陽光·健康·再生——2013臺達杯國際太陽能建筑設(shè)計競賽作品解讀

哈爾濱工業(yè)大學(xué)建筑學(xué)院 ■ 梅蘭 王皎

0 引言

舊建筑的綠色改造如同“成衣改制”，既有很大的局限性，同時也有很強的現(xiàn)實意義[1]。如何將綠色技術(shù)和節(jié)能手段與舊建筑完美結(jié)合，使其在生命周期內(nèi)最大限度地保護環(huán)境且節(jié)約能耗，同時兼顧舒適性與經(jīng)濟性，成為綠色改造成功的關(guān)鍵。2013年，臺達杯國際太陽能建筑設(shè)計競賽以“陽光與建筑再生”為主題，選定青島市海慈醫(yī)院為對象進行節(jié)能改造設(shè)計。在此，筆者結(jié)合競賽一等獎獲獎作品《駐波·逐日》，探討太陽能等綠色建筑技術(shù)在醫(yī)院改造中的應(yīng)用。

1 項目背景

1.1 地域環(huán)境

青島市地處山東半島南部，南臨黃海，屬于北溫帶季風(fēng)區(qū)，兼具季風(fēng)氣候與海洋氣候的雙重特點。全年8月份最熱，平均氣溫25.3 ℃；1月份最冷，平均氣溫-0.5 ℃。夏無酷暑，冬少嚴寒，降水適中，空氣濕潤，氣候宜人。

在太陽能資源上青島屬于地區(qū)分類的第三區(qū)，太陽能資源屬于中等水平，年日照時數(shù)2200～3000 h。自然條件將對太陽能建筑設(shè)計造成較大的挑戰(zhàn)。

1.2 用地條件

海慈醫(yī)院位于青島市四方區(qū)與市北區(qū)的交界處，用地面積34407 m2，總建筑面積96568 m2。東臨威海路、鞍山路與人民路的交叉口，北靠鞍山路高架橋，南臨海泊河(市內(nèi)河)，西側(cè)為青島市文化公園，交通便利，環(huán)境優(yōu)美。

1.3 改造要求

海慈醫(yī)院共有A、B、C、D 4棟主體建筑，要求A座綜合樓保持現(xiàn)狀不變；將原為門診醫(yī)技樓的B座(6層)改造為城市老年人康復(fù)中心，改造后的建筑應(yīng)充分利用主、被動太陽能建筑技術(shù)，盡量減少常規(guī)能源消耗；C、D座改造后仍為病房樓(C座7層、D座6層)。

2 設(shè)計理念

隨著中國老齡化人口的快速增長，老年人康復(fù)中心承擔(dān)著越來越重要的社會責(zé)任，其為本次設(shè)計的核心。因此，我們的設(shè)計理念是：一方面，注重太陽能等綠色技術(shù)與建筑設(shè)計的有機結(jié)合；另一方面，兼顧人文關(guān)懷在醫(yī)療建筑中的突出體現(xiàn)。力求從建筑的內(nèi)部使用功能到外部立面造型上盡量擺脫普通醫(yī)療建筑的呆板與冷漠，為老年人營造溫馨舒適、綠色健康的療養(yǎng)環(huán)境。

3 改造方案

3.1 總體規(guī)劃

作為改造項目，海慈醫(yī)院的建筑布局已經(jīng)確定，不能改變。這一限定性對建筑自身方位以及周邊建筑的遮擋對太陽能技術(shù)的選擇與太陽能裝置的位置造成了影響。此外，青島地處太陽能資源分區(qū)的第三區(qū)，本身太陽能資源并不十分充裕，如何在建筑布局限制下最大限度地利用太陽能將成為技術(shù)成敗的關(guān)鍵。

為此，我們在設(shè)計的前期階段就利用Ecotect Analysis軟件對基地進行了日照陰影區(qū)的模擬分析。圖1為4棟建筑在冬至日全天日照模擬圖。從圖中顯示的疊加陰影區(qū)可知，C座被A座遮擋較嚴重，其屋頂和立面太陽能利用率較低，不宜設(shè)置太陽能集熱裝置；B座屋頂、南立面和D座屋頂太陽能利用率較高，應(yīng)充分利用。

圖1 冬至日全天日照模擬圖

3.2 功能優(yōu)化

考慮到老年人易感孤獨的心理特點，我們?yōu)槔夏耆丝祻?fù)中心的病房設(shè)計了共享陽光間(如圖2所示)，找到了建筑功能、立面造型與太陽能技術(shù)之間的契合點。2間或4間病房陽臺合并形成的共享陽光間，不僅增加了相鄰病房間老年患者的交流，營造出一種“鄰里”的氛圍，而且在立面造型上產(chǎn)生了豐富的變化； 同時，陽光間作為被動式太陽能技術(shù)之一，使太陽能得到了充分利用，可謂一舉三得。

3.3 立面改造

圖2 老年人康復(fù)中心病房共享陽光間

老年人康復(fù)中心的立面造型是由共享陽光間的平面形式和陽臺壁掛式太陽能集熱器的設(shè)置決定的。由于建筑不是正南正北，而是南偏東60°，為了最大限度地利用太陽能，我們將陽光間外立面設(shè)計成折線型，邊長較長的一面向南偏轉(zhuǎn)，保證設(shè)置在這一面上的太陽能集熱器能更有效地吸收太陽輻射熱。同時，這也形成了波浪起伏、錯落變化的立面效果，如光波一樣起伏變化的立面其實是為了追逐太陽，這正好與主題“駐波·逐日”相契合。

圖3 老年人康復(fù)中心改造后立面效果圖

4 技術(shù)策略

太陽能技術(shù)是應(yīng)用的主要節(jié)能技術(shù)。我們通過太陽能建筑一體化設(shè)計，將太陽能供暖、太陽能熱水，以及光伏發(fā)電等主動太陽能技術(shù)與各種可能的被動措施進行優(yōu)化整合，合理運用到建筑中，使太陽能技術(shù)與建筑設(shè)計進行有機結(jié)合。此外，我們還充分利用了雨水和地?zé)岬茸匀毁Y源，最大程度地降低能耗、節(jié)約能源(如圖4所示)。

圖4 技術(shù)應(yīng)用示意圖

4.1 被動式太陽能技術(shù)

被動式太陽能的利用主要體現(xiàn)在陽光間上，陽光間既可供給房間太陽熱能，又可作為一個緩沖區(qū)，減少房間的熱損失，使建筑物與陽光間相鄰的部分獲得一個溫和的環(huán)境[2]。

在南墻外設(shè)置了玻璃陽光間，南墻上開有通氣孔，使陽光間和采暖居室形成氣流循環(huán)。同時，南墻本身也是集熱蓄熱墻體，這樣，太陽能可同時對附加陽光間和居室供熱。圖5為陽光間工作原理。

圖5 陽光間工作原理

4.2 主動式太陽能技術(shù)

我們充分利用建筑外圍護表面，通過在屋頂設(shè)置集中式太陽能熱水系統(tǒng)和在南立面陽臺安裝壁掛式太陽能熱水器為整棟樓提供所需的生活用水。

另外，在外立面局部安裝了彩色透明太陽能光電板，一方面將太陽能轉(zhuǎn)化為電能儲存起來用于室內(nèi)照明、設(shè)備運轉(zhuǎn)等；另一方面，彩色光電板使老年人康復(fù)中心擺脫了普通醫(yī)院蒼白冰冷的建筑形象，更顯溫馨輕快，疏解老年人對醫(yī)院的抗拒情緒。這也體現(xiàn)了我們注重人文關(guān)懷的設(shè)計理念。

4.3 通風(fēng)系統(tǒng)

采用以被動式通風(fēng)為主、主動式通風(fēng)為輔的策略，結(jié)合兩者優(yōu)點，能更實用、更高效地發(fā)揮其作用。我們設(shè)計了地板下通風(fēng)系統(tǒng)，在吊頂內(nèi)設(shè)置通風(fēng)道，使氣體有組織地向樓梯間處匯聚；同時設(shè)計了突出屋面的拔風(fēng)樓梯間，利用熱壓通風(fēng)的吹拔作用將高溫氣體排出。這樣，新鮮涼爽的氣體從窗戶進入室內(nèi)，高熱混濁的氣體通過地板下風(fēng)道和拔風(fēng)樓梯間排出室外，就形成了完整的空氣循環(huán)系統(tǒng)(圖6)。

圖6 通風(fēng)系統(tǒng)示意圖

冬季寒冷不能開窗時，可通過機械通風(fēng)輔助換氣。為了在冬季也能獲得新鮮空氣，我們在陽光間的窗戶上安裝了新風(fēng)換氣裝置。這種裝置無需耗能，根據(jù)大氣平衡原理，利用風(fēng)機使室內(nèi)產(chǎn)生負壓，使室外新風(fēng)通過進風(fēng)口，經(jīng)過隔塵降噪進入室內(nèi)。這樣，在不開窗的情況下也可引入室外新鮮空氣。新風(fēng)系統(tǒng)示意圖如圖7所示。

圖7 新風(fēng)系統(tǒng)示意圖

4.4 地源熱泵

由于我們采用太陽能——地源熱泵雙熱源低溫?zé)崴孛孑椛涔┡到y(tǒng)，除了利用太陽能之外，也對地?zé)豳Y源進行了合理利用。地源熱泵(GSHP)是一種利用淺層地?zé)豳Y源(也稱地能，包括地下水、土壤或地表水等)，既可供熱又可制冷的高效節(jié)能設(shè)備。其工作原理是：通過輸入少量的高品位能源，實現(xiàn)由低溫位熱能向高溫位熱能轉(zhuǎn)移。地能分別在冬季作為熱泵供熱的熱源和夏季制冷的冷源，即在冬季，把地能中的熱量取出來，提高溫度后，供給室內(nèi)采暖；夏季，把室內(nèi)的熱量取出來，釋放到地能中去。夏天為室內(nèi)制冷，冬天為室內(nèi)供暖，使室內(nèi)溫度趨于恒定，提高室內(nèi)環(huán)境舒適度。此外，在過渡季節(jié)應(yīng)將多余的太陽能熱量蓄到地下，提升地下溫度場，使整個系統(tǒng)在一個平衡的地下溫度場中長期高效地運行[3]。

4.5 種植屋面

在老年人康復(fù)中心的二層和三層屋頂設(shè)計了屋頂花園，綠色屋頂花園不僅為老年人提供了舒適宜人的景觀環(huán)境，而且對建筑物起到了保溫隔熱的作用。我們采用中型種植屋面，在屋頂結(jié)構(gòu)保溫層之上依次鋪設(shè)找坡層、防水層、防根穿刺層、保護層、排/蓄水板、種植介質(zhì)及植被[4](構(gòu)造層次如圖8所示)。由于植物的根系具有很強的穿透能力，必須在傳統(tǒng)屋面防水層的基礎(chǔ)上，增設(shè)一層耐根穿刺的防水層，因此防水層的設(shè)計是種植屋面設(shè)計的重點。

圖8 種植屋面結(jié)構(gòu)示意圖

4.6 雨水收集系統(tǒng)

我們將屋頂和地面的雨水進行收集、棄流過濾、消毒凈化、儲存回用。由于屋面雨水資源量約占城區(qū)資源量的65%左右，而且屋面受環(huán)境影響比較少，水質(zhì)比起路面徑流要好[5]。因此，屋面雨水相對干凈，雜質(zhì)、泥沙及其他污染物少，可通過棄流和簡單過濾后，直接排入蓄水池中，進行處理后使用。地面雨水雜質(zhì)較多，污染源復(fù)雜，在棄流和粗略過濾后，還必須進行沉淀才能排入蓄水池。我們將3棟建筑雨水收集裝置相連，形成一個完整的系統(tǒng)。這一套雨水收集系統(tǒng)既可節(jié)能減排、綠色環(huán)保、減少雨水的排放量，又可回用到生活中的廁所沖水、澆灌植被和沖洗路面，節(jié)約自來水，減少水處理的成本。圖9為雨水收集系統(tǒng)示意圖。

圖9 雨水收集系統(tǒng)示意圖

5 創(chuàng)作體會

總之，我們的設(shè)計從當(dāng)?shù)氐赜驓夂蛱攸c出發(fā)，綜合利用太陽能等綠色建筑技術(shù)手段，注重太陽能建筑一體化設(shè)計，同時兼顧人文關(guān)懷，創(chuàng)造出了綠色節(jié)能、健康舒適的療養(yǎng)環(huán)境。

通過設(shè)計我們也意識到，綠色技術(shù)與建筑設(shè)計不應(yīng)該只是建筑的兩件外衣。對于既有建筑改造，太陽能等技術(shù)措施不再是空間定型后的附加產(chǎn)物，而應(yīng)在設(shè)計之初就與建筑功能和立面造型同時考慮。在滿足功能需求的前提下，我們要利用主、被動綠色節(jié)能技術(shù)手段改善建筑的風(fēng)、光、熱等物理環(huán)境，將可持續(xù)理念與綠色技術(shù)貫穿于設(shè)計始終，使綠色技術(shù)與建筑設(shè)計有機結(jié)合，合二為一。

[1] 黃錳.跨越藩籬——浙江大學(xué)建筑系館綠色改造設(shè)計的教學(xué)與探討[J].中國建筑教育, 2011, (4): 51－55.

[2] 趙群.太陽能建筑整合設(shè)計對策研究[D].哈爾濱: 哈爾濱工業(yè)大學(xué), 2008.

[3] 劉志梅.住宅建筑太陽能-地源熱泵符合系統(tǒng)的研究[D].山東: 山東建筑大學(xué), 2012.

[4] 王鵬.建筑物種植屋面應(yīng)用研究[J].節(jié)能經(jīng)濟, 2009, (S1):17－19.

[5] 王曉暉.居住區(qū)雨水收集及利用[J].綠色科技, 2010, (7):35－36.