某医院小区室外颗粒物扩散模拟分析

曹鼎，刘迎云，2，，穆述鑫

（1 南华大学 土木工程学院，湖南衡阳 421000；2 南华大学期刊社，湖南衡阳 421000；3 南华大学 资源环境与安全工程学院，湖南衡阳 421000）

0 引言

随着我国经济的飞速发展，汽车成了人们日常生活中不可或缺的交通工具，它方便了人们的日常生活，但同时也带来了交通安全问题与交通源污染的持续攀升。交通源颗粒物在不利于扩散的风环境下聚集，导致颗粒物浓度升高，能见度下降，对城市环境造成严重损害[1]。交通源污染物包括气态污染物和大量细微的颗粒状物体，颗粒物可吸附周围的金属微粒及微生物病原体等。这些细微颗粒的空气动力学当量直径大多＜10μm（PM10），特别是＜2.5μm（PM2.5）时，便可随着呼吸进入人们体内，并沉积在肺部，对人体局部组织产生堵塞作用，从而引起哮喘、支气管炎等疾病，提高了人群中呼吸系统的发病率和死亡率。

近年来，针对交通源颗粒物在住宅小区与城市街谷中的扩散研究已经较为深入[2-3]，但是对城市中的医院小区研究较少。医院小区不同于住宅小区，其相当于大型的建筑综合体，其中包括办公楼、门诊、住院楼、食堂楼、休闲区、家属楼等。所以医院小区在设计时大多注重建筑的功能布置、美观设计及空间利用，小区内建筑布局复杂，建筑高度不一致，很少考虑内部风环境与颗粒物分布对人的影响。2020 年新冠疫情肆虐全球，大量研究表明，新冠肺炎病毒颗粒的传播方式可能与气溶胶传播相似，小粒径气溶胶可能长时间保持悬浮状态，并受风速影响，导致病毒在较大范围传播[4]。由于医院小区人流量大，悬浮颗粒物易导致交叉感染，而小区内的主要颗粒物来源于周边道路，所以研究医院小区内风环境与道路颗粒物在其中的分布具有重要的现实意义。

本文利用计算流体力学（CFD）的方法，对常见风向与风速条件下，医院小区内风场与道路颗粒物在医院小区浓度场中的表现进行计算，并对医院小区内风速及PM2.5、PM10 浓度进行分析，结合分析结果，提出改善医院小区舒适度和减少室外颗粒物浓度的一些建议。研究对医院小区设计规划具有一定的参考意义。

1 项目概况

某项目位于湖南省中部衡阳市，建设项目为公立医院，地理位置为26.8°N，112.5°E，总用地面积90632.3m2，总建筑面积120235.62m2。相邻解放大道为主干道，集贤路与青松路为次干道。衡阳地区常见风向为北风、南风和东北风，常见风速为2 级风，平均风速为2.5m/s。医院小区平面布局图如图1 所示。

图1 平面布局图

2 数值模拟计算

2.1 数学模型

RNG k—ε 模型在处理小区中污染物扩散问题时具有很高的精度［5］，因此本文采用RNG k—ε 湍流模型模拟医院小区内连续风速场，空气按不可压缩流体处理。交通源颗粒物为固体，空气为气体，故为气-固两项问题。颗粒物在空气中可视为离散相，本文采用DPM 法追踪和描述颗粒物在医院小区内的扩散运动，空气流场采用欧拉法（Euler）描述，并用拉格朗日法（Lagrangian）追踪离散颗粒的运动轨迹［6］。假设颗粒相为球体，并不考虑颗粒间的相互碰撞，离散相运动控制方程为：

式中：mp为颗粒质量；up为颗粒速度；wp为颗粒角速度；Ip为质量惯性矩，对于球体，Ip=0.1；T 为作用于颗粒上的总旋转矩；FD为颗粒所受曳力；F 为颗粒所受其他作用力。

2.2 几何建模与网格划分

本文参考 《湖南省绿色建筑设计标准》(DBJ 43/T 006—2017)中的规定确定计算区域的大小。如图2 所示，H 为医院小区内最高建筑高度80m，半径5H 范围内为水平计算域，顶部计算区域为3H，建筑小区距离气流出口处＞6H。整个计算区域实际尺寸为1490×1258×240m，其中模型面积与迎风面计算区域截面积的比值小于4%，符合绿色建筑设计标准规范中的规定。参考当地风向条件，医院小区北部、南部和东部道路为主要污染源。计算域中，解放大道长305m，宽30m，集贤路长420m，宽16m，青松路长180m，宽16m。

图2 模拟计算区域尺寸图示

本研究采取非结构化网格技术实行网格划分，为提高数值计算精度及计算速度，对建筑与地面网格进行局部加密。数值模型的网格单元总数约为807.9 万，医院小区网格效果图如图3 所示。

图3 医院建筑网格效果图

2.3 边界条件

2.3.1 入口边界条件

入口边界条件主要包括风速和风向数据，其中入口风速随高度发生变化，采用下列梯度风：

式中：Z 表示离地面高度，m；ZR表示参考高度，m；V 表示Z高度处的风速，m/s；VR表示参考高度（10m）的平均风速，风场计算取用2.5m/s；α 表示不同区域的地面粗糙度指数，参考《建筑结构荷载规范》（GB 50009—2012）规定，本研究涉及的区域类型为建筑较密集的大城市区类，α 取值为0.22。

2.3.2 壁面边界条件

计算域的两侧设为对称边界，地面边界设定为无滑移壁面，颗粒相壁面设置为reflect，出入口为escape，空气流动要受到地面摩擦力的影响。

2.4 颗粒物源强计算

依据相关研究，道路扬尘的排放源强远大于汽车尾气的排放源强［7］，故在本次模拟研究中，只考虑道路扬尘中PM2.5 与PM10对医院小区的影响。依据《大气可吸入颗粒物一次源排放清单编制技术指南（试行）》（000014672/2014—01379）中的附件《扬尘源颗粒物排放清单编制技术指南》，本次研究道路为铺装道路，颗粒物源强的计算公式为：

式中，WRi为道路扬尘源中颗粒物PMi的总排放量，μg/h；ERi为道路扬尘源中PMi平均排放因子，g/(km·辆)；LR为道路长度，km；NR为一定时期内车辆在该段道路上的平均车流量，辆/h；nr为不起尘天数，可使用一年中降水量大于0.25mm/d 的天数表示。

依据对衡阳市主城区道路扬尘排放特征的相关研究［8］，衡阳市主城区各等级道路扬尘排放因子如表1 所示。依据国家气象科学数据中心数据，2020 年衡阳市区降雨量＞0.25mm 的天数为136天。解放大道为主干道，长度为300m，车流量为1430 辆/h，PM2.5源强为2.017×104μg/s，PM10 源强为8.5×104μg/s。集贤路为支路，长度为420m，车流量为750 辆/h，PM2.5 源强为1.81×104μg/s，PM10 源强为7.52×104μg/s。青松路为支路，长度为180m，车流量为750 辆/h，PM2.5 源强为7.76×103μg/s，PM10 源强为3.2×104μg/s。

表1 衡阳市主城区各等级道路扬尘排放系数 ERi/[g·(km·辆)-1]

3 模拟结果分析

3.1 医院小区室外风环境分析

风环境好坏是评价空气质量的一个重要指标，影响颗粒物在医院小区中的扩散。医院小区应具有舒适、卫生的生活环境，所以对于风环境有更高的要求。如图4 所示，在北风影响下，医院小区北部建筑处于相对迎风面，由于弧形综合楼对北风的阻挡，综合楼南部存在风影效应，并出现大面积无风区与负压区，风速小于0.5m/s。两侧为位移区，西侧风速大于3.5m/s。在住院楼2 与住院楼3 中部由于通风区面积突然减少，此处存在狭管效应，因此风速明显增大，局部风速大于3.5m/s，不宜病人长期停留，并由于食堂楼的阻挡，气流在食堂楼北部分流，对休闲区风场产生影响。休闲区、住院楼2 北部和家属楼中部出现涡流区，风速范围为2.3～3.5m/s，易造成涡流区垃圾堆积，影响环境。如图5 所示，在南风影响下，医院小区无风区面积较少，小区内通风良好。在综合楼南部与住院楼2 北部存在涡流区，局部风速大于3.5m/s。家属楼属于相对迎风面，室内外压差较大，不利于病房冬季防冷风渗透。医院小区两侧位移区风速较小，普遍小于1.3m/s。如图6 所示，东北风时医院小区内无风区面积最大，住院楼2 北部存在涡流，风速大于3.5m/s，且主要分布在住院楼2 入口处，由于狭管效应，住院楼2 与住院楼3 中部风速也大于3.5m/s。

图4 北风时1.5m高度风速云图与矢量图

图5 南风时1.5m高度风速云图与矢量图

图6 东北风时1.5m高度风速云图与矢量图

3.2 医院小区室外颗粒物扩散分析

风向对医院小区内颗粒物浓度分布有显著影响，颗粒物分布受风场影响呈流线型分布。由于PM2.5 与PM10 具有不同的物理特性与排放量，所以在医院小区中的分布也不同。如图7 所示，北风时由于综合楼的阻挡作用，PM2.5 大多向医院小区两侧扩散，医院小区内相对较少，只在休闲区有少量聚集，且PM2.5浓度低于5μg/m3；PM10 在医院小区的分布明显大于PM2.5，主要集中在休闲区与家属楼南部，部分区域PM10 浓度范围为5～20μg/m3。如图8 所示，南风时PM2.5 主要分布在家属楼中部、后勤楼北部与住院楼2 西部，家属楼与后勤楼北部PM2.5 浓度范围为6～50μg/m3，住院楼2 西部PM2.5 浓度范围为6～80μg/m3；PM10 主要分布在家属楼北部与东部、休闲区南部，家属楼北部与东部PM10 浓度范围为10～20μg/m3，休闲区南部PM10 浓度范围为5～15μg/m3。如图9 所示，东北风时，PM2.5 与PM10 在医院小区中分布更广，PM2.5 主要分布在休闲区、家属楼与后勤楼，浓度范围为3～15μg/m3；PM10 主要分布在休闲区与家属楼，浓度范围为6～35μg/m3。

图7 北风时1.5m高度PM2.5与PM10浓度云图

图8 南风时1.5m高度PM2.5与PM10浓度云图

图9 东北风时1.5m高度PM2.5与PM10浓度云图

4 结语

本文通过对医院小区室外风环境与颗粒污染物扩散的数值模拟研究，得出以下结论与建议：

（1）北风与东北风时医院小区无风区面积较大，北风时无风区主要位于医院小区南部，东北风时无风区主要位于医院小区西部休闲区，且住院楼2 与后勤楼易形成无风区。建议把周围高大植被换成草坪，增加气体的流通量。住院楼1 北部易形成涡流区，风速大于3.5m/s，且不利于污染物排放，应避免在此处放置垃圾桶或堆放医疗废品。食堂楼北部、住院楼1 与住院楼2 中部风速较大，风速范围为1～4m/s，说明医院小区内建筑的分布与形状会影响小区内的风速，在小区内风速较高区域可以通过种植树木来改善小区风环境；

（2）由于道路扬尘中PM10 浓度大于PM2.5，所以医院小区中PM10 分布更广，浓度相对更高。家属楼与后勤楼周围风速较小，PM2.5 易聚集且浓度较高，最高浓度达60μg/m3，病人长期停留可能会加重病情。PM10 主要集中在休闲区、家属楼与后勤楼北部，最高浓度达35μg/m3，应注意颗粒物防治。道路扬尘在不同风向的影响下会对医院小区不同区域产生不同的影响，由于绿植和水对颗粒物有阻挡和吸收作用，所以在颗粒物浓度较高区域可以通过种植绿植、设置喷泉或围栏等方法来降低颗粒物浓度；

（3）在医院小区建设之初，通过CFD 对风环境与颗粒物浓度进行模拟分析，可在医院小区的优化设计中起到积极作用，为建设舒适健康的医院小区提供科学保障。