的相關(guān)研究主要是從微觀、宏觀層面進(jìn)行研究［6］，較多的研究集中在對校園廣場空間、建筑群組團(tuán)的空間布局以及建筑周圍綠化等大空間范圍方面［7-9］，缺乏對校園內(nèi)部更細(xì)節(jié)空間節(jié)點(diǎn)的研究，對校園空間的研究主要為室外熱舒適性及內(nèi)部高寬比和室外風(fēng)環(huán)境相關(guān)性的研究［10］。綠色校園建設(shè)不是一種普遍適用的簡單技術(shù)拼湊的方案， 它要求建筑師因地制宜， 根據(jù)特定的氣候條件、地理環(huán)境以及建筑特點(diǎn)， 從建筑設(shè)計的源頭去把握綠色理念［11］。總的來說，關(guān)于校園空間研究還不充分，還處于調(diào)整空間尺度和宏觀優(yōu)化分析層面。對高校室外風(fēng)環(huán)境的研究主要為單因素的分析，即研究單個影響因子與風(fēng)環(huán)境的關(guān)系。然而實(shí)際風(fēng)環(huán)境影響因素是多元化的，需要在多因素的共同影響下探討作用結(jié)果。本研究以正交試驗(yàn)為研究方法，對影響風(fēng)環(huán)境有關(guān)的多因素進(jìn)行耦合分析，得出有效的解決策略以獲得更舒適的校園風(fēng)環(huán)境， 將綠色建筑理念應(yīng)用于建筑方案設(shè)計中， 遵循可持續(xù)發(fā)展思想， 秉持能源最優(yōu)化的原則， 推進(jìn)綠色建筑的全面發(fā)展［12］。

1? ? ?研究概況

研究對象為河北工程大學(xué)新校區(qū)，校園內(nèi)現(xiàn)有建筑共50棟，建筑布局為圍合、半圍合形態(tài)，建筑均為多層，最高建筑約為32m，校園平面布置如圖 1所示。

2? ? ?風(fēng)環(huán)境模擬的條件及可行性驗(yàn)證

2.1? ?幾何模型及參數(shù)設(shè)置

室外風(fēng)環(huán)境的研究采用CFD數(shù)值模擬的方法，以Phoenics 2019為分析工具，依據(jù)《民用建筑綠色性能計算標(biāo)準(zhǔn)JGJ/T 449-2018》，需建出周邊1H～2H的建筑（H為最高建筑的高度），由于研究對象位于市郊區(qū)且周圍空曠，附近建筑均超過2H范圍。場地模型區(qū)域尺寸為東西向1469.50m，南北向?yàn)?125.16 m，最高建筑為32m。模擬計算域?yàn)?500 m×5200 m×165 m。網(wǎng)格數(shù)量的設(shè)置也是影響分析精度的重大影響因素，在人行高度處5個網(wǎng)格，最小網(wǎng)格設(shè)定為1m，采取局部加密措施，網(wǎng)格過渡比為1.1，滿足“網(wǎng)格過渡比不大于1.3”的要求。模擬采用[k-ε]湍流模型，迭代次數(shù)為2000次。收斂精度為0.0001，計算達(dá)到收斂即停止，在保證精度的同時也節(jié)省計算機(jī)運(yùn)算的時間成本，在此精度下，同一項目多次試驗(yàn)誤差近為0［13］。

2.2? ?可行性驗(yàn)證

為了驗(yàn)證仿真模擬的準(zhǔn)確性，對模擬與實(shí)測結(jié)果進(jìn)行對比。本次實(shí)測點(diǎn)位選取包含了教學(xué)區(qū)、生活區(qū)建筑間的庭院空間、主要通風(fēng)廊道處、建筑的尾流區(qū)、峽谷風(fēng)形成區(qū)、校園圖書館前廣場、室外運(yùn)動場地等。為了使實(shí)測數(shù)據(jù)更具有效性和準(zhǔn)確性，分別在每個點(diǎn)位處測量10組瞬時數(shù)據(jù)，方便后期對測量數(shù)據(jù)進(jìn)行誤差分析和準(zhǔn)確性判斷。本次室外風(fēng)環(huán)境研究主要針對夏季、冬季條件下的室外風(fēng)環(huán)境分析，因此實(shí)測時間分別在夏季、冬季展開，測試天氣選擇較為晴朗的天氣，要盡可能避免極端天氣對測試數(shù)據(jù)的影響，最終冬季實(shí)測時間為2021年12月15日與2021年12月23日；夏季的實(shí)測時間為2022年6月28日與2022年7月3日。實(shí)測時間選擇9：00～18：00，實(shí)測與模擬結(jié)果對比如圖 2所示。

為了分析模擬數(shù)據(jù)的可行性，分別對夏季、冬季測量與模擬的結(jié)果進(jìn)行均方根誤差分析，夏季的均方根誤差為0.39，冬季為0.32，數(shù)值范圍在0.2～0.5之間，證明模擬數(shù)據(jù)和實(shí)測數(shù)據(jù)的契合度較好，用CFD數(shù)值模擬能較好地反映實(shí)際風(fēng)環(huán)境的變化趨勢。

3? ? ?校園風(fēng)環(huán)境現(xiàn)狀分析

3.1? ?夏季工況

根據(jù)《綠色建筑評價標(biāo)準(zhǔn)GB/T50378-2019》及邯鄲市地域氣候特征，將1.0～3.3 m/s界定為舒適風(fēng)區(qū)，小于0.5m/s為靜風(fēng)區(qū)。夏季風(fēng)環(huán)境模擬如圖 3（a）所示，計算域內(nèi)風(fēng)速由南向北有逐漸遞減的趨勢。從風(fēng)速云圖可見建筑周邊多數(shù)區(qū)域?qū)儆陟o風(fēng)區(qū)，在夏季不利于通風(fēng)散熱，達(dá)不到自然通風(fēng)的條件就會增加空調(diào)設(shè)備的使用。在一社區(qū)D、C座與一食堂之間由于空間變得狹窄形成了“峽谷風(fēng)”。此處與11號樓之間后期加建了一處垃圾處理站，此處在風(fēng)力作用下會把垃圾氣味導(dǎo)入生活區(qū)，容產(chǎn)生成揚(yáng)塵，造成空氣污染。一社區(qū)C樓處于D樓的風(fēng)影區(qū)內(nèi)，二社區(qū)E樓其建筑形式呈現(xiàn)一定夾角，造成前圍合產(chǎn)生大面積的靜風(fēng)區(qū)。三社區(qū)整體通風(fēng)狀況良好，風(fēng)向流動通透。四社區(qū)B、D座通風(fēng)狀況良好，靜風(fēng)區(qū)面積較小，而A、C座處于B、D座的風(fēng)影區(qū)內(nèi)，風(fēng)速流動較小，空氣炎熱。

教學(xué)區(qū)由于建筑間距較大，通風(fēng)狀況良好，在1號樓圖書館的西南角與東南角由于風(fēng)速驟變形成了 “拐角區(qū)”。5、6號樓處于校園的最南部，其迎風(fēng)面的風(fēng)速達(dá)到5.13 m/s，已經(jīng)超出了舒適風(fēng)的范圍，在該處應(yīng)該加強(qiáng)來流風(fēng)的阻擋。9號樓與主導(dǎo)風(fēng)向成銳角的形式，造成尖角區(qū)風(fēng)速加大形成“拐角區(qū)”。16、18號樓位于校園“通風(fēng)廊道”上，此處遮擋物較少迎風(fēng)面風(fēng)速較大，有利于夏季帶走熱量。3號樓北側(cè)圍合范圍風(fēng)速較小，通風(fēng)不佳，同組團(tuán)內(nèi)的36、37號樓圍合的院落空間形成氣流死區(qū)。

生活區(qū)自然通風(fēng)狀況不佳，是因?yàn)榻ㄖg距較小、建筑布局、建筑體量朝向方式不當(dāng)?shù)仍斐上募敬竺娣e的靜風(fēng)區(qū)。教學(xué)組團(tuán)由于各建筑間距較大，通風(fēng)狀況良好。

3.2? ?冬季工況

冬季校園風(fēng)環(huán)境現(xiàn)狀如圖 3（b）所示。在冬季主導(dǎo)風(fēng)向下，人行高度的最大風(fēng)速為3.47 m/s，整體風(fēng)環(huán)境的情況和夏季主導(dǎo)風(fēng)向相似，一社區(qū)、二社區(qū)、四社區(qū)的風(fēng)影區(qū)面積比夏季稍大，冬季自然通風(fēng)力較低。教學(xué)區(qū)的風(fēng)環(huán)境比夏季略好，空氣流通自然。在1號樓圖書館的迎風(fēng)面的西北、東北角風(fēng)速較大出現(xiàn)了“拐角風(fēng)”。另外，在冬季主導(dǎo)風(fēng)下校園內(nèi)的東西側(cè)及南側(cè)的主干道形成了風(fēng)速較大的“通風(fēng)廊道”，人體感覺不舒適。

4? ? ?基于正交試驗(yàn)的多因素模擬分析

通過對現(xiàn)狀風(fēng)環(huán)境的模擬，發(fā)現(xiàn)在主導(dǎo)風(fēng)作用下存在大面積的靜風(fēng)區(qū)，此狀況不利于夏季散熱和冬季空氣流通?？偨Y(jié)發(fā)現(xiàn)對風(fēng)環(huán)境影響較大的因素有空間布局、建筑長度、建筑間距等，而實(shí)際風(fēng)環(huán)境的影響要素是多元復(fù)合的，因此，用正交試驗(yàn)的方法研究各因素對風(fēng)環(huán)境的影響程度，并以平均風(fēng)速、空氣齡作為試驗(yàn)的評價指標(biāo)。

前期調(diào)研主要使用Google Earth對建筑迎風(fēng)面的長度及建筑間距進(jìn)行測量，此處的間距取建筑四個方位的正向距離，測量示意圖如圖 4所示。對測量到的數(shù)據(jù)首先進(jìn)行樣本分析，如圖 5所示。對測量后的數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選，求出建筑長度的平均值為74.36 m，建筑間距平均值為26.81 m。

4.1? ?正交試驗(yàn)設(shè)計

通過對風(fēng)環(huán)境相關(guān)文獻(xiàn)分析并結(jié)合實(shí)際情況，將建筑布局、建筑長度、建筑間距作為風(fēng)環(huán)境的主要影響因素，每個因素取三個水平，建筑布局取圍合架空式、三面圍合式、行列式；建筑長度在平均值的基礎(chǔ)上分別取70 m、75 m、80 m；建筑間距取25 m、30 m、35 m，因素水平設(shè)計如表 1所示。

4.2? ?多因素風(fēng)環(huán)境的模擬分析

首先根據(jù)表 1中的因素及水平選取范圍，以Design Expert 12構(gòu)建正交設(shè)計表得到13組試驗(yàn)組合。其次對13組試驗(yàn)組合分別進(jìn)行風(fēng)環(huán)境數(shù)值模擬，在每組試驗(yàn)?zāi)Ｐ椭羞x取200個測試點(diǎn)分別計算出平均風(fēng)速與平均空氣齡，經(jīng)過數(shù)據(jù)統(tǒng)計得到正交試驗(yàn)結(jié)果，如表 2所示。

根據(jù)表2的數(shù)據(jù)樣本，通過Design Expert數(shù)據(jù)分析得到平均風(fēng)速、平均空氣齡的二次多項式回歸模型為：Y1=2.71+0.12A-0.10B-0.06C-0.10AB+0.25AC-0.04BC-1.08A2-0.02B2+0.06C2

Y2=325.75-0.11A+5.45B+1.52C+10.16AB-10.71AC+2.74BC+26.12A2-6.64B2-4.91C2

式中：Y1為平均風(fēng)速；Y2為平均空氣齡；A為建筑布局；B為建筑長度；C為建筑間距。

回歸模型的方差分析結(jié)果如表 3、表 4所示，Y1模型均方為4.23，平方和為0.47，F(xiàn)值為14.82，P值為0.0242，計算表示模型顯著，說明本次試驗(yàn)的數(shù)據(jù)有效。在Y1回歸模型中，試驗(yàn)因素對平均風(fēng)速的影響從大到小依次為建筑布局、建筑長度、建筑間距。Y2模型均方3962.95，平方和440.33，F(xiàn)值40.83，P值0.0056，計算模型顯著，試驗(yàn)數(shù)據(jù)有效。在Y2回歸模型中，試驗(yàn)因素對平均空氣齡的影響從大到小依次為建筑長度、建筑間距、建筑布局。Y1模型的決定系數(shù)R2為0.9780，校正決定系數(shù)為0.9120；Y2模型的決定系數(shù)R2為0.9919，校正決定系數(shù)為0.9676，兩系數(shù)均接近于1。兩模型的變異系數(shù)與精密度分別為：8.61%、0.98%和10.3142、18.4719，說明平均風(fēng)速與平均空氣齡回歸模型具有可靠性。

根據(jù)回歸模型分析結(jié)果，繪制各因素交互效應(yīng)3D響應(yīng)面曲線，平均風(fēng)速響應(yīng)面分析如圖 6所示。當(dāng)建筑布局為行列式時，建筑長度由80 m降到70 m過程中，其平均風(fēng)速變大，最大為2.79 m/s，圍合架空式及三面圍合式的布局同理，但平均風(fēng)速相對沒有行列式大，說明建筑長度對風(fēng)速的影響顯著；建筑布局為行列式時，隨著建筑間距從35 m到25 m的遞減，其平均風(fēng)速先緩慢減小再逐漸增加，在間距為25 m時達(dá)到峰值2.83 m/s，當(dāng)建筑布局為圍合架空且建筑間距為35 m時，平均風(fēng)速最低，并且隨著建筑間距的減小，其風(fēng)速有明顯的遞增的趨勢；建筑長度與建筑間距對平均風(fēng)速的影響如圖 6所示，建筑長度由70 m到80 m的過程中，建筑間距越大，平均風(fēng)速越小，當(dāng)建筑長度由大變小，平均風(fēng)速隨著間距的增大而增大。

平均空氣齡的響應(yīng)度分析如圖 7所示，當(dāng)建筑布局為行列式時，建筑長度越小，其平均空氣齡越小，最小值為313.829 s，表明此試驗(yàn)組合下的空氣迭代更新的越快，空氣品質(zhì)越好，當(dāng)建筑布局為三面圍合式時，建筑越長其空氣齡越大，峰值為362.35 s，建筑布局為圍合架空式時，隨著建筑長度的增大其空氣齡有遞減的趨勢；當(dāng)布局為行列式時，建筑間距由大到小其空氣齡先增大再減小，在25 m時達(dá)到最小319.418 s，當(dāng)布局為圍合架空時，間距越小其空氣齡越小，當(dāng)布局為三面圍合時與之相反；當(dāng)建筑間距逐漸變小時，隨著長度的增加，空氣齡先增大再減小，建筑長度逐漸變小時，隨著間距的增加也是先增大再減小的趨勢。綜上所述，通過對影響因素的響應(yīng)面分析，發(fā)現(xiàn)建筑布局對平均風(fēng)速與平均空氣齡的影響是最大的，當(dāng)布局為行列式，間距與長度同時都減小時，平均風(fēng)速數(shù)值較大，有利于夏季通風(fēng)及節(jié)能，也能說明行列式布局對風(fēng)環(huán)境的影響是最顯著的。

4.3? ?最優(yōu)方案及優(yōu)化策略

針對平均風(fēng)速與平均空氣齡的二次多項式回歸模型，對13組正交試驗(yàn)組合以平均風(fēng)速最大、平均空氣齡最小為條件進(jìn)行優(yōu)選，求解回歸模型得到的最優(yōu)選為行列式布局、建筑長度70 m、建筑間距25 m的實(shí)驗(yàn)組合。

為了驗(yàn)證結(jié)果的可行性，將優(yōu)選組合進(jìn)行風(fēng)環(huán)境模擬與現(xiàn)狀校園風(fēng)環(huán)境進(jìn)行對比，如圖 8所示。通過分析圖能看出，行列式的布局對靜風(fēng)區(qū)面積有較大的改善，促進(jìn)了局部空氣的流通。另外，在數(shù)據(jù)對比上優(yōu)化前的舒適風(fēng)面積占比82.39%，而優(yōu)化后的數(shù)據(jù)為92.44%。綜上，歸納出校園的風(fēng)環(huán)境改善策略如下。

在建筑布局方面，盡可能減少圍合式布局，采用行列式布局。在建筑間距方面，一定的建筑間距能較大改善前后排建筑的靜風(fēng)區(qū)面積占比，避免后排建筑處于前排的風(fēng)影區(qū)內(nèi)。在建筑長度方面，通過響應(yīng)度的分析可知建筑長度是影響空氣齡的最大的影響因素，因此將建筑長度設(shè)計為70 m是比較合適的，可以有效緩解通風(fēng)的不均勻性，有利于夏季通風(fēng)。

5? ? ?結(jié)論

本文以正交試驗(yàn)為研究方法，探討建筑布局、建筑長度、建筑間距等多因素對校園室外風(fēng)環(huán)境的影響，通過試驗(yàn)得到13組試驗(yàn)組合，再分別對每一個組合進(jìn)行風(fēng)環(huán)境模擬，以平均風(fēng)速與平均空氣齡為風(fēng)環(huán)境的評價指標(biāo)。利用Design Expert對風(fēng)環(huán)境影響因素進(jìn)行響應(yīng)面分析，再根據(jù)分析結(jié)果確定最優(yōu)的試驗(yàn)組合，得到以下結(jié)論。

（1）影響平均風(fēng)速的因素排序?yàn)榻ㄖ季?、建筑長度、建筑間距。

（2）影響平均空氣齡的因素排序?yàn)榻ㄖL度、建筑間距、建筑布局。

（3）通過優(yōu)選得到組合為行列式、建筑長度70 m、建筑間距25 m的試驗(yàn)組合是對風(fēng)環(huán)境改善影響最大的，為后續(xù)的校園規(guī)劃設(shè)計提供了參考依據(jù)。

（4）通過正交試驗(yàn)的方法調(diào)整建筑群的空間布局，將氣流引入建筑組團(tuán)內(nèi)部，可改善建筑室外風(fēng)環(huán)境，減小靜風(fēng)區(qū)面積占比，為校園提供舒適的室外風(fēng)環(huán)境。

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