熱力效應下傳染病醫院污染物濃度變化試驗研究

汪闊，沈煉,2，韓艷，楊瑛，熊鷹，艾正濤

(1.長沙理工大學 土木工程學院，長沙 410076；2.長沙學院 土木工程學院，長沙 410022；3.中國建筑第五工程局有限公司，長沙 410004；4.湖南大學 土木工程學院，長沙 410082)

隨著城市化進程的不斷推進，由工業廢氣、城市熱島、氣溶膠病毒等帶來的環境問題愈顯突出，經過數十年的發展，學者們對其進行了大量研究[1-5]，獲取了許多寶貴結論。但現有研究對傳染病醫院的針對性分析還相對較少，作為疫情爆發后人員救治的主戰場，目前，傳染病醫院周邊風環境與污染物擴散機理還尚不明確，其研究成果還難以在被動層面支撐醫院的設計與規劃。因此，亟需對傳染病醫院周邊風環境與氣懸污染物展開研究，了解污染物隨風擴散的遷移路徑與濃度分布規律，為日后傳染病醫院的建設與規劃提供理論支撐。

對建筑群污染物擴散的研究手段主要包括風洞試驗、數值模擬和現場實測[6-9]。如Liu等[10]對荷蘭園小區進行了現場試驗研究，詳細分析了溫度對小區風環境的影響；Nardecchia等[11]利用數值模擬方法研究了不同溫差對建筑流場的影響；Xie[12]研究了太陽輻射對城市街谷污染物擴散的影響；苗超等[13]采用CFD技術對廠房工作區熱環境及污染物濃度分布進行了分析。近年來，隨著試驗技術的快速發展，風環境風洞試驗研究取得了重大進展，試驗規模也從早期的單體建筑模型向實際小區模型過渡。如歐陽琰等[14]采用環境風洞對城市小區的流場和污染物擴散進行了研究，發現污染物濃度分布主要受來流風速影響；Hajra等[15-16]對面積為1.8 m2的邊界層風洞進行了試驗，發現下游建筑高度是影響污染物擴散的關鍵參數；Gousseau等[17]以加拿大蒙特利爾某小區為研究背景，使用1.8 m(寬)×1.8 m(高)的風洞詳細分析了小區近地面污染物擴散規律；Liu等[18]利用風洞試驗對香港某典型建筑樓層進行了污染物擴散研究，分析了開窗對污染物擴散的影響；Zhang等[19]以Liu等[18]的試驗對象為研究背景，獲取了建筑物迎風面和背風面污染物擴散路徑；Chao等[20]也利用風洞試驗研究了浮力對氣體擴散的影響，指出了高浮力可有效減少建筑物背風側污染物濃度。

當前研究對傳染病醫院的針對性分析還相對較少，特別是考慮熱力條件下污染物擴散的試驗研究還十分匱乏，其作用機理和流場分布尚不明確。以往研究主要是利用單一變量分析污染物濃度的擴散，對多因素作用下污染物濃度的影響分析及措施研究還未見其報道。筆者以長沙市某在建傳染病醫院為研究背景，在考慮熱力效應后對建筑布局和植被影響下的傳染病醫院污染物濃度進行定量研究，揭示了污染物濃度分布規律，提出相關的濃度控制措施。

1 風洞試驗

1.1 風洞簡介

試驗在長沙理工大學風工程與風環境研究中心進行，該風洞采用回/直流雙試驗段結構，包括水平回流高風速試驗段和直流低風速試驗段，如圖1所示。其試驗段尺寸為21 m(長)×10 m(寬)×3 m(高)，轉盤直徑為5.0 m，風速范圍在1.0～18.0 m/s，安裝了三維移測架，采用變角度風機葉片控制系統，確保低速風的穩定。

圖1 風洞實驗室

1.2 風速測量裝置

水平方向采用歐文探針測量人行高度風場，如圖2(a)所示，A端風速與A、B端的壓差成正比關系。

(1)

式中：Δp為探頭兩端的壓差；a、b為探頭的標定系數；u為A端的風速。

試驗前對探針進行標定，采用眼鏡蛇風速儀同步測量探頭頂部風速，得到的標定擬合系數如圖2(b)所示，擬合系數均方根大于0.99，說明風速與壓差具有很好的線性關系。測試過程中采用PSI DTC Initium型電子壓力掃描閥測量風壓，頻率350 Hz，試驗過程中采樣時間為1 min。風廓線測量采用眼鏡蛇風速儀，該風速儀能夠同時測量u、v、w3個方向的風速，采樣頻率為512 Hz，采樣時間為1 min。

圖2 歐文探針

1.3 加熱裝置

利用碳纖維電熱板模擬不同地面溫度，如圖3所示。模擬前首先對碳纖維電熱板進行溫度標定，其中，溫度在0～60 ℃范圍內可調，測溫精度為±1 ℃，最大功率為180 W/m2。

圖3 加熱裝置

1.4 污染物濃度測量裝置

采用甲烷(CH4)作為示蹤氣體，首先利用氣體混合器控制甲烷和空氣的混合比，待氣體充分混合后在建筑群前端發射，利用低功率負壓氣泵對污染物氣體進行采集，然后利用氣相色譜分析其濃度。其中，體積混合比為1∶9，污染源放置于建筑物模型前方1 m位置，試驗流程圖如圖4所示。

1.5 風洞實驗相似條件

通過縮尺模型研究污染物擴散時，描述空氣流動、傳熱和污染物擴散的物理參數包括雷諾數Re、羅斯貝數Ro、佩克萊數Pe、弗勞德數Fr和施密特數Sc，只有滿足這5個無量綱參數，才能保證風洞試驗模擬值與原型真實值嚴格相似。其中，當模擬區域長度小于5 km時，可忽略Ro數，模型和原型的流動都使用空氣，可以忽略Pe數和Sc數，雷諾數作為主要相似數，其定義式為

(2)

圖4 風洞污染物擴散試驗流程圖Fig.4 Flow chart of wind tunnel pollutant diffusion

式中：Re為雷諾數；u為來流速度，m/s；L為目標建筑特征尺寸，m；μ為空氣的黏性系數，15 ℃時其值為1.789×10-5Pa·s。使用1∶100～1∶1 000的模型，建筑物典型斷面多為矩形，本文Re約為2×105，超過了臨界雷諾數，可近似認為流場不受雷諾數影響。

考慮地面熱力效應對流場的影響，采用理查遜數Rb代替密度弗勞德數Fr，其定義為

(3)

式中：g為重力加速度，m/s2；h0為模型高度，m；ΔT為實際溫度與環境溫度的差值，℃；u0為高度h0處的風速，m/s。

1.6 模型測點和試驗工況

以長沙某在建傳染病醫院為研究對象，考慮堵塞效應、壁面效應以及風洞轉盤大小，最終確定縮尺比為1∶200。西風作為主導風向，綜合考慮濃度場和風場的測量精度后，采用1.2 m/s均勻風速作為入口來流，利用110個歐文探針捕捉了人行高度2 m位置處平均風速，并采用Croba風速儀對典型測點風廓線進行了詳細監測，監測點如圖5所示。試驗過程中，風洞試驗環境參數為：溫度20 ℃、濕度60%、標準大氣壓，通過改變碳纖維加熱板的溫度，模擬了Rb=0.00、-0.10、-0.16和-0.23共4種不同熱力效應下的建筑群流場分布。同時，對不同建筑朝向和不同植被覆蓋下的流場和污染物濃度場進行了詳細分析，具體工況如表1所示。

圖5 風洞試驗Fig.5 Summary of simulated test

表1 模擬工況匯總Table 1 Summary of simulated test cases

2 熱力效應下的醫療建筑群風環境分析

2.1 整體風場分布

研究顯示[21]，在對應某一風向下建筑物周圍流場的無量綱是相對固定的，定義風速比MVR為行人高度處風速與來流風速之比，即

(4)

式中：ui為i號測點行人高度風速大小；u0為入口對應高度的參考風速。

通過試驗得到主導風向下人行高度風速比分布，如圖6所示。由圖6可知，4種熱力條件下，醫院建筑物與山體之間的流場分布大致相同，在1號建筑右側形成了很明顯的加速效應，主要原因是建筑物與山體之間間距很小，行成了“峽谷”效應，對不同熱力效應下風場最大值進行分析，發現不同工況的加速效應有所不同，4種熱力效應下風速的最大值分別是為1.25、1.86、1.87和1.91。其中，當Rb=-0.23時，加速效應最為明顯，說明熱力效應在一定程度上影響了流場分布的最大值，同時也說明在不穩定熱力條件下近地面風速在局部位置出現了加速效應。

圖6 人行高度風速比分布圖Fig.6 Wind field distribution of the pedestrian

將人行高度風速匯總，并進行兩兩對比，如圖7所示，在主導風下，風速比受到熱力效應的影響主要集中在0.6h0(h0為建筑高度)以下，對圖7中0.6h0高度以下風速進行分析，發現風速均方根分別為0.784、0.769和0.771；當高于0.6h0時，風速均方根分別為0.481、0.453和0.468，說明當風速比大于0.6h0以后，熱力效應對風場影響相對較小。

圖7 人行高度風速對比圖Fig.7 Comparison of wind velocity of

2.2 風速剖面分布

圖8 主導風向下16號測點順風向風剖面Fig.8 Wind profiles of point 16 under prevailing

圖9 不同Rb數下測點剪切應力分布圖Fig.9 Distribution of shear stress with different Rb

3 熱力效應下建筑群污染物濃度分析

以甲烷為示蹤氣體，在濃度檢測前，先通過“針筒稀釋法”配制出不同濃度的甲烷標氣。利用氣相色譜儀測出甲烷標樣的出峰時間和出峰面積，根據最小二乘法對甲烷濃度值與出峰面積進行標準曲線擬合，然后通過測點的出峰面積反算試驗測點甲烷濃度值。

3.1 人行高度處甲烷濃度

試驗過程中，對傳染病醫院內關鍵位置污染物濃度進行監測，通過分析發現，2、3、4號點靠近來流方向，風速未受到地表障礙物阻擋，濃度值相對較大，在同一Rb數下，建筑迎風面和背風面甲烷濃度值相差較大，主要原因是建筑背風面的漩渦區污染物不易擴散[22]。對2、3、4三點在不同Rb數下的濃度進行分析發現，甲烷濃度隨著Rb數增大而增大，其增長值呈線性分布。圖10(b)為7～11號測點的甲烷濃度值，測點7和測點9甲烷濃度值相對較小，主要原因是7和9號點處于廊道區域，風速出現了加速效應。相反的是，8、10和11號點在山體附近，通風不暢，污染物在這些地方出現了嚴重積聚現象。圖10(c)為12、13和14號點的濃度分布，從中發現，該區域污染物濃度要顯著大于2、3和4號測點，主要是這些測點受地表障礙物影響，風速相對較低，而13號測點甲烷濃度要低于12號和14號測點，原因在于13號點位于建筑通風廊道處，風場加速后有利于污染物擴散。對低風速不同熱力條件下的風場進行分析發現，甲烷濃度值隨著Rb數增大呈先增大后減小的趨勢，主要原因是在低風速區域，污染物擴散受熱力效應影響占比較大，特別是當Rb=-0.16時，污染物出現了積聚現象，相比于Rb=0，測點13甲烷濃度增加了一倍。總之，通過對建筑群人行高度污染物濃度場分析發現，污染物濃度的絕對值主要受風速影響，風速愈大其污染物濃度越低。在-0.23

圖10 不同Rb數下甲烷濃度值Fig.10 Values of methane concentration with

3.2 甲烷濃度剖面分布

圖10揭示了不同Rb數作用下污染物濃度的水平分布，圖11對16號點的豎向污染物濃度進行了分析，其中：href=h/h0，Cref=C/C0，h0為建筑物頂面高度，C0為建筑物頂面甲烷濃度。從圖中可以發現，在同一Rb數下近地面位置甲烷濃度相對較高，且隨著高度增加，濃度依次降低，當高度達到建筑高度后濃度接近于0，主要原因是建筑物上方的新鮮空氣稀釋了污染物濃度。對不同溫度下的污染物濃度剖面進行分析發現，在[0.65href,1.2href]高度處，甲烷污染物濃度值隨著Rb升高變化不明顯，而當高度低于0.65href時，隨著Rb增大，污染物濃度呈先增大后減小的趨勢，其規律與圖10(b)、(c)一致，當Rb=-0.16時，污染物濃度達到最大值。同時，對不同高度位置不同熱力條件下的污染物濃度進行分析，其結果如圖12所示，從圖中可以明顯發現，在近地面低風速區域，污染物濃度在Rb=-0.16時達到最大值。通過分析發現，隨著Rb數的增加，污染物濃度并不是呈單調變化，主要原因是監測點位于建筑群內，地表風場紊亂，污染物濃度受地表風場與熱力效應的耦合作用，常規的大氣穩定理論在復雜建筑群近地表區域并不適用。

圖11 不同Rb數下建筑背風側甲烷濃度Fig.11 Profiles of methane concentrations on the leeward side of the building with different Rb

圖12 不同高度下的污染物濃度分布圖Fig.12 Pollutant concentration distribution at different

4 醫療建筑群污染物控制措施分析

4.1 建筑布局對醫院氣懸污染物擴散影響

良好的建筑布局可有效調節城市住宅區的風環境[23-24]。為分析不同建筑布局對污染物濃度的影響，研究過程中對建筑3進行了0°、45°、90°和135° 4種不同朝向的分析，試驗工況如圖13所示。通過分析得到了不同工況下建筑3周邊污染物的濃度分布，如圖14所示。從圖13中可以發現，在水平方向，14號測點風速相對較小，污染物濃度絕對值最大，13號和14號測點在方位角為45°時，污染物濃度相對較低。圖15顯示了測點17沿豎直方向的污染物濃度分布，從圖中可以發現，隨著高度的增大，污染物濃度依次減小，在0°、90°和135°工況下，甲烷變化趨勢相同，而在45°工況下，污染物濃度降低速度最快，其主要原因與建筑朝向有關，此時建筑朝向與主導風向一致，有利于污染物的擴散。對比圖14和圖15可以發現，建筑在90°朝向時，最不利于污染物擴散，135°次之，45°則最有利于污染物擴散，建議在建筑規劃時采用此種建筑布局。

圖13 4種不同建筑朝向工況Fig.13 Four cases with different building

圖14 不同建筑朝向下人行高度甲烷濃度Fig.14 Methane concentration at pedestrian level under

圖15 不同建筑朝向下17號點甲烷濃度剖面Fig.15 Methane concentration profiles for point 17 under

4.2 植被對醫院氣懸污染物擴散的影響

為分析地表植被對污染物濃度的影響，在建筑布局為0°時，獲取了無植被、小樹和大樹3種工況下相關測點的污染物濃度。對矩形建筑而言，氣流流至建筑時，會在建筑尾流區或建筑側邊形成回流區，如圖16所示，污染物容易在回流區積聚[25]。試驗過程中，采用2 cm×1 cm和4 cm×3 cm兩種植被尺寸對流場進行了分析，對應的實際高度分別為4 m和8 m，植被與測點示意圖如圖17所示。從圖18可以發現，3、4、10號點分別位于建筑物回流區，通過分析污染物濃度發現，在添加植被后污染物濃度值均有一定程度的減小趨勢，說明在建筑物回流區增設植被促進了污染物的擴散。測點5和測點9位于廊道處，位置相對狹窄，增設植被后發現污染物濃度有增大趨勢，其主要原因為植被降低了廊道通風率，致使測點風速減小，甲烷濃度升高。測點13位于建筑內部，植被對其影響相對較小。

圖16 矩形建筑周圍時均流線圖Fig.16 Time-mean-flow diagram around rectangular

圖17 植被與測點布置圖Fig.17 Layout diagram of the vegetations and monitoring

圖18 不同尺寸植被作用下甲烷濃度對比Fig.18 Comparison of methane concentration under

5 結論

以長沙市某傳染病醫院為研究對象，在考慮熱力效應后對醫院建筑群室外風環境和污染物擴散進行了風洞試驗分析，獲取了不同工況下醫院風環境與污染物濃度分布的一般規律，同時探究了不同建筑布局和植被對醫院污染物擴散的影響，得到了以下結論：

1)在-0.23

2)風洞試驗顯示，污染物濃度的絕對值取決于當地風速大小，在高風速時，污染物濃度與當地熱力效應呈正比關系，而在低風速時，污染物濃度與當地熱力效應呈先增長后下降關系，且在Rb=-0.16時達到最大值。

3)對圍合建筑而言，其內部風速相對較低，污染物濃度容易積聚，濃度在近地面位置達到最大值，且隨著高度增長依次降低，熱力效應對污染物濃度的影響主要集中在0.6建筑高度以下，當高度大于1倍建筑高度后，污染物濃度趨于0。

4)改變建筑布局和添加植被是改善污染物濃度的有效辦法，建筑規劃時需考慮建筑形態與當地風速風向的耦合效應，當建筑朝向與主導風向一致時最利于污染物濃度的排放，植被增設在建筑回流區對氣懸污染物擴散具有促進作用，增設在通風廊道則不利于污染物擴散。

利用風洞試驗進行污染物擴散研究時，由于試驗條件限制，很難獲取較大跨度范圍Rb數對濃度的影響，后續仍需用數值模擬對其進行機理分析。