人文關懷型地鐵冷卻塔導流圍護藝術設計研究

吳玨 許景輝 孫曉文 李立 | 湖北美術學院環境藝術學院

地面冷卻塔在地鐵系統的運行中起著至關重要的作用，它們是用于調節地鐵站大廳溫度和保持列車平穩運行的冷卻和通風系統的重要組成部分。由于列車的高能耗及其運動引起的摩擦，地鐵系統會產生大量熱量，這種熱量會迅速積聚并為乘客創造一個熱壓環境，導致乘客健康問題。同時冷卻列車運行至關重要的牽引電機、電源轉換器和其他電氣系統，調節這些系統的溫度并防止過熱所導致系統故障和意外的服務中斷。地面冷卻塔通過從車站大廳帶走熱量并將其散發到大氣中來幫助調節溫度，保障地下空間溫度舒適和電氣設備的安全運行。但與此同時，冷卻塔的運行又給路邊行人帶來一些不利影響，行人的身體感知直接影響其對環境認知，從而此區域公共設施形成不友好的整體印象。最為直接的解決辦法是采用圍護方式遮擋視線，且保持快速的空氣流通，因此構成圍護的導流板結構方式尤為重要。

本研究以人文關懷理念為基礎，將工程與藝術相結合，為冷卻塔帶來更加藝術化的圍護結構，提升其整體的視覺形象。從藝術設計上，通過設計冷卻塔的外部圍護形態、導流板的幾何形狀和排列方式等，使其更加美觀、流暢、序列化和結構化，形成融入環境的視覺美感。從功能設計上，通過優化導流板的角度和高度等參數，減少熱氣流、噪音、氣味對行人的影響，提高冷卻塔的環境友好性。

一、冷卻塔的基本工作原理及存在的問題

1.地鐵地面冷卻塔的基本工作原理

地面冷卻塔的基本部件包括水槽、填充材料、風扇和分配系統。底盆（蓄水池）是一個大容器，用于盛放熱水或其它要冷卻的液體；填充材料是一種結構，可增加水與空氣接觸的表面積，從而實現更大的熱傳遞；風扇用于使空氣在填充材料中循環；分配系統用于將水均勻分布在填充材料上。冷卻塔中的冷卻過程基于熱交換原理，熱量從底盆中的熱水或其他流體傳遞到空氣中，從而冷卻流體。傳熱速率受多種因素影響，包括水和空氣之間的溫差、水的流速和空氣流速等。溫差越大，傳熱越快，流量越大，傳熱速率越大。冷卻塔中的冷卻過程通常包括5步驟：①配水：熱水或其他液體均勻地分布在盆中的填充材料上；②傳熱：當水流過填充材料時，熱量從水中傳遞到空氣中，從而使水冷卻；③空氣循環：風扇使空氣通過填充材料循環，有助于冷卻水；④蒸發：盆地中的一些水通過蒸發流失，這有助于進一步冷卻水；⑤收集：冷卻后的水收集在水池中，準備在系統中重復使用，系統循環往復，從而達到冷卻作用。（圖1）

圖1 設計手稿1 冷卻塔工作原理（作者繪）

2.地面冷卻塔存在的4個問題

地面地鐵冷卻塔的功能原理圍繞著為地鐵系統提供高效的冷卻。冷卻塔的工作原理是利用蒸發從冷卻過程中使用的水中去除熱量，水再循環回冷卻系統，繼續吸收熱量并被冷卻。當冷卻塔靠近人流量大的步行區時，散發出的大量熱量給行人帶來許多挑戰和負面影響?？拷值赖牡罔F冷卻塔對行人的影響存在四個關鍵問題：混亂的視線、氣流影響、城市噪音和不適的氣味。

①視線雜亂。冷卻塔的外觀較為笨重，一套機組由多個組件構成且管線連接復雜暴露在外，視線混亂對視覺景觀產生負面影響，會降低行人出行質量，損害周圍環境的整體美感。

②氣流影響。由于地面冷卻塔通常需要排放大量的熱氣，這會導致周圍空氣的溫度升高，形成熱氣流，導致局部氣流模式發生較大變化，從而對過路行人產生負面影響。

③城市噪音。冷卻塔運轉時產生的噪音和振動，對周圍環境和行人通過造成干擾。譬如，過路行人難以聽到同行者的聲音并無法集中精力，影響該地區的自然音景，使其變得不寧靜而更加混亂。

④異味散發。冷卻塔蓄水池有積水，這會為細菌和其他微生物繁殖提供溫床，積聚的污垢、灰塵和其他碎屑會產生強烈、難聞的氣味，令行人不悅，使路過行人對冷卻塔設施產生負面印象。

以人文關懷的方式解決冷卻塔熱氣流、視線、噪音、氣味的問題是最為有效的途徑。需要設計師、工程師、環境學者等多個領域的專家共同合作，采用技術、藝術、環境意識等多種手段，以達到工程與美學、環境與人文關懷的完美結合。

二、人文關懷型地鐵冷卻塔外部圍護藝術設計

1.以人文關懷理念應對冷卻塔設施的藝術設計

人文關懷理念是一種以接受關懷的個人的需求和福祉為中心的關懷。人文關懷型設計優先考慮個人的身體、情感、社會和精神需求，并力求創造一個支持和共情、積極和關懷的環境，以提高環境生活質量。鐘旭東也提到人性化設計應該包括物理、心理、社會層面的關懷以及對人群細分的關懷。對設計的醞釀、策劃、營造、設計、使用、維護和改造都應以人為本，從而達到最大限度地實現對人性化的關注[1]。人文關懷的建立是從感知體驗的確認，再到受到關懷意識確認的過程。首先，人文關懷型冷卻塔設施的藝術設計有助于創造一個視覺上吸引人和改善情緒的環境，對使用這些設施的人的心理健康和福祉產生積極影響。美學設計有助于減輕壓力、促進平靜感并提升整體用戶體驗。其次，藝術設計也有助于培養社區感和歸屬感，這在公共設施中尤為重要。通過融入視覺上引人入勝的元素，使個人更有可能感受到與空間的聯系。再次，通過對冷卻塔外圍護導流板的藝術設計處理，優化冷熱氣流流動狀態，減少對周邊行人影響，構建人文關懷型的高質量、精細化的公共設施?？偟貋碚f，人文關懷型冷卻塔設施的藝術設計是促進福祉、培養街道公共意識和激發環境責任的重要方法。本課題將人文關懷、審美情趣和環境可持續性的元素融入設施的設計，創造具有功能性和視覺吸引力的公共空間設施，構建堅持人文關懷的發展理念的地鐵地面冷卻塔的藝術設計思維。

2.國內外人文關懷型冷卻塔研究現狀

近年來，隨著軌道交通建設的發展，冷卻塔作為地鐵建設中重要的組成部分，人文關懷的地鐵冷卻塔周邊藝術設計已成為國內外日益關注和研究的課題。主要為兩方面研究，一是對冷卻塔機械性能的提升，比如無填料冷卻塔最初由美國Baltimore Aircoil公司研制，利用水流噴射作用改變塔內外壓力差，發生濕熱交換的過程，減少對外部環境和人體感受的影響。于此相似還包括干濕式冷卻塔、水力通風冷卻塔、逆流濕式冷卻塔、橫流式冷卻塔等，都是采用不同機械方式提高機械冷卻性能，從而達到對人的關懷效果。二是外部形象提升，比如將冷卻塔外圍整體設計與車站的整體設計融為一體，以綠植、壁畫、公共藝術裝置等融入當地文化元素和藝術表現形式，反映周邊地區文化歷史特征的元素，或是融入了吉祥圖案，既體現了城市的歷史文化底蘊，又提升了地鐵站的整體美感。目前研究的兩個方面在一定程度上能達到人文關懷的效果，但二者結合的緊密度不充分，工程機械原理的優化提升和藝術設計共同作用效果不明顯，有待進一步研究。

國內外地鐵冷卻塔外部圍護設施的藝術設計是一個從粗放開始，隨著時間的推移逐漸細化的過程。圍繞地鐵冷卻塔的藝術設計發展可分為3個階段：①二十世紀初至二十世紀六十年代是基本功能階段：關注點重點是冷卻塔設計的功能方面，外圍設施只是為了達到其基本功能目的，而對美學的考慮最少。②二十世紀六十年代至二十一世紀初是藝術意識介入階段：開始認識到將藝術設計融入冷卻塔圍護設計的重要性。目的是創造美觀的設計，同時仍確保冷卻塔的功能效率。③二十一世紀初至今是環境整合階段：注重藝術設計與功能設計相結合，創造出和諧的設計。冷卻塔圍護的設計不僅要達到其目的，還要提升周邊地區的整體美感。

三、人文關懷的地鐵冷卻塔外圍藝術設計實踐

冷卻塔的外圍藝術設計的出發點是關注人經過冷卻塔的狀態，從視覺、熱氣流、噪音、廢氣四個方面給人的體感，通過優化導流板進行精細化設計，形成外圍藝術效果，建立人文關懷型設施的整體印象，從身體感知到建立人文關懷意識。

1.人文關懷的重點是關注人的身體感知到體感意識

體感是指個體對自身周圍環境的客觀感知，通常指的是人的感官感知能力，包括視覺、聽覺、嗅覺、味覺、觸覺和平衡感。理查德?馬祖赫，羅娜?斯蒂芬指出感官是我們評估環境的工具。通過理解感官的真實維度和局限性，設計一個響應人們需求的環境，體現出其從醫療體系下衍生出來的景觀設計依據[2]。這些感官感知的信息通過神經系統傳遞到大腦，形成個體的身體感覺。體感到意識的過程涉及身體與大腦的交互。當我們的身體經歷一些外界的刺激（如觸覺、聽覺、嗅覺、味覺、視覺等）時，會生成對應的神經信號，這些信號在腦內進行處理，從而形成意識。這個過程經歷了多重的過渡性階段，包括感覺信息的接收、識別、評估、處理、記憶和應用等。在這個過程中，大腦不斷地把外界的信息與已有知識和經驗結合起來，從而形成對世界的意識。西蒙茲在景觀設計方法論中提出景觀設計中生物尺度的衡量應滿足人的視覺、味覺、聽覺、嗅覺和觸覺的檢驗以及“理解人，尊重人，規劃人的體驗”，也包含了人性關懷的思想內涵[3]。因此，從體感到意識是一個復雜的過程，需要多個生理和心理過程的協同。體感到意識的過程是一個演變的過程，它是由一系列心理學機制的相互作用產生的。通過感覺器官接收到外部刺激，并通過大腦的處理和整合，將其轉化為意識的形式。因此，體感意識可以被定義為我們對身體和外部環境的直接體驗和感知，以及我們對這些體驗的意識。它是一個涵蓋了體感和意識的綜合概念，是我們對自己和周圍環境的經驗和感知的總和。

2.外部圍護導流板的藝術設計解決冷卻塔的4個問題

導流板的有序排列構成了圍護結構，其形態美感和導流功能是緊密相關的。導流板的主要功能是對冷熱氣流進行引導，使得冷卻塔的散熱效果更好，同時也能夠避免熱氣流直噴朝向過路的行人，保證行人的舒適度和安全性。冷卻塔導流板的設計需要進行多次氣流模擬測試和優化，得出最佳的導流板形態和角度。精細化的設計能夠最大限度地提升冷卻塔的外觀和體驗效果，為城市環境和人民生活的質量提供良好保障。

（1）導流板重塑外部圍護的視覺形態

當導流板形態與人們內在的審美觀念相契合時，會產生更好的視覺效果和更強的美感體驗。因此在導流板設計中，以菱形為基本元素，并通過形態對比探討菱形角度大小的視覺效果（圖2）。菱形通常被認為是一種穩定、和諧、優美、動感的形狀。銳角和鈍角的變化可以提供一些視覺上的變化和對比，增加視覺上的趣味性。通過對比實驗選出銳角30度和鈍角150度的較優結果，符合視覺審美需求。設計中導流板單元件材料為304型不銹鋼，面層為啞光金屬氟碳漆，顏色采用了深灰色，增加了其穩重感和紋理感。尺度和角度的配合在視覺上有一定的動感和流暢感，形狀和比例可以引起人們的共鳴和認同，材質和色彩更容易與周圍環境相融合，這些元素可以被視作是“視覺”的單元符號。導流板的菱形形狀、顏色、材料的設計和選用使其表面呈現出一定的光澤和反射，增強了其視覺的立體感和深度感。人性化與美相輔相成，人性化的設計可以在材質上更多的體現出對他人的關愛[4]。

圖2 菱形導流板形態對比圖（作者繪）

將菱形單元件按特定序列關系進行疊加組合，如“魚鱗片”一般，形成整體的冷卻塔外部圍合結構。通過有序疊加，在立面中形成上部下部的交界線，由于光線變化區域形成如山巒起伏的抽象形態，既滿足冷卻塔和風亭的空氣交換功能，又賦予了建筑內涵和有序美感的特點。導流板“鱗片”的有序排列、疊加構成層次感，在光影的映射下，讓人們在不同角度觀察冷卻塔時能夠感受到不同的美感和光影變化，也有助于整個設施在周圍環境中融入并產生協調感。所形成抽象的山巒形態，不僅有助于形成冷卻塔和風亭的空氣交換功能，還能夠增加整個設施的視覺趣味和內涵美。導流板“鱗片”的形態的疊加能夠為冷卻塔增加一定的穩定性和結構強度。通過合理的疊加方式和角度設計，能夠讓鱗片之間形成穩定的連接關系，還能夠增加整個設施的抗風能力和結構強度，保證其在惡劣氣候條件下的安全性能。

外部圍護導流板精細化的幾何形狀和角度設計、顏色搭配以及與周圍環境的協調，導流板成功地打造出了一種既實用又美觀的外觀效果，形成具有視覺化的人文關懷型冷卻塔外部圍護結構。藝術要素的運用，如基本幾何形狀、顏色、構造元素等，能在視覺上產生美感的效果，從而創造更加愉悅的通行體驗。導流板設計在滿足實際要求的同時，能夠呈現出卓越的美學價值，是藝術和工程的完美結合。通過導流板的形態和排列方式的精細化設計，從色度、序列、質感、通透4個方面，使冷卻塔的外觀不僅在視覺上達到了更優美、更協調的效果，同時在實現導流功能的同時，使熱氣流動更加順暢，從而避免了熱氣流的直噴，為行人提供更好的保護和遮擋，也為行人創造了更為舒適的視覺體驗。

（2）以虛擬仿真測試實證優化具有人文關懷的導流板設計

導流板的設計不僅要考慮其外觀的美學效果和視覺沖擊力，還要滿足對冷卻塔的熱氣流的引導和散熱功能的要求。外部圍護設置優化角度的導風板有效應用冷熱空氣循環工作原理，可以幫助優化冷熱空氣循環，并提高循環效率。這種循環系統通過水冷方式，把熱量從水中散發到空氣中，以空氣冷熱循環空氣系統控制環境溫度和空氣濕度。通過合理設置導流板角度，對空氣的流動進行優化，有效地將冷空氣和熱空氣分開，以最大限度地提高冷熱空氣的換氣效率，實現快速的熱交換。外圍導流板的形態、面積和角度等都需要經過科學的計算和試驗，以確保冷卻效果最優。

設計冷卻塔的外部圍護結構下半部分作為一個向內的傾斜角度，主要是通過導板向內傾斜來導引冷空氣進入冷卻塔內部。而上半部分作為一個向外的傾斜角度，通過導板向外傾斜來排出熱空氣。在選取最優傾斜角度時，先采用小樣模型模擬大致的區間范圍（圖3），保持空氣流動的最優及視線感覺的最優，是以視覺經驗為前提的初步判斷和界定范圍，再通過專業的空氣流動仿真軟件SOLIDWORKS①對區間范圍內設定的三種不同導板角度進行了測試。

圖3 打樣模型對比傾斜角度的變化產生的視覺效果，初步判斷中間圖片角度較優（作者拍攝照片）

預設的3種不同的角度分別是：小角度為向上開口導流板角度為10°，向下開口導流板角度為20°（10°/20°）；中角度為向上開口導流板角度為20°，向下開口導流板角度為30°（20°/30°）；大角度為向上開口導流板角度為30°，向下開口導流板角度為40°（30°/40°）。為更好地研究冷卻塔的運行效果，在軟件中模擬空氣的流動特性，預測空氣循環的效果，從而對設計的冷卻塔外圍導板角度進行優選，更科學評估冷卻塔外圍導流板的設計角度的合理性。通過仿真軟件SOLIDWORKS對3種角度的空氣流動做測試，對在地鐵冷卻塔外部圍護進行溫度、空氣流速、噪音、密度、靜壓對周邊的環境與人影響較大的因素進行有限元分析②，致力于在保障地鐵冷卻塔良好運行環境下，削減其對周邊環境以及行人影響，選取冷卻塔外墻導流板角度的最優設計方案?，F選取其中臨近路邊的墻C進行對比分析（表1）（表2）（表3）。

表1 冷卻塔C墻3種角度模擬仿真對比圖（作者繪）

表2 冷卻塔C墻3種角度仿真實驗效果對比說明（作者繪）③

表3 冷卻塔C墻3種角度仿真實驗數據對比（作者繪）

1）預設條件

①本次實驗方針工況設置為總體工況，并不排除內部空間和不具備流動條件的腔體。

②流體設置為空氣（包含氮氣、氯氣、氧氣、二氧化碳等）。

③實驗地點為武漢，默認溫度環境值設定為華中地區常年平均溫度20攝氏度，且壓強設定為標準大氣壓101325帕。

④冷卻塔內部空氣流動出口速度邊界條件設定值設定為1m/s，設置實驗熱源為冷卻塔，散熱功率為11000W（數據來源元亨冷卻塔制造商官網數據，YHA－225型橫流式冷卻塔）。

2）試驗情況說明

①實驗結果表格數據分為6項，分別為密度、溫度、速度、靜壓、表面熱通量以及聲學能量等級，其中密度、溫度、速度以及靜壓為實驗對象周邊的流體的變化值；表面熱通量為景觀外墻的材料與空氣接觸的各表面的換熱量總和；聲學能量等級量化為分貝，即實驗對象發出的聲音大小數值。

②實驗圖片分為兩種，分別為流動跡線圖以及切面圖。流動跡線圖反映實驗過程中，整體三維的實驗數據分布以及走向，更加直觀立體的觀察到實驗過程中數值變化的位置以及情況。切面圖則展示的是在實驗過程中，設定的截面上的平面數據分布狀態，更加全面直觀的分析到同一位置區間內的數據平面分布，具有方向指向性。

③實驗具體分為四個情況分別是無外墻組；墻A組；墻B組；墻C組；墻D組；其中每個組分為三個角度方案情況即10°/20°、20°/30°、30°/40°。

人文關懷型地鐵冷卻塔導流圍護藝術設計研究的語境下，保證冷卻塔的基本功能正常運行，減弱對周邊環境、行人的影響，從上述數據中挑選出能直觀的三項數據進行對比分析，分別為溫度，流動速度以及噪音，三項數據進行定量分析④（表4）。

表4 冷卻塔C墻3種角度仿真實驗量化對比（作者繪）

經過測試并量化分析，得出結論：小角度（10°/20°）導流板的視線干擾最小，但風力阻力大，空氣流動不夠通暢；大角度（30°/40°）導流板的空氣流動最為通暢性，但是冷卻塔內部結構暴露在視線范圍內，影響了視覺效果；中角度（20°/30°）導流板結構是最好的選擇?？諝饬鲃幼枇^小能使空氣交換通暢性，并有效引導和控制氣流的流動方向和速度，避免熱氣流直接噴向過路的行人，最大限度的弱化噪音、氣味造成行人不適感。同時遮蔽冷卻塔內部無序雜亂管線，形成有序、靈動的山巒起伏的外部整體形象，以充分考慮人的身體感知，形成具有人文關懷的城市冷卻塔設施。

綜上所述，通過對冷卻塔外圍藝術設計的精細化和創新性改進，對導流板進行優化對，其形態、角度、層疊方式、序列、色度、質感等方面來解決冷卻塔運行時造成的4個問題。設計導流板的布局和高低錯落，形成了山巒起伏的抽象形態，既滿足了冷卻塔和風亭的空氣交換功能，又賦予內涵、有序美觀?？梢宰尷鋮s塔在不僅具備高效散熱功能的同時，還能夠讓人們感受到一種更加人性化和美學化的體驗。結合導流板精細化設計、空氣流動優化、噪音控制、廢氣處理等方面的考慮，從視覺、熱氣流、噪音、廢氣四個方面給人以良好的體感，達到人文關懷型設施的整體印象。這種設計既考慮了冷卻塔的實際功能需求，又注重人們的感受和審美，從而建立了一個與環境協調、富有人文情懷的城市空間（圖4）。

圖4 選用20°/30°導流板建成外部圍護結構實景達到預期效果（作者攝）

五、結論

本研究總結基于人文關懷型地鐵冷卻塔外部圍護藝術設計的目標引導下，為解決當前問題給出了具體的設計方法和實施路徑。首先，從身體感知到體感意識，建立人文關懷型冷卻塔外部圍護結構。設計在理念和實踐上加強了人文因素的考慮，由人的身體感知到人的認知意識建立，通過感知的關照使人體驗到具有人文關懷的公共設施。其次，以精細化、藝術化的巧妙解決冷卻塔對行人、環境的影響。在對結構的優化處理基礎上，通過調整導流板的角度和方向達到藝術化效果，特定角度的導流板能夠在達到壓降和風速控制上，實現更好的聲學性能和更佳的風能控制效果。最后，采用實體模型、虛擬仿真互為實證的方式來論證藝術形態的最優解。通過仿真模擬方式來試驗論證不同角度產生的不同結果，以形態對比的最優結合測試結果進行綜合考量，得出最優方案將是今后解決藝術設計過程難點的有效途徑。通過藝術形態和定量測試的設計方法，冷卻塔外部圍護結構不單是作為單純的機械設備，而是結合了一定的藝術性和兼具人性化設計的公共設施。

綜上所述，人文關懷的設計理念為城市公共設施的提升和改善帶來新的思路和方法，給今后的相關設計提供了方向和實踐依據，具有一定的借鑒價值。從人文關懷的角度出發，在充分收集、調研、歸納人的本質需求下進行設計，同時考慮到行人需求、感受、文化、藝術等各方面因素。由體感到認知的過程，既要通過推論進行定性分析，也要結合實驗論證方式進行定量分析，兩者結合才能最終形成集藝術與科學共同塑造的公共設施藝術作品。這種解決方案符合人的本質需求和價值取向，既滿足人們對于公共設施審美的需求，又保證特殊設施的功能性。結合功能性和美感的設計方法在未來的公共設施設計中將會被廣泛運用，為公眾創造一個更加健康、舒適、美好的城市環境。

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注釋：

① SOLIDWORKS是一個三維CAD（Computer-Aided Design）軟件，主要用于機械設計、產品設計、工業設計、工程設計和模擬領域。SOLIDWORKS的具體作用包括：a可視化設計：使用者可以在SOLIDWORKS中設計并以三維形式展示他們的產品；b產品制造：SOLIDWORKS中的制造模擬功能可以幫助用戶預測制造過程中的問題，以確保最終的產品符合質量標準；c模擬和分析：SOLIDWORKS可以對產品的力學性能、熱學性能、電學性能、聲學性能進行模擬和分析，以幫助用戶確保產品的性能。

② 有限元分析法通常運用在三維設計中，對設計進行驗證，以便找到最佳設計方案的有限手段。在運用有限元分析軟件分析問題的時候通常需要，首先，對于分析的對象進行數學模型的建模還原，并把數學模型轉化成有限元模型；其次，對于分析類型進行定義，給予分析對象添加材料屬性；最后，對于實驗環境進行設定施加載荷以及約束條件，再根據不同情況進行求解分析。

③ 由于熱通量參數對外界影響較小不計算量化分數，不再表中單列

④ 定量分析說明：量化分值分別由距離冷卻塔遠近能受到影響進行分配，總分100分，其中噪音占比40%，溫度與速度兩項需要空氣作為依托傳遞各占比30%。每項的細分如下：溫度較環境值，上升下降的絕對值最大范圍不超過3攝氏度，量化為30分，即每0.1攝氏度換算為1分。速度較環境值而言，最大最小的范圍不超過15m/s，量化為30分，即每1米2分，由于墻外速度為越低越貼合人文關懷語境，因此速度越高分值越低。噪音環境而言，噪音總分貝不超過60分貝，總共40分，量化后即為每6分貝4分，噪音越大分值越低。