張梓霆，周春玲

(青島農(nóng)業(yè)大學(xué)園林與林學(xué)院，山東青島 266109)

醫(yī)院室外環(huán)境小氣候?qū)颊吆歪t(yī)護(hù)人員的生理和心理都有很大影響，環(huán)境小氣候在營造舒適的醫(yī)院室外活動(dòng)空間中發(fā)揮著重要作用，而景觀設(shè)計(jì)師往往憑借著傳統(tǒng)的規(guī)劃理念和設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行設(shè)計(jì)，對(duì)醫(yī)院室外環(huán)境的設(shè)計(jì)也多集中在綠化景觀[1-3]、交通道路[4]以及室外空間[5-6]上，很少從小氣候角度進(jìn)行設(shè)計(jì)。目前，針對(duì)醫(yī)院小氣候的研究多集中于醫(yī)院室內(nèi)環(huán)境[7-8]，已有少量報(bào)道也只是研究建筑本身對(duì)醫(yī)院室外環(huán)境小氣候的影響[9-11]，缺乏綠地對(duì)醫(yī)院室外環(huán)境小氣候影響的報(bào)道。

目前，建筑室外環(huán)境小氣候的研究方法包括實(shí)地測量、風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)、計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(Computational Fluid Dynamics， CFD)模擬等，針對(duì)的空間類型主要包括居住區(qū)、校園、街道、廣場、公園等。大量的研究表明，建筑布局、建筑粗糙度、綠化布局以及植物種類對(duì)風(fēng)速和風(fēng)壓影響顯著：不同布局下風(fēng)環(huán)境與風(fēng)向角之間存在定性關(guān)系，點(diǎn)式布局人行高度處的風(fēng)環(huán)境最好[12]；建筑外的風(fēng)環(huán)境也會(huì)受到建筑物表面粗糙度的影響[13]；在建筑周圍的恰當(dāng)區(qū)域合理種植小型綠化帶可以減少或消除建筑群周圍的強(qiáng)風(fēng)，降低強(qiáng)風(fēng)產(chǎn)生的不舒適感[4]；植物種類的影響也較為顯著，將落葉植被改為常綠植被后，夏季和冬季風(fēng)速增加的區(qū)域比分別接近69.1%和64.7%[14]。

因此，本文基于小氣候研究醫(yī)院室外空間，以改善醫(yī)院室外空間的小氣候，為今后醫(yī)院室外環(huán)境設(shè)計(jì)提供數(shù)據(jù)支持和理論依據(jù)。利用PHOENICS軟件模擬青島市城陽區(qū)人民醫(yī)院的室外風(fēng)環(huán)境，分析風(fēng)速場和壓力場存在的主要問題，提出相應(yīng)優(yōu)化方案，研究綠化布局和綠化模式對(duì)醫(yī)院風(fēng)環(huán)境的影響，并給出改善醫(yī)院局部室外風(fēng)環(huán)境狀況的最優(yōu)綠化組合。

1 研究地點(diǎn)與方法

1.1 研究地點(diǎn)

綜合考慮建筑建設(shè)指標(biāo)、綠化情況和建筑布局，模擬分析青島市城陽區(qū)人民醫(yī)院(36°17′N， 120°23′E，區(qū)位圖和平面圖見圖1)室外小氣候。該醫(yī)院占地面積約7.7萬m2，建筑面積約9.1萬m2，是一所以醫(yī)、教、研和防為一體的綜合性三級(jí)乙等醫(yī)院，是青島市北部區(qū)域性醫(yī)療中心。其建筑布局為多幢分列式，分幢建造門診樓、急診樓、醫(yī)技樓、第一住院部、第二住院部、第三住院部、職工食堂等，醫(yī)技各科室分散布置在病房門診或醫(yī)技樓中，通過走廊連接各部門。這種組合形式介于全分散式與綜合式之間，保留了分散式的優(yōu)點(diǎn)，環(huán)境安靜，利于隔離。

1.2 研究方法

采用PHOENICS軟件進(jìn)行CFD模擬。PHOENICS是最早問世的計(jì)算流體力學(xué)商用軟件，如今已經(jīng)發(fā)展完善成熟，可以輸出風(fēng)環(huán)境各類指標(biāo)，可實(shí)現(xiàn)各種形狀模型的模擬，集成了綠色植物模塊，自置網(wǎng)格劃分界面，比其他CFD模擬軟件(需通過附加軟件劃分網(wǎng)格)更便捷[15]。

1.2.1 湍流模型系數(shù)的確定

本文在模擬過程中，相關(guān)參數(shù)采用表1中的取值。在模擬計(jì)算過程中，連續(xù)性方程和動(dòng)量方程殘差應(yīng)低于1.0×10-4，方程殘差k和ε應(yīng)低于1.0×10-7，超過上述殘差時(shí)，模擬停止。

表1 標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型中的系數(shù)

1.2.2 計(jì)算區(qū)域的確定和網(wǎng)格劃分

計(jì)算區(qū)域要依據(jù)實(shí)際范圍大小來確定，計(jì)算區(qū)域過大或過小都會(huì)影響計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性。青島市城陽區(qū)人民醫(yī)院東西長560 m，南北長580 m，最高建筑為第三住院部，高36 m，所以計(jì)算區(qū)域劃定為1 680 m×1 740 m×120 m的范圍。設(shè)置合理，能夠得出可靠的模擬結(jié)果。網(wǎng)格的數(shù)目和類型對(duì)仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性有很大的影響。在本研究中，采用非均勻結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格技術(shù)的網(wǎng)格劃分形式，建筑區(qū)域采用局部網(wǎng)格加密技術(shù)。

1.2.3 模擬邊界條件確定

本研究討論行人高度的風(fēng)環(huán)境，它是大氣層下部的不能壓縮流體，故選取邊界條件為速度入流邊界。不同高度的風(fēng)速不同，高度與風(fēng)速的計(jì)算公式如下：

式中：Vh，高度為h處的風(fēng)速，m/s；V0，基準(zhǔn)高度h0處的風(fēng)速，m/s，一般取h0=10 m；n，地面粗糙程度，城陽區(qū)人民醫(yī)院的地面屬于建筑組團(tuán)密集的城市市區(qū)，高度低于100 m，屬于C類地表，n取0.22[16]。

1.2.4 風(fēng)參數(shù)確定

選取青島市典型氣象年1月和7月氣象參數(shù)作為模擬工況，如表2所示。

表2 模擬分析工況

2 結(jié)果與分析

風(fēng)環(huán)境研究的重點(diǎn)是風(fēng)速場和壓力場。根據(jù)《綠色建筑評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》[18]評(píng)價(jià)，青島市城陽區(qū)人民醫(yī)院室外風(fēng)環(huán)境存在小氣候問題。

2.1 醫(yī)院室外風(fēng)速場模擬

2.1.1 室外風(fēng)速場模擬概況

從冬季和夏季1.5 m處風(fēng)速云圖(圖2)可以看出，全院性防護(hù)林圈和外部建筑對(duì)醫(yī)院內(nèi)部活動(dòng)區(qū)域及建筑有很好的保護(hù)作用，冬季醫(yī)院內(nèi)部98%區(qū)域風(fēng)速不超過3.750 m/s，醫(yī)院內(nèi)部90%區(qū)域風(fēng)速不超過5.250 m/s，夏季區(qū)域內(nèi)有漩渦區(qū)和無風(fēng)區(qū)。當(dāng)入流風(fēng)速從夏季的4.200 m/s增加到冬季的4.900 m/s，風(fēng)向由8°變?yōu)?6°后，醫(yī)院室外局部風(fēng)速和醫(yī)院平均風(fēng)速均明顯增大，建筑拐角處和狹道區(qū)域的風(fēng)速增加率明顯增大。

2.1.2 室外風(fēng)速場現(xiàn)存問題

2.1.2.1 道路風(fēng)速場

外圍建筑和外圍植被對(duì)內(nèi)部建筑有保護(hù)作用，因此容易在外圍建筑和外圍植被的拐角處形成拐角效應(yīng)，導(dǎo)致小范圍內(nèi)極端風(fēng)速的出現(xiàn)。第三住院部西北側(cè)、急診樓東北側(cè)和第一住院部東側(cè)的主要道路，冬季最大拐角風(fēng)分別為5.250 m/s、4.125 m/s、4.125 m/s，這3處拐角風(fēng)對(duì)就醫(yī)人員和醫(yī)護(hù)人員的影響最明顯，而其他建筑拐角風(fēng)形成處沒有主要道路，相對(duì)影響較小。由于第三住院部和第一住院部體量較大，對(duì)風(fēng)的阻擋作用較大，因此在內(nèi)部建筑的背風(fēng)側(cè)形成大范圍風(fēng)影區(qū)，而醫(yī)院部分主要道路穿過該風(fēng)影區(qū)，當(dāng)就醫(yī)人員和醫(yī)護(hù)人員經(jīng)過時(shí)，會(huì)因風(fēng)影區(qū)內(nèi)風(fēng)速驟降而產(chǎn)生不適感。

2.1.2.2 活動(dòng)廣場風(fēng)速場

為避免污染物聚集，加強(qiáng)活動(dòng)廣場空氣流通，廣場風(fēng)速應(yīng)大于1.5 m/s(蒲氏風(fēng)速1級(jí)，軟風(fēng))。第一住院部與醫(yī)技樓之間的活動(dòng)廣場冬季風(fēng)速為0.750～4.125 m/s，且90%區(qū)域大于限值1.5 m/s，不適于人員活動(dòng)，行人高度處風(fēng)速放大系數(shù)(wind amplification factor， WAMP)為0.250～1.375，低于2，位于正常范圍[18]，夏季該活動(dòng)廣場沒有明顯渦旋或無風(fēng)區(qū)；第三住院部與第二住院部之間的活動(dòng)廣場冬季風(fēng)速為0.375～2.250 m/s，部分區(qū)域大于1.5 m/s，基本符合要求，室外WAMP為0.125～0.750，低于2，但由于建筑造型及其體量的原因，導(dǎo)致該活動(dòng)廣場在夏季形成明顯的渦流，不適合人員活動(dòng)。

2.1.2.3 傳染病房風(fēng)速場

綜合性醫(yī)院的傳染病房不同于單一性功能的傳染病醫(yī)院，傳染病醫(yī)院一般位于城市的偏僻區(qū)域，以避免空氣病原擴(kuò)散，而綜合性醫(yī)院一般位于人口相對(duì)密集的區(qū)域。傳染病房等醫(yī)技部門室內(nèi)空氣污染嚴(yán)重且有害，不可隨意排出，為避免空氣病原擴(kuò)散，一般采用機(jī)械排風(fēng)方式換氣[19]。此種類型的建筑外部風(fēng)速應(yīng)小于1.5 m/s[18]，風(fēng)速偏大時(shí)，可設(shè)置綠化區(qū)域，起阻風(fēng)作用。

該院腸道門診、太平間、肝病病房、120急救救急中心四者呈“C”形布局，建筑外“C”形凹槽區(qū)域冬季風(fēng)速為0.375～1.875 m/s，有40%區(qū)域的風(fēng)速超過1.5 m/s，容易造成空氣病原擴(kuò)散；夏季風(fēng)速為0.625～1.875 m/s，80%區(qū)域風(fēng)速低于1.5 m/s，不易造成空氣病原擴(kuò)散。

2.2 醫(yī)院室外壓力場模擬

《綠色建筑評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》[18]中對(duì)壓力場采用以下評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)：除第一排迎風(fēng)建筑外，建筑的迎風(fēng)面和背風(fēng)面之間的風(fēng)壓差不超過5 Pa，可降低冷風(fēng)滲透到室內(nèi)環(huán)境的頻率；醫(yī)院建筑的迎風(fēng)面和背風(fēng)面之間的風(fēng)壓差不小于0.5 Pa，有利于建筑的自然通風(fēng)。

2.2.1 醫(yī)院室外壓力場模擬概況

從冬季和夏季的1.5 m處風(fēng)壓云圖(圖3)可知，最大風(fēng)壓分布在第三住院部的迎風(fēng)面。第三住院部處于迎風(fēng)面第一排，北部為其主要出入口，迎風(fēng)面和背風(fēng)面風(fēng)壓差較大，冬季不低于9 Pa，夏季不低于7 Pa。第一住院部的南部為其主要出入口，較大的體量產(chǎn)生較大的風(fēng)阻，其偏東部迎風(fēng)面和背風(fēng)面風(fēng)壓差大，冬季不低于13 Pa，夏季不低于8 Pa。因此，第三住院部和第一住院部室內(nèi)容易滲入冷空氣，需做好保溫防寒措施，如使用雙層窗戶，加強(qiáng)內(nèi)門窗洞口的密封性，以保證冬季室內(nèi)溫暖。第二住院部的迎風(fēng)面和背風(fēng)面風(fēng)壓差小于0.50 Pa，室內(nèi)通風(fēng)能力差，容易使環(huán)境悶熱，可增大建筑窗戶開口面積、使用機(jī)械通風(fēng)等保持室內(nèi)空氣流通，減少污染物積聚。夏季，該醫(yī)院建筑樓前后大部分區(qū)域風(fēng)壓差處于2.50～8.75 Pa之間，風(fēng)壓差超過2.00 Pa，有利于室內(nèi)自然通風(fēng)。

2.2.2 醫(yī)院傳染病房壓力場

腸道門診和太平間北側(cè)二者呈“C”形布局，冬季或夏季，迎風(fēng)面和背風(fēng)面風(fēng)壓差均位于0.50～5.00 Pa間，符合評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)[18]。腸道門診和太平間的下風(fēng)向是肝病病房、120急救救急中心，四者呈“C”形布局，冬季或夏季，迎風(fēng)面和背風(fēng)面風(fēng)壓差均位于0.50～5.00 Pa間，符合評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)[18]。

3 綠地優(yōu)化設(shè)計(jì)

3.1 醫(yī)院整體風(fēng)環(huán)境優(yōu)化

分析醫(yī)院各室外環(huán)境風(fēng)速過大的區(qū)域，進(jìn)行具體模擬測點(diǎn)布置，根據(jù)現(xiàn)有綠化布局和建筑布局，提出優(yōu)化策略，并證明數(shù)值模擬優(yōu)化方案的可行性?？紤]到樹木對(duì)冬季主導(dǎo)風(fēng)的阻擋作用、對(duì)建筑通道風(fēng)的減弱作用，優(yōu)化方案主要選擇種植高大的喬木和較低矮的灌木以抵御冬季寒風(fēng)。為避免樹木過高影響醫(yī)院室內(nèi)采光和消防，在靠近建筑且風(fēng)速較大的區(qū)域栽種低矮灌木，即圖4中測點(diǎn)1、2、4、7栽種灌木，測點(diǎn)3、5、6栽種喬木。假設(shè)灌木優(yōu)化株高為X(X可選取1 m、2 m、3 m)，喬木優(yōu)化株高為Y(Y取 4 m、8 m、12 m)，冬季1.5 m處優(yōu)化前后的風(fēng)速云圖如圖5和圖6所示。

對(duì)比優(yōu)化前后風(fēng)速(表3)可以看出，測點(diǎn)1、3、4加種灌木后風(fēng)速明顯減小，加種株高為1 m的灌木時(shí)改善最為明顯。測點(diǎn)3、5、6處加種喬木在總體上對(duì)風(fēng)速?zèng)]有明顯影響。

表3 冬季傳染病房風(fēng)速優(yōu)化方案對(duì)比

3.2 傳染病房風(fēng)環(huán)境優(yōu)化

針對(duì)腸道門診、太平間、肝病病房、120急救救急中心“C”形凹槽處的病原體擴(kuò)散問題，提出以下三種優(yōu)化方案：布局a，植物集中布置，東西方向?yàn)? m，南北方向?yàn)?6 m；布局b，植物集中布置，東西方向?yàn)?6 m，南北方向?yàn)? m；布局c，植物分列布置，距離南北建筑物5 m，東西方向?yàn)?6 m，南北方向?yàn)? m。三種優(yōu)化方案所選喬木為樹干高2 m、樹冠為4 m×4 m×4 m的立方體，整體樹高6 m，灌木為2 m×2 m×2 m的立方體，具體優(yōu)化方案見表3，優(yōu)化前后1.5 m處風(fēng)速云圖見圖7。

“C”形凹槽處平均風(fēng)速變化不大，但局部風(fēng)速超過1.5 m/s的區(qū)域占比明顯減小，其中布局c喬木方案最好，從優(yōu)化前的20.50%降為11.41%?？傮w上看，布局c效果最明顯，說明分散布置綠化較集中布置優(yōu)化風(fēng)環(huán)境效果更好。

綠化模式對(duì)于改善傳染病房風(fēng)環(huán)境有影響。在傳染病房凹槽處加種灌木后，植被處及植被后存在較大的滯留區(qū)，凹槽內(nèi)風(fēng)速明顯降低，當(dāng)改種喬木或喬灌混植后，局部風(fēng)速逐漸降低，滯留區(qū)逐漸擴(kuò)大。布局a中加種喬木或喬灌混植時(shí)，局部風(fēng)速超過1.5 m/s的區(qū)域占比均為17.2%，但喬灌木植被后方風(fēng)速更低；布局b中加種喬木時(shí)，局部風(fēng)速超過1.5 m/s的區(qū)域占比為14.17%，大于喬灌混植時(shí)的12.48%；布局c中喬灌混植時(shí)，局部風(fēng)速超過1.5 m/s的區(qū)域占比為12.48%，略大于僅加種喬木時(shí)的11.41%，這可能是由于兩側(cè)分散布置喬灌木，繞流作用較強(qiáng)，局部風(fēng)速略有升高。綜上所述，喬灌混植方案改善傳染病房室外風(fēng)環(huán)境的效果更好。

4 討論

已有研究表明，改善小氣候與綠地布局有關(guān)系[20-22]，但都是為削弱建筑物的拐角效應(yīng)而設(shè)置的綠化帶。本文通過PHOENICS軟件模擬不同綠化布局對(duì)傳染病房周圍活動(dòng)空間風(fēng)環(huán)境的影響。研究發(fā)現(xiàn)，與集中布置相比，分散布置綠化改善風(fēng)環(huán)境效果更好。集中布置的情況下，布局b改善傳染病房風(fēng)環(huán)境效果優(yōu)于布局a，這是由于布局b的綠化布置更靠近局部風(fēng)速最大處，植被處、植被后均存在較大的滯留區(qū)，導(dǎo)致局部風(fēng)速降低。這說明在靠近局部風(fēng)速最大處加種植物的效果較好。因此，在今后傳染病房室外環(huán)境設(shè)計(jì)中，應(yīng)優(yōu)先考慮分散布置綠化，并盡可能加種在局部風(fēng)速較大的位置。

有研究表明喬灌混植可使居住區(qū)獲得最佳的風(fēng)環(huán)境效果[23-24]。本文在進(jìn)行傳染病房風(fēng)環(huán)境優(yōu)化方案對(duì)比時(shí)同樣發(fā)現(xiàn)喬灌混植改善傳染病房室外風(fēng)環(huán)境效果更好。因此，在進(jìn)行醫(yī)院室外環(huán)境設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)在傳染病房周圍及風(fēng)速較大的區(qū)域合理的增加喬灌混植綠化的比例，以獲得較好的醫(yī)院風(fēng)環(huán)境。

本文的優(yōu)化方案僅對(duì)植物群落結(jié)構(gòu)、布局、高度、葉面積指數(shù)進(jìn)行了數(shù)值模擬，在后續(xù)研究中將增加植物類型(常綠、落葉)的研究，并考慮具體植物配置。考慮到時(shí)間和計(jì)算機(jī)的局限性，迭代次數(shù)設(shè)置為2 000，相對(duì)較小，在以后的模擬研究中，將增加參與人員數(shù)量、提高計(jì)算機(jī)配置，以進(jìn)一步提高CFD模擬準(zhǔn)確性。