太阳能在养老建筑中的设计应用——以2017年台达杯竞赛优秀奖方案为例

裘 鞠 丁辛宇 丁怡文

(吉林建筑大学 建筑与规划学院,长春 130118)

“让建筑为老人创造安全、健康、舒适、便利、绿色的新生活”是本次台达杯建筑设计竞赛的宗旨,本文旨在探讨在“银发时代”的背景下,老年人应住在何种建筑中,以何种方式安度晚年.近年来,公共建筑“绿色化”在我国已初具成果,并有一定的理论与实践积累,但是目前对养老建筑“绿色化”的研究、立法、项目建设等工作仍处于空白阶段,现存养老建筑由于缺乏对可持续性和绿色建筑方面的考虑,存在着能源消耗过大的问题,这无疑会增加养老设施的经营成本,而且建筑物理环境长期达不到养老的需求,也会对老年人的健康造成不良影响[1].

1 项目概况

“漫步·时·光”是作者参与2017年国际台达杯太阳能建筑设计竞赛中获得优秀奖的作品,该方案在设计中,通过优化建筑设计手段,整合适宜的可再生能源技术,让太阳能为建筑带来永续的能源,同时,充分考虑到老年人的心理生理特点,创造了一个充满人性化关怀的绿色养老建筑.

“漫步·时·光”选取的是地处北方的西安地块.该地块位于西安市以南,长安区生态田园养老社区内.该社区是由老年养生度假区、老年康复医疗区、老年住宅区、生态颐养服务区以及生态农业园区等共同组成的生态田园型综合养老社区.生态颐养服务中心用地位于园区西部、主入口处,建筑红线内分为南高北低两块台地,台地间有2m的高差(见图1).

1.1 气候条件

西安市位于渭河流域中部关中盆地,东经107.40°～109.49°和北纬33.42°～34.45°之间,属于温带季风性气候,四季分明,夏季炎热多雨,冬季寒冷少雪.年平均温度13.3℃,年中性温度为23.7℃，因此冬、夏两季的设计策略需要协调考虑.

1.2 项目要求

本项目要求建筑面积为3 200m2(±5%)，应设有不小于200m2的室外活动场地,要求场地位置设置在向阳避风处,另设不小于200m2的阳光间(不计入建筑面积).建筑层数不宜超过三层,同时,要求建筑具备后期扩建和空间改造能力,考虑未来床位增加的可能性.

图1 颐养服务中心现状图[2]Fig.1 A situation map of the summer care service center

图2 总平面图Fig.2 General plan

图3 建筑组团布置示意图Fig.3 Architectural group layout schematic

2 规划构思

颐养服务中心在布局时不但要考虑太阳能的高效利用,还要思考如何满足老年人的生理、心理需求,为老年人提供人性化的居住空间，需要从布局、朝向、间距、防风等方面进行规划构思,使建筑得到充足的自然光,良好的通风效果，在高效利用太阳能的同时满足老年人的居住需求.

任务书要求将颐养服务中心放入10 283m2的地块中,而且地块形状不规则(见图2),在不规则的地形中,如何处理居住部分与活动部分是设计师遇到的第一个难题.人们想要将活动部分放置在居住用房的中心部位,方便居住老人到活动部分进行交流活动,但由于地形的限制,最终将两个居住部分连接处的一楼设置为餐厅,非用餐时间时可以作为居住部分的交流活动空间.同时,后期扩建建筑如何与原有建筑有机联系是第二个难题，我们将扩建用地布置在地块北侧,在保障日照间距的同时,还预留了后期老年人活动场地.

2.1 布局形式

建筑布局上充分考虑老年人对室内物理环境的需求,将所有主要功能房间放在南侧,保障每个房间拥有充足的采光,同时,建筑采用组团的模式布局,通过中间连廊将各个组团有机的联系在一起(见图3).

例如将居住护理单元的80张床位分成若干个小组团,并在每个组团中配有相应的护理及生活辅助用房,医养相结合.这种医养结合的组团模式不仅给居住于此的老人带来一种如家庭般温暖细心的呵护,还便于居住部分二期的扩建工程.

2.2 建筑特点

在布置组团内部功能房间的时候,将形式相对统一的居住用房做成装配式,可以像积木一样拼搭,形成多种组合模式,可根据不同需求,改变房型的搭配.在布置居住房间时,将面积最大的套间放在一层,二层布置双人间,三层布置单人间,最终结合露台形成错落有致的居住区域(见图4).这种设计方式不但提高了施工时间,也丰富了建筑形式,使颐养中心充满了生机与活力.

图4 透视图Fig.4 Perspective

建筑具有节地、节能的特点：建筑平面采用组团集中式布局，在满足建筑功能、采光系数、日照间距的前提下尽可能的为后期扩建预留足够的用地；在节能设计方面主动式与被动式太阳能技术结合,同时，利用基地环境的优势，在南北地块2m的高差处设计通风塔(见图5),可有效解决基地高差问题,改善室内风环境,形成良好的建筑外形象.

图5 通风塔自然通风分析图Fig.5 Natural ventilation analysis diagram of ventilation tower

3 设计指导思想

(1) 医养结合. 方案在设计过程中考虑“医养结合”,将医疗资源高效利用,将主要居住模块靠近北侧老年医院,每个组团设有护理模块,同时在居住组团中间放置医疗保健用房.

总体来说:“医”包括医疗康复保健服务,健康咨询服务、健康检查服务等;“养”包括生活照护服务、精神心理服务、文化活动服务.利用“医养一体化”发展模式,集医疗、康复、养生、养老等为一体,把老年人健康医疗服务放在首要位置,将养老设施和医院功能相结合,形成生活照料和康复关怀融为一体的新型模式[3].

(2) 绿色建筑. 综合的利用太阳能,通过多种技术措施,结合主动式太阳能技术与被动式太阳能技术,将太阳能充分利用;通过自然通风以及必要的遮阳措施,减少空调的使用,达到建筑节能减排的目标.

(3) 装配式. 为了满足建筑建设效率以及方便扩建工程的施工,本方案在公共服务用房,办公管理用房,生活及医疗用房采用常规的建造方法进行建造,而在居住用房部分则采用了装配式模块化设计.将不同形式的标准间设计成不同规格的预制模块单元,单元与单元之间可进行任意的装配连接,即简化了建造步骤,又方便了后期扩建的需要(见图6).

图6 居住生活用房模块化设计示意图Fig.6 Schematic diagram of modular design of residential living room

4 节能设计策略

西安冬季12月、1月寒冷、干燥,被动式太阳能不能有效解决采暖问题.冬季其余时间,10月、11月和2月份,可以利用太阳能获得理想的热舒适环境.同时夏季7月、8月份热湿问题比较突出,利用自然通风、蒸发冷却、遮阳等策略解决夏季室内环境过热问题.

通过WEATHER TOOL对西安气候进行分析;提出设计应对策略;并将设计策略应用到建筑方案中,最后确定方案,下面是最终方案节能设计策略过程图(见图7).

图7 方案节能设计过程策略图Fig.7 Design process strategy diagram of the scheme

4.1 被动式太阳能建筑设计

通过对场地限制条及不利因素的分析,提出相应的解决策略,结合养老建筑特点,本设计从场地入手,推进到单体建筑,最后到细部节点构造设计,以逐步展开的方式进行被动式技术设计.

(1) 建筑保温隔热设计. 墙体设计采用特朗伯墙,依靠被动式收集太阳能为建筑供暖,冬季白天,有太阳时,在集热墙外玻璃之间出现温室效应,间层内空气被加热,通过集热墙顶部与底部的通风口,向室内对流供暖,晚上墙上通风口关闭,墙体向室内辐射散热;夏季白天,集热墙与玻璃间形成绝热层,玻璃顶部与底部通风口均打开,形成空气对流,晚上通风口依旧开启,使墙体内空气冷却,从而吸取室内热量,形成舒适的室内环境.冬季阳光间吸收太阳的辐射,屋顶可调节百叶关闭,使双层屋顶空气间层起到良好的保温效果,夏季,采用阶梯式绿化,和屋顶植被的蒸发冷却功能,有效的起到隔热作用.

(2) 建筑采光设计. 房间南向采光,同时,外立面结合遮阳板设计,考虑西安夏季、冬季太阳高度角的区别,起到夏季遮阳,冬季透光的作用,形成适宜老人居住的室内环境.

(3) 建筑通风设计. 建筑在布局设计上考虑西安地区风环境,结合主导风向分析,营造出有利于自然通风的环境,同时,建筑结合场地高差设计了一座通风塔,是该建筑的主要标志,随着功能房间的平面展开,与竖向的通风塔形成鲜明对比,使建筑具有鲜明特征.通过通风塔的“烟囱效应”形成室内空气对流,改善空气质量.建筑三层走廊的上方,结合屋顶设计高侧窗,为走廊引入大量阳光(见图8).

图8 建筑节能策略分析图Fig.8 Building energy saving strategy analysis diagram

4.2 主动式太阳能建筑设计

4.2.1 太阳能吸收式热水系统与屋顶架空层结合

在夏季,太阳能集热器向制冷机提供85°～90°的热水(或100°以上的蒸汽),再由制冷机产生8°左右的冷水,并通过风机管向室内提供冷风;在冬季,太阳能集热器提供60°左右的热水,并通过风机管向室内提供热风;同时,利用屋面的构造特点设置了架空层,夏季,通过空气流动来降低屋面温度,冬季;形成屋面保温层,阻止室内热量散失;架空层也防止了太阳能集热器给屋面防水保温材料带来的不利影响[4].

4.2.2 太阳能光伏板

通过Ecotect软件分析建筑屋顶年均太阳能辐射量,在辐射量最大的屋顶范围内布置太阳能光伏板,将太阳辐射能直接转化成电能,为老年人提供日常生活所需的基本电能.

4.3 其他节能技术

为解决西安冬季12月份和1月份太阳能设计不能满足建筑采暖需求,所以冬季采暖辅助使用地源热泵技术,同时,项目所在的长安地区地热资源丰富,地热面积207.5km2,热能储量相当于1324.5万t标准煤的热量.地源热泵技术充分利用了当地的地热资源,冬季,把地下热量从地下土壤中转移到建筑室内,夏季,再把地下冷量转移到室内,形成一个冷热循环系统,实现了节能减排的目标.

5 结语

通过对“漫步·时·光”方案的介绍,阐明节能技术在养老建筑设计中具有广阔的应用空间,太阳能建筑设计,既能满足颐养服务中心的使用功能,又能为老年人创造安全、舒适、温暖和健康的室内环境,在节能设计中不应该只片面追求节能减排,应该综合考虑使用者对空间的物理环境需求,心理需求.特别是在我国“银龄化”的背景下,各类养老机构兴起,养老建筑数量不断增加,在养老建筑设计中更应该注重建筑节能减排、可持续设计.本文旨在抛砖引玉,希望对以后太阳能在养老建筑的应用设计提供一些有意义的借鉴.

参 考 文 献

[1] 贾敏.绿色老年建筑建设现状与发展建议[C].第九届清华养老产业高端论坛文集.北京:社会科学文献出版社,2017.

[2] http://223.4.93.37:8080/list.aspx?id=107&colid=91

[3] 高敏.基于医养导向下的养老设施建筑空间设计研究[D].青岛:青岛理工大学,2016.

[4] 谢亚莉.主动与被动相结合的太阳能与建筑一体化设计[C].中华人民共和国建设部技术司,第三届国际智能、绿色建筑与建筑节能大会论文集.北京:建筑工业出版社,2007.