熱力效應(yīng)下傳染病醫(yī)院污染物濃度變化試驗(yàn)研究

汪闊，沈煉,2，韓艷，楊瑛，熊鷹，艾正濤

(1.長沙理工大學(xué) 土木工程學(xué)院，長沙 410076；2.長沙學(xué)院 土木工程學(xué)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(xué) 土木工程學(xué)院，長沙 410082)

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)有研究對傳染病醫(yī)院的針對性分析還相對較少，作為疫情爆發(fā)后人員救治的主戰(zhàn)場，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層面支撐醫(yī)院的設(shè)計(jì)與規(guī)劃。因此，亟需對傳染病醫(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)場實(shí)測[6-9]。如Liu等[10]對荷蘭園小區(qū)進(jìn)行了現(xiàn)場試驗(yàn)研究，詳細(xì)分析了溫度對小區(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(kuò)散的影響；苗超等[13]采用CFD技術(shù)對廠房工作區(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)洞對城市小區(qū)的流場和污染物擴(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，分析了開窗對污染物擴(kuò)散的影響；Zhang等[19]以Liu等[18]的試驗(yàn)對象為研究背景，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)前研究對傳染病醫(yī)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(kuò)散的試驗(yàn)研究還十分匱乏，其作用機(jī)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(kuò)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(bào)道。筆者以長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)洞簡介

試驗(yàn)在長沙理工大學(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)×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。

圖1 風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)室

1.2 風(fēng)速測量裝置

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

(1)

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)前對探針進(jìn)行標(biāo)定，采用眼鏡蛇風(fēng)速儀同步測量探頭頂部風(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。測試過程中采用PSI DTC Initium型電子壓力掃描閥測量風(fēng)壓，頻率350 Hz，試驗(yàn)過程中采樣時間為1 min。風(fēng)廓線測量采用眼鏡蛇風(fēng)速儀，該風(fēng)速儀能夠同時測量u、v、w3個方向的風(fēng)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(jìn)行溫度標(biāo)定，其中，溫度在0～60 ℃范圍內(nèi)可調(diào)，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(fā)射，利用低功率負(fù)壓氣泵對污染物氣體進(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，描述空氣流動、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)域長度小于5 km時，可忽略Ro數(shù)，模型和原型的流動都使用空氣，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

(2)

圖4 風(fēng)洞污染物擴(kuò)散試驗(yàn)流程圖Fig.4 Flow chart of wind tunnel pollutant diffusion

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(shù)，可近似認(rèn)為流場不受雷諾數(shù)影響。

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

(3)

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 模型測點(diǎn)和試驗(yàn)工況

以長沙某在建傳染病醫(yī)院為研究對象，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，綜合考慮濃度場和風(fēng)場的測量精度后，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)速儀對典型測點(diǎn)風(fēng)廓線進(jìn)行了詳細(xì)監(jiān)測，監(jiān)測點(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(jìn)行了詳細(xì)分析，具體工況如表1所示。

圖5 風(fēng)洞試驗(yàn)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(yīng)下的醫(yī)療建筑群風(fēng)環(huán)境分析

2.1 整體風(fēng)場分布

研究顯示[21]，在對應(yīng)某一風(fēng)向下建筑物周圍流場的無量綱是相對固定的，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

(4)

式中：ui為i號測點(diǎn)行人高度風(fēng)速大??；u0為入口對應(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分布大致相同，在1號建筑右側(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)，對不同熱力效應(yīng)下風(fēng)場最大值進(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，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分布的最大值，同時也說明在不穩(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)。

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

將人行高度風(fēng)速匯總，并進(jìn)行兩兩對比，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，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)對風(fēng)場影響相對較小。

圖7 人行高度風(fēng)速對比圖Fig.7 Comparison of wind velocity of

2.2 風(fēng)速剖面分布

圖8 主導(dǎo)風(fēng)向下16號測點(diǎn)順風(fēng)向風(fēng)剖面Fig.8 Wind profiles of point 16 under prevailing

圖9 不同Rb數(shù)下測點(diǎn)剪切應(yīng)力分布圖Fig.9 Distribution of shear stress with different Rb

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。利用氣相色譜儀測出甲烷標(biāo)樣的出峰時間和出峰面積，根據(jù)最小二乘法對甲烷濃度值與出峰面積進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)曲線擬合，然后通過測點(diǎn)的出峰面積反算試驗(yàn)測點(diǎn)甲烷濃度值。

3.1 人行高度處甲烷濃度

試驗(yàn)過程中，對傳染病醫(yī)院內(nèi)關(guān)鍵位置污染物濃度進(jìn)行監(jiān)測，通過分析發(fā)現(xiàn)，2、3、4號點(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，其增長值呈線性分布。圖10(b)為7～11號測點(diǎn)的甲烷濃度值，測點(diǎn)7和測點(diǎn)9甲烷濃度值相對較小，主要原因是7和9號點(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號測點(diǎn)，主要是這些測點(diǎn)受地表障礙物影響，風(fēng)速相對較低，而13號測點(diǎn)甲烷濃度要低于12號和14號測點(diǎn)，原因在于13號點(diǎn)位于建筑通風(fēng)廊道處，風(fēng)場加速后有利于污染物擴(kuò)散。對低風(fēng)速不同熱力條件下的風(fēng)場進(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，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，污染物出現(xiàn)了積聚現(xiàn)象，相比于Rb=0，測點(diǎn)13甲烷濃度增加了一倍?？傊?，通過對建筑群人行高度污染物濃度場分析發(fā)現(xiàn)，污染物濃度的絕對值主要受風(fēng)速影響，風(fēng)速愈大其污染物濃度越低。在-0.23

圖10 不同Rb數(shù)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(shù)作用下污染物濃度的水平分布，圖11對16號點(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，隨著Rb增大，污染物濃度呈先增大后減小的趨勢，其規(guī)律與圖10(b)、(c)一致，當(dāng)Rb=-0.16時，污染物濃度達(dá)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(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)測點(diǎn)位于建筑群內(nèi)，地表風(fēng)場紊亂，污染物濃度受地表風(fēng)場與熱力效應(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。

圖11 不同Rb數(shù)下建筑背風(fēng)側(cè)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(yī)療建筑群污染物控制措施分析

4.1 建筑布局對醫(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污染物濃度的影響，研究過程中對建筑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號測點(diǎn)風(fēng)速相對較小，污染物濃度絕對值最大，13號和14號測點(diǎn)在方位角為45°時，污染物濃度相對較低。圖15顯示了測點(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)，此時建筑朝向與主導(dǎo)風(fēng)向一致，有利于污染物的擴(kuò)散。對比圖14和圖15可以發(fā)現(xiàn)，建筑在90°朝向時，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(diǎn)甲烷濃度剖面Fig.15 Methane concentration profiles for point 17 under

4.2 植被對醫(yī)院氣懸污染物擴(kuò)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(guān)測點(diǎn)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(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兩種植被尺寸對流場進(jìn)行了分析，對應(yīng)的實(shí)際高度分別為4 m和8 m，植被與測點(diǎn)示意圖如圖17所示。從圖18可以發(fā)現(xiàn)，3、4、10號點(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，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。測點(diǎn)5和測點(diǎn)9位于廊道處，位置相對狹窄，增設(shè)植被后發(fā)現(xiàn)污染物濃度有增大趨勢，其主要原因?yàn)橹脖唤档土死鹊劳L(fēng)率，致使測點(diǎn)風(fēng)速減小，甲烷濃度升高。測點(diǎn)13位于建筑內(nèi)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(diǎn)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(jié)論

以長沙市某傳染病醫(yī)院為研究對象，在考慮熱力效應(yīng)后對醫(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，同時探究了不同建筑布局和植被對醫(yī)院污染物擴(kuò)散的影響，得到了以下結(jié)論：

1)在-0.23

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

3)對圍合建筑而言，其內(nèi)部風(fēng)速相對較低，污染物濃度容易積聚，濃度在近地面位置達(dá)到最大值，且隨著高度增長依次降低，熱力效應(yīng)對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)向一致時最利于污染物濃度的排放，植被增設(shè)在建筑回流區(qū)對氣懸污染物擴(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，由于試驗(yàn)條件限制，很難獲取較大跨度范圍Rb數(shù)對濃度的影響，后續(xù)仍需用數(shù)值模擬對其進(jìn)行機(jī)理分析。