王艷霞 楊鵬 孫婷

【摘? ?要】? ?利用數值模擬技術分析室外風環(huán)境狀況，以正交試驗為研究方法，探討建筑布局、建筑長度、建筑間距等多因素對室外風環(huán)境的影響。通過試驗得到的13組試驗組合，以平均風速與平均空氣齡為風環(huán)境的評價指標，利用Design Expert對風環(huán)境影響因素進行響應面分析，再根據分析結果確定最優(yōu)的試驗組合。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環(huán)境現狀。

【關鍵詞】? ?風環(huán)境；數值模擬；正交試驗；響應度分析

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? ? ? ? ? ? ? ? ?〔文獻標識碼〕? A ? ? ? ? ? ? ?〔文章編號〕 1674 - 3229（2023）01- 0075 - 07

0? ? ?引言

大學校園位于城市節(jié)點中，室外風環(huán)境和城市建設發(fā)展聯系密切。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安全和城市健康。校園作為人群聚集較多的場所，其內部的風環(huán)境質量應該得到有效保障，為師生營造舒適和健康的生活、學習的環(huán)境。通過文獻分析和調研發(fā)現建筑院落空間容易產生較大面積靜風區(qū)和局部強風區(qū)，而局部強風區(qū)在強風季節(jié)容易引起風險，靜風區(qū)不利于夏季的通風散熱及污染空氣的擴散［2］。

近年來隨著計算機技術的不斷發(fā)展，計算流體力學（CFD）相關的工具得到了較大的改進，其中運用較多的有Phoenics、Fluent、Airpak等。莊智等［3］對常見的CFD模擬工具分別從應用范圍、數學模型、計算能力等多方面進行了對比分析，為后續(xù)風環(huán)境的研究進行了技術要點的總結。經過諸多學者多次的試驗驗證，證明Phoenics有足夠的可靠性和精度，能真實有效地分析試驗的場景［4-5］。目前國內校園風環(huán)境的相關研究主要是從微觀、宏觀層面進行研究［6］，較多的研究集中在對校園廣場空間、建筑群組團的空間布局以及建筑周圍綠化等大空間范圍方面［7-9］，缺乏對校園內部更細節(jié)空間節(jié)點的研究，對校園空間的研究主要為室外熱舒適性及內部高寬比和室外風環(huán)境相關性的研究［10］。綠色校園建設不是一種普遍適用的簡單技術拼湊的方案， 它要求建筑師因地制宜， 根據特定的氣候條件、地理環(huán)境以及建筑特點， 從建筑設計的源頭去把握綠色理念［11］?？偟膩碚f，關于校園空間研究還不充分，還處于調整空間尺度和宏觀優(yōu)化分析層面。對高校室外風環(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環(huán)境的關系。然而實際風環(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果。本研究以正交試驗為研究方法，對影響風環(huán)境有關的多因素進行耦合分析，得出有效的解決策略以獲得更舒適的校園風環(huán)境， 將綠色建筑理念應用于建筑方案設計中， 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新校區(qū)，校園內現有建筑共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? ? ?風環(huán)境模擬的條件及可行性驗證

2.1? ?幾何模型及參數設置

室外風環(huán)境的研究采用CFD數值模擬的方法，以Phoenics 2019為分析工具，依據《民用建筑綠色性能計算標準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，南北向為1125.16 m，最高建筑為32m。模擬計算域為5500 m×5200 m×165 m。網格數量的設置也是影響分析精度的重大影響因素，在人行高度處5個網格，最小網格設定為1m，采取局部加密措施，網格過渡比為1.1，滿足“網格過渡比不大于1.3”的要求。模擬采用[k-ε]湍流模型，迭代次數為2000次。收斂精度為0.0001，計算達到收斂即停止，在保證精度的同時也節(jié)省計算機運算的時間成本，在此精度下，同一項目多次試驗誤差近為0［13］。

2.2? ?可行性驗證

為了驗證仿真模擬的準確性，對模擬與實測結果進行對比。本次實測點位選取包含了教學區(qū)、生活區(qū)建筑間的庭院空間、主要通風廊道處、建筑的尾流區(qū)、峽谷風形成區(qū)、校園圖書館前廣場、室外運動場地等。為了使實測數據更具有效性和準確性，分別在每個點位處測量10組瞬時數據，方便后期對測量數據進行誤差分析和準確性判斷。本次室外風環(huán)境研究主要針對夏季、冬季條件下的室外風環(huán)境分析，因此實測時間分別在夏季、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據的影響，最終冬季實測時間為2021年12月15日與2021年12月23日；夏季的實測時間為2022年6月28日與2022年7月3日。實測時間選擇9：00～18：00，實測與模擬結果對比如圖 2所示。

為了分析模擬數據的可行性，分別對夏季、冬季測量與模擬的結果進行均方根誤差分析，夏季的均方根誤差為0.39，冬季為0.32，數值范圍在0.2～0.5之間，證明模擬數據和實測數據的契合度較好，用CFD數值模擬能較好地反映實際風環(huán)境的變化趨勢。

3? ? ?校園風環(huán)境現狀分析

3.1? ?夏季工況

根據《綠色建筑評價標準GB/T50378-2019》及邯鄲市地域氣候特征，將1.0～3.3 m/s界定為舒適風區(qū)，小于0.5m/s為靜風區(qū)。夏季風環(huán)境模擬如圖 3（a）所示，計算域內風速由南向北有逐漸遞減的趨勢。從風速云圖可見建筑周邊多數區(qū)域屬于靜風區(qū)，在夏季不利于通風散熱，達不到自然通風的條件就會增加空調設備的使用。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”。此處與11號樓之間后期加建了一處垃圾處理站，此處在風力作用下會把垃圾氣味導入生活區(qū)，容產生成揚塵，造成空氣污染。一社區(qū)C樓處于D樓的風影區(qū)內，二社區(qū)E樓其建筑形式呈現一定夾角，造成前圍合產生大面積的靜風區(qū)。三社區(qū)整體通風狀況良好，風向流動通透。四社區(qū)B、D座通風狀況良好，靜風區(qū)面積較小，而A、C座處于B、D座的風影區(qū)內，風速流動較小，空氣炎熱。

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

生活區(qū)自然通風狀況不佳，是因為建筑間距較小、建筑布局、建筑體量朝向方式不當等造成夏季大面積的靜風區(qū)。教學組團由于各建筑間距較大，通風狀況良好。

3.2? ?冬季工況

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

4? ? ?基于正交試驗的多因素模擬分析

通過對現狀風環(huán)境的模擬，發(fā)現在主導風作用下存在大面積的靜風區(qū)，此狀況不利于夏季散熱和冬季空氣流通。總結發(fā)現對風環(huán)境影響較大的因素有空間布局、建筑長度、建筑間距等，而實際風環(huán)境的影響要素是多元復合的，因此，用正交試驗的方法研究各因素對風環(huán)境的影響程度，并以平均風速、空氣齡作為試驗的評價指標。

前期調研主要使用Google Earth對建筑迎風面的長度及建筑間距進行測量，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。對測量到的數據首先進行樣本分析，如圖 5所示。對測量后的數據進行篩選，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? ?正交試驗設計

通過對風環(huán)境相關文獻分析并結合實際情況，將建筑布局、建筑長度、建筑間距作為風環(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，因素水平設計如表 1所示。

4.2? ?多因素風環(huán)境的模擬分析

首先根據表 1中的因素及水平選取范圍，以Design Expert 12構建正交設計表得到13組試驗組合。其次對13組試驗組合分別進行風環(huán)境數值模擬，在每組試驗模型中選取200個測試點分別計算出平均風速與平均空氣齡，經過數據統(tǒng)計得到正交試驗結果，如表 2所示。

根據表2的數據樣本，通過Design Expert數據分析得到平均風速、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果如表 3、表 4所示，Y1模型均方為4.23，平方和為0.47，F值為14.82，P值為0.0242，計算表示模型顯著，說明本次試驗的數據有效。在Y1回歸模型中，試驗因素對平均風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值40.83，P值0.0056，計算模型顯著，試驗數據有效。在Y2回歸模型中，試驗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R2為0.9780，校正決定系數為0.9120；Y2模型的決定系數R2為0.9919，校正決定系數為0.9676，兩系數均接近于1。兩模型的變異系數與精密度分別為：8.61%、0.98%和10.3142、18.4719，說明平均風速與平均空氣齡回歸模型具有可靠性。

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

平均空氣齡的響應度分析如圖 7所示，當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，表明此試驗組合下的空氣迭代更新的越快，空氣品質越好，當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時達到最小319.418 s，當布局為圍合架空時，間距越小其空氣齡越小，當布局為三面圍合時與之相反；當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面分析，發(fā)現建筑布局對平均風速與平均空氣齡的影響是最大的，當布局為行列式，間距與長度同時都減小時，平均風速數值較大，有利于夏季通風及節(jié)能，也能說明行列式布局對風環(huán)境的影響是最顯著的。

4.3? ?最優(yōu)方案及優(yōu)化策略

針對平均風速與平均空氣齡的二次多項式回歸模型，對13組正交試驗組合以平均風速最大、平均空氣齡最小為條件進行優(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的實驗組合。

為了驗證結果的可行性，將優(yōu)選組合進行風環(huán)境模擬與現狀校園風環(huán)境進行對比，如圖 8所示。通過分析圖能看出，行列式的布局對靜風區(qū)面積有較大的改善，促進了局部空氣的流通。另外，在數據對比上優(yōu)化前的舒適風面積占比82.39%，而優(yōu)化后的數據為92.44%。綜上，歸納出校園的風環(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區(qū)面積占比，避免后排建筑處于前排的風影區(qū)內。在建筑長度方面，通過響應度的分析可知建筑長度是影響空氣齡的最大的影響因素，因此將建筑長度設計為70 m是比較合適的，可以有效緩解通風的不均勻性，有利于夏季通風。

5? ? ?結論

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

（1）影響平均風速的因素排序為建筑布局、建筑長度、建筑間距。

（2）影響平均空氣齡的因素排序為建筑長度、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的試驗組合是對風環(huán)境改善影響最大的，為后續(xù)的校園規(guī)劃設計提供了參考依據。

（4）通過正交試驗的方法調整建筑群的空間布局，將氣流引入建筑組團內部，可改善建筑室外風環(huán)境，減小靜風區(qū)面積占比，為校園提供舒適的室外風環(huán)境。

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