醫院建筑設計的低碳節能策略
——以四川省醫學科學院·四川省人民醫院綜合科研大樓為例

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

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

醫院建筑；低碳；節能；數據模擬；生態環保

1 項目概況

四川省醫學科學院·四川省人民醫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，是集臨床醫療、健康保健、醫學科研與醫學教育于一體的三級甲等綜合性醫院。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）。本文從場地環境、建筑設計、室內環境、建筑節能與碳排放等方面進行多維度分析，力求滿足生態環境友好、舒適可持續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技樓，東南側為急診樓和第三住院樓，用地為不規則狀。如何利用現有用地確保新建建筑既能有效改善院區環境，又不對周邊建筑產生影響，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 院區規劃

規劃之初決定拆除基地范圍內既有建筑，在滿足規定的退距要求后，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，形成過渡交互的區域（見圖6）。

3 項目基地現狀

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，為醫護人員提供放松身心的環境。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

建筑立面設計對環境與室內舒適度具有顯著影響。延續城市風貌與醫院傳統，立面采用橫向設計元素，與節能遮陽系統相得益彰。根據太陽角度和路徑，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化相結合，實現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，結合可調節遮陽措施，成功降低光輻射15%～30%，降低室內能耗23%。多樣又統一的立面實現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 建筑與場地環境

場地環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、熱等環境因素。

3.1 風環境

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，提升了室外舒適度（見圖11）。

圖11 風環境11a原場地風速模擬11b新建場地風速模擬

3.2 光環境

不同建筑形態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，并能改善場地光環境要求，需運用日照模擬軟件計算場地日照小時數?；诖藢⒔ㄖ^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、西兩側院區的連橋，改善了行人眩光現象，使新建綜合樓設計在場地光環境方面達到優解（見圖12）。

圖12 光環境12a原場地日照分析12b新建場地日照分析

3.3 熱環境

成都市氣候溫和，夏長東短，冬季少冰雪。取當地夏季相關氣候參數模擬場地熱環境，原有建筑場地和新建建筑場地均無過熱區域?；陲L、光環境對建筑形體進行設計，數據模擬圖顯示新建建筑場地熱舒適度百分比較高的區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。運用環境模擬軟件得出的數據證明新建綜合科研大樓優化了場地環境。

4 立面與室內環境

建筑立面與開窗形式直接影響室內環境，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境和舒適度。

4.1 風環境

室內風環境是由主導風氣流撞擊大樓產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，從而優化室內風環境（見圖14）。

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

4.2 光環境

成都地區7～8月日照時數高達220h/月，設計難點在于既需具有遮陽系統，又需具有自然采光。自然光所創造的光環境具有經濟、宜人和不可替代性等特征，既有助于實現照明節能，又有助于調節情緒，幫助病患康復。

采用水平遮陽系統及轉角外窗，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進行統計。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， 過曝區域眩光（平均光照度＞1000lx陽光直射）為20.3%。在室外立面上根據太陽方位和角度設計遮陽板，在室內窗前設置可調節遮陽設施，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境的醫療空間（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 熱環境

室內熱環境是低碳節能的關鍵所在，由于醫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境受當地主導風東北風影響形成自然通風，合理設計開窗可實現節能降溫。室內采光過曝區域采用遮陽板設計，使室內自然光照符合舒適標準，降低因光照導致的過熱現象，實現被動式節能。綜上，室內環境對于醫院醫護與病患來說至關重要，從風、光、熱環境等方面為建筑節能提供最優化的設計方案。

5 節能與減碳排放

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

5.1 節能技術

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、結構構件規格少、工業化程度高、材料綠色環保等特征。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，節約了資源，減少施工污染，提高了生產效率和質量安全。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，冬季回收內區熱量用于外區供冷，相較電采暖設備節能67%。

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

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、節能降耗顯著。

建筑綜合節能率的計算方式為：（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%。經測算，項目實現了23%的節能率，為可持續低碳建筑的發展提供實踐經驗（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運輸、建造拆除、建筑運行和碳匯的計算。經數據分析，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，冬季回收內區熱量用于外區供冷，夏季采用水冷機組+空氣源熱泵系統。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

四川省醫學科學院·四川省人民醫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”。設計采取環境模擬，精確計算設計條件，對建筑設計進行優化指導，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，實現人與環境的有機融合。項目秉承低碳節能、生態環保與生命健康相結合的設計理念，為持續探索醫療建筑高質量發展提供借鑒。