低能耗高舒适度型医疗建筑设计探索
2013-04-29张贝贝雷永辉孙发鑫
张贝贝 雷永辉 孙发鑫
摘要：随着我国医疗事业的发展，医院的建筑规模和医疗设备都有了很大程度的改善，同时医院的能源消耗也在不断增加，如何降低医院建筑能耗的同时又能提高舒适度成为当今面临的重要问题。低能耗高舒适度型医疗建筑是“绿色环保”与“以人为本”的理念的综合体现。首先对低能耗高舒适度型医疗建筑的内涵与特征进行了论述，通过实例对低能耗高舒适度医疗建筑的设计策略进行探索，之后对其能耗和舒适度进行评价。
关键词：医疗建筑；低能耗高舒适度；设计策略
中图分类号：TU246
文献标识码：B
文章编号：1008-0422（2013）07-0118-05
1.前言
医疗建筑是一种有着久远历史与人类的生存繁衍息息相关的建筑类型，它担当着维系人类健康，恢复人体机能的重要职责。它的发展是一个时期社会经济文化的反应。在倡导“低碳节能”和“以人为本”的今天，医疗建筑也必然是向低能耗和高舒适度的方向发展。
2.低能耗高舒适度型医疗建筑的内涵及特征
2.1低能耗高舒适度型医疗建筑的内涵
低能耗高舒适度型医疗建筑是和谐发展观和以人为本的思想下提出的，是社会经济发展的必然结果，是具有高效率的、规模合理、运作良好、可持续发展的医院，主要体现在对自然的尊重和对人的关怀上。所谓低能耗是针对目前医疗建筑的高能耗现状提出的。我国大型公共建筑耗电巨大。大量调查数据表明，医院作为一种公共建筑，其建筑能耗占医院总能耗的27%左右。如在保障医疗水平前提下，又减少能源消耗已成为医院建筑能源管理的重要问题。
医疗建筑应体现“以人为本”思想，充分考虑病人环境的舒适度问题，所谓高的舒适度包括两方面内涵：一方面是生理的高舒适度，即病房有一个恒温恒湿恒氧的健康环境；另一方面是心理的高舒适度，即通过室内外环境设计，给病人营造一个良好的心理环境空间，使病人保持心情舒畅，以利于病情康复。
2.2低能耗高舒适度型医疗建筑的特征
低能耗高舒适度型医疗建筑特征如下：
2.2.1健康空间：医疗活动中往往会产生大量的医疗废弃物和病菌，然而，患者则需要一个洁净、无污染的治疗空间。低能耗高舒适度型医院必须通过一定的技术手段，减少室内病菌污染源，实现医疗废弃物的“零”排放，来改善室内环境的品质。
2.2.2舒适环境：应充分考虑室内物理环境的设计，使病房中有最适宜的温度、湿度、通风、光照及声环境。利用立体化、网络化、生态化等多样化的绿化配置新技术，搞好医院建筑区域的绿化，有效防止噪声污染、光污染及大气污染，充分改善患者来院就医的环境，满足大家生理和心理上的需求。
2.2.3低能消耗：低能消耗是低能耗高舒适度型医院最重要的特征之一，低能耗技术主要包括两个方面：a.节约，即提高能源效率，减少能源丢失，如利用低能耗的屋顶柔和辐射采暖制冷技术、墙体保温技术、昼光照明技术等；b.开发，即利用可再生能源，如太阳能光伏技术、地源热泵技术等。
3.低能耗高舒适度型医疗建筑设计策略——以解放军91医院为例
3.1项目概况
解放军91医院位于河南省焦作市，系原解放军160医院。医院内医疗区原有建筑多为4到5层，年代久远，为满足医疗使用，2007年起院方开始大规模改造建设医院。
医院总用地面积8.8万m2，其中医疗工作区规划用地约4.5万m2。新建建筑面积6.5万m2，其中综合楼（包括门诊、医技、住院）5.5万m2，精神专科楼1万m2，在建内科楼建筑面积2.5万m2，全部建成后医院日门诊接待人数可达1500人（见图1）。
综合楼地上十六层，地下一层。地下一层为车库、设备机房及附属用房。一层南面为门诊主人口，北侧为出入院口，西侧为儿科及妇科入口，东侧为急诊急救入口。门诊入口围绕大厅为挂号、收费、取药大厅，及接待、医保、为兵服务等。门诊大厅通过走廊与北侧住院大楼和医技楼相通，通过自动扶梯与电梯通向二层诊室。三层为麻醉科手术室、重症监护、病理科、血液科、血透中心及多功能会议室。四层一部分是手术室上设备层，一部分是住院部药房、肾内科病房、康复训练及预留技术用房。五层以上为各科病房，通过中间六部电梯到达住院楼层，每层分两个护理单元（见图2-图3）。
3.2设计目标
该综合楼制定的设计目标如下：（1）舒适性：保证良好的室内环境（温度、湿度和照度等）；（2）健康性：提高建筑室内外空气质量，促进使用者身心健康，加快病人康复；（3）低能耗：通过可再生能源的利用及建筑节能优化设计，使节能目标达到70%以上；（4）低运行排放：采用先进节能设备和优化给排水设计，实现建筑运行过程中二氧化碳和废水的低排放。
为了实现该综合楼的低能耗高舒适度，该项目通过建筑、结构、设备、管网、室内一体化设计和施工，使各个工种紧密配合，减少建筑的拆改，减少建筑垃圾的产生。同时可以从各个方面对建筑的能耗和舒适度进行技术整合，充分发挥技术集成的优势，实现低能耗高舒适度。
3.3低能耗高舒适度设计策略
3.3.1建筑布局与体形设计
3.3.1.1建筑朝向
解放军91医院位于焦作，焦作市位于河南省西北部，该地区属暖温带大陆性季风气候，四季分明：春干多风、夏热多雨、秋高气爽、冬寒少雪。全市年平均气温14.2℃-14.8℃，日照2200-2400h。该地区建筑朝向对建筑的采光与能效有一定的影响，最佳朝向为南偏西、南向、南偏东。该综合楼借助有利布局使建筑正好位于南偏东，有利于建筑的采光与节能。
3.3.1.2优化体形系数
为了保证建筑的节能效果，尽量使建筑的形体简洁大方，以减少能耗的损失。通过体形系数计算公式算出医院综合楼的体形系数约为0.1，远小于节能标准，对建筑的节能起到了很好的作用。
3.3.1.3控制窗地比
窗地比也是影响建筑节能的一个重要因素，本设计中在满足自然通风和采光的前提下，并没有大面积的玻璃幕墙。对于普通病房考虑到病人及家属对采光及景观视线的需要，设计采用了较大的窗口与外界联系，由于隐私的考虑不宜过大。对于精神科病房，由于病人的特殊性，在满足基本采光需求的情况下尽可能减小窗户面积，同时还要做好安全防护措施以保证病人的人身安全。
3.3.2外围护结构设计
3.3.2.1外保温和干挂式外墙
由于建筑采用天棚式柔和辐射采暖形式，因而最佳的保温方式应该采用外保温形式。在建筑外墙外侧设置高密度保温板，再留出空气对流层，设置开放式的干挂外墙。建筑采用的保温材料为憎水性的保温材料，中间流动空气层能带走保温板上的凝结水，有效保证保温材料的长期干燥，确保其保温性能持续有效。空气层加上干挂的外墙，有很好的遮阳隔热作用，并有效防止了雨水侵入（见图4）。
3.3.2.2外遮阳
本建筑采用先进的遥控式外遮阳板，可以根据对采光的不同需求来调节遮阳率，同时可以调节室内的天然采光情况。使用方便健康，与传统的内窗帘遮阳相比有很大优势，避免了不同人推拉窗帘时而产生的灰尘扩散和病菌传染，降低交叉感染率（见图5）。
3.3.2.3断桥式保温窗
对于窗户的选择，采用了断桥优质铝合金或塑钢窗，窗玻璃采用LOW-E中空玻璃，在中空层添加氩气以增强其保温隔热的能力。同时对于门窗的细节构造给予充分考虑，避免冷桥的产生和冷风渗透（见图6）。
3.3.3剖面与材质设计
3.3.3.1降低层高
为了节约材料，建筑剖面设计时，最大限度的降低了层高，为了满足管线铺设的需求，对框架梁采用了预留管线孔洞的处理。这样不但节省了材料，还降低室内空间，对建筑的节能也起到了一定的作用。
3.3.3.2优化材料质感与色彩设计
病人对于医院建筑不同的材料质感与色彩而产生的心理感受是不同的，目前许多医院建筑都是采用白色的涂料或粉刷，色彩单调，虽然会给人以清新的感觉，但不免又会让人感觉冰冷，而且长期在白色的环境中生活和工作容易引起视觉疲劳和精神紧张。在解放军91医院的设计中，墙面大胆的采用了红色，让人感觉充满活力。红色在色彩心理学上认为能促进血液流通，加快呼吸；焕发精神，加快低血压病人的康复，对麻痹、忧郁病患者也有一定刺激缓解作用（见图1）。
3.3.4生态景观与活动空间设计
医院大门的入口广场景观设计精心到位，八棵大银杏树形成的人行道美观大方，不仅观赏价值高而且人们可以在树下停留活动。医院综合楼西边和东北边留出生态景观区，为患者和家属提供良好的休养环境和活动空间。活动空间结合园林景观设计，假山、亭子、水景等设计别致有味（见图7）。
为了留出更多的绿地空间，本设计将停车场设置到地下，停车库上面为绿化带，停车位100个，加上综合楼地下100个停车位，基本满足停车要求。为了对绿化做出更多补偿，停车库的入口空间也做了立体绿化处理。
3.3.5室内环境控制
3.3.5.1通风、湿度、除尘一体化控制
医院综合楼采用先进的置换式新风系统来对室内通风、湿度与除尘的一体化控制。置换式新风系统是将室外的空气经过过滤、除尘、消毒、除湿、加湿等多级处理的新鲜空气以0.2-0.3M/S的速度从地面踢角或窗下的送风口送入室内。由于温度略低于室温，在地面形成新风湖，溢满房间的每个角落。新风随着人体及室内热源缓慢攀升，并将人体及室内的污浊空气带往高处，由卫生间或走廊顶部的排风口排出；新风连续下送上回，形成置换式使用（见图8-图10）。
置换式新风系统与传统空调相比较的优点是
①全置换式新风系统送风速度低，无风感、无噪音、无尘土搅动，健康卫生。
②自下而上的送风方式确保人体100%呼吸到新鲜空气，同时新风具备加湿、除湿功能，保证室内相对湿度控制在40%-60%的舒适范围内，远未达到饱和状态，故不会因空气与室内界面之间的温差而产生结露现象。
③新风自成系统、全排放，可以有效避免病毒交叉循环污染。
④湿度稳定，新风利用率高；通过能量置换系统减少室内能耗损失，设备成本和运行费用低。
3.3.5.2温度控制
天棚式柔和辐射采暖制冷：通过预埋在混凝土楼板中的均布水管，夏天通入18-21℃的冷水，冬天通入28-31℃的热水，对室内进行20-26℃的低温差辐射调节控制（见图11-图12）。
该系统最大特点：A.不再用空气作为冷热媒。解决了传统空调中空气既作为冷热媒循环使用，又供人呼吸的污洁混合问题。B.自控性强。冬天当室内接受较多太阳辐射时，室温会升高，室温与辐射温差减小，辐射强度自然降低，所需能耗减少，系统实现同步自我调控。当室温升至26℃，热辐射停止，功率降为零。夏天情况原理同上。C.热损耗很小。良好的外围护结构，将建筑热损耗降至最低。D.可利用地下水、土壤等作为冷热源。由于供水温度和环境温差小，故热泵工作效率很高。所需电能仅为通常所需电能的1/5-1/7。
3.3.5.3光环境控制
医院采用外遮阳板控制光线，外遮阳板装有自动遥控系统，可以根据室内光线需求进行调节，方便快捷而且不会有灰尘掉落。外遮阳板是伸缩式的，主要通过上下伸缩来改变遮阳和遮光面积，当遮阳板放下时，可以通过遮阳板上的小孔来获得微量采光。如果不需要任何室外光线，则可以将其完全放下，此时几乎没有光线透过（见图13）。
医院内部灯具全部采用LED节能灯具，在满足采光需要的同时，降低能耗。对于病房内部的夜灯，则采用高效节能的光控式夜灯，晚上光线较暗时，夜灯自动开启，白天光线通过窗户射入室内，夜灯自动关闭。
3.3.5.4声环境控制
良好的室内声环境是病人康复所必须的，对于病房而言，噪声应该控制在40分贝以下，该病房楼采用了高技术手段未控制噪声。
A.采用了22cm的加厚楼板，比普通楼板厚7cm，加厚层中选用陶粒混凝土，比普通混凝土的隔音、隔热效果要强许多，最大限度地隔绝了生活噪声。楼板由两种不同的材料构成，将两种不同材质的混凝土结合，对隔绝噪声更为有利。
B.内墙隔声优化：内墙采用轻钢龙骨加石膏板的结构，内空的部分填置岩棉和穿走管线，此种隔墙施工标准化成度高、速度快，且隔音效果好。
C.门窗隔声密闭：对于窗户的选择，病房采用了隔声性能较好的双层玻璃断桥塑钢窗户，为了提高窗户的隔音效果，缩小了窗户的可开启面积，同时可以有效防止冷风渗透。断桥的构造处理对于隔声也会起到很好的效果。病房门中间添加隔声材料，有效降低走廊内部噪声对病房的干扰。
D.同层排水降低噪音：医院采用同层排水系统可有效降低排水产生的噪声。排水采用HDPE管材，可大辐降低通过物体传播的噪音。墙前安装，假墙可有效隔离卫生间内的噪音。管道不穿过楼板，可防止噪音对楼下住户的干扰。同层排水系统采用相应的减噪措施后，噪音会从传统PVC隔层排水系统的65分贝，降至30分贝左右（见图14）。
4.低能耗高舒适度型医疗建筑评价
4.1舒适度评价
舒适度评价主要有两个方面，一方面是医院环境的心理舒适度评价；另一方面是医院环境的生理舒适度评价。对于生理舒适度评价主要是指病人和医生在医院内身体上所感觉到的舒适度，主要包括室内环境的温湿度和空气质量，可以采用环境参数统计调查的方法。心理舒适度主要是指医院室内外环境对病人和医生心理上的影响，对于心理舒适度则采用层次分析法与调查问卷打分的方法进行（见图15）。舒适度评价主要针对住院部的室内环境进行评价（见表1）。
评价方法为根据层次分析法制作出舒适度评价表，并根据表格进行问卷调查统计，得出舒适指标。本调查问卷通过对15名住院患者和5名医务人员进行打分，把其优良成度分为优、良、中、及格、差五等，分别赋予5分、4分、3分、2分、1分。把每个指标的各项得分相加得到指标的总得分，然后总得分除以最高分值即为该指标的得分率。最后把得分率乘以100，就是该项的百分制得分（见表2）。
通过对20份问卷调查评分进行平均计算，得出该医院各项舒适度指标的平均得分如下：声环境平均得分94分，热环境平均得分96.6分，光环境平均得分93分，空气质量平均得分98分，室内心理环境得分96分，室外心理环境得分92分。能过汇总得出该医院生理舒适度平均得分95.4分，心理舒适度得分94分。
4.2健康评价
一个洁净的环境，一个恒湿恒湿恒氧的环境，必然会给患者的康复具有促进作用，同时可以降低因二次污染而引发的感染。对于低能耗高舒适型医院的病房来说，必须具备其应有的健康空间的特征，主要包括清除卫生死角，减少易滋生细菌的设施、清除易掉落粉尘的设计等。健康评价就是在这种要求下，对病房的健康环境和因二次污染而引发感染的控制情况进行评价。本医院采用的外遮阳就比起传统布窗帘就有很好的防细菌滋生的功能，同时采用的同层排水也很好的清除了卫生死角（见图16）。
该医院医务人员对新老病房中，同类病情的感染率做了统计（见表3）。从统计的数据可以看出，从新病房楼建成后，同类病情的感染率有了降低，可见该病房楼的室内空间环境的健康性有了较大提高。
4.3节能评价
医院的冬季供暖经历了三次调整，最早采用自建锅炉供暖，由于锅炉能耗大且对环境污染大，后采用市政统一供暖。市政供暖虽然比锅炉干净卫生、污染小，但也存在许多缺点，如：不能自由调控温度，经常出现室内温度过高而造成能源浪费，或者是管道内水温不够而无法达到舒适温度。夏季医院一直采用空调制冷，能耗较大。如今医院新大楼采用的天棚式柔和采暖制冷系统，不仅能保证室内24h处于舒适温度范围而且能极大提高能源利用效率，节约能耗。通过对本医院新老综合楼的能耗对比可以看出新综合楼在采暖与制冷方面的能耗有明显变化。新综合楼因为建筑面积远远大于原有医院楼，总的采暖和制冷费用要高于原有医院楼，而单位面积的采暖费用和制冷费用却远远低于原有医院楼，节能效果有很大的提高（见表4）。
5.结语
解放军91医院综合楼是低能耗高舒适度技术在医疗建筑上的一次尝试，通过对建筑内环境与外环境的优化考量，达到建筑、自然和人的平衡，不但有效的降低了建筑能耗，而且大大提高了医院的舒适度，同时降低了感染率，可以为其他医院改造与设计提供很好的借鉴意义。
