太陽(yáng)能在青島海慈醫(yī)院改造中的利用

于佳佳，楊坤麗，白文東

(西南交通大學(xué)，四川成都610031)

高效利用太陽(yáng)能提供給醫(yī)院不同功能房間和病房的復(fù)合能量，以滿足建筑的使用需求，實(shí)現(xiàn)安全、便利、舒適、健康的環(huán)境，是醫(yī)療建筑利用太陽(yáng)能技術(shù)的目標(biāo)。除此之外，在既有建筑，特別是醫(yī)療建筑的改造中，加以利用太陽(yáng)能來(lái)替換陳舊消耗資源高的能源設(shè)備，實(shí)現(xiàn)節(jié)能和清潔能源的利用，有效地改善了醫(yī)療建筑對(duì)能源的需求。

為了使太陽(yáng)能建筑盡可能全面、完善地滿足醫(yī)院改造及人群間的要求，以及技術(shù)措施與建筑自身實(shí)現(xiàn)優(yōu)化組合，盡量降低初投資和運(yùn)營(yíng)管理費(fèi)用，達(dá)到利用最優(yōu)化、產(chǎn)出最大化、操作簡(jiǎn)便化。在單體建筑的改造中，要綜合考慮場(chǎng)地規(guī)劃、建筑單體設(shè)計(jì)及改造、技術(shù)措施應(yīng)用以及圍護(hù)結(jié)構(gòu)選取等多方面要素，以保證太陽(yáng)能建筑在改造中的合理性、實(shí)用性、高效性、美觀性、耐久性。

1 太陽(yáng)能在醫(yī)院改造中的作用

太陽(yáng)能建筑的規(guī)劃設(shè)計(jì)原則簡(jiǎn)單的說(shuō)可以分為冬季、夏季和建筑冷熱負(fù)荷三個(gè)部分：在冬季爭(zhēng)取足夠多的日照；在夏季要爭(zhēng)取做到改善建筑周邊的微氣候。總之，要減少建筑的冷熱負(fù)荷。

現(xiàn)代醫(yī)院建筑對(duì)建筑裝潢、溫濕度控制、空氣潔凈度、環(huán)境安全和信息自動(dòng)化等都有很高要求，醫(yī)院建筑是所有建筑中使用功能最為復(fù)雜、安全性要求最高的建筑之一。醫(yī)療環(huán)境質(zhì)量的提高，勢(shì)必增加醫(yī)院的運(yùn)營(yíng)能耗，為降低運(yùn)營(yíng)成本，已建成醫(yī)院需在運(yùn)行管理和節(jié)能改造上下功夫。節(jié)約能源，使用新能源特別是太陽(yáng)能作為醫(yī)院建筑改造中的重點(diǎn)考慮，已經(jīng)越來(lái)越受到重視。

2 青島海慈醫(yī)院改造背景

該醫(yī)院位于青島市四方區(qū)與市北區(qū)的交界，東臨威海路、鞍山路、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)為占地22.7×104m2的青島市文化公園，交通便利，沿河和公園景觀環(huán)境優(yōu)美。

改造內(nèi)容包括：現(xiàn)將B座改造為城市老年人康復(fù)中心，主要面向病后康復(fù)以及需要休養(yǎng)的老年人。對(duì)C、D兩座病房樓的外圍護(hù)結(jié)構(gòu)和室內(nèi)設(shè)施進(jìn)行改造，使其外圍護(hù)結(jié)構(gòu)滿足公共建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的要求；添加新風(fēng)系統(tǒng)和熱水系統(tǒng)，滿足室內(nèi)空氣環(huán)境及就醫(yī)人員使用的要求。

3 青島海慈醫(yī)院改造中被動(dòng)式太陽(yáng)能的利用

3.1 病房陽(yáng)臺(tái)改造為日光間

醫(yī)院對(duì)采光、采暖、日照等均有較高要求，如何在改造中充分利用太陽(yáng)能，解決節(jié)能的同時(shí)，又滿足病房功能上的需求，是本次改造中的難點(diǎn)。通過(guò)Eco-tect建筑生態(tài)大師模擬的日照分布圖，在合理朝向方面，選擇B座樓為病房改造對(duì)象，將B座東南面病房的陽(yáng)臺(tái)統(tǒng)一改造成日光間，并且把樓底層的地板改為蓄熱地面，便于太陽(yáng)能量的收集和放熱，能有效地節(jié)約能源和取得良好的采光、采暖的效果。為了增加窗臺(tái)的太陽(yáng)照射面積和直射角度，營(yíng)造出良好的日光間形式，本次改造將平面形式作了調(diào)整，如圖1所示。

改造前 改造后圖1 日光間的改造利用示意

3.2 被動(dòng)式集熱墻的利用

陽(yáng)光透過(guò)太陽(yáng)能房照射在集熱墻上，墻體蓄熱向室內(nèi)提供大量熱輻射，使室內(nèi)溫度升高。病房的外墻，是太陽(yáng)能系統(tǒng)的一個(gè)保溫部件，采用夾芯復(fù)合墻體，具有建筑保溫防潮和蓄熱的雙重性能，它可發(fā)揮各組成材料的優(yōu)點(diǎn)。該夾芯復(fù)合墻體的保溫層外側(cè)有12 cm厚的磚砌體，可作為良好的飾面材料，有利于外部裝修，保溫層內(nèi)側(cè)有24 cm厚的磚砌體作為承重層，夾芯復(fù)合墻體內(nèi)葉的磚砌體，是蓄熱性能好的材料，為被動(dòng)式太陽(yáng)能病房的蓄熱部分。當(dāng)有日照時(shí)可吸收和貯存太陽(yáng)能，而在夜間或者無(wú)日照時(shí)，又能逐漸地向室內(nèi)散發(fā)熱量。

3.3 被動(dòng)式集熱窗的利用

太陽(yáng)能集熱窗是收集太陽(yáng)熱能的集熱部件，集熱窗設(shè)計(jì)合理，才能使通過(guò)窗戶的太陽(yáng)得熱大于通過(guò)窗戶的熱損耗，從而保證室內(nèi)熱環(huán)境。由于冬季太陽(yáng)方位角度變化范圍小，在建筑物各朝向墻面上獲得的日照時(shí)間變化幅度大，以南墻面日照時(shí)間最長(zhǎng)，青島地區(qū)冬至日南向采光窗可保證9 h的日照，故集熱窗選擇最佳朝向是南向；集熱窗的合理尺寸關(guān)系到是否能最大限度地利用太陽(yáng)能。綜合考慮這兩方面，必須應(yīng)用大面積的南向集熱窗來(lái)獲得冬季的太陽(yáng)能。

4 青島海慈醫(yī)院改造中主動(dòng)式太陽(yáng)能利用

4.1 醫(yī)院改造中的太陽(yáng)能全息熱水系統(tǒng)

為了提高太陽(yáng)能的利用率，將B座屋頂上的太陽(yáng)能熱水器設(shè)計(jì)為全息熱水系統(tǒng)。傳統(tǒng)的太陽(yáng)能熱水器的集熱器靠起熱效應(yīng)的紅外線發(fā)熱，其它短波的光沒(méi)有得到很好的利用，太陽(yáng)能的利用率很低。全息聚光器極大的提高太陽(yáng)能的光熱轉(zhuǎn)換效率并降低了太陽(yáng)能熱水器的成本。

全息聚光元件兼具有會(huì)聚和色散的功能，用它來(lái)實(shí)現(xiàn)聚光型太陽(yáng)能的轉(zhuǎn)換系統(tǒng)不僅效率高，成本也大大地降低。全息集熱系統(tǒng)為一種反射透射型全息太陽(yáng)能集光器，它由兩層組成，上層對(duì)可見(jiàn)光相當(dāng)于一個(gè)凹面反射鏡把藍(lán)、綠、紅三種不同波長(zhǎng)的光分開(kāi)并會(huì)聚成不同的光斑，選用相應(yīng)的光譜響應(yīng)特性曲線的光電池進(jìn)行光電熱轉(zhuǎn)換，下層對(duì)紅外光相當(dāng)于會(huì)聚透鏡，把熱紅外光譜成分透射會(huì)聚到一個(gè)光熱轉(zhuǎn)化接收器上。這樣就減少光電轉(zhuǎn)換器件、光熱轉(zhuǎn)換器件的用量，降低太陽(yáng)能熱水器的成本和提高太陽(yáng)能的利用率。

4.2 醫(yī)院改造中的太陽(yáng)能光伏發(fā)電

太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)是利用太陽(yáng)電池半導(dǎo)體材料的光伏效應(yīng)，將太陽(yáng)光輻射能直接轉(zhuǎn)換為電能的一種新型發(fā)電系統(tǒng)，有獨(dú)立運(yùn)行和并網(wǎng)運(yùn)行兩種方式。獨(dú)立運(yùn)行的光伏發(fā)電系統(tǒng)需要有蓄電池作為儲(chǔ)能裝置，主要用于醫(yī)院對(duì)電能的持續(xù)性要求較高的功能用房和病房；太陽(yáng)能光伏發(fā)電組安裝在醫(yī)院病房大樓的頂部，除了醫(yī)院病房對(duì)電能的利用以外，剩余的光伏發(fā)電與電網(wǎng)連接并網(wǎng)運(yùn)行，省去蓄電池，不僅可以大幅度降低造價(jià)，而且具有更高的發(fā)電效率和更好的環(huán)保性能。

4.3 太陽(yáng)能光伏板兼做遮陽(yáng)

由于醫(yī)院C座的東南面窗戶為平開(kāi)窗，沒(méi)有陽(yáng)臺(tái)，大面積窗戶需要遮陽(yáng)來(lái)降低夏季太陽(yáng)直接輻射對(duì)室內(nèi)造成的溫度升高，并且考慮到醫(yī)院改造中太陽(yáng)能將為主要的熱水和電力能源，除了屋頂安裝太陽(yáng)能發(fā)電設(shè)備以外，醫(yī)院立面的改造與太陽(yáng)能結(jié)合后，不僅使得能源生產(chǎn)得到保證，而且還起到了遮陽(yáng)的作用。

4.4 其它太陽(yáng)能技術(shù)應(yīng)用

除此之外，筆者在青島海慈醫(yī)院改造設(shè)計(jì)中也采用了如太陽(yáng)能拔風(fēng)天井，被動(dòng)式雙層幕墻，太陽(yáng)能吸收式制冷等太陽(yáng)能技術(shù)。本次醫(yī)院改造所用其它太陽(yáng)能技術(shù)如圖2所示。

圖2 其它太陽(yáng)能技術(shù)集成示意

5 結(jié)束語(yǔ)

太陽(yáng)能與建筑的結(jié)合，能有效地減少建筑對(duì)常規(guī)能源的消耗，實(shí)現(xiàn)建筑節(jié)能，同時(shí)又使綠色能源技術(shù)與現(xiàn)代建筑有機(jī)地融為一體，而不會(huì)破壞建筑景觀和城市景觀，減少空氣污染和環(huán)境惡化。針對(duì)當(dāng)前醫(yī)療建筑對(duì)新能源的需求以及醫(yī)院病房中病人對(duì)采光和日照的要求，我們應(yīng)該采取積極、理性的態(tài)度，結(jié)合我國(guó)具體地區(qū)的地域特點(diǎn)，充分運(yùn)用太陽(yáng)能建筑應(yīng)用技術(shù)。

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