汪闊　沈煉　韓艷　楊瑛　熊鷹　艾正濤

摘 要：與常規(guī)建筑不同，傳染病醫(yī)院的建設(shè)需嚴(yán)格控制其周邊風(fēng)環(huán)境與污染物濃度，而當(dāng)前對(duì)其研究還極其匱乏。以長(zhǎng)沙市某在建傳染病醫(yī)院為研究背景，利用大尺寸風(fēng)洞10 m（寬）×3 m（高）對(duì)不同熱力效應(yīng)下醫(yī)療建筑風(fēng)環(huán)境和污染物擴(kuò)散進(jìn)行了詳細(xì)分析，探究了建筑布局和植被對(duì)病區(qū)氣懸污染物擴(kuò)散的影響。研究結(jié)論表明：在-0.23<Rb<0范圍內(nèi)，熱力效應(yīng)對(duì)風(fēng)廓線影響主要集中在豎向分量，會(huì)較大程度影響流場(chǎng)分布的最大值;病區(qū)內(nèi)污染物濃度大小主要受風(fēng)速影響，當(dāng)風(fēng)速較大時(shí)，污染物濃度與當(dāng)?shù)責(zé)崃π?yīng)呈正比關(guān)系。而在低風(fēng)速時(shí)，污染物濃度與當(dāng)?shù)責(zé)崃π?yīng)呈先增長(zhǎng)后下降關(guān)系，且在Rb=-0.16時(shí)達(dá)到最大值;改變建筑布局是改善污染物濃度的有效辦法，建筑朝向與主導(dǎo)風(fēng)向一致時(shí)有利于污染物的擴(kuò)散。植被增設(shè)在建筑回流區(qū)對(duì)污染物擴(kuò)散具有一定促進(jìn)作用，增設(shè)在通風(fēng)廊道則不利于污染物擴(kuò)散。

關(guān)鍵詞：風(fēng)洞試驗(yàn);風(fēng)環(huán)境;污染物擴(kuò)散;熱力效應(yīng);傳染病醫(yī)院

中圖分類號(hào)：X511 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2096-6717（2022）04-0157-10

Experimental study on airborne pollutant diffusion in infectious disease hospital under thermal effect

WANG Kuo1， SHEN Lian1，2， HAN Yan1， YANG Ying3， XIONG Ying1， AI Zhengtao4

（1. School of Civil Engineering， Changsha University of Science and Technology， Changsha 410076， P. R. China; 2. School of Civil Engineering， Changsha College， Changsha 410022， P. R. China; 3. The Fifth Bureau of China State Construction Engineering Corporation， Changsha 410004， P. R. China; 4. School of Civil Engineering， Hunan University， Changsha 410082， P. R. China）

Abstract： Compared with conventional buildings， Construction of infectious disease hospitals needs to strictly control the surrounding wind environment and pollutant concentration， but the current research is highly scarce.This paper takes an infectious disease hospital under construction in Changsha as the case study. The

detailed analysis of wind environment and pollutant dispersion of medical buildings under different thermal effects was conducted by a 10 m （width） × 3 m （height） wind tunnel test. In the process， building layout and vegetation are considered.The results show that in the range of -0.23<Rb<0， the wind profile influenced by the thermal effect is mainly concentrated in the vertical component. However， the thermal effect will greatly affect the maximum value of flow field distribution. The absolute values of pollutant concentration are affected primarily by wind speed. The pollutant concentration is positively proportional to the local thermal effect with high wind speeds. In contrast， at low wind speeds the pollutant concentration increases first and then decreases with the local thermal effect and reaches the maximum value when Rb=-0.16. Changing the layout of the building is an effective way to improve the concentration of pollutants. When the direction of the building is consistent with the prevailing wind direction， it is most conducive to the emission of pollutant. The addition of vegetation in the building reverse flow area can promote the diffusion of pollutants， while the greenery in the ventilation corridor will inhibit the spread of contaminants.

Keywords：wind tunnel test; wind environment; pollutant dispersion;thermal effect; hospital for infectious diseases

隨著城市化進(jìn)程的不斷推進(jìn)，由工業(yè)廢氣、城市熱島、氣溶膠病毒等帶來的環(huán)境問題愈顯突出，經(jīng)過數(shù)十年的發(fā)展，學(xué)者們對(duì)其進(jìn)行了大量研究[1-5]，獲取了許多寶貴結(jié)論。但現(xiàn)有研究對(duì)傳染病醫(yī)院的針對(duì)性分析還相對(duì)較少，作為疫情爆發(fā)后人員救治的主戰(zhàn)場(chǎng)，目前，傳染病醫(yī)院周邊風(fēng)環(huán)境與污染物擴(kuò)散機(jī)理還尚不明確，其研究成果還難以在被動(dòng)層面支撐醫(yī)院的設(shè)計(jì)與規(guī)劃。因此，亟需對(duì)傳染病醫(yī)院周邊風(fēng)環(huán)境與氣懸污染物展開研究，了解污染物隨風(fēng)擴(kuò)散的遷移路徑與濃度分布規(guī)律，為日后傳染病醫(yī)院的建設(shè)與規(guī)劃提供理論支撐。

對(duì)建筑群污染物擴(kuò)散的研究手段主要包括風(fēng)洞試驗(yàn)、數(shù)值模擬和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)[6-9]。如Liu等[10]對(duì)荷蘭園小區(qū)進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)研究，詳細(xì)分析了溫度對(duì)小區(qū)風(fēng)環(huán)境的影響;Nardecchia等[11]利用數(shù)值模擬方法研究了不同溫差對(duì)建筑流場(chǎng)的影響;Xie[12]研究了太陽輻射對(duì)城市街谷污染物擴(kuò)散的影響;苗超等[13]采用CFD技術(shù)對(duì)廠房工作區(qū)熱環(huán)境及污染物濃度分布進(jìn)行了分析。近年來，隨著試驗(yàn)技術(shù)的快速發(fā)展，風(fēng)環(huán)境風(fēng)洞試驗(yàn)研究取得了重大進(jìn)展，試驗(yàn)規(guī)模也從早期的單體建筑模型向?qū)嶋H小區(qū)模型過渡。如歐陽琰等[14]采用環(huán)境風(fēng)洞對(duì)城市小區(qū)的流場(chǎng)和污染物擴(kuò)散進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)污染物濃度分布主要受來流風(fēng)速影響;Hajra等[15-16]對(duì)面積為1.8 m2的邊界層風(fēng)洞進(jìn)行了試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)下游建筑高度是影響污染物擴(kuò)散的關(guān)鍵參數(shù);Gousseau等[17]以加拿大蒙特利爾某小區(qū)為研究背景，使用1.8 m（寬）×1.8 m（高）的風(fēng)洞詳細(xì)分析了小區(qū)近地面污染物擴(kuò)散規(guī)律;Liu等[18]利用風(fēng)洞試驗(yàn)對(duì)香港某典型建筑樓層進(jìn)行了污染物擴(kuò)散研究，分析了開窗對(duì)污染物擴(kuò)散的影響;Zhang等[19]以Liu等[18]的試驗(yàn)對(duì)象為研究背景，獲取了建筑物迎風(fēng)面和背風(fēng)面污染物擴(kuò)散路徑;Chao等[20]也利用風(fēng)洞試驗(yàn)研究了浮力對(duì)氣體擴(kuò)散的影響，指出了高浮力可有效減少建筑物背風(fēng)側(cè)污染物濃度。

當(dāng)前研究對(duì)傳染病醫(yī)院的針對(duì)性分析還相對(duì)較少，特別是考慮熱力條件下污染物擴(kuò)散的試驗(yàn)研究還十分匱乏，其作用機(jī)理和流場(chǎng)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(kuò)散，對(duì)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(bào)道。筆者以長(zhǎng)沙市某在建傳染病醫(yī)院為研究背景，在考慮熱力效應(yīng)后對(duì)建筑布局和植被影響下的傳染病醫(yī)院污染物濃度進(jìn)行定量研究，揭示了污染物濃度分布規(guī)律，提出相關(guān)的濃度控制措施。

1 風(fēng)洞試驗(yàn)

1.1 風(fēng)洞簡(jiǎn)介

試驗(yàn)在長(zhǎng)沙理工大學(xué)風(fēng)工程與風(fēng)環(huán)境研究中心進(jìn)行，該風(fēng)洞采用回/直流雙試驗(yàn)段結(jié)構(gòu)，包括水平回流高風(fēng)速試驗(yàn)段和直流低風(fēng)速試驗(yàn)段，如圖1所示。其試驗(yàn)段尺寸為21 m（長(zhǎng)）×10 m（寬）×3 m（高），轉(zhuǎn)盤直徑為5.0 m，風(fēng)速范圍在1.0～18.0 m/s，安裝了三維移測(cè)架，采用變角度風(fēng)機(jī)葉片控制系統(tǒng)，確保低速風(fēng)的穩(wěn)定。

1.2 風(fēng)速測(cè)量裝置

水平方向采用歐文探針測(cè)量人行高度風(fēng)場(chǎng)，如圖2（a）所示，A端風(fēng)速與A、B端的壓差成正比關(guān)系。

式中：Δp為探頭兩端的壓差;a、b為探頭的標(biāo)定系數(shù);u為A端的風(fēng)速。

試驗(yàn)前對(duì)探針進(jìn)行標(biāo)定，采用眼鏡蛇風(fēng)速儀同步測(cè)量探頭頂部風(fēng)速，得到的標(biāo)定擬合系數(shù)如圖2（b）所示，擬合系數(shù)均方根大于0.99，說明風(fēng)速與壓差具有很好的線性關(guān)系。測(cè)試過程中采用PSI DTC Initium型電子壓力掃描閥測(cè)量風(fēng)壓，頻率350 Hz，試驗(yàn)過程中采樣時(shí)間為1 min。風(fēng)廓線測(cè)量采用眼鏡蛇風(fēng)速儀，該風(fēng)速儀能夠同時(shí)測(cè)量u、v、w 3個(gè)方向的風(fēng)速，采樣頻率為512 Hz，采樣時(shí)間為1 min。

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(duì)碳纖維電熱板進(jìn)行溫度標(biāo)定，其中，溫度在0～60 ℃范圍內(nèi)可調(diào)，測(cè)溫精度為±1 ℃，最大功率為180 W/m2。

1.4 污染物濃度測(cè)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(fā)射，利用低功率負(fù)壓氣泵對(duì)污染物氣體進(jìn)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(yàn)流程圖如圖4所示。

1.5 風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)相似條件

通過縮尺模型研究污染物擴(kuò)散時(shí)，描述空氣流動(dòng)、傳熱和污染物擴(kuò)散的物理參數(shù)包括雷諾數(shù)Re、羅斯貝數(shù)Ro、佩克萊數(shù)Pe、弗勞德數(shù)Fr和施密特?cái)?shù)Sc，只有滿足這5個(gè)無量綱參數(shù)，才能保證風(fēng)洞試驗(yàn)?zāi)M值與原型真實(shí)值嚴(yán)格相似。其中，當(dāng)模擬區(qū)域長(zhǎng)度小于5 km時(shí)，可忽略Ro數(shù)，模型和原型的流動(dòng)都使用空氣，可以忽略Pe數(shù)和Sc數(shù)，雷諾數(shù)作為主要相似數(shù)，其定義式為

式中：Re為雷諾數(shù);u為來流速度，m/s;L為目標(biāo)建筑特征尺寸，m;μ為空氣的黏性系數(shù)，15 ℃時(shí)其值為1.789×10-5 Pa·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(shù)，可近似認(rèn)為流場(chǎng)不受雷諾數(shù)影響。

考慮地面熱力效應(yīng)對(duì)流場(chǎng)的影響，采用理查遜數(shù)Rb代替密度弗勞德數(shù)Fr，其定義為

式中：g為重力加速度，m/s2;h0為模型高度，m;ΔT為實(shí)際溫度與環(huán)境溫度的差值，℃;u0為高度h0處的風(fēng)速，m/s。

1.6 模型測(cè)點(diǎn)和試驗(yàn)工況

以長(zhǎng)沙某在建傳染病醫(yī)院為研究對(duì)象，考慮堵塞效應(yīng)、壁面效應(yīng)以及風(fēng)洞轉(zhuǎn)盤大小，最終確定縮尺比為1∶200。西風(fēng)作為主導(dǎo)風(fēng)向，綜合考慮濃度場(chǎng)和風(fēng)場(chǎng)的測(cè)量精度后，采用1.2 m/s均勻風(fēng)速作為入口來流，利用110個(gè)歐文探針捕捉了人行高度2 m位置處平均風(fēng)速，并采用Croba風(fēng)速儀對(duì)典型測(cè)點(diǎn)風(fēng)廓線進(jìn)行了詳細(xì)監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)點(diǎn)如圖5所示。試驗(yàn)過程中，風(fēng)洞試驗(yàn)環(huán)境參數(shù)為：溫度20 ℃、濕度60%、標(biāo)準(zhǔn)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(yīng)下的建筑群流場(chǎng)分布。同時(shí)，對(duì)不同建筑朝向和不同植被覆蓋下的流場(chǎng)和污染物濃度場(chǎng)進(jìn)行了詳細(xì)分析，具體工況如表1所示。

2 熱力效應(yīng)下的醫(yī)療建筑群風(fēng)環(huán)境分析

2.1 整體風(fēng)場(chǎng)分布

研究顯示[21]，在對(duì)應(yīng)某一風(fēng)向下建筑物周圍流場(chǎng)的無量綱是相對(duì)固定的，定義風(fēng)速比MVR為行人高度處風(fēng)速與來流風(fēng)速之比，即

MVR=uiu0（4）

式中：ui為i號(hào)測(cè)點(diǎn)行人高度風(fēng)速大小;u0為入口對(duì)應(yīng)高度的參考風(fēng)速。

通過試驗(yàn)得到主導(dǎo)風(fēng)向下人行高度風(fēng)速比分布，如圖6所示。由圖6可知，4種熱力條件下，醫(yī)院建筑物與山體之間的流場(chǎng)分布大致相同，在1號(hào)建筑右側(cè)形成了很明顯的加速效應(yīng)，主要原因是建筑物與山體之間間距很小，行成了“峽谷”效應(yīng)，對(duì)不同熱力效應(yīng)下風(fēng)場(chǎng)最大值進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)不同工況的加速效應(yīng)有所不同，4種熱力效應(yīng)下風(fēng)速的最大值分別是為1.25、1.86、1.87和1.91。其中，當(dāng)Rb=-0.23時(shí)，加速效應(yīng)最為明顯，說明熱力效應(yīng)在一定程度上影響了流場(chǎng)分布的最大值，同時(shí)也說明在不穩(wěn)定熱力條件下近地面風(fēng)速在局部位置出現(xiàn)了加速效應(yīng)。

將人行高度風(fēng)速匯總，并進(jìn)行兩兩對(duì)比，如圖7所示，在主導(dǎo)風(fēng)下，風(fēng)速比受到熱力效應(yīng)的影響主要集中在0.6h0 （h0為建筑高度）以下，對(duì)圖7中0.6h0高度以下風(fēng)速進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)風(fēng)速均方根分別為0.784、0.769和0.771;當(dāng)高于0.6h0時(shí)，風(fēng)速均方根分別為0.481、0.453和0.468，說明當(dāng)風(fēng)速比大于0.6h0以后，熱力效應(yīng)對(duì)風(fēng)場(chǎng)影響相對(duì)較小。

2.2 風(fēng)速剖面分布

為揭示溫度對(duì)建筑群風(fēng)廓線的影響，沿高度方向?qū)︶t(yī)院內(nèi)部16號(hào)測(cè)點(diǎn)風(fēng)剖面進(jìn)行了詳細(xì)分析，得到了該點(diǎn)順風(fēng)向風(fēng)剖面無量綱風(fēng)速分布，如圖8所示。其中：h=h/h0，h=u/u0，h0=0.5 m，u0為高度h0處的風(fēng)速。從圖8中可知，高度在0.5以下，順風(fēng)向風(fēng)速變化很小，相對(duì)入口來流風(fēng)速整體偏低，平均值為0.2u，高度在[0.5，0.8]時(shí)，速度急劇增加，超過0.8之后，風(fēng)速趨于穩(wěn)定，與入口來流保持一致?？傮w來說，Rb對(duì)順風(fēng)向風(fēng)速的影響較小，主要原因是受到風(fēng)洞試驗(yàn)條件的限制，模擬的Rb數(shù)范圍為（-0.23， 0），大氣不穩(wěn)定程度相對(duì)較低，從而使得風(fēng)速變化不明顯。

圖9為16號(hào)測(cè)點(diǎn)剪切應(yīng)力垂直分布圖，從圖中可以發(fā)現(xiàn)，在屋面高度位置剪切應(yīng)力發(fā)生了突變，在Rb=0時(shí)，剪切應(yīng)力為負(fù)值。從中還可發(fā)現(xiàn)，高度在0.5h以下時(shí)，剪切應(yīng)力變化很小;而高度在[0.5h，0.8h]時(shí)，剪切應(yīng)力呈先減少后增加趨勢(shì);當(dāng)高度超過0.8h后，剪切應(yīng)力逐漸趨于穩(wěn)定。

3 熱力效應(yīng)下建筑群污染物濃度分析

以甲烷為示蹤氣體，在濃度檢測(cè)前，先通過“針筒稀釋法”配制出不同濃度的甲烷標(biāo)氣。利用氣相色譜儀測(cè)出甲烷標(biāo)樣的出峰時(shí)間和出峰面積，根據(jù)最小二乘法對(duì)甲烷濃度值與出峰面積進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)曲線擬合，然后通過測(cè)點(diǎn)的出峰面積反算試驗(yàn)測(cè)點(diǎn)甲烷濃度值。

3.1 人行高度處甲烷濃度

試驗(yàn)過程中，對(duì)傳染病醫(yī)院內(nèi)關(guān)鍵位置污染物濃度進(jìn)行監(jiān)測(cè)，通過分析發(fā)現(xiàn)，2、3、4號(hào)點(diǎn)靠近來流方向，風(fēng)速未受到地表障礙物阻擋，濃度值相對(duì)較大，在同一Rb數(shù)下，建筑迎風(fēng)面和背風(fēng)面甲烷濃度值相差較大，主要原因是建筑背風(fēng)面的漩渦區(qū)污染物不易擴(kuò)散[22]。對(duì)2、3、4三點(diǎn)在不同Rb數(shù)下的濃度進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，甲烷濃度隨著Rb數(shù)增大而增大，其增長(zhǎng)值呈線性分布。圖10（b）為7～11號(hào)測(cè)點(diǎn)的甲烷濃度值，測(cè)點(diǎn)7和測(cè)點(diǎn)9甲烷濃度值相對(duì)較小，主要原因是7和9號(hào)點(diǎn)處于廊道區(qū)域，風(fēng)速出現(xiàn)了加速效應(yīng)。相反的是，8、10和11號(hào)點(diǎn)在山體附近，通風(fēng)不暢，污染物在這些地方出現(xiàn)了嚴(yán)重積聚現(xiàn)象。圖10（c）為12、13和14號(hào)點(diǎn)的濃度分布，從中發(fā)現(xiàn)，該區(qū)域污染物濃度要顯著大于2、3和4號(hào)測(cè)點(diǎn)，主要是這些測(cè)點(diǎn)受地表障礙物影響，風(fēng)速相對(duì)較低，而13號(hào)測(cè)點(diǎn)甲烷濃度要低于12號(hào)和14號(hào)測(cè)點(diǎn)，原因在于13號(hào)點(diǎn)位于建筑通風(fēng)廊道處，風(fēng)場(chǎng)加速后有利于污染物擴(kuò)散。對(duì)低風(fēng)速不同熱力條件下的風(fēng)場(chǎng)進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，甲烷濃度值隨著Rb數(shù)增大呈先增大后減小的趨勢(shì)，主要原因是在低風(fēng)速區(qū)域，污染物擴(kuò)散受熱力效應(yīng)影響占比較大，特別是當(dāng)Rb=-0.16時(shí)，污染物出現(xiàn)了積聚現(xiàn)象，相比于Rb=0，測(cè)點(diǎn)13甲烷濃度增加了一倍?？傊?，通過對(duì)建筑群人行高度污染物濃度場(chǎng)分析發(fā)現(xiàn)，污染物濃度的絕對(duì)值主要受風(fēng)速影響，風(fēng)速愈大其污染物濃度越低。在-0.23<Rb<0范圍內(nèi)，試驗(yàn)顯示風(fēng)速較大時(shí)，隨著地表溫度的升高，污染物濃度依次遞增。而風(fēng)速較低時(shí)，污染物濃度受風(fēng)速與溫度的耦合影響，呈先增大后減小的趨勢(shì)。通過分析建筑群內(nèi)部污染物濃度發(fā)現(xiàn)，在熱力條件下的濃度分布規(guī)律與常規(guī)的大氣不穩(wěn)定狀態(tài)有所不同，說明建筑群復(fù)雜的地表形態(tài)改變了流場(chǎng)和溫度場(chǎng)的近地面分布，其作用機(jī)理更為復(fù)雜。

3.2 甲烷濃度剖面分布

圖10揭示了不同Rb數(shù)作用下污染物濃度的水平分布，圖11對(duì)16號(hào)點(diǎn)的豎向污染物濃度進(jìn)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(fā)現(xiàn)，在同一Rb數(shù)下近地面位置甲烷濃度相對(duì)較高，且隨著高度增加，濃度依次降低，當(dāng)高度達(dá)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(duì)不同溫度下的污染物濃度剖面進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，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(dāng)高度低于0.65href時(shí)，隨著Rb增大，污染物濃度呈先增大后減小的趨勢(shì)，其規(guī)律與圖10（b）、（c）一致，當(dāng)Rb=-0.16時(shí)，污染物濃度達(dá)到最大值。同時(shí)，對(duì)不同高度位置不同熱力條件下的污染物濃度進(jìn)行分析，其結(jié)果如圖12所示，從圖中可以明顯發(fā)現(xiàn)，在近地面低風(fēng)速區(qū)域，污染物濃度在Rb=-0.16時(shí)達(dá)到最大值。通過分析發(fā)現(xiàn)，隨著Rb數(shù)的增加，污染物濃度并不是呈單調(diào)變化，主要原因是監(jiān)測(cè)點(diǎn)位于建筑群內(nèi)，地表風(fēng)場(chǎng)紊亂，污染物濃度受地表風(fēng)場(chǎng)與熱力效應(yīng)的耦合作用，常規(guī)的大氣穩(wěn)定理論在復(fù)雜建筑群近地表區(qū)域并不適用。

4 醫(yī)療建筑群污染物控制措施分析

4.1 建筑布局對(duì)醫(yī)院氣懸污染物擴(kuò)散影響

良好的建筑布局可有效調(diào)節(jié)城市住宅區(qū)的風(fēng)環(huán)境[23-24]。為分析不同建筑布局對(duì)污染物濃度的影響，研究過程中對(duì)建筑3進(jìn)行了0°、45°、90°和135° 4種不同朝向的分析，試驗(yàn)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(fā)現(xiàn)，在水平方向，14號(hào)測(cè)點(diǎn)風(fēng)速相對(duì)較小，污染物濃度絕對(duì)值最大，13號(hào)和14號(hào)測(cè)點(diǎn)在方位角為45°時(shí)，污染物濃度相對(duì)較低。圖15顯示了測(cè)點(diǎn)17沿豎直方向的污染物濃度分布，從圖中可以發(fā)現(xiàn)，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(shì)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(guān)，此時(shí)建筑朝向與主導(dǎo)風(fēng)向一致，有利于污染物的擴(kuò)散。對(duì)比圖14和圖15可以發(fā)現(xiàn)，建筑在90°朝向時(shí)，最不利于污染物擴(kuò)散，135°次之，45°則最有利于污染物擴(kuò)散，建議在建筑規(guī)劃時(shí)采用此種建筑布局。

4.2 植被對(duì)醫(yī)院氣懸污染物擴(kuò)散的影響

為分析地表植被對(duì)污染物濃度的影響，在建筑布局為0°時(shí)，獲取了無植被、小樹和大樹3種工況下相關(guān)測(cè)點(diǎn)的污染物濃度。對(duì)矩形建筑而言，氣流流至建筑時(shí)，會(huì)在建筑尾流區(qū)或建筑側(cè)邊形成回流區(qū)，如圖16所示，污染物容易在回流區(qū)積聚[25]。試驗(yàn)過程中，采用2 cm×1 cm和4 cm×3 cm兩種植被尺寸對(duì)流場(chǎng)進(jìn)行了分析，對(duì)應(yīng)的實(shí)際高度分別為4 m和8 m，植被與測(cè)點(diǎn)示意圖如圖17所示。從圖18可以發(fā)現(xiàn)，3、4、10號(hào)點(diǎn)分別位于建筑物回流區(qū)，通過分析污染物濃度發(fā)現(xiàn)，在添加植被后污染物濃度值均有一定程度的減小趨勢(shì)，說明在建筑物回流區(qū)增設(shè)植被促進(jìn)了污染物的擴(kuò)散。測(cè)點(diǎn)5和測(cè)點(diǎn)9位于廊道處，位置相對(duì)狹窄，增設(shè)植被后發(fā)現(xiàn)污染物濃度有增大趨勢(shì)，其主要原因?yàn)橹脖唤档土死鹊劳L(fēng)率，致使測(cè)點(diǎn)風(fēng)速減小，甲烷濃度升高。測(cè)點(diǎn)13位于建筑內(nèi)部，植被對(duì)其影響相對(duì)較小。

5 結(jié)論

以長(zhǎng)沙市某傳染病醫(yī)院為研究對(duì)象，在考慮熱力效應(yīng)后對(duì)醫(yī)院建筑群室外風(fēng)環(huán)境和污染物擴(kuò)散進(jìn)行了風(fēng)洞試驗(yàn)分析，獲取了不同工況下醫(yī)院風(fēng)環(huán)境與污染物濃度分布的一般規(guī)律，同時(shí)探究了不同建筑布局和植被對(duì)醫(yī)院污染物擴(kuò)散的影響，得到了以下結(jié)論：

1）在-0.23<Rb<0范圍內(nèi)，熱力效應(yīng)對(duì)醫(yī)院內(nèi)風(fēng)廓線的順風(fēng)向分量和人行高度風(fēng)場(chǎng)的整體影響較小，但在局部地區(qū)出現(xiàn)了一定的加速效應(yīng)。

2）風(fēng)洞試驗(yàn)顯示，污染物濃度的絕對(duì)值取決于當(dāng)?shù)仫L(fēng)速大小，在高風(fēng)速時(shí)，污染物濃度與當(dāng)?shù)責(zé)崃π?yīng)呈正比關(guān)系，而在低風(fēng)速時(shí)，污染物濃度與當(dāng)?shù)責(zé)崃π?yīng)呈先增長(zhǎng)后下降關(guān)系，且在Rb=-0.16時(shí)達(dá)到最大值。

3）對(duì)圍合建筑而言，其內(nèi)部風(fēng)速相對(duì)較低，污染物濃度容易積聚，濃度在近地面位置達(dá)到最大值，且隨著高度增長(zhǎng)依次降低，熱力效應(yīng)對(duì)污染物濃度的影響主要集中在0.6建筑高度以下，當(dāng)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(guī)劃時(shí)需考慮建筑形態(tài)與當(dāng)?shù)仫L(fēng)速風(fēng)向的耦合效應(yīng)，當(dāng)建筑朝向與主導(dǎo)風(fēng)向一致時(shí)最利于污染物濃度的排放，植被增設(shè)在建筑回流區(qū)對(duì)氣懸污染物擴(kuò)散具有促進(jìn)作用，增設(shè)在通風(fēng)廊道則不利于污染物擴(kuò)散。

利用風(fēng)洞試驗(yàn)進(jìn)行污染物擴(kuò)散研究時(shí)，由于試驗(yàn)條件限制，很難獲取較大跨度范圍Rb數(shù)對(duì)濃度的影響，后續(xù)仍需用數(shù)值模擬對(duì)其進(jìn)行機(jī)理分析。

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（編輯 胡玲）

收稿日期：2021-04-30

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金（51808059）;湖南省自然科學(xué)基金（2018JJ1027、2019JJ50688）;長(zhǎng)沙市杰出青年創(chuàng)新培育計(jì)劃（kq195004）;湖南省教育廳優(yōu)秀青年基金（19B054）;長(zhǎng)沙理工大學(xué)研究生實(shí)踐創(chuàng)新與創(chuàng)業(yè)能力提升項(xiàng)目（SJCX202016）

作者簡(jiǎn)介：汪闊（1994- ），男，主要從事建筑風(fēng)環(huán)境與污染物擴(kuò)散研究，E-mail：1178226400@qq.com。

沈煉（通信作者），男，副教授，博士，E-mail：shenlian.lcz@163.com。

Received：2021-04-30

Foundation items：National Natural Science Foundation of China（No. 51808059）; Natural Science Foundation of Hunan Province（No. 2018JJ1027， 2019JJ50688）; Changsha Outstanding Youth Innovation Cultivation Program （No. kq195004）; Outstanding Youth Fund of Hunan Education Department （No. 19B054）; Changsha University of Science and Technology Postgraduate Practical Innovation and Entrepreneurship Enhancement Project （No. SJCX202016）

Author brief：WANG Kuo （1994- ）， main research interests： building wind environment and pollutant diffusion， E-mail： 1178226400@qq.com.

SHEN Lian （corresponding author）， associate professor， PhD， E-mail： shenlian.lcz@163.com.