醫(yī)院建筑設計的低碳節(jié)能策略
——以四川省醫(yī)學科學院·四川省人民醫(yī)院綜合科研大樓為例

孫博怡 王灝霖 霍安琪 SUN Boyi WANG Haolin HUO Anqi

以四川省醫(yī)學科學院·四川省人民醫(yī)院綜合科研大樓為例，通過模擬場地和室內的風、光、熱環(huán)境，對比分析數(shù)據(jù)，展示建筑設計如何引導節(jié)能并實現(xiàn)“雙碳”目標。設計研究過程中強調建筑與環(huán)境、人與自然的和諧關系，并從環(huán)境優(yōu)化與人類感受兩個維度闡釋綠色建筑的意義。

醫(yī)院建筑；低碳；節(jié)能；數(shù)據(jù)模擬；生態(tài)環(huán)保

1 項目概況

四川省醫(yī)學科學院·四川省人民醫(yī)院綜合科研大樓位于成都市，坐落于成都市青羊宮旁、浣花溪畔四川省人民醫(yī)院本部，距著名景點寬窄巷子僅一街之隔，西南緊鄰歷史文化遺址杜甫草堂，是集臨床醫(yī)療、健康保健、醫(yī)學科研與醫(yī)學教育于一體的三級甲等綜合性醫(yī)院。項目總建筑面積10.65萬m2，設計建設標準為三星級綠色建筑（見圖1）。本文從場地環(huán)境、建筑設計、室內環(huán)境、建筑節(jié)能與碳排放等方面進行多維度分析，力求滿足生態(tài)環(huán)境友好、舒適可持續(xù)的綠色建筑設計目標。

1 項目鳥瞰效果

2 建筑設計

2.1 建筑形體

建設用地位于院區(qū)西側，擬建建筑東北側為第一住院樓，東側緊鄰第二住院樓和門診醫(yī)技樓，東南側為急診樓和第三住院樓，用地為不規(guī)則狀。如何利用現(xiàn)有用地確保新建建筑既能有效改善院區(qū)環(huán)境，又不對周邊建筑產(chǎn)生影響，滿足其他3個住院樓病房的日照要求是無法回避的問題（見圖2）。

2 院區(qū)規(guī)劃

規(guī)劃之初決定拆除基地范圍內既有建筑，在滿足規(guī)定的退距要求后，測算出最大可能的建設范圍（見圖3，4）。在有效范圍內利用相關軟件測算場地日照、風速，從而得出適合的建筑形體（見圖5）。通過架空、錯落、分割、扭轉等建筑手法既實現(xiàn)對其他建筑的避讓、呼應、融合，又打造出多層平臺空間，形成過渡交互的區(qū)域（見圖6）。

3 項目基地現(xiàn)狀

4 拆改策略

5 建筑形體模擬

6 建筑形體生成過程

基于測算的建筑形體劃分垂直功能模塊，設計多層次開放空間，在立面上形成多個內外交互平臺。首層為公共開放空間，由于人流聚集，故強調通風采光，是室內外融合的共享平臺。5層為術前病患準備空間，作為手術中心的主要出入口，重點打造與其他住院樓的水平空間連接，連廊設計減輕了垂直交通壓力。13層設置室外景觀平臺，可連接南塔與北塔，室內提供健身、休閑場所，室外為景觀、交流場所。室內外空間界面互動，為醫(yī)護人員提供放松身心的環(huán)境。通過3個交互平臺設計有效緩解空調、電梯等所需能耗（見圖7）。

7 交互平臺設計

2.2 立面形式

建筑立面設計對環(huán)境與室內舒適度具有顯著影響。延續(xù)城市風貌與醫(yī)院傳統(tǒng)，立面采用橫向設計元素，與節(jié)能遮陽系統(tǒng)相得益彰。根據(jù)太陽角度和路徑，西側和南側立面設計具有遮陽功能的折線外窗，可有效減少夏天進入室內的熱輻射，從而提高遮陽效果，既保證自然采光又避免陽光過度照射。折線外窗將設計美感與功能優(yōu)化相結合，實現(xiàn)與建筑立面的完美融合（見圖8）。

8 外窗遮陽設計

立面采用灰色、白色鋁單板及木色金屬板，呈現(xiàn)豐富多彩的設計效果。通過調整窗戶朝向，避免夏季午后陽光直射，結合可調節(jié)遮陽措施，成功降低光輻射15%～30%，降低室內能耗23%。多樣又統(tǒng)一的立面實現(xiàn)功能與形式的完美結合，使簡潔的建筑形體更加生動（見圖9，10）。

9 立面效果

圖10 夜景

外窗采用Low-E中空玻璃，使用暖邊間隔條密封，具有極好的保溫氣密性，斷橋鋁窗框與鋁單板表皮相得益彰，與現(xiàn)代材料形成有機對話。立面設計既提高了建筑視覺沖擊力，又在保障室內舒適性的基礎上提高了能源效益。

3 建筑與場地環(huán)境

場地環(huán)境性能主要聚焦場所的舒適度與健康度，研究從建筑形體對場地指標的影響入手，涵蓋風、光、熱等環(huán)境因素。

3.1 風環(huán)境

建筑形體影響場地風速與風向，通過流體動力學軟件模擬，新建筑設計順應成都市東北主導風向，引導氣流，減輕原有建筑布局造成的高氣壓。原低層建筑與周邊建筑形成的夾角導致空氣流通不暢，風速約5m/s，低限度影響行人舒適。通過重新布局，北側建筑沿河道平行，拆除南側舊建筑，改善了通風，將風速降至2m/s，消除了漩渦與無風區(qū)，提升了室外舒適度（見圖11）。

圖11 風環(huán)境11a原場地風速模擬11b新建場地風速模擬

3.2 光環(huán)境

不同建筑形態(tài)與高度導致的陰影將影響周邊場地日照情況。原有建筑為多層建筑，對周邊建筑影響不大。新建建筑為高層，考慮到不影響周圍建筑采光，并能改善場地光環(huán)境要求，需運用日照模擬軟件計算場地日照小時數(shù)。基于此將建筑區(qū)分為北塔與南塔兩部分。在不影響周邊建筑首層采光前提下，北塔遮擋了連接東、西兩側院區(qū)的連橋，改善了行人眩光現(xiàn)象，使新建綜合樓設計在場地光環(huán)境方面達到優(yōu)解（見圖12）。

圖12 光環(huán)境12a原場地日照分析12b新建場地日照分析

3.3 熱環(huán)境

成都市氣候溫和，夏長東短，冬季少冰雪。取當?shù)叵募鞠嚓P氣候參數(shù)模擬場地熱環(huán)境，原有建筑場地和新建建筑場地均無過熱區(qū)域?；陲L、光環(huán)境對建筑形體進行設計，數(shù)據(jù)模擬圖顯示新建建筑場地熱舒適度百分比較高的區(qū)域明顯大于原有建筑場地。新建建筑改變了場地風向、風速、日照及陰影，提升了行人行走時的熱舒適度（見圖13）。

圖13 熱環(huán)境13a原場地熱舒適度模擬13b新建場地熱舒適度模擬

3.4 效果

相較于原有建筑，新建綜合科研大樓降低了建筑周邊風速，適宜行人行走，且對周邊建筑無日照遮擋，不造成熱島效應，同時提高了場地行人行走的熱舒適度。運用環(huán)境模擬軟件得出的數(shù)據(jù)證明新建綜合科研大樓優(yōu)化了場地環(huán)境。

4 立面與室內環(huán)境

建筑立面與開窗形式直接影響室內環(huán)境，通過對風、光、熱等進行模擬測算，可直觀了解立面設計如何影響室內環(huán)境和舒適度。

4.1 風環(huán)境

室內風環(huán)境是由主導風氣流撞擊大樓產(chǎn)生的壓強差和開窗共同作用的結果，使氣流在大樓內流動形成自然通風，有利于降低室內溫度與制冷能耗。在東北風主導下，大樓東北側空間內風速較高，其他空間與房間也均有風通過。大樓朝向結合立面開窗設計有利于主導風向進入大樓，從而優(yōu)化室內風環(huán)境（見圖14）。

圖14 室內風環(huán)境14a低層室內風環(huán)境（東北風）14b高層室內風環(huán)境（東北風）

4.2 光環(huán)境

成都地區(qū)7～8月日照時數(shù)高達220h/月，設計難點在于既需具有遮陽系統(tǒng)，又需具有自然采光。自然光所創(chuàng)造的光環(huán)境具有經(jīng)濟、宜人和不可替代性等特征，既有助于實現(xiàn)照明節(jié)能，又有助于調節(jié)情緒，幫助病患康復。

采用水平遮陽系統(tǒng)及轉角外窗，對項目高層、低層進行采光模擬，以及對建筑室內不同房間光照度和采光小時數(shù)進行統(tǒng)計。北塔選取22層進行采光模擬分析，在無遮陽條件下，室內平均光照度為4428lx， 過曝區(qū)域眩光（平均光照度＞1000lx陽光直射）為20.3%。在室外立面上根據(jù)太陽方位和角度設計遮陽板，在室內窗前設置可調節(jié)遮陽設施，改善室內熱舒適度。增加遮陽后計算室內平均光照度為996lx， 過曝區(qū)域眩光降低至3.8%，降低了16.5%，為室內營造了舒適、健康且具有良好光環(huán)境的醫(yī)療空間（見圖15，16）。

圖15 22 層15a位置示意15b平面

圖16 22 層光照度對比16a無遮陽平均光照度為4428lx16b有遮陽平均光照度為996lx16c無遮陽眩光為20.3%16d有遮陽眩光為3.8%

選取首層進行采光模擬分析，在無遮陽條件下，室內平均光照度為2553lx， 過曝區(qū)域眩光(平均光照度＞1000lx陽光直射）為25.3%。在室內窗前設置可調節(jié)遮陽設施，改善室內熱舒適度。增加遮陽后計算室內平均光照度為840lx，過曝區(qū)域眩光降低為0，降低了25.3%（見圖17，18）。

圖17 首層17a位置示意17b平面

圖18 首層光照度對比18a無遮陽平均光照度為2553lx18b有遮陽平均光照度為840lx18c無遮陽眩光為25.3%18d有遮陽眩光為0

4.3 熱環(huán)境

室內熱環(huán)境是低碳節(jié)能的關鍵所在，由于醫(yī)院主要服務于病患和家屬，因此為患者提供健康的治療和舒適的康復環(huán)境至關重要。外墻與窗材料選擇隔熱性良好的蒸壓輕質混凝土板，結合50mm厚巖棉隔熱保溫材料及隔熱金屬型材多腔密封框，增強隔熱和保溫性。經(jīng)測算，在夏季和冬季室內熱舒適度百分比中顯示，空間內大部分區(qū)域舒適度在50%以上，表明室內熱舒適度較好（見圖19）。

圖19 熱舒適度對比19a夏季高層室內熱舒適度19b冬季高層室內熱舒適度19c夏季低層室內熱舒適度19d冬季低層室內熱舒適度

4.4 效果

新建綜合科研大樓室內風環(huán)境受當?shù)刂鲗эL東北風影響形成自然通風，合理設計開窗可實現(xiàn)節(jié)能降溫。室內采光過曝區(qū)域采用遮陽板設計，使室內自然光照符合舒適標準，降低因光照導致的過熱現(xiàn)象，實現(xiàn)被動式節(jié)能。綜上，室內環(huán)境對于醫(yī)院醫(yī)護與病患來說至關重要，從風、光、熱環(huán)境等方面為建筑節(jié)能提供最優(yōu)化的設計方案。

5 節(jié)能與減碳排放

項目在推動節(jié)能減排與建立綠色低碳循環(huán)發(fā)展體系上采用多種設計策略，通過設計優(yōu)化降低所需耗能。優(yōu)化設計合理的建筑能顯著減少建筑運行能耗。

5.1 節(jié)能技術

1）鋼結構 項目地上部分采用鋼結構體系，進行標準化設計，具有強度高、自重輕、抗震性能好、施工速度快、結構構件規(guī)格少、工業(yè)化程度高、材料綠色環(huán)保等特征。同時減少了建筑施工階段的碳排放，降低能源與資源消耗，以及部品構件運輸過程中的碳排放。

2）裝配式 采用結構標準化、裝修一體化、信息化管理等，節(jié)約了資源，減少施工污染，提高了生產(chǎn)效率和質量安全。裝配率為76.1%，達到國家AA級裝配式建筑水平。

3）BIM與綠色建筑相結合 提升建造能力，有效降低能耗，節(jié)省材料，縮短工期。

4）太陽能 太陽能是可再生能源，既可免費使用，又無需運輸，對環(huán)境無任何污染。

5）空氣源熱泵 采用四管制空氣源熱泵機組，冬季回收內區(qū)熱量用于外區(qū)供冷，相較電采暖設備節(jié)能67%。

6）高效照明 照明采用LED燈，照明箱內集中分區(qū)智能控制；采用智能照明控制系統(tǒng)并結合現(xiàn)場開關控制。

7）被動遮陽 利用遮陽板在控溫期內對室內房間進行空調與供暖調溫，精確控制能耗。

8）外圍護結構 選用蒸壓輕質混凝土板，具有保溫、隔熱性能，應用于外墻時較一般加氣混凝土薄，且工期短、成本低、節(jié)能降耗顯著。

建筑綜合節(jié)能率的計算方式為：（參照建筑全年采暖空調照明耗電量-設計建筑全年采暖空調照明耗電量）/ 參照建筑全年采暖空調耗電量×100%。經(jīng)測算，項目實現(xiàn)了23%的節(jié)能率，為可持續(xù)低碳建筑的發(fā)展提供實踐經(jīng)驗（見圖20）。

圖20 能耗對比

5.2 建筑減碳排放

碳排放計算包括建材生產(chǎn)運輸、建造拆除、建筑運行和碳匯的計算。經(jīng)數(shù)據(jù)分析，得出建筑5 0 年運行碳排放量為187439.2tCO2，即供冷64640.604tCO2+供暖21806.989tCO2+照明41570.112tCO2+電梯59421.467tCO2=187439.2tCO2。50年用電量為356739604.3kW·h， 約為43843.3t標準煤。

在建筑運營過程中，供冷碳排放量占比為34%。故在設計中采用四管制空氣源熱泵機組，冬季回收內區(qū)熱量用于外區(qū)供冷，夏季采用水冷機組+空氣源熱泵系統(tǒng)。模擬室內布局，著重考慮夏季自然通風降溫措施，配合被動式遮陽板、ACC板外圍護結構及Low-E中空玻璃外窗使用。選擇隔熱金屬型材多腔密封框以增強隔熱與保溫性能，使建筑供冷能耗的降幅達13.8%。

通過對比，設計建筑較參照建筑的碳排放量同比下降14.77%（見表1）。

表1 設計建筑與參照建筑碳排放對比

6 結語

四川省醫(yī)學科學院·四川省人民醫(yī)院綜合科研大樓項目全面推進綠色建設、綠色運行，打造“低碳建筑”。設計采取環(huán)境模擬，精確計算設計條件，對建筑設計進行優(yōu)化指導，在功能與美學之間取得平衡，打造具有城市肌理的醫(yī)療建筑。利用各類模擬軟件計算，綜合考量場地、室內功能設置，使室內、室外滿足日照、通風和體感舒適度等指標要求。室外景觀平臺為不同人群提供理想的休憩場所，實現(xiàn)人與環(huán)境的有機融合。項目秉承低碳節(jié)能、生態(tài)環(huán)保與生命健康相結合的設計理念，為持續(xù)探索醫(yī)療建筑高質量發(fā)展提供借鑒。