基于PHOENICS軟件模擬的醫院室外風環境優化

張梓霆，周春玲

(青島農業大學園林與林學院，山東青島 266109)

醫院室外環境小氣候對患者和醫護人員的生理和心理都有很大影響，環境小氣候在營造舒適的醫院室外活動空間中發揮著重要作用，而景觀設計師往往憑借著傳統的規劃理念和設計經驗進行設計，對醫院室外環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，針對醫院小氣候的研究多集中于醫院室內環境[7-8]，已有少量報道也只是研究建筑本身對醫院室外環境小氣候的影響[9-11]，缺乏綠地對醫院室外環境小氣候影響的報道。

目前，建筑室外環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、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境最好[12]；建筑外的風環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域比分別接近69.1%和64.7%[14]。

因此，本文基于小氣候研究醫院室外空間，以改善醫院室外空間的小氣候，為今后醫院室外環境設計提供數據支持和理論依據。利用PHOENICS軟件模擬青島市城陽區人民醫院的室外風環境，分析風速場和壓力場存在的主要問題，提出相應優化方案，研究綠化布局和綠化模式對醫院風環境的影響，并給出改善醫院局部室外風環境狀況的最優綠化組合。

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人民醫院(36°17′N， 120°23′E，區位圖和平面圖見圖1)室外小氣候。該醫院占地面積約7.7萬m2，建筑面積約9.1萬m2，是一所以醫、教、研和防為一體的綜合性三級乙等醫院，是青島市北部區域性醫療中心。其建筑布局為多幢分列式，分幢建造門診樓、急診樓、醫技樓、第一住院部、第二住院部、第三住院部、職工食堂等，醫技各科室分散布置在病房門診或醫技樓中，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，保留了分散式的優點，環境安靜，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，如今已經發展完善成熟，可以輸出風環境各類指標，可實現各種形狀模型的模擬，集成了綠色植物模塊，自置網格劃分界面，比其他CFD模擬軟件(需通過附加軟件劃分網格)更便捷[15]。

1.2.1 湍流模型系數的確定

本文在模擬過程中，相關參數采用表1中的取值。在模擬計算過程中，連續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

1.2.2 計算區域的確定和網格劃分

計算區域要依據實際范圍大小來確定，計算區域過大或過小都會影響計算結果的準確性。青島市城陽區人民醫院東西長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。網格的數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格技術的網格劃分形式，建筑區域采用局部網格加密技術。

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，城陽區人民醫院的地面屬于建筑組團密集的城市市區，高度低于100 m，屬于C類地表，n取0.22[16]。

1.2.4 風參數確定

選取青島市典型氣象年1月和7月氣象參數作為模擬工況，如表2所示。

表2 模擬分析工況

2 結果與分析

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

2.1 醫院室外風速場模擬

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院內部活動區域及建筑有很好的保護作用，冬季醫院內部98%區域風速不超過3.750 m/s，醫院內部90%區域風速不超過5.250 m/s，夏季區域內有漩渦區和無風區。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°變為16°后，醫院室外局部風速和醫院平均風速均明顯增大，建筑拐角處和狹道區域的風速增加率明顯增大。

2.1.2 室外風速場現存問題

2.1.2.1 道路風速場

外圍建筑和外圍植被對內部建筑有保護作用，因此容易在外圍建筑和外圍植被的拐角處形成拐角效應，導致小范圍內極端風速的出現。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處拐角風對就醫人員和醫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，因此在內部建筑的背風側形成大范圍風影區，而醫院部分主要道路穿過該風影區，當就醫人員和醫護人員經過時，會因風影區內風速驟降而產生不適感。

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)。第一住院部與醫技樓之間的活動廣場冬季風速為0.750～4.125 m/s，且90%區域大于限值1.5 m/s，不適于人員活動，行人高度處風速放大系數(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；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

綜合性醫院的傳染病房不同于單一性功能的傳染病醫院，傳染病醫院一般位于城市的偏僻區域，以避免空氣病原擴散，而綜合性醫院一般位于人口相對密集的區域。傳染病房等醫技部門室內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”形凹槽區域冬季風速為0.375～1.875 m/s，有40%區域的風速超過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%區域風速低于1.5 m/s，不易造成空氣病原擴散。

2.2 醫院室外壓力場模擬

《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環境的頻率；醫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，加強內門窗洞口的密封性，以保證冬季室內溫暖。第二住院部的迎風面和背風面風壓差小于0.50 Pa，室內通風能力差，容易使環境悶熱，可增大建筑窗戶開口面積、使用機械通風等保持室內空氣流通，減少污染物積聚。夏季，該醫院建筑樓前后大部分區域風壓差處于2.50～8.75 Pa之間，風壓差超過2.00 Pa，有利于室內自然通風。

2.2.2 醫院傳染病房壓力場

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 綠地優化設計

3.1 醫院整體風環境優化

分析醫院各室外環境風速過大的區域，進行具體模擬測點布置，根據現有綠化布局和建筑布局，提出優化策略，并證明數值模擬優化方案的可行性?？紤]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院室內采光和消防，在靠近建筑且風速較大的區域栽種低矮灌木，即圖4中測點1、2、4、7栽種灌木，測點3、5、6栽種喬木。假設灌木優化株高為X(X可選取1 m、2 m、3 m)，喬木優化株高為Y(Y取 4 m、8 m、12 m)，冬季1.5 m處優化前后的風速云圖如圖5和圖6所示。

對比優化前后風速(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化方案對比

3.2 傳染病房風環境優化

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，具體優化方案見表3，優化前后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的區域占比明顯減小，其中布局c喬木方案最好，從優化前的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化風環境效果更好。

綠化模式對于改善傳染病房風環境有影響。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，凹槽內風速明顯降低，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境的影響。研究發現，與集中布置相比，分散布置綠化改善風環境效果更好。集中布置的情況下，布局b改善傳染病房風環境效果優于布局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，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境設計中，應優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獲得最佳的風環境效果[23-24]。本文在進行傳染病房風環境優化方案對比時同樣發現喬灌混植改善傳染病房室外風環境效果更好。因此，在進行醫院室外環境設計時，應在傳染病房周圍及風速較大的區域合理的增加喬灌混植綠化的比例，以獲得較好的醫院風環境。

本文的優化方案僅對植物群落結構、布局、高度、葉面積指數進行了數值模擬，在后續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，將增加參與人員數量、提高計算機配置，以進一步提高CFD模擬準確性。