基于房间级空间拓扑的高层深平面办公楼热舒适与自然通风权衡研究

《Developments in the Built Environment》：Room-level spatial topology reveals thermal-comfort and natural-ventilation trade-offs in high-rise deep-plan office buildings

　　

深平面高层办公楼的空间布局需要在封闭窗户热响应与过渡季自然通风（NV）之间取得平衡。研究人员利用配对房间级图框架分析了208种标准化布局，该框架结合了建筑模拟、计算流体力学（CFD）和可解释随机森林模型。相较于仅基于天气的模型，完整空间特征集在预测平均预测投票（PMV）、预测不满意百分比（PPD）和标准有效温度（SET）方面分别产生了0.06、0.05和0.05的绝对ΔR2增量。加入距窗距离（Dwin）和立面深度后，留出测试集的风速比R2从0.61提升至0.68，表明物理距离与图拓扑之间存在目标依赖的互补性。自然通风使SET降低了3.69 °C，而在标准化人员假设下，基于PMV的PPD增加了30.23个百分点。适应性可接受度增加了6.59个百分点，揭示了指标依赖的降温-舒适权衡。综合来看，互补性描述符支持基于拓扑信息的分区通风策略，而非在深平面中追求均匀的气流最大化。

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一、研究背景与问题

办公建筑是建筑运行能耗和碳排放的主要来源，热环境调控是其中最重要的驱动因素之一。在夏热冬冷地区，高层办公楼普遍采用季节性混合运行模式：在制冷季和供暖季关闭窗户并开启主动式空调系统，在过渡季室外条件适宜时开启自然通风（NV）。这种运行模式给深平面办公楼的设计带来了双重挑战：同一空间布局既需要在窗户关闭时缓解房间级热环境的不均匀性，又需要在自然通风时提供有效的气流路径。

以往被动式热舒适研究主要关注围护结构相关变量，如窗墙比、玻璃性能、保温与遮阳等，这些变量定义了作用于建筑的外部边界条件。然而，室内布局影响的是热量和气流在边界条件与围护结构相互作用后的再分配过程。面积和窗墙比相同的两个房间，如果一个是尽端房间、一个是交通连接空间、一个是深埋核心空间，其热行为可能截然不同。图论和空间句法指标，如度中心性（DC）、接近中心性（CC）、特征向量中心性（EC）和拓扑深度（TD），能够量化单纯几何描述符无法捕捉的布局效应。

现有研究存在三个主要空白。第一，许多研究在建筑层面或区域层面评估性能，而不适感实际发生在房间尺度。第二，很少有研究在同一办公布局下同时评估封闭窗户热基线和过渡季自然通风两种状态。第三，虽然机器学习模型已被用于热舒适预测，但较少有研究检验房间级拓扑的增量贡献、考察风边界变化下的气流鲁棒性，并将模型输出转化为具有空间意义的设计筛选证据。

二、研究内容与主要结论

本研究评估了208种高层深平面办公楼布局在两种分析分离的运行条件下的表现：自由运行封闭窗户基线和自然通风条件。研究目标包括：量化房间级边界条件、几何形态和空间拓扑与封闭窗户热舒适指标的关联；识别相同空间参数与自然通风气流效率和通风诱导舒适变化的关联；开发连接布局指标、气象特征、气流变量和舒适结果的可解释时空随机森林（RF）代理模型；通过特征消融和风边界敏感性分析检验拓扑相关指标的增量贡献和鲁棒性。

研究的主要结论包括：完整空间特征集相较于仅天气模型在PMV、PPD和SET上分别产生了0.06、0.05和0.05的绝对ΔR²增量；加入Dwin和立面深度后，留出测试集风速比R²从0.61提升至0.68；自然通风使SET平均降低3.69 °C，同时基于PMV的PPD增加30.23个百分点；适应性可接受度增加6.59个百分点。这些发现揭示了指标依赖的降温-舒适权衡，支持基于拓扑信息的分区通风策略而非均匀气流最大化。

三、关键技术与方法

研究人员构建了包含五个模块的房间级分析框架：平面收集与参数化建模、空间图抽象与布局指标提取、双条件模拟、RF代理建模、模型解释与敏感性分析。平面数据来源于47个武汉实地调研案例和161个公共建筑数据库案例，共208个布局、2612个房间。封闭窗户条件使用Ladybug和Honeybee连接EnergyPlus 23.2.0和OpenStudio 3.7.0进行全年自由运行热舒适模拟；自然通风条件使用Butterfly和OpenFOAM进行稳态RANS CFD模拟，采用标准k-ε湍流模型和simpleFoam求解器。每个平面被抽象为房间级空间图，提取15个布局指标，分为几何指标（面积A、长宽比WD）、边界条件指标（外墙比WAR、开窗率OR、总窗墙比T-WWR、分朝向窗墙比、主窗方位角MWA）和拓扑指标（DC、CC、EC、交叉通风潜力CVP、TD）三类。RF模型经六种候选模型比较后选定，SHAP用于模型解释，特征消融和风边界敏感性分析用于鲁棒性检验。

四、研究结果

空间特征的增量贡献。 特征消融分析显示，包含完整特征集的G1组在三个封闭窗户指标上均取得最佳预测性能：PMV的R²=0.96，PPD的R²=0.95，SET*的R²=0.95。相较于仅气象基线G8，完整空间特征集使RMSE分别降低36.8%、29.3%和29.3%。仅拓扑添加组G3的表现略优于仅几何和仅边界添加组，拓扑与几何组合组G4的性能接近完整模型。有序特征添加比较显示，Dwin和ND步骤产生小幅正向变化，TD添加产生ΔR²=+0.001至+0.003，FD添加后性能下降。距离诊断表明，拓扑的贡献不能简化为TD单一指标，0.05-0.06的增益属于完整几何、边界和拓扑特征集。

封闭窗户热舒适模型。 封闭窗户RF模型在独立测试集上表现优异：PMV的R²=0.96、MAE=0.173、RMSE=0.292；PPD的R²=0.95、MAE=3.94个百分点、RMSE=8.05个百分点；SET的R²=0.95、MAE=0.594 °C、RMSE=0.915 °C。五折案例级交叉验证均值R²分别为0.958、0.952和0.957。SHAP分析显示，EC和CC对PMV和SET主要呈负贡献，而A、WD、OR、DC和TD主要呈正贡献；PPD方面EC、CC、WAR、OR和WWR-E主要呈正贡献。响应范围分析识别出三个重复出现的筛选信号：EC约高于0.2与较低PMV和SET*贡献相关；CC在0.2-0.35区间与较低PPD相关贡献相关；开窗和立面相关效应取决于房间可达性。

自然通风房间级气流性能。 初始风速比模型在独立测试集上R²=0.61，五折交叉验证均值R²=0.608。距离特征筛选中，Dwin+FD组合表现最佳（R²=0.3226），ND加入后性能下降，因此最终保留Dwin和FD。最终17描述符模型实现五折交叉验证R²=0.6782±0.0043，留出测试集R²=0.68、MAE=0.434、RMSE=0.607。EC、A、CC、WD、OR、CVP和DC被识别为主要气流相关描述符。EC和CC主要呈负SHAP贡献，A、OR和CVP主要呈正贡献。关键响应范围包括：WD呈非线性响应，中等拉长房间贡献较高；OR在约0%-5%范围内增加风速比贡献后趋于平缓；EC约高于0.18与较低风速比贡献相关；CC呈非单调响应。

鲁棒性与敏感性分析。 风速敏感性测试中，在基线东北风速的0.75、1.00和1.25倍条件下，EC、CC、OR、DC和WD保持重要影响，但SHAP量值发生变化。风向敏感性测试覆盖北、东北、东、东南和南五个方向，DC、CC、EC和OR反复出现但相对排名变化。三种k-ε公式产生紧密一致的房间平均速度模式。D/H=5、3和1的遮蔽场景中EC和房间面积保持主导，CC和WD反复出现。围护结构场景改变绝对舒适输出，但EC和CC仍为主要SHAP描述符。这些结果表明拓扑相关气流解释在测试边界内稳定，而非普遍不变。

自然通风下配对热舒适变化。 配对比较中，PMV与PMVadj的平均配对差为1.03，范围从-0.84到4.49；封闭窗户中位PMV略低于0，而NV下中位PMVadj约为-1.4。PPD的平均封闭窗户减NV差为-30.23个百分点，中位PPD从约10%增至约40%。SET*平均降低3.69 °C，范围从-2.22到14.34 °C。适应性评估中，可接受小时数从72.33%增至78.92%（+6.59个百分点），过热不适小时数从17.86%降至11.27%，冷侧不适小时数保持9.81%。PPD-NV增加被解释为固定服装和代谢假设下的模型化全身过冷倾向，而非局部吹风感证据。

自然通风热舒适模型。 NV舒适模型以空间布局指标、封闭窗户基线舒适指标、气流相关特征和气象变量为输入。PMVadj模型R²=0.87、MAE=0.286、RMSE=0.396；PPD-NV模型R²=0.79、MAE=11.124个百分点、RMSE=17.202个百分点；SET-NV模型R²=0.87、MAE=1.236 °C、RMSE=1.924 °C。SHAP结果显示三个NV舒适指标呈相反贡献模式：OR、A、DC和WD主要降低PMVadj和SET-NV贡献但增加PPD-NV贡献；EC、CC和WWR-E在部分范围内呈相反趋势。这些相反符号与配对比较结果一致：与更强通风降温相关的变量倾向于降低等效温度指标但增加不满意相关响应。

五、讨论与结论

研究表明，房间级空间拓扑不仅是平面的描述性属性。与几何、边界暴露和气象变量结合时，拓扑为封闭窗户热响应和自然通风气流相关舒适响应提供了可测量的解释价值。特征消融结果支持将基于图的布局指标视为被动建筑性能描述符。配对设计允许在同一房间图内解释通风效益和不适风险，比分离的热或通风分析对设计筛选更有用。

封闭窗户条件下，中心性相关变量在三个舒适指标中均重要但方向不同。较高EC和CC与较低PMV和SET*相关贡献相关，这与深平面办公楼中内部和连接良好的房间较少直接暴露于太阳得热和室外边界效应一致。PPD结果更为细致，较低温度等效指标并不自动意味着较低不满意风险。

风速比比封闭窗户舒适更难预测，残余方差可能反映立面压力、三维开口几何、分离、湍流、回流和路径阻力等平面级描述符缺失的信息。模型仍是比较筛选代理而非CFD替代品。配对舒适分析揭示了关键通风-舒适权衡：NV平均降低SET* 3.69 °C并降低PMVadj 1.03，但PPD-NV增加30.23个百分点。适应性舒适框架则显示更高可接受度和不变的冷侧小时数，两个框架提供互补视角。

研究结论指出，深平面高层办公楼的自然通风应被视为分区舒适控制问题。最有用的设计问题不是简单如何增加气流，而是何处需要更强气流、何处应适度控制、内部连接如何分配室外空气而不产生局部过冷。距离诊断防止房间图贡献被简化为TD单一指标，完整空间特征集的增益而非TD单独贡献支撑了拓扑信息分区通风的设计含义。研究将可解释机器学习输出转化为被动布局优化和拓扑信息分区通风设计的初步筛选证据，但模型输出应作为设计筛选依据而非详细模拟、规范设计判断或后期工程验证的替代。