阳光·健康·再生——2013台达杯国际太阳能建筑设计竞赛作品解读

哈尔滨工业大学建筑学院 ■ 梅兰 王皎

0 引言

旧建筑的绿色改造如同“成衣改制”，既有很大的局限性，同时也有很强的现实意义[1]。如何将绿色技术和节能手段与旧建筑完美结合，使其在生命周期内最大限度地保护环境且节约能耗，同时兼顾舒适性与经济性，成为绿色改造成功的关键。2013年，台达杯国际太阳能建筑设计竞赛以“阳光与建筑再生”为主题，选定青岛市海慈医院为对象进行节能改造设计。在此，笔者结合竞赛一等奖获奖作品《驻波·逐日》，探讨太阳能等绿色建筑技术在医院改造中的应用。

1 项目背景

1.1 地域环境

青岛市地处山东半岛南部，南临黄海，属于北温带季风区，兼具季风气候与海洋气候的双重特点。全年8月份最热，平均气温25.3 ℃；1月份最冷，平均气温-0.5 ℃。夏无酷暑，冬少严寒，降水适中，空气湿润，气候宜人。

在太阳能资源上青岛属于地区分类的第三区，太阳能资源属于中等水平，年日照时数2200～3000 h。自然条件将对太阳能建筑设计造成较大的挑战。

1.2 用地条件

海慈医院位于青岛市四方区与市北区的交界处，用地面积34407 m2，总建筑面积96568 m2。东临威海路、鞍山路与人民路的交叉口，北靠鞍山路高架桥，南临海泊河(市内河)，西侧为青岛市文化公园，交通便利，环境优美。

1.3 改造要求

海慈医院共有A、B、C、D 4栋主体建筑，要求A座综合楼保持现状不变；将原为门诊医技楼的B座(6层)改造为城市老年人康复中心，改造后的建筑应充分利用主、被动太阳能建筑技术，尽量减少常规能源消耗；C、D座改造后仍为病房楼(C座7层、D座6层)。

2 设计理念

随着中国老龄化人口的快速增长，老年人康复中心承担着越来越重要的社会责任，其为本次设计的核心。因此，我们的设计理念是：一方面，注重太阳能等绿色技术与建筑设计的有机结合；另一方面，兼顾人文关怀在医疗建筑中的突出体现。力求从建筑的内部使用功能到外部立面造型上尽量摆脱普通医疗建筑的呆板与冷漠，为老年人营造温馨舒适、绿色健康的疗养环境。

3 改造方案

3.1 总体规划

作为改造项目，海慈医院的建筑布局已经确定，不能改变。这一限定性对建筑自身方位以及周边建筑的遮挡对太阳能技术的选择与太阳能装置的位置造成了影响。此外，青岛地处太阳能资源分区的第三区，本身太阳能资源并不十分充裕，如何在建筑布局限制下最大限度地利用太阳能将成为技术成败的关键。

为此，我们在设计的前期阶段就利用Ecotect Analysis软件对基地进行了日照阴影区的模拟分析。图1为4栋建筑在冬至日全天日照模拟图。从图中显示的叠加阴影区可知，C座被A座遮挡较严重，其屋顶和立面太阳能利用率较低，不宜设置太阳能集热装置；B座屋顶、南立面和D座屋顶太阳能利用率较高，应充分利用。

图1 冬至日全天日照模拟图

3.2 功能优化

考虑到老年人易感孤独的心理特点，我们为老年人康复中心的病房设计了共享阳光间(如图2所示)，找到了建筑功能、立面造型与太阳能技术之间的契合点。2间或4间病房阳台合并形成的共享阳光间，不仅增加了相邻病房间老年患者的交流，营造出一种“邻里”的氛围，而且在立面造型上产生了丰富的变化； 同时，阳光间作为被动式太阳能技术之一，使太阳能得到了充分利用，可谓一举三得。

3.3 立面改造

图2 老年人康复中心病房共享阳光间

老年人康复中心的立面造型是由共享阳光间的平面形式和阳台壁挂式太阳能集热器的设置决定的。由于建筑不是正南正北，而是南偏东60°，为了最大限度地利用太阳能，我们将阳光间外立面设计成折线型，边长较长的一面向南偏转，保证设置在这一面上的太阳能集热器能更有效地吸收太阳辐射热。同时，这也形成了波浪起伏、错落变化的立面效果，如光波一样起伏变化的立面其实是为了追逐太阳，这正好与主题“驻波·逐日”相契合。

图3 老年人康复中心改造后立面效果图

4 技术策略

太阳能技术是应用的主要节能技术。我们通过太阳能建筑一体化设计，将太阳能供暖、太阳能热水，以及光伏发电等主动太阳能技术与各种可能的被动措施进行优化整合，合理运用到建筑中，使太阳能技术与建筑设计进行有机结合。此外，我们还充分利用了雨水和地热等自然资源，最大程度地降低能耗、节约能源(如图4所示)。

图4 技术应用示意图

4.1 被动式太阳能技术

被动式太阳能的利用主要体现在阳光间上，阳光间既可供给房间太阳热能，又可作为一个缓冲区，减少房间的热损失，使建筑物与阳光间相邻的部分获得一个温和的环境[2]。

在南墙外设置了玻璃阳光间，南墙上开有通气孔，使阳光间和采暖居室形成气流循环。同时，南墙本身也是集热蓄热墙体，这样，太阳能可同时对附加阳光间和居室供热。图5为阳光间工作原理。

图5 阳光间工作原理

4.2 主动式太阳能技术

我们充分利用建筑外围护表面，通过在屋顶设置集中式太阳能热水系统和在南立面阳台安装壁挂式太阳能热水器为整栋楼提供所需的生活用水。

另外，在外立面局部安装了彩色透明太阳能光电板，一方面将太阳能转化为电能储存起来用于室内照明、设备运转等；另一方面，彩色光电板使老年人康复中心摆脱了普通医院苍白冰冷的建筑形象，更显温馨轻快，疏解老年人对医院的抗拒情绪。这也体现了我们注重人文关怀的设计理念。

4.3 通风系统

采用以被动式通风为主、主动式通风为辅的策略，结合两者优点，能更实用、更高效地发挥其作用。我们设计了地板下通风系统，在吊顶内设置通风道，使气体有组织地向楼梯间处汇聚；同时设计了突出屋面的拔风楼梯间，利用热压通风的吹拔作用将高温气体排出。这样，新鲜凉爽的气体从窗户进入室内，高热混浊的气体通过地板下风道和拔风楼梯间排出室外，就形成了完整的空气循环系统(图6)。

图6 通风系统示意图

冬季寒冷不能开窗时，可通过机械通风辅助换气。为了在冬季也能获得新鲜空气，我们在阳光间的窗户上安装了新风换气装置。这种装置无需耗能，根据大气平衡原理，利用风机使室内产生负压，使室外新风通过进风口，经过隔尘降噪进入室内。这样，在不开窗的情况下也可引入室外新鲜空气。新风系统示意图如图7所示。

图7 新风系统示意图

4.4 地源热泵

由于我们采用太阳能——地源热泵双热源低温热水地面辐射供暖系统，除了利用太阳能之外，也对地热资源进行了合理利用。地源热泵(GSHP)是一种利用浅层地热资源(也称地能，包括地下水、土壤或地表水等)，既可供热又可制冷的高效节能设备。其工作原理是：通过输入少量的高品位能源，实现由低温位热能向高温位热能转移。地能分别在冬季作为热泵供热的热源和夏季制冷的冷源，即在冬季，把地能中的热量取出来，提高温度后，供给室内采暖；夏季，把室内的热量取出来，释放到地能中去。夏天为室内制冷，冬天为室内供暖，使室内温度趋于恒定，提高室内环境舒适度。此外，在过渡季节应将多余的太阳能热量蓄到地下，提升地下温度场，使整个系统在一个平衡的地下温度场中长期高效地运行[3]。

4.5 种植屋面

在老年人康复中心的二层和三层屋顶设计了屋顶花园，绿色屋顶花园不仅为老年人提供了舒适宜人的景观环境，而且对建筑物起到了保温隔热的作用。我们采用中型种植屋面，在屋顶结构保温层之上依次铺设找坡层、防水层、防根穿刺层、保护层、排/蓄水板、种植介质及植被[4](构造层次如图8所示)。由于植物的根系具有很强的穿透能力，必须在传统屋面防水层的基础上，增设一层耐根穿刺的防水层，因此防水层的设计是种植屋面设计的重点。

图8 种植屋面结构示意图

4.6 雨水收集系统

我们将屋顶和地面的雨水进行收集、弃流过滤、消毒净化、储存回用。由于屋面雨水资源量约占城区资源量的65%左右，而且屋面受环境影响比较少，水质比起路面径流要好[5]。因此，屋面雨水相对干净，杂质、泥沙及其他污染物少，可通过弃流和简单过滤后，直接排入蓄水池中，进行处理后使用。地面雨水杂质较多，污染源复杂，在弃流和粗略过滤后，还必须进行沉淀才能排入蓄水池。我们将3栋建筑雨水收集装置相连，形成一个完整的系统。这一套雨水收集系统既可节能减排、绿色环保、减少雨水的排放量，又可回用到生活中的厕所冲水、浇灌植被和冲洗路面，节约自来水，减少水处理的成本。图9为雨水收集系统示意图。

图9 雨水收集系统示意图

5 创作体会

总之，我们的设计从当地地域气候特点出发，综合利用太阳能等绿色建筑技术手段，注重太阳能建筑一体化设计，同时兼顾人文关怀，创造出了绿色节能、健康舒适的疗养环境。

通过设计我们也意识到，绿色技术与建筑设计不应该只是建筑的两件外衣。对于既有建筑改造，太阳能等技术措施不再是空间定型后的附加产物，而应在设计之初就与建筑功能和立面造型同时考虑。在满足功能需求的前提下，我们要利用主、被动绿色节能技术手段改善建筑的风、光、热等物理环境，将可持续理念与绿色技术贯穿于设计始终，使绿色技术与建筑设计有机结合，合二为一。

[1] 黄锰.跨越藩篱——浙江大学建筑系馆绿色改造设计的教学与探讨[J].中国建筑教育, 2011, (4): 51－55.

[2] 赵群.太阳能建筑整合设计对策研究[D].哈尔滨: 哈尔滨工业大学, 2008.

[3] 刘志梅.住宅建筑太阳能-地源热泵符合系统的研究[D].山东: 山东建筑大学, 2012.

[4] 王鹏.建筑物种植屋面应用研究[J].节能经济, 2009, (S1):17－19.

[5] 王晓晖.居住区雨水收集及利用[J].绿色科技, 2010, (7):35－36.