某醫(yī)院小區(qū)室外顆粒物擴散模擬分析

曹鼎，劉迎云，2，，穆述鑫

（1 南華大學 土木工程學院，湖南衡陽 421000；2 南華大學期刊社，湖南衡陽 421000；3 南華大學 資源環(huán)境與安全工程學院，湖南衡陽 421000）

0 引言

隨著我國經濟的飛速發(fā)展，汽車成了人們日常生活中不可或缺的交通工具，它方便了人們的日常生活，但同時也帶來了交通安全問題與交通源污染的持續(xù)攀升。交通源顆粒物在不利于擴散的風環(huán)境下聚集，導致顆粒物濃度升高，能見度下降，對城市環(huán)境造成嚴重損害[1]。交通源污染物包括氣態(tài)污染物和大量細微的顆粒狀物體，顆粒物可吸附周圍的金屬微粒及微生物病原體等。這些細微顆粒的空氣動力學當量直徑大多＜10μm（PM10），特別是＜2.5μm（PM2.5）時，便可隨著呼吸進入人們體內，并沉積在肺部，對人體局部組織產生堵塞作用，從而引起哮喘、支氣管炎等疾病，提高了人群中呼吸系統(tǒng)的發(fā)病率和死亡率。

近年來，針對交通源顆粒物在住宅小區(qū)與城市街谷中的擴散研究已經較為深入[2-3]，但是對城市中的醫(yī)院小區(qū)研究較少。醫(yī)院小區(qū)不同于住宅小區(qū)，其相當于大型的建筑綜合體，其中包括辦公樓、門診、住院樓、食堂樓、休閑區(qū)、家屬樓等。所以醫(yī)院小區(qū)在設計時大多注重建筑的功能布置、美觀設計及空間利用，小區(qū)內建筑布局復雜，建筑高度不一致，很少考慮內部風環(huán)境與顆粒物分布對人的影響。2020 年新冠疫情肆虐全球，大量研究表明，新冠肺炎病毒顆粒的傳播方式可能與氣溶膠傳播相似，小粒徑氣溶膠可能長時間保持懸浮狀態(tài)，并受風速影響，導致病毒在較大范圍傳播[4]。由于醫(yī)院小區(qū)人流量大，懸浮顆粒物易導致交叉感染，而小區(qū)內的主要顆粒物來源于周邊道路，所以研究醫(yī)院小區(qū)內風環(huán)境與道路顆粒物在其中的分布具有重要的現(xiàn)實意義。

本文利用計算流體力學（CFD）的方法，對常見風向與風速條件下，醫(yī)院小區(qū)內風場與道路顆粒物在醫(yī)院小區(qū)濃度場中的表現(xiàn)進行計算，并對醫(yī)院小區(qū)內風速及PM2.5、PM10 濃度進行分析，結合分析結果，提出改善醫(yī)院小區(qū)舒適度和減少室外顆粒物濃度的一些建議。研究對醫(yī)院小區(qū)設計規(guī)劃具有一定的參考意義。

1 項目概況

某項目位于湖南省中部衡陽市，建設項目為公立醫(yī)院，地理位置為26.8°N，112.5°E，總用地面積90632.3m2，總建筑面積120235.62m2。相鄰解放大道為主干道，集賢路與青松路為次干道。衡陽地區(qū)常見風向為北風、南風和東北風，常見風速為2 級風，平均風速為2.5m/s。醫(yī)院小區(qū)平面布局圖如圖1 所示。

圖1 平面布局圖

2 數(shù)值模擬計算

2.1 數(shù)學模型

RNG k—ε 模型在處理小區(qū)中污染物擴散問題時具有很高的精度［5］，因此本文采用RNG k—ε 湍流模型模擬醫(yī)院小區(qū)內連續(xù)風速場，空氣按不可壓縮流體處理。交通源顆粒物為固體，空氣為氣體，故為氣-固兩項問題。顆粒物在空氣中可視為離散相，本文采用DPM 法追蹤和描述顆粒物在醫(yī)院小區(qū)內的擴散運動，空氣流場采用歐拉法（Euler）描述，并用拉格朗日法（Lagrangian）追蹤離散顆粒的運動軌跡［6］。假設顆粒相為球體，并不考慮顆粒間的相互碰撞，離散相運動控制方程為：

式中：mp為顆粒質量；up為顆粒速度；wp為顆粒角速度；Ip為質量慣性矩，對于球體，Ip=0.1；T 為作用于顆粒上的總旋轉矩；FD為顆粒所受曳力；F 為顆粒所受其他作用力。

2.2 幾何建模與網格劃分

本文參考 《湖南省綠色建筑設計標準》(DBJ 43/T 006—2017)中的規(guī)定確定計算區(qū)域的大小。如圖2 所示，H 為醫(yī)院小區(qū)內最高建筑高度80m，半徑5H 范圍內為水平計算域，頂部計算區(qū)域為3H，建筑小區(qū)距離氣流出口處＞6H。整個計算區(qū)域實際尺寸為1490×1258×240m，其中模型面積與迎風面計算區(qū)域截面積的比值小于4%，符合綠色建筑設計標準規(guī)范中的規(guī)定。參考當?shù)仫L向條件，醫(yī)院小區(qū)北部、南部和東部道路為主要污染源。計算域中，解放大道長305m，寬30m，集賢路長420m，寬16m，青松路長180m，寬16m。

圖2 模擬計算區(qū)域尺寸圖示

本研究采取非結構化網格技術實行網格劃分，為提高數(shù)值計算精度及計算速度，對建筑與地面網格進行局部加密。數(shù)值模型的網格單元總數(shù)約為807.9 萬，醫(yī)院小區(qū)網格效果圖如圖3 所示。

圖3 醫(yī)院建筑網格效果圖

2.3 邊界條件

2.3.1 入口邊界條件

入口邊界條件主要包括風速和風向數(shù)據，其中入口風速隨高度發(fā)生變化，采用下列梯度風：

式中：Z 表示離地面高度，m；ZR表示參考高度，m；V 表示Z高度處的風速，m/s；VR表示參考高度（10m）的平均風速，風場計算取用2.5m/s；α 表示不同區(qū)域的地面粗糙度指數(shù)，參考《建筑結構荷載規(guī)范》（GB 50009—2012）規(guī)定，本研究涉及的區(qū)域類型為建筑較密集的大城市區(qū)類，α 取值為0.22。

2.3.2 壁面邊界條件

計算域的兩側設為對稱邊界，地面邊界設定為無滑移壁面，顆粒相壁面設置為reflect，出入口為escape，空氣流動要受到地面摩擦力的影響。

2.4 顆粒物源強計算

依據相關研究，道路揚塵的排放源強遠大于汽車尾氣的排放源強［7］，故在本次模擬研究中，只考慮道路揚塵中PM2.5 與PM10對醫(yī)院小區(qū)的影響。依據《大氣可吸入顆粒物一次源排放清單編制技術指南（試行）》（000014672/2014—01379）中的附件《揚塵源顆粒物排放清單編制技術指南》，本次研究道路為鋪裝道路，顆粒物源強的計算公式為：

式中，WRi為道路揚塵源中顆粒物PMi的總排放量，μg/h；ERi為道路揚塵源中PMi平均排放因子，g/(km·輛)；LR為道路長度，km；NR為一定時期內車輛在該段道路上的平均車流量，輛/h；nr為不起塵天數(shù)，可使用一年中降水量大于0.25mm/d 的天數(shù)表示。

依據對衡陽市主城區(qū)道路揚塵排放特征的相關研究［8］，衡陽市主城區(qū)各等級道路揚塵排放因子如表1 所示。依據國家氣象科學數(shù)據中心數(shù)據，2020 年衡陽市區(qū)降雨量＞0.25mm 的天數(shù)為136天。解放大道為主干道，長度為300m，車流量為1430 輛/h，PM2.5源強為2.017×104μg/s，PM10 源強為8.5×104μg/s。集賢路為支路，長度為420m，車流量為750 輛/h，PM2.5 源強為1.81×104μg/s，PM10 源強為7.52×104μg/s。青松路為支路，長度為180m，車流量為750 輛/h，PM2.5 源強為7.76×103μg/s，PM10 源強為3.2×104μg/s。

表1 衡陽市主城區(qū)各等級道路揚塵排放系數(shù) ERi/[g·(km·輛)-1]

3 模擬結果分析

3.1 醫(yī)院小區(qū)室外風環(huán)境分析

風環(huán)境好壞是評價空氣質量的一個重要指標，影響顆粒物在醫(yī)院小區(qū)中的擴散。醫(yī)院小區(qū)應具有舒適、衛(wèi)生的生活環(huán)境，所以對于風環(huán)境有更高的要求。如圖4 所示，在北風影響下，醫(yī)院小區(qū)北部建筑處于相對迎風面，由于弧形綜合樓對北風的阻擋，綜合樓南部存在風影效應，并出現(xiàn)大面積無風區(qū)與負壓區(qū)，風速小于0.5m/s。兩側為位移區(qū)，西側風速大于3.5m/s。在住院樓2 與住院樓3 中部由于通風區(qū)面積突然減少，此處存在狹管效應，因此風速明顯增大，局部風速大于3.5m/s，不宜病人長期停留，并由于食堂樓的阻擋，氣流在食堂樓北部分流，對休閑區(qū)風場產生影響。休閑區(qū)、住院樓2 北部和家屬樓中部出現(xiàn)渦流區(qū)，風速范圍為2.3～3.5m/s，易造成渦流區(qū)垃圾堆積，影響環(huán)境。如圖5 所示，在南風影響下，醫(yī)院小區(qū)無風區(qū)面積較少，小區(qū)內通風良好。在綜合樓南部與住院樓2 北部存在渦流區(qū)，局部風速大于3.5m/s。家屬樓屬于相對迎風面，室內外壓差較大，不利于病房冬季防冷風滲透。醫(yī)院小區(qū)兩側位移區(qū)風速較小，普遍小于1.3m/s。如圖6 所示，東北風時醫(yī)院小區(qū)內無風區(qū)面積最大，住院樓2 北部存在渦流，風速大于3.5m/s，且主要分布在住院樓2 入口處，由于狹管效應，住院樓2 與住院樓3 中部風速也大于3.5m/s。

圖4 北風時1.5m高度風速云圖與矢量圖

圖5 南風時1.5m高度風速云圖與矢量圖

圖6 東北風時1.5m高度風速云圖與矢量圖

3.2 醫(yī)院小區(qū)室外顆粒物擴散分析

風向對醫(yī)院小區(qū)內顆粒物濃度分布有顯著影響，顆粒物分布受風場影響呈流線型分布。由于PM2.5 與PM10 具有不同的物理特性與排放量，所以在醫(yī)院小區(qū)中的分布也不同。如圖7 所示，北風時由于綜合樓的阻擋作用，PM2.5 大多向醫(yī)院小區(qū)兩側擴散，醫(yī)院小區(qū)內相對較少，只在休閑區(qū)有少量聚集，且PM2.5濃度低于5μg/m3；PM10 在醫(yī)院小區(qū)的分布明顯大于PM2.5，主要集中在休閑區(qū)與家屬樓南部，部分區(qū)域PM10 濃度范圍為5～20μg/m3。如圖8 所示，南風時PM2.5 主要分布在家屬樓中部、后勤樓北部與住院樓2 西部，家屬樓與后勤樓北部PM2.5 濃度范圍為6～50μg/m3，住院樓2 西部PM2.5 濃度范圍為6～80μg/m3；PM10 主要分布在家屬樓北部與東部、休閑區(qū)南部，家屬樓北部與東部PM10 濃度范圍為10～20μg/m3，休閑區(qū)南部PM10 濃度范圍為5～15μg/m3。如圖9 所示，東北風時，PM2.5 與PM10 在醫(yī)院小區(qū)中分布更廣，PM2.5 主要分布在休閑區(qū)、家屬樓與后勤樓，濃度范圍為3～15μg/m3；PM10 主要分布在休閑區(qū)與家屬樓，濃度范圍為6～35μg/m3。

圖7 北風時1.5m高度PM2.5與PM10濃度云圖

圖8 南風時1.5m高度PM2.5與PM10濃度云圖

圖9 東北風時1.5m高度PM2.5與PM10濃度云圖

4 結語

本文通過對醫(yī)院小區(qū)室外風環(huán)境與顆粒污染物擴散的數(shù)值模擬研究，得出以下結論與建議：

（1）北風與東北風時醫(yī)院小區(qū)無風區(qū)面積較大，北風時無風區(qū)主要位于醫(yī)院小區(qū)南部，東北風時無風區(qū)主要位于醫(yī)院小區(qū)西部休閑區(qū)，且住院樓2 與后勤樓易形成無風區(qū)。建議把周圍高大植被換成草坪，增加氣體的流通量。住院樓1 北部易形成渦流區(qū)，風速大于3.5m/s，且不利于污染物排放，應避免在此處放置垃圾桶或堆放醫(yī)療廢品。食堂樓北部、住院樓1 與住院樓2 中部風速較大，風速范圍為1～4m/s，說明醫(yī)院小區(qū)內建筑的分布與形狀會影響小區(qū)內的風速，在小區(qū)內風速較高區(qū)域可以通過種植樹木來改善小區(qū)風環(huán)境；

（2）由于道路揚塵中PM10 濃度大于PM2.5，所以醫(yī)院小區(qū)中PM10 分布更廣，濃度相對更高。家屬樓與后勤樓周圍風速較小，PM2.5 易聚集且濃度較高，最高濃度達60μg/m3，病人長期停留可能會加重病情。PM10 主要集中在休閑區(qū)、家屬樓與后勤樓北部，最高濃度達35μg/m3，應注意顆粒物防治。道路揚塵在不同風向的影響下會對醫(yī)院小區(qū)不同區(qū)域產生不同的影響，由于綠植和水對顆粒物有阻擋和吸收作用，所以在顆粒物濃度較高區(qū)域可以通過種植綠植、設置噴泉或圍欄等方法來降低顆粒物濃度；

（3）在醫(yī)院小區(qū)建設之初，通過CFD 對風環(huán)境與顆粒物濃度進行模擬分析，可在醫(yī)院小區(qū)的優(yōu)化設計中起到積極作用，為建設舒適健康的醫(yī)院小區(qū)提供科學保障。