医院建筑设计的低碳节能策略——以四川省医学科学院·四川省人民医院综合科研大楼为例

孙博怡 王灏霖 霍安琪 SUN Boyi WANG Haolin HUO Anqi

以四川省医学科学院·四川省人民医院综合科研大楼为例，通过模拟场地和室内的风、光、热环境，对比分析数据，展示建筑设计如何引导节能并实现“双碳”目标。设计研究过程中强调建筑与环境、人与自然的和谐关系，并从环境优化与人类感受两个维度阐释绿色建筑的意义。

医院建筑；低碳；节能；数据模拟；生态环保

1 项目概况

四川省医学科学院·四川省人民医院综合科研大楼位于成都市，坐落于成都市青羊宫旁、浣花溪畔四川省人民医院本部，距著名景点宽窄巷子仅一街之隔，西南紧邻历史文化遗址杜甫草堂，是集临床医疗、健康保健、医学科研与医学教育于一体的三级甲等综合性医院。项目总建筑面积10.65万m2，设计建设标准为三星级绿色建筑（见图1）。本文从场地环境、建筑设计、室内环境、建筑节能与碳排放等方面进行多维度分析，力求满足生态环境友好、舒适可持续的绿色建筑设计目标。

1 项目鸟瞰效果

2 建筑设计

2.1 建筑形体

建设用地位于院区西侧，拟建建筑东北侧为第一住院楼，东侧紧邻第二住院楼和门诊医技楼，东南侧为急诊楼和第三住院楼，用地为不规则状。如何利用现有用地确保新建建筑既能有效改善院区环境，又不对周边建筑产生影响，满足其他3个住院楼病房的日照要求是无法回避的问题（见图2）。

2 院区规划

规划之初决定拆除基地范围内既有建筑，在满足规定的退距要求后，测算出最大可能的建设范围（见图3，4）。在有效范围内利用相关软件测算场地日照、风速，从而得出适合的建筑形体（见图5）。通过架空、错落、分割、扭转等建筑手法既实现对其他建筑的避让、呼应、融合，又打造出多层平台空间，形成过渡交互的区域（见图6）。

3 项目基地现状

4 拆改策略

5 建筑形体模拟

6 建筑形体生成过程

基于测算的建筑形体划分垂直功能模块，设计多层次开放空间，在立面上形成多个内外交互平台。首层为公共开放空间，由于人流聚集，故强调通风采光，是室内外融合的共享平台。5层为术前病患准备空间，作为手术中心的主要出入口，重点打造与其他住院楼的水平空间连接，连廊设计减轻了垂直交通压力。13层设置室外景观平台，可连接南塔与北塔，室内提供健身、休闲场所，室外为景观、交流场所。室内外空间界面互动，为医护人员提供放松身心的环境。通过3个交互平台设计有效缓解空调、电梯等所需能耗（见图7）。

7 交互平台设计

2.2 立面形式

建筑立面设计对环境与室内舒适度具有显著影响。延续城市风貌与医院传统，立面采用横向设计元素，与节能遮阳系统相得益彰。根据太阳角度和路径，西侧和南侧立面设计具有遮阳功能的折线外窗，可有效减少夏天进入室内的热辐射，从而提高遮阳效果，既保证自然采光又避免阳光过度照射。折线外窗将设计美感与功能优化相结合，实现与建筑立面的完美融合（见图8）。

8 外窗遮阳设计

立面采用灰色、白色铝单板及木色金属板，呈现丰富多彩的设计效果。通过调整窗户朝向，避免夏季午后阳光直射，结合可调节遮阳措施，成功降低光辐射15%～30%，降低室内能耗23%。多样又统一的立面实现功能与形式的完美结合，使简洁的建筑形体更加生动（见图9，10）。

9 立面效果

图10 夜景

外窗采用Low-E中空玻璃，使用暖边间隔条密封，具有极好的保温气密性，断桥铝窗框与铝单板表皮相得益彰，与现代材料形成有机对话。立面设计既提高了建筑视觉冲击力，又在保障室内舒适性的基础上提高了能源效益。

3 建筑与场地环境

场地环境性能主要聚焦场所的舒适度与健康度，研究从建筑形体对场地指标的影响入手，涵盖风、光、热等环境因素。

3.1 风环境

建筑形体影响场地风速与风向，通过流体动力学软件模拟，新建筑设计顺应成都市东北主导风向，引导气流，减轻原有建筑布局造成的高气压。原低层建筑与周边建筑形成的夹角导致空气流通不畅，风速约5m/s，低限度影响行人舒适。通过重新布局，北侧建筑沿河道平行，拆除南侧旧建筑，改善了通风，将风速降至2m/s，消除了漩涡与无风区，提升了室外舒适度（见图11）。

图11 风环境11a原场地风速模拟11b新建场地风速模拟

3.2 光环境

不同建筑形态与高度导致的阴影将影响周边场地日照情况。原有建筑为多层建筑，对周边建筑影响不大。新建建筑为高层，考虑到不影响周围建筑采光，并能改善场地光环境要求，需运用日照模拟软件计算场地日照小时数。基于此将建筑区分为北塔与南塔两部分。在不影响周边建筑首层采光前提下，北塔遮挡了连接东、西两侧院区的连桥，改善了行人眩光现象，使新建综合楼设计在场地光环境方面达到优解（见图12）。

图12 光环境12a原场地日照分析12b新建场地日照分析

3.3 热环境

成都市气候温和，夏长东短，冬季少冰雪。取当地夏季相关气候参数模拟场地热环境，原有建筑场地和新建建筑场地均无过热区域。基于风、光环境对建筑形体进行设计，数据模拟图显示新建建筑场地热舒适度百分比较高的区域明显大于原有建筑场地。新建建筑改变了场地风向、风速、日照及阴影，提升了行人行走时的热舒适度（见图13）。

图13 热环境13a原场地热舒适度模拟13b新建场地热舒适度模拟

3.4 效果

相较于原有建筑，新建综合科研大楼降低了建筑周边风速，适宜行人行走，且对周边建筑无日照遮挡，不造成热岛效应，同时提高了场地行人行走的热舒适度。运用环境模拟软件得出的数据证明新建综合科研大楼优化了场地环境。

4 立面与室内环境

建筑立面与开窗形式直接影响室内环境，通过对风、光、热等进行模拟测算，可直观了解立面设计如何影响室内环境和舒适度。

4.1 风环境

室内风环境是由主导风气流撞击大楼产生的压强差和开窗共同作用的结果，使气流在大楼内流动形成自然通风，有利于降低室内温度与制冷能耗。在东北风主导下，大楼东北侧空间内风速较高，其他空间与房间也均有风通过。大楼朝向结合立面开窗设计有利于主导风向进入大楼，从而优化室内风环境（见图14）。

图14 室内风环境14a低层室内风环境（东北风）14b高层室内风环境（东北风）

4.2 光环境

成都地区7～8月日照时数高达220h/月，设计难点在于既需具有遮阳系统，又需具有自然采光。自然光所创造的光环境具有经济、宜人和不可替代性等特征，既有助于实现照明节能，又有助于调节情绪，帮助病患康复。

采用水平遮阳系统及转角外窗，对项目高层、低层进行采光模拟，以及对建筑室内不同房间光照度和采光小时数进行统计。北塔选取22层进行采光模拟分析，在无遮阳条件下，室内平均光照度为4428lx， 过曝区域眩光（平均光照度＞1000lx阳光直射）为20.3%。在室外立面上根据太阳方位和角度设计遮阳板，在室内窗前设置可调节遮阳设施，改善室内热舒适度。增加遮阳后计算室内平均光照度为996lx， 过曝区域眩光降低至3.8%，降低了16.5%，为室内营造了舒适、健康且具有良好光环境的医疗空间（见图15，16）。

图15 22 层15a位置示意15b平面

图16 22 层光照度对比16a无遮阳平均光照度为4428lx16b有遮阳平均光照度为996lx16c无遮阳眩光为20.3%16d有遮阳眩光为3.8%

选取首层进行采光模拟分析，在无遮阳条件下，室内平均光照度为2553lx， 过曝区域眩光(平均光照度＞1000lx阳光直射）为25.3%。在室内窗前设置可调节遮阳设施，改善室内热舒适度。增加遮阳后计算室内平均光照度为840lx，过曝区域眩光降低为0，降低了25.3%（见图17，18）。

图17 首层17a位置示意17b平面

图18 首层光照度对比18a无遮阳平均光照度为2553lx18b有遮阳平均光照度为840lx18c无遮阳眩光为25.3%18d有遮阳眩光为0

4.3 热环境

室内热环境是低碳节能的关键所在，由于医院主要服务于病患和家属，因此为患者提供健康的治疗和舒适的康复环境至关重要。外墙与窗材料选择隔热性良好的蒸压轻质混凝土板，结合50mm厚岩棉隔热保温材料及隔热金属型材多腔密封框，增强隔热和保温性。经测算，在夏季和冬季室内热舒适度百分比中显示，空间内大部分区域舒适度在50%以上，表明室内热舒适度较好（见图19）。

图19 热舒适度对比19a夏季高层室内热舒适度19b冬季高层室内热舒适度19c夏季低层室内热舒适度19d冬季低层室内热舒适度

4.4 效果

新建综合科研大楼室内风环境受当地主导风东北风影响形成自然通风，合理设计开窗可实现节能降温。室内采光过曝区域采用遮阳板设计，使室内自然光照符合舒适标准，降低因光照导致的过热现象，实现被动式节能。综上，室内环境对于医院医护与病患来说至关重要，从风、光、热环境等方面为建筑节能提供最优化的设计方案。

5 节能与减碳排放

项目在推动节能减排与建立绿色低碳循环发展体系上采用多种设计策略，通过设计优化降低所需耗能。优化设计合理的建筑能显著减少建筑运行能耗。

5.1 节能技术

1）钢结构 项目地上部分采用钢结构体系，进行标准化设计，具有强度高、自重轻、抗震性能好、施工速度快、结构构件规格少、工业化程度高、材料绿色环保等特征。同时减少了建筑施工阶段的碳排放，降低能源与资源消耗，以及部品构件运输过程中的碳排放。

2）装配式 采用结构标准化、装修一体化、信息化管理等，节约了资源，减少施工污染，提高了生产效率和质量安全。装配率为76.1%，达到国家AA级装配式建筑水平。

3）BIM与绿色建筑相结合 提升建造能力，有效降低能耗，节省材料，缩短工期。

4）太阳能 太阳能是可再生能源，既可免费使用，又无需运输，对环境无任何污染。

5）空气源热泵 采用四管制空气源热泵机组，冬季回收内区热量用于外区供冷，相较电采暖设备节能67%。

6）高效照明 照明采用LED灯，照明箱内集中分区智能控制；采用智能照明控制系统并结合现场开关控制。

7）被动遮阳 利用遮阳板在控温期内对室内房间进行空调与供暖调温，精确控制能耗。

8）外围护结构 选用蒸压轻质混凝土板，具有保温、隔热性能，应用于外墙时较一般加气混凝土薄，且工期短、成本低、节能降耗显著。

建筑综合节能率的计算方式为：（参照建筑全年采暖空调照明耗电量-设计建筑全年采暖空调照明耗电量）/ 参照建筑全年采暖空调耗电量×100%。经测算，项目实现了23%的节能率，为可持续低碳建筑的发展提供实践经验（见图20）。

图20 能耗对比

5.2 建筑减碳排放

碳排放计算包括建材生产运输、建造拆除、建筑运行和碳汇的计算。经数据分析，得出建筑5 0 年运行碳排放量为187439.2tCO2，即供冷64640.604tCO2+供暖21806.989tCO2+照明41570.112tCO2+电梯59421.467tCO2=187439.2tCO2。50年用电量为356739604.3kW·h， 约为43843.3t标准煤。

在建筑运营过程中，供冷碳排放量占比为34%。故在设计中采用四管制空气源热泵机组，冬季回收内区热量用于外区供冷，夏季采用水冷机组+空气源热泵系统。模拟室内布局，着重考虑夏季自然通风降温措施，配合被动式遮阳板、ACC板外围护结构及Low-E中空玻璃外窗使用。选择隔热金属型材多腔密封框以增强隔热与保温性能，使建筑供冷能耗的降幅达13.8%。

通过对比，设计建筑较参照建筑的碳排放量同比下降14.77%（见表1）。

表1 设计建筑与参照建筑碳排放对比

6 结语

四川省医学科学院·四川省人民医院综合科研大楼项目全面推进绿色建设、绿色运行，打造“低碳建筑”。设计采取环境模拟，精确计算设计条件，对建筑设计进行优化指导，在功能与美学之间取得平衡，打造具有城市肌理的医疗建筑。利用各类模拟软件计算，综合考量场地、室内功能设置，使室内、室外满足日照、通风和体感舒适度等指标要求。室外景观平台为不同人群提供理想的休憩场所，实现人与环境的有机融合。项目秉承低碳节能、生态环保与生命健康相结合的设计理念，为持续探索医疗建筑高质量发展提供借鉴。