張梓霆，周春玲

(青島農(nóng)業(yè)大學園林與林學院，山東青島 266109)

醫(yī)院室外環(huán)境小氣候對患者和醫(yī)護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)院室外活動空間中發(fā)揮著重要作用，而景觀設計師往往憑借著傳統(tǒng)的規(guī)劃理念和設計經(jīng)驗進行設計，對醫(yī)院室外環(huán)境的設計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行設計。目前，針對醫(yī)院小氣候的研究多集中于醫(yī)院室內(nèi)環(huán)境[7-8]，已有少量報道也只是研究建筑本身對醫(yī)院室外環(huán)境小氣候的影響[9-11]，缺乏綠地對醫(yī)院室外環(huán)境小氣候影響的報道。

目前，建筑室外環(huán)境小氣候的研究方法包括實地測量、風洞實驗、計算流體動力學(Computational Fluid Dynamics， CFD)模擬等，針對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風速和風壓影響顯著：不同布局下風環(huán)境與風向角之間存在定性關系，點式布局人行高度處的風環(huán)境最好[12]；建筑外的風環(huán)境也會受到建筑物表面粗糙度的影響[13]；在建筑周圍的恰當區(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風，降低強風產(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)境設計提供數(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)院的室外風環(huán)境，分析風速場和壓力場存在的主要問題，提出相應優(yōu)化方案，研究綠化布局和綠化模式對醫(yī)院風環(huán)境的影響，并給出改善醫(yī)院局部室外風環(huán)境狀況的最優(yōu)綠化組合。

1 研究地點與方法

1.1 研究地點

綜合考慮建筑建設指標、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，環(huán)境安靜，利于隔離。

1.2 研究方法

采用PHOENICS軟件進行CFD模擬。PHOENICS是最早問世的計算流體力學商用軟件，如今已經(jīng)發(fā)展完善成熟，可以輸出風環(huán)境各類指標，可實現(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，相關參數(shù)采用表1中的取值。在模擬計算過程中，連續(xù)性方程和動量方程殘差應低于1.0×10-4，方程殘差k和ε應低于1.0×10-7，超過上述殘差時，模擬停止。

表1 標準k-ε模型中的系數(shù)

1.2.2 計算區(qū)域的確定和網(wǎng)格劃分

計算區(qū)域要依據(jù)實際范圍大小來確定，計算區(qū)域過大或過小都會影響計算結果的準確性。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，所以計算區(qū)域劃定為1 680 m×1 740 m×120 m的范圍。設置合理，能夠得出可靠的模擬結果。網(wǎng)格的數(shù)目和類型對仿真結果的準確性有很大的影響。在本研究中，采用非均勻結構化網(wǎng)格技術的網(wǎng)格劃分形式，建筑區(qū)域采用局部網(wǎng)格加密技術。

1.2.3 模擬邊界條件確定

本研究討論行人高度的風環(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。不同高度的風速不同，高度與風速的計算公式如下：

式中：Vh，高度為h處的風速，m/s；V0，基準高度h0處的風速，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 結果與分析

風環(huán)境研究的重點是風速場和壓力場。根據(jù)《綠色建筑評價標準》[18]評價，青島市城陽區(qū)人民醫(yī)院室外風環(huán)境存在小氣候問題。

2.1 醫(yī)院室外風速場模擬

2.1.1 室外風速場模擬概況

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

2.1.2 室外風速場現(xiàn)存問題

2.1.2.1 道路風速場

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

2.1.2.2 活動廣場風速場

為避免污染物聚集，加強活動廣場空氣流通，廣場風速應大于1.5 m/s(蒲氏風速1級，軟風)。第一住院部與醫(yī)技樓之間的活動廣場冬季風速為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，行人高度處風速放大系數(shù)(wind amplification factor， WAMP)為0.250～1.375，低于2，位于正常范圍[18]，夏季該活動廣場沒有明顯渦旋或無風區(qū)；第三住院部與第二住院部之間的活動廣場冬季風速為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，導致該活動廣場在夏季形成明顯的渦流，不適合人員活動。

2.1.2.3 傳染病房風速場

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，以避免空氣病原擴散，而綜合性醫(yī)院一般位于人口相對密集的區(qū)域。傳染病房等醫(yī)技部門室內(nèi)空氣污染嚴重且有害，不可隨意排出，為避免空氣病原擴散，一般采用機械排風方式換氣[19]。此種類型的建筑外部風速應小于1.5 m/s[18]，風速偏大時，可設置綠化區(qū)域，起阻風作用。

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)域冬季風速為0.375～1.875 m/s，有40%區(qū)域的風速超過1.5 m/s，容易造成空氣病原擴散；夏季風速為0.625～1.875 m/s，80%區(qū)域風速低于1.5 m/s，不易造成空氣病原擴散。

2.2 醫(yī)院室外壓力場模擬

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

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處風壓云圖(圖3)可知，最大風壓分布在第三住院部的迎風面。第三住院部處于迎風面第一排，北部為其主要出入口，迎風面和背風面風壓差較大，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)生較大的風阻，其偏東部迎風面和背風面風壓差大，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。第二住院部的迎風面和背風面風壓差小于0.50 Pa，室內(nèi)通風能力差，容易使環(huán)境悶熱，可增大建筑窗戶開口面積、使用機械通風等保持室內(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)域風壓差處于2.50～8.75 Pa之間，風壓差超過2.00 Pa，有利于室內(nèi)自然通風。

2.2.2 醫(yī)院傳染病房壓力場

腸道門診和太平間北側二者呈“C”形布局，冬季或夏季，迎風面和背風面風壓差均位于0.50～5.00 Pa間，符合評價標準[18]。腸道門診和太平間的下風向是肝病病房、120急救救急中心，四者呈“C”形布局，冬季或夏季，迎風面和背風面風壓差均位于0.50～5.00 Pa間，符合評價標準[18]。

3 綠地優(yōu)化設計

3.1 醫(yī)院整體風環(huán)境優(yōu)化

分析醫(yī)院各室外環(huán)境風速過大的區(qū)域，進行具體模擬測點布置，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。考慮到樹木對冬季主導風的阻擋作用、對建筑通道風的減弱作用，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。為避免樹木過高影響醫(yī)院室內(nèi)采光和消防，在靠近建筑且風速較大的區(qū)域栽種低矮灌木，即圖4中測點1、2、4、7栽種灌木，測點3、5、6栽種喬木。假設灌木優(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)化前后的風速云圖如圖5和圖6所示。

對比優(yōu)化前后風速(表3)可以看出，測點1、3、4加種灌木后風速明顯減小，加種株高為1 m的灌木時改善最為明顯。測點3、5、6處加種喬木在總體上對風速沒有明顯影響。

表3 冬季傳染病房風速優(yōu)化方案對比

3.2 傳染病房風環(huán)境優(yōu)化

針對腸道門診、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，東西方向為8 m，南北方向為16 m；布局b，植物集中布置，東西方向為16 m，南北方向為8 m；布局c，植物分列布置，距離南北建筑物5 m，東西方向為16 m，南北方向為4 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處風速云圖見圖7。

“C”形凹槽處平均風速變化不大，但局部風速超過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)化風環(huán)境效果更好。

綠化模式對于改善傳染病房風環(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)風速明顯降低，當改種喬木或喬灌混植后，局部風速逐漸降低，滯留區(qū)逐漸擴大。布局a中加種喬木或喬灌混植時，局部風速超過1.5 m/s的區(qū)域占比均為17.2%，但喬灌木植被后方風速更低；布局b中加種喬木時，局部風速超過1.5 m/s的區(qū)域占比為14.17%，大于喬灌混植時的12.48%；布局c中喬灌混植時，局部風速超過1.5 m/s的區(qū)域占比為12.48%，略大于僅加種喬木時的11.41%，這可能是由于兩側分散布置喬灌木，繞流作用較強，局部風速略有升高。綜上所述，喬灌混植方案改善傳染病房室外風環(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系[20-22]，但都是為削弱建筑物的拐角效應而設置的綠化帶。本文通過PHOENICS軟件模擬不同綠化布局對傳染病房周圍活動空間風環(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速最大處，植被處、植被后均存在較大的滯留區(qū)，導致局部風速降低。這說明在靠近局部風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)境設計中，應優(yōu)先考慮分散布置綠化，并盡可能加種在局部風速較大的位置。

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

本文的優(yōu)化方案僅對植物群落結構、布局、高度、葉面積指數(shù)進行了數(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?？紤]到時間和計算機的局限性，迭代次數(shù)設置為2 000，相對較小，在以后的模擬研究中，將增加參與人員數(shù)量、提高計算機配置，以進一步提高CFD模擬準確性。