人文关怀型地铁冷却塔导流围护艺术设计研究

吴珏 许景辉 孙晓文 李立 | 湖北美术学院环境艺术学院

地面冷却塔在地铁系统的运行中起着至关重要的作用，它们是用于调节地铁站大厅温度和保持列车平稳运行的冷却和通风系统的重要组成部分。由于列车的高能耗及其运动引起的摩擦，地铁系统会产生大量热量，这种热量会迅速积聚并为乘客创造一个热压环境，导致乘客健康问题。同时冷却列车运行至关重要的牵引电机、电源转换器和其他电气系统，调节这些系统的温度并防止过热所导致系统故障和意外的服务中断。地面冷却塔通过从车站大厅带走热量并将其散发到大气中来帮助调节温度，保障地下空间温度舒适和电气设备的安全运行。但与此同时，冷却塔的运行又给路边行人带来一些不利影响，行人的身体感知直接影响其对环境认知，从而此区域公共设施形成不友好的整体印象。最为直接的解决办法是采用围护方式遮挡视线，且保持快速的空气流通，因此构成围护的导流板结构方式尤为重要。

本研究以人文关怀理念为基础，将工程与艺术相结合，为冷却塔带来更加艺术化的围护结构，提升其整体的视觉形象。从艺术设计上，通过设计冷却塔的外部围护形态、导流板的几何形状和排列方式等，使其更加美观、流畅、序列化和结构化，形成融入环境的视觉美感。从功能设计上，通过优化导流板的角度和高度等参数，减少热气流、噪音、气味对行人的影响，提高冷却塔的环境友好性。

一、冷却塔的基本工作原理及存在的问题

1.地铁地面冷却塔的基本工作原理

地面冷却塔的基本部件包括水槽、填充材料、风扇和分配系统。底盆（蓄水池）是一个大容器，用于盛放热水或其它要冷却的液体；填充材料是一种结构，可增加水与空气接触的表面积，从而实现更大的热传递；风扇用于使空气在填充材料中循环；分配系统用于将水均匀分布在填充材料上。冷却塔中的冷却过程基于热交换原理，热量从底盆中的热水或其他流体传递到空气中，从而冷却流体。传热速率受多种因素影响，包括水和空气之间的温差、水的流速和空气流速等。温差越大，传热越快，流量越大，传热速率越大。冷却塔中的冷却过程通常包括5步骤：①配水：热水或其他液体均匀地分布在盆中的填充材料上；②传热：当水流过填充材料时，热量从水中传递到空气中，从而使水冷却；③空气循环：风扇使空气通过填充材料循环，有助于冷却水；④蒸发：盆地中的一些水通过蒸发流失，这有助于进一步冷却水；⑤收集：冷却后的水收集在水池中，准备在系统中重复使用，系统循环往复，从而达到冷却作用。（图1）

图1 设计手稿1 冷却塔工作原理（作者绘）

2.地面冷却塔存在的4个问题

地面地铁冷却塔的功能原理围绕着为地铁系统提供高效的冷却。冷却塔的工作原理是利用蒸发从冷却过程中使用的水中去除热量，水再循环回冷却系统，继续吸收热量并被冷却。当冷却塔靠近人流量大的步行区时，散发出的大量热量给行人带来许多挑战和负面影响。靠近街道的地铁冷却塔对行人的影响存在四个关键问题：混乱的视线、气流影响、城市噪音和不适的气味。

①视线杂乱。冷却塔的外观较为笨重，一套机组由多个组件构成且管线连接复杂暴露在外，视线混乱对视觉景观产生负面影响，会降低行人出行质量，损害周围环境的整体美感。

②气流影响。由于地面冷却塔通常需要排放大量的热气，这会导致周围空气的温度升高，形成热气流，导致局部气流模式发生较大变化，从而对过路行人产生负面影响。

③城市噪音。冷却塔运转时产生的噪音和振动，对周围环境和行人通过造成干扰。譬如，过路行人难以听到同行者的声音并无法集中精力，影响该地区的自然音景，使其变得不宁静而更加混乱。

④异味散发。冷却塔蓄水池有积水，这会为细菌和其他微生物繁殖提供温床，积聚的污垢、灰尘和其他碎屑会产生强烈、难闻的气味，令行人不悦，使路过行人对冷却塔设施产生负面印象。

以人文关怀的方式解决冷却塔热气流、视线、噪音、气味的问题是最为有效的途径。需要设计师、工程师、环境学者等多个领域的专家共同合作，采用技术、艺术、环境意识等多种手段，以达到工程与美学、环境与人文关怀的完美结合。

二、人文关怀型地铁冷却塔外部围护艺术设计

1.以人文关怀理念应对冷却塔设施的艺术设计

人文关怀理念是一种以接受关怀的个人的需求和福祉为中心的关怀。人文关怀型设计优先考虑个人的身体、情感、社会和精神需求，并力求创造一个支持和共情、积极和关怀的环境，以提高环境生活质量。钟旭东也提到人性化设计应该包括物理、心理、社会层面的关怀以及对人群细分的关怀。对设计的酝酿、策划、营造、设计、使用、维护和改造都应以人为本，从而达到最大限度地实现对人性化的关注[1]。人文关怀的建立是从感知体验的确认，再到受到关怀意识确认的过程。首先，人文关怀型冷却塔设施的艺术设计有助于创造一个视觉上吸引人和改善情绪的环境，对使用这些设施的人的心理健康和福祉产生积极影响。美学设计有助于减轻压力、促进平静感并提升整体用户体验。其次，艺术设计也有助于培养社区感和归属感，这在公共设施中尤为重要。通过融入视觉上引人入胜的元素，使个人更有可能感受到与空间的联系。再次，通过对冷却塔外围护导流板的艺术设计处理，优化冷热气流流动状态，减少对周边行人影响，构建人文关怀型的高质量、精细化的公共设施。总地来说，人文关怀型冷却塔设施的艺术设计是促进福祉、培养街道公共意识和激发环境责任的重要方法。本课题将人文关怀、审美情趣和环境可持续性的元素融入设施的设计，创造具有功能性和视觉吸引力的公共空间设施，构建坚持人文关怀的发展理念的地铁地面冷却塔的艺术设计思维。

2.国内外人文关怀型冷却塔研究现状

近年来，随着轨道交通建设的发展，冷却塔作为地铁建设中重要的组成部分，人文关怀的地铁冷却塔周边艺术设计已成为国内外日益关注和研究的课题。主要为两方面研究，一是对冷却塔机械性能的提升，比如无填料冷却塔最初由美国Baltimore Aircoil公司研制，利用水流喷射作用改变塔内外压力差，发生湿热交换的过程，减少对外部环境和人体感受的影响。于此相似还包括干湿式冷却塔、水力通风冷却塔、逆流湿式冷却塔、横流式冷却塔等，都是采用不同机械方式提高机械冷却性能，从而达到对人的关怀效果。二是外部形象提升，比如将冷却塔外围整体设计与车站的整体设计融为一体，以绿植、壁画、公共艺术装置等融入当地文化元素和艺术表现形式，反映周边地区文化历史特征的元素，或是融入了吉祥图案，既体现了城市的历史文化底蕴，又提升了地铁站的整体美感。目前研究的两个方面在一定程度上能达到人文关怀的效果，但二者结合的紧密度不充分，工程机械原理的优化提升和艺术设计共同作用效果不明显，有待进一步研究。

国内外地铁冷却塔外部围护设施的艺术设计是一个从粗放开始，随着时间的推移逐渐细化的过程。围绕地铁冷却塔的艺术设计发展可分为3个阶段：①二十世纪初至二十世纪六十年代是基本功能阶段：关注点重点是冷却塔设计的功能方面，外围设施只是为了达到其基本功能目的，而对美学的考虑最少。②二十世纪六十年代至二十一世纪初是艺术意识介入阶段：开始认识到将艺术设计融入冷却塔围护设计的重要性。目的是创造美观的设计，同时仍确保冷却塔的功能效率。③二十一世纪初至今是环境整合阶段：注重艺术设计与功能设计相结合，创造出和谐的设计。冷却塔围护的设计不仅要达到其目的，还要提升周边地区的整体美感。

三、人文关怀的地铁冷却塔外围艺术设计实践

冷却塔的外围艺术设计的出发点是关注人经过冷却塔的状态，从视觉、热气流、噪音、废气四个方面给人的体感，通过优化导流板进行精细化设计，形成外围艺术效果，建立人文关怀型设施的整体印象，从身体感知到建立人文关怀意识。

1.人文关怀的重点是关注人的身体感知到体感意识

体感是指个体对自身周围环境的客观感知，通常指的是人的感官感知能力，包括视觉、听觉、嗅觉、味觉、触觉和平衡感。理查德・马祖赫，罗娜・斯蒂芬指出感官是我们评估环境的工具。通过理解感官的真实维度和局限性，设计一个响应人们需求的环境，体现出其从医疗体系下衍生出来的景观设计依据[2]。这些感官感知的信息通过神经系统传递到大脑，形成个体的身体感觉。体感到意识的过程涉及身体与大脑的交互。当我们的身体经历一些外界的刺激（如触觉、听觉、嗅觉、味觉、视觉等）时，会生成对应的神经信号，这些信号在脑内进行处理，从而形成意识。这个过程经历了多重的过渡性阶段，包括感觉信息的接收、识别、评估、处理、记忆和应用等。在这个过程中，大脑不断地把外界的信息与已有知识和经验结合起来，从而形成对世界的意识。西蒙兹在景观设计方法论中提出景观设计中生物尺度的衡量应满足人的视觉、味觉、听觉、嗅觉和触觉的检验以及“理解人，尊重人，规划人的体验”，也包含了人性关怀的思想内涵[3]。因此，从体感到意识是一个复杂的过程，需要多个生理和心理过程的协同。体感到意识的过程是一个演变的过程，它是由一系列心理学机制的相互作用产生的。通过感觉器官接收到外部刺激，并通过大脑的处理和整合，将其转化为意识的形式。因此，体感意识可以被定义为我们对身体和外部环境的直接体验和感知，以及我们对这些体验的意识。它是一个涵盖了体感和意识的综合概念，是我们对自己和周围环境的经验和感知的总和。

2.外部围护导流板的艺术设计解决冷却塔的4个问题

导流板的有序排列构成了围护结构，其形态美感和导流功能是紧密相关的。导流板的主要功能是对冷热气流进行引导，使得冷却塔的散热效果更好，同时也能够避免热气流直喷朝向过路的行人，保证行人的舒适度和安全性。冷却塔导流板的设计需要进行多次气流模拟测试和优化，得出最佳的导流板形态和角度。精细化的设计能够最大限度地提升冷却塔的外观和体验效果，为城市环境和人民生活的质量提供良好保障。

（1）导流板重塑外部围护的视觉形态

当导流板形态与人们内在的审美观念相契合时，会产生更好的视觉效果和更强的美感体验。因此在导流板设计中，以菱形为基本元素，并通过形态对比探讨菱形角度大小的视觉效果（图2）。菱形通常被认为是一种稳定、和谐、优美、动感的形状。锐角和钝角的变化可以提供一些视觉上的变化和对比，增加视觉上的趣味性。通过对比实验选出锐角30度和钝角150度的较优结果，符合视觉审美需求。设计中导流板单元件材料为304型不锈钢，面层为哑光金属氟碳漆，颜色采用了深灰色，增加了其稳重感和纹理感。尺度和角度的配合在视觉上有一定的动感和流畅感，形状和比例可以引起人们的共鸣和认同，材质和色彩更容易与周围环境相融合，这些元素可以被视作是“视觉”的单元符号。导流板的菱形形状、颜色、材料的设计和选用使其表面呈现出一定的光泽和反射，增强了其视觉的立体感和深度感。人性化与美相辅相成，人性化的设计可以在材质上更多的体现出对他人的关爱[4]。

图2 菱形导流板形态对比图（作者绘）

将菱形单元件按特定序列关系进行叠加组合，如“鱼鳞片”一般，形成整体的冷却塔外部围合结构。通过有序叠加，在立面中形成上部下部的交界线，由于光线变化区域形成如山峦起伏的抽象形态，既满足冷却塔和风亭的空气交换功能，又赋予了建筑内涵和有序美感的特点。导流板“鳞片”的有序排列、叠加构成层次感，在光影的映射下，让人们在不同角度观察冷却塔时能够感受到不同的美感和光影变化，也有助于整个设施在周围环境中融入并产生协调感。所形成抽象的山峦形态，不仅有助于形成冷却塔和风亭的空气交换功能，还能够增加整个设施的视觉趣味和内涵美。导流板“鳞片”的形态的叠加能够为冷却塔增加一定的稳定性和结构强度。通过合理的叠加方式和角度设计，能够让鳞片之间形成稳定的连接关系，还能够增加整个设施的抗风能力和结构强度，保证其在恶劣气候条件下的安全性能。

外部围护导流板精细化的几何形状和角度设计、颜色搭配以及与周围环境的协调，导流板成功地打造出了一种既实用又美观的外观效果，形成具有视觉化的人文关怀型冷却塔外部围护结构。艺术要素的运用，如基本几何形状、颜色、构造元素等，能在视觉上产生美感的效果，从而创造更加愉悦的通行体验。导流板设计在满足实际要求的同时，能够呈现出卓越的美学价值，是艺术和工程的完美结合。通过导流板的形态和排列方式的精细化设计，从色度、序列、质感、通透4个方面，使冷却塔的外观不仅在视觉上达到了更优美、更协调的效果，同时在实现导流功能的同时，使热气流动更加顺畅，从而避免了热气流的直喷，为行人提供更好的保护和遮挡，也为行人创造了更为舒适的视觉体验。

（2）以虚拟仿真测试实证优化具有人文关怀的导流板设计

导流板的设计不仅要考虑其外观的美学效果和视觉冲击力，还要满足对冷却塔的热气流的引导和散热功能的要求。外部围护设置优化角度的导风板有效应用冷热空气循环工作原理，可以帮助优化冷热空气循环，并提高循环效率。这种循环系统通过水冷方式，把热量从水中散发到空气中，以空气冷热循环空气系统控制环境温度和空气湿度。通过合理设置导流板角度，对空气的流动进行优化，有效地将冷空气和热空气分开，以最大限度地提高冷热空气的换气效率，实现快速的热交换。外围导流板的形态、面积和角度等都需要经过科学的计算和试验，以确保冷却效果最优。

设计冷却塔的外部围护结构下半部分作为一个向内的倾斜角度，主要是通过导板向内倾斜来导引冷空气进入冷却塔内部。而上半部分作为一个向外的倾斜角度，通过导板向外倾斜来排出热空气。在选取最优倾斜角度时，先采用小样模型模拟大致的区间范围（图3），保持空气流动的最优及视线感觉的最优，是以视觉经验为前提的初步判断和界定范围，再通过专业的空气流动仿真软件SOLIDWORKS①对区间范围内设定的三种不同导板角度进行了测试。

图3 打样模型对比倾斜角度的变化产生的视觉效果，初步判断中间图片角度较优（作者拍摄照片）

预设的3种不同的角度分别是：小角度为向上开口导流板角度为10°，向下开口导流板角度为20°（10°/20°）；中角度为向上开口导流板角度为20°，向下开口导流板角度为30°（20°/30°）；大角度为向上开口导流板角度为30°，向下开口导流板角度为40°（30°/40°）。为更好地研究冷却塔的运行效果，在软件中模拟空气的流动特性，预测空气循环的效果，从而对设计的冷却塔外围导板角度进行优选，更科学评估冷却塔外围导流板的设计角度的合理性。通过仿真软件SOLIDWORKS对3种角度的空气流动做测试，对在地铁冷却塔外部围护进行温度、空气流速、噪音、密度、静压对周边的环境与人影响较大的因素进行有限元分析②，致力于在保障地铁冷却塔良好运行环境下，削减其对周边环境以及行人影响，选取冷却塔外墙导流板角度的最优设计方案。现选取其中临近路边的墙C进行对比分析（表1）（表2）（表3）。

表1 冷却塔C墙3种角度模拟仿真对比图（作者绘）

表2 冷却塔C墙3种角度仿真实验效果对比说明（作者绘）③

表3 冷却塔C墙3种角度仿真实验数据对比（作者绘）

1）预设条件

①本次实验方针工况设置为总体工况，并不排除内部空间和不具备流动条件的腔体。

②流体设置为空气（包含氮气、氯气、氧气、二氧化碳等）。

③实验地点为武汉，默认温度环境值设定为华中地区常年平均温度20摄氏度，且压强设定为标准大气压101325帕。

④冷却塔内部空气流动出口速度边界条件设定值设定为1m/s，设置实验热源为冷却塔，散热功率为11000W（数据来源元亨冷却塔制造商官网数据，YHA－225型横流式冷却塔）。

2）试验情况说明

①实验结果表格数据分为6项，分别为密度、温度、速度、静压、表面热通量以及声学能量等级，其中密度、温度、速度以及静压为实验对象周边的流体的变化值；表面热通量为景观外墙的材料与空气接触的各表面的换热量总和；声学能量等级量化为分贝，即实验对象发出的声音大小数值。

②实验图片分为两种，分别为流动迹线图以及切面图。流动迹线图反映实验过程中，整体三维的实验数据分布以及走向，更加直观立体的观察到实验过程中数值变化的位置以及情况。切面图则展示的是在实验过程中，设定的截面上的平面数据分布状态，更加全面直观的分析到同一位置区间内的数据平面分布，具有方向指向性。

③实验具体分为四个情况分别是无外墙组；墙A组；墙B组；墙C组；墙D组；其中每个组分为三个角度方案情况即10°/20°、20°/30°、30°/40°。

人文关怀型地铁冷却塔导流围护艺术设计研究的语境下，保证冷却塔的基本功能正常运行，减弱对周边环境、行人的影响，从上述数据中挑选出能直观的三项数据进行对比分析，分别为温度，流动速度以及噪音，三项数据进行定量分析④（表4）。

表4 冷却塔C墙3种角度仿真实验量化对比（作者绘）

经过测试并量化分析，得出结论：小角度（10°/20°）导流板的视线干扰最小，但风力阻力大，空气流动不够通畅；大角度（30°/40°）导流板的空气流动最为通畅性，但是冷却塔内部结构暴露在视线范围内，影响了视觉效果；中角度（20°/30°）导流板结构是最好的选择。空气流动阻力较小能使空气交换通畅性，并有效引导和控制气流的流动方向和速度，避免热气流直接喷向过路的行人，最大限度的弱化噪音、气味造成行人不适感。同时遮蔽冷却塔内部无序杂乱管线，形成有序、灵动的山峦起伏的外部整体形象，以充分考虑人的身体感知，形成具有人文关怀的城市冷却塔设施。

综上所述，通过对冷却塔外围艺术设计的精细化和创新性改进，对导流板进行优化对，其形态、角度、层叠方式、序列、色度、质感等方面来解决冷却塔运行时造成的4个问题。设计导流板的布局和高低错落，形成了山峦起伏的抽象形态，既满足了冷却塔和风亭的空气交换功能，又赋予内涵、有序美观。可以让冷却塔在不仅具备高效散热功能的同时，还能够让人们感受到一种更加人性化和美学化的体验。结合导流板精细化设计、空气流动优化、噪音控制、废气处理等方面的考虑，从视觉、热气流、噪音、废气四个方面给人以良好的体感，达到人文关怀型设施的整体印象。这种设计既考虑了冷却塔的实际功能需求，又注重人们的感受和审美，从而建立了一个与环境协调、富有人文情怀的城市空间（图4）。

图4 选用20°/30°导流板建成外部围护结构实景达到预期效果（作者摄）

五、结论

本研究总结基于人文关怀型地铁冷却塔外部围护艺术设计的目标引导下，为解决当前问题给出了具体的设计方法和实施路径。首先，从身体感知到体感意识，建立人文关怀型冷却塔外部围护结构。设计在理念和实践上加强了人文因素的考虑，由人的身体感知到人的认知意识建立，通过感知的关照使人体验到具有人文关怀的公共设施。其次，以精细化、艺术化的巧妙解决冷却塔对行人、环境的影响。在对结构的优化处理基础上，通过调整导流板的角度和方向达到艺术化效果，特定角度的导流板能够在达到压降和风速控制上，实现更好的声学性能和更佳的风能控制效果。最后，采用实体模型、虚拟仿真互为实证的方式来论证艺术形态的最优解。通过仿真模拟方式来试验论证不同角度产生的不同结果，以形态对比的最优结合测试结果进行综合考量，得出最优方案将是今后解决艺术设计过程难点的有效途径。通过艺术形态和定量测试的设计方法，冷却塔外部围护结构不单是作为单纯的机械设备，而是结合了一定的艺术性和兼具人性化设计的公共设施。

综上所述，人文关怀的设计理念为城市公共设施的提升和改善带来新的思路和方法，给今后的相关设计提供了方向和实践依据，具有一定的借鉴价值。从人文关怀的角度出发，在充分收集、调研、归纳人的本质需求下进行设计，同时考虑到行人需求、感受、文化、艺术等各方面因素。由体感到认知的过程，既要通过推论进行定性分析，也要结合实验论证方式进行定量分析，两者结合才能最终形成集艺术与科学共同塑造的公共设施艺术作品。这种解决方案符合人的本质需求和价值取向，既满足人们对于公共设施审美的需求，又保证特殊设施的功能性。结合功能性和美感的设计方法在未来的公共设施设计中将会被广泛运用，为公众创造一个更加健康、舒适、美好的城市环境。

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注释：

① SOLIDWORKS是一个三维CAD（Computer-Aided Design）软件，主要用于机械设计、产品设计、工业设计、工程设计和模拟领域。SOLIDWORKS的具体作用包括：a可视化设计：使用者可以在SOLIDWORKS中设计并以三维形式展示他们的产品；b产品制造：SOLIDWORKS中的制造模拟功能可以帮助用户预测制造过程中的问题，以确保最终的产品符合质量标准；c模拟和分析：SOLIDWORKS可以对产品的力学性能、热学性能、电学性能、声学性能进行模拟和分析，以帮助用户确保产品的性能。

② 有限元分析法通常运用在三维设计中，对设计进行验证，以便找到最佳设计方案的有限手段。在运用有限元分析软件分析问题的时候通常需要，首先，对于分析的对象进行数学模型的建模还原，并把数学模型转化成有限元模型；其次，对于分析类型进行定义，给予分析对象添加材料属性；最后，对于实验环境进行设定施加载荷以及约束条件，再根据不同情况进行求解分析。

③ 由于热通量参数对外界影响较小不计算量化分数，不再表中单列

④ 定量分析说明：量化分值分别由距离冷却塔远近能受到影响进行分配，总分100分，其中噪音占比40%，温度与速度两项需要空气作为依托传递各占比30%。每项的细分如下：温度较环境值，上升下降的绝对值最大范围不超过3摄氏度，量化为30分，即每0.1摄氏度换算为1分。速度较环境值而言，最大最小的范围不超过15m/s，量化为30分，即每1米2分，由于墙外速度为越低越贴合人文关怀语境，因此速度越高分值越低。噪音环境而言，噪音总分贝不超过60分贝，总共40分，量化后即为每6分贝4分，噪音越大分值越低。