基于正交试验的大学校园室外风环境优化设计

2023-06-12王艳霞杨鹏孙婷

廊坊师范学院学报(自然科学版) 2023年1期

王艳霞杨鹏孙婷

【摘要】利用数值模拟技术分析室外风环境状况，以正交试验为研究方法，探讨建筑布局、建筑长度、建筑间距等多因素对室外风环境的影响。通过试验得到的13组试验组合，以平均风速与平均空气龄为风环境的评价指标，利用Design Expert对风环境影响因素进行响应面分析，再根据分析结果确定最优的试验组合。研究表明行列式布局、建筑长度70 m及建筑间距25 m是最优组合，能够有效改善校园风环境现状。

【关键词】风环境；数值模拟；正交试验；响应度分析

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

〔中圖分类号〕 TU14 〔文献标识码〕 A 〔文章编号〕 1674 - 3229（2023）01- 0075 - 07

0 引言

大学校园位于城市节点中，室外风环境和城市建设发展联系密切。史北祥等［1］分别从城市尺度、街区尺度、建筑尺度出发研究了不同尺度下的城市风安全和城市健康。校园作为人群聚集较多的场所，其内部的风环境质量应该得到有效保障，为师生营造舒适和健康的生活、学习的环境。通过文献分析和调研发现建筑院落空间容易产生较大面积静风区和局部强风区，而局部强风区在强风季节容易引起风险，静风区不利于夏季的通风散热及污染空气的扩散［2］。

近年来随着计算机技术的不断发展，计算流体力学（CFD）相关的工具得到了较大的改进，其中运用较多的有Phoenics、Fluent、Airpak等。庄智等［3］对常见的CFD模拟工具分别从应用范围、数学模型、计算能力等多方面进行了对比分析，为后续风环境的研究进行了技术要点的总结。经过诸多学者多次的试验验证，证明Phoenics有足够的可靠性和精度，能真实有效地分析试验的场景［4-5］。目前国内校园风环境的相关研究主要是从微观、宏观层面进行研究［6］，较多的研究集中在对校园广场空间、建筑群组团的空间布局以及建筑周围绿化等大空间范围方面［7-9］，缺乏对校园内部更细节空间节点的研究，对校园空间的研究主要为室外热舒适性及内部高宽比和室外风环境相关性的研究［10］。绿色校园建设不是一种普遍适用的简单技术拼凑的方案，它要求建筑师因地制宜，根据特定的气候条件、地理环境以及建筑特点，从建筑设计的源头去把握绿色理念［11］。总的来说，关于校园空间研究还不充分，还处于调整空间尺度和宏观优化分析层面。对高校室外风环境的研究主要为单因素的分析，即研究单个影响因子与风环境的关系。然而实际风环境影响因素是多元化的，需要在多因素的共同影响下探讨作用结果。本研究以正交试验为研究方法，对影响风环境有关的多因素进行耦合分析，得出有效的解决策略以获得更舒适的校园风环境，将绿色建筑理念应用于建筑方案设计中，遵循可持续发展思想，秉持能源最优化的原则，推进绿色建筑的全面发展［12］。

1 研究概况

研究对象为河北工程大学新校区，校园内现有建筑共50栋，建筑布局为围合、半围合形态，建筑均为多层，最高建筑约为32m，校园平面布置如图 1所示。

2 风环境模拟的条件及可行性验证

2.1 几何模型及参数设置

室外风环境的研究采用CFD数值模拟的方法，以Phoenics 2019为分析工具，依据《民用建筑绿色性能计算标准JGJ/T 449-2018》，需建出周边1H～2H的建筑（H为最高建筑的高度），由于研究对象位于市郊区且周围空旷，附近建筑均超过2H范围。场地模型区域尺寸为东西向1469.50m，南北向为1125.16 m，最高建筑为32m。模拟计算域为5500 m×5200 m×165 m。网格数量的设置也是影响分析精度的重大影响因素，在人行高度处5个网格，最小网格设定为1m，采取局部加密措施，网格过渡比为1.1，满足“网格过渡比不大于1.3”的要求。模拟采用[k-ε]湍流模型，迭代次数为2000次。收敛精度为0.0001，计算达到收敛即停止，在保证精度的同时也节省计算机运算的时间成本，在此精度下，同一项目多次试验误差近为0［13］。

2.2 可行性验证

为了验证仿真模拟的准确性，对模拟与实测结果进行对比。本次实测点位选取包含了教学区、生活区建筑间的庭院空间、主要通风廊道处、建筑的尾流区、峡谷风形成区、校园图书馆前广场、室外运动场地等。为了使实测数据更具有效性和准确性，分别在每个点位处测量10组瞬时数据，方便后期对测量数据进行误差分析和准确性判断。本次室外风环境研究主要针对夏季、冬季条件下的室外风环境分析，因此实测时间分别在夏季、冬季展开，测试天气选择较为晴朗的天气，要尽可能避免极端天气对测试数据的影响，最终冬季实测时间为2021年12月15日与2021年12月23日；夏季的实测时间为2022年6月28日与2022年7月3日。实测时间选择9：00～18：00，实测与模拟结果对比如图 2所示。

为了分析模拟数据的可行性，分别对夏季、冬季测量与模拟的结果进行均方根误差分析，夏季的均方根误差为0.39，冬季为0.32，数值范围在0.2～0.5之间，证明模拟数据和实测数据的契合度较好，用CFD数值模拟能较好地反映实际风环境的变化趋势。

3 校园风环境现状分析

3.1 夏季工况

根据《绿色建筑评价标准GB/T50378-2019》及邯郸市地域气候特征，将1.0～3.3 m/s界定为舒适风区，小于0.5m/s为静风区。夏季风环境模拟如图 3（a）所示，计算域内风速由南向北有逐渐递减的趋势。从风速云图可见建筑周边多数区域属于静风区，在夏季不利于通风散热，达不到自然通风的条件就会增加空调设备的使用。在一社区D、C座与一食堂之间由于空间变得狭窄形成了“峡谷风”。此处与11号楼之间后期加建了一处垃圾处理站，此处在风力作用下会把垃圾气味导入生活区，容产生成扬尘，造成空气污染。一社区C楼处于D楼的风影区内，二社区E楼其建筑形式呈现一定夹角，造成前围合产生大面积的静风区。三社区整体通风状况良好，风向流动通透。四社区B、D座通风状况良好，静风区面积较小，而A、C座处于B、D座的风影区内，风速流动较小，空气炎热。

教学区由于建筑间距较大，通风状况良好，在1号楼图书馆的西南角与东南角由于风速骤变形成了 “拐角区”。5、6号楼处于校园的最南部，其迎风面的风速达到5.13 m/s，已经超出了舒适风的范围，在该处应该加强来流风的阻挡。9号楼与主导风向成锐角的形式，造成尖角区风速加大形成“拐角区”。16、18号楼位于校园“通风廊道”上，此处遮挡物较少迎风面风速较大，有利于夏季带走热量。3号楼北侧围合范围风速较小，通风不佳，同组团内的36、37号楼围合的院落空间形成气流死区。

生活区自然通风状况不佳，是因为建筑间距较小、建筑布局、建筑体量朝向方式不当等造成夏季大面积的静风区。教学组团由于各建筑间距较大，通风状况良好。

3.2 冬季工况

冬季校园风环境现状如图 3（b）所示。在冬季主导风向下，人行高度的最大风速为3.47 m/s，整体风环境的情况和夏季主导风向相似，一社区、二社区、四社区的风影区面积比夏季稍大，冬季自然通风力较低。教学区的风环境比夏季略好，空气流通自然。在1号楼图书馆的迎风面的西北、东北角风速较大出现了“拐角风”。另外，在冬季主导风下校园内的东西侧及南侧的主干道形成了风速较大的“通风廊道”，人体感觉不舒适。

4 基于正交试验的多因素模拟分析

通过对现状风环境的模拟，发现在主导风作用下存在大面积的静风区，此状况不利于夏季散热和冬季空气流通。总结发现对风环境影响较大的因素有空间布局、建筑长度、建筑间距等，而实际风环境的影响要素是多元复合的，因此，用正交试验的方法研究各因素对风环境的影响程度，并以平均风速、空气龄作为试验的评价指标。

前期调研主要使用Google Earth对建筑迎风面的长度及建筑间距进行测量，此处的间距取建筑四个方位的正向距离，测量示意图如图 4所示。对测量到的数据首先进行样本分析，如图 5所示。对测量后的数据进行筛选，求出建筑长度的平均值为74.36 m，建筑间距平均值為26.81 m。

4.1 正交试验设计

通过对风环境相关文献分析并结合实际情况，将建筑布局、建筑长度、建筑间距作为风环境的主要影响因素，每个因素取三个水平，建筑布局取围合架空式、三面围合式、行列式；建筑长度在平均值的基础上分别取70 m、75 m、80 m；建筑间距取25 m、30 m、35 m，因素水平设计如表 1所示。

4.2 多因素风环境的模拟分析

首先根据表 1中的因素及水平选取范围，以Design Expert 12构建正交设计表得到13组试验组合。其次对13组试验组合分别进行风环境数值模拟，在每组试验模型中选取200个测试点分别计算出平均风速与平均空气龄，经过数据统计得到正交试验结果，如表 2所示。

根据表2的数据样本，通过Design Expert数据分析得到平均风速、平均空气龄的二次多项式回归模型为：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为平均风速；Y2为平均空气龄；A为建筑布局；B为建筑长度；C为建筑间距。

回归模型的方差分析结果如表 3、表 4所示，Y1模型均方为4.23，平方和为0.47，F值为14.82，P值为0.0242，计算表示模型显著，说明本次试验的数据有效。在Y1回归模型中，试验因素对平均风速的影响从大到小依次为建筑布局、建筑长度、建筑间距。Y2模型均方3962.95，平方和440.33，F值40.83，P值0.0056，计算模型显著，试验数据有效。在Y2回归模型中，试验因素对平均空气龄的影响从大到小依次为建筑长度、建筑间距、建筑布局。Y1模型的决定系数R2为0.9780，校正决定系数为0.9120；Y2模型的决定系数R2为0.9919，校正决定系数为0.9676，两系数均接近于1。两模型的变异系数与精密度分别为：8.61%、0.98%和10.3142、18.4719，说明平均风速与平均空气龄回归模型具有可靠性。

根据回归模型分析结果，绘制各因素交互效应3D响应面曲线，平均风速响应面分析如图 6所示。当建筑布局为行列式时，建筑长度由80 m降到70 m过程中，其平均风速变大，最大为2.79 m/s，围合架空式及三面围合式的布局同理，但平均风速相对没有行列式大，说明建筑长度对风速的影响显著；建筑布局为行列式时，随着建筑间距从35 m到25 m的递减，其平均风速先缓慢减小再逐渐增加，在间距为25 m时达到峰值2.83 m/s，当建筑布局为围合架空且建筑间距为35 m时，平均风速最低，并且随着建筑间距的减小，其风速有明显的递增的趋势；建筑长度与建筑间距对平均风速的影响如图 6所示，建筑长度由70 m到80 m的过程中，建筑间距越大，平均风速越小，当建筑长度由大变小，平均风速随着间距的增大而增大。

平均空气龄的响应度分析如图 7所示，当建筑布局为行列式时，建筑长度越小，其平均空气龄越小，最小值为313.829 s，表明此试验组合下的空气迭代更新的越快，空气品质越好，当建筑布局为三面围合式时，建筑越长其空气龄越大，峰值为362.35 s，建筑布局为围合架空式时，随着建筑长度的增大其空气龄有递减的趋势；当布局为行列式时，建筑间距由大到小其空气龄先增大再减小，在25 m时达到最小319.418 s，当布局为围合架空时，间距越小其空气龄越小，当布局为三面围合时与之相反；当建筑间距逐渐变小时，随着长度的增加，空气龄先增大再减小，建筑长度逐渐变小时，随着间距的增加也是先增大再减小的趋势。综上所述，通过对影响因素的响应面分析，发现建筑布局对平均风速与平均空气龄的影响是最大的，当布局为行列式，间距与长度同时都减小时，平均风速数值较大，有利于夏季通风及节能，也能说明行列式布局对风环境的影响是最显著的。

4.3 最优方案及优化策略

针对平均风速与平均空气龄的二次多项式回归模型，对13组正交试验组合以平均风速最大、平均空气龄最小为条件进行优选，求解回归模型得到的最优选为行列式布局、建筑长度70 m、建筑间距25 m的实验组合。

为了验证结果的可行性，将优选组合进行风环境模拟与现状校园风环境进行对比，如图 8所示。通过分析图能看出，行列式的布局对静风区面积有较大的改善，促进了局部空气的流通。另外，在数据对比上优化前的舒适风面积占比82.39%，而优化后的数据为92.44%。综上，归纳出校园的风环境改善策略如下。

在建筑布局方面，尽可能减少围合式布局，采用行列式布局。在建筑间距方面，一定的建筑间距能较大改善前后排建筑的静风区面积占比，避免后排建筑处于前排的风影区内。在建筑长度方面，通过响应度的分析可知建筑长度是影响空气龄的最大的影响因素，因此将建筑长度设计为70 m是比较合适的，可以有效缓解通风的不均匀性，有利于夏季通风。

5 结论

本文以正交试验为研究方法，探讨建筑布局、建筑长度、建筑间距等多因素对校园室外风环境的影响，通过试验得到13组试验组合，再分别对每一个组合进行风环境模拟，以平均风速与平均空气龄为风环境的评价指标。利用Design Expert对风环境影响因素进行响应面分析，再根据分析结果确定最优的试验组合，得到以下结论。

（1）影响平均风速的因素排序为建筑布局、建筑长度、建筑间距。

（2）影响平均空气龄的因素排序为建筑长度、建筑间距、建筑布局。

（3）通过优选得到组合为行列式、建筑长度70 m、建筑间距25 m的试验组合是对风环境改善影响最大的，为后续的校园规划设计提供了参考依据。

（4）通过正交试验的方法调整建筑群的空间布局，将气流引入建筑组团内部，可改善建筑室外风环境，减小静风区面积占比，为校园提供舒适的室外风环境。

［参考文献］

［1］史北祥，杨俊宴，杨晓方.多重尺度城市风环境构建的城市设计策略——基于城市安全的视角［J］.新建筑，2021（6）：83-87.

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