陽光·健康·再生——2013臺達杯國際太陽能建筑設計競賽作品解讀

哈爾濱工業大學建筑學院 ■ 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，同時也有很強的現實意義[1]。如何將綠色技術和節能手段與舊建筑完美結合，使其在生命周期內最大限度地保護環境且節約能耗，同時兼顧舒適性與經濟性，成為綠色改造成功的關鍵。2013年，臺達杯國際太陽能建筑設計競賽以“陽光與建筑再生”為主題，選定青島市海慈醫院為對象進行節能改造設計。在此，筆者結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在醫院改造中的應用。

1 項目背景

1.1 地域環境

青島市地處山東半島南部，南臨黃海，屬于北溫帶季風區，兼具季風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分類的第三區，太陽能資源屬于中等水平，年日照時數2200～3000 h。自然條件將對太陽能建筑設計造成較大的挑戰。

1.2 用地條件

海慈醫院位于青島市四方區與市北區的交界處，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(市內河)，西側為青島市文化公園，交通便利，環境優美。

1.3 改造要求

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

2 設計理念

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

3 改造方案

3.1 總體規劃

作為改造項目，海慈醫院的建筑布局已經確定，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的第三區，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成敗的關鍵。

為此，我們在設計的前期階段就利用Ecotect Analysis軟件對基地進行了日照陰影區的模擬分析。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，應充分利用。

圖1 冬至日全天日照模擬圖

3.2 功能優化

考慮到老年人易感孤獨的心理特點，我們為老年人康復中心的病房設計了共享陽光間(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生了豐富的變化； 同時，陽光間作為被動式太陽能技術之一，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 老年人康復中心病房共享陽光間

老年人康復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計成折線型，邊長較長的一面向南偏轉，保證設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 老年人康復中心改造后立面效果圖

4 技術策略

太陽能技術是應用的主要節能技術。我們通過太陽能建筑一體化設計，將太陽能供暖、太陽能熱水，以及光伏發電等主動太陽能技術與各種可能的被動措施進行優化整合，合理運用到建筑中，使太陽能技術與建筑設計進行有機結合。此外，我們還充分利用了雨水和地熱等自然資源，最大程度地降低能耗、節約能源(如圖4所示)。

圖4 技術應用示意圖

4.1 被動式太陽能技術

被動式太陽能的利用主要體現在陽光間上，陽光間既可供給房間太陽熱能，又可作為一個緩沖區，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境[2]。

在南墻外設置了玻璃陽光間，南墻上開有通氣孔，使陽光間和采暖居室形成氣流循環。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

我們充分利用建筑外圍護表面，通過在屋頂設置集中式太陽能熱水系統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，一方面將太陽能轉化為電能儲存起來用于室內照明、設備運轉等；另一方面，彩色光電板使老年人康復中心擺脫了普通醫院蒼白冰冷的建筑形象，更顯溫馨輕快，疏解老年人對醫院的抗拒情緒。這也體現了我們注重人文關懷的設計理念。

4.3 通風系統

采用以被動式通風為主、主動式通風為輔的策略，結合兩者優點，能更實用、更高效地發揮其作用。我們設計了地板下通風系統，在吊頂內設置通風道，使氣體有組織地向樓梯間處匯聚；同時設計了突出屋面的拔風樓梯間，利用熱壓通風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，高熱混濁的氣體通過地板下風道和拔風樓梯間排出室外，就形成了完整的空氣循環系統(圖6)。

圖6 通風系統示意圖

冬季寒冷不能開窗時，可通過機械通風輔助換氣。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換氣裝置。這種裝置無需耗能，根據大氣平衡原理，利用風機使室內產生負壓，使室外新風通過進風口，經過隔塵降噪進入室內。這樣，在不開窗的情況下也可引入室外新鮮空氣。新風系統示意圖如圖7所示。

圖7 新風系統示意圖

4.4 地源熱泵

由于我們采用太陽能——地源熱泵雙熱源低溫熱水地面輻射供暖系統，除了利用太陽能之外，也對地熱資源進行了合理利用。地源熱泵(GSHP)是一種利用淺層地熱資源(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能設備。其工作原理是：通過輸入少量的高品位能源，實現由低溫位熱能向高溫位熱能轉移。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，供給室內采暖；夏季，把室內的熱量取出來，釋放到地能中去。夏天為室內制冷，冬天為室內供暖，使室內溫度趨于恒定，提高室內環境舒適度。此外，在過渡季節應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

在老年人康復中心的二層和三層屋頂設計了屋頂花園，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，在屋頂結構保溫層之上依次鋪設找坡層、防水層、防根穿刺層、保護層、排/蓄水板、種植介質及植被[4](構造層次如圖8所示)。由于植物的根系具有很強的穿透能力，必須在傳統屋面防水層的基礎上，增設一層耐根穿刺的防水層，因此防水層的設計是種植屋面設計的重點。

圖8 種植屋面結構示意圖

4.6 雨水收集系統

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資源量的65%左右，而且屋面受環境影響比較少，水質比起路面徑流要好[5]。因此，屋面雨水相對干凈，雜質、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。地面雨水雜質較多，污染源復雜，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。這一套雨水收集系統既可節能減排、綠色環保、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，節約自來水，減少水處理的成本。圖9為雨水收集系統示意圖。

圖9 雨水收集系統示意圖

5 創作體會

總之，我們的設計從當地地域氣候特點出發，綜合利用太陽能等綠色建筑技術手段，注重太陽能建筑一體化設計，同時兼顧人文關懷，創造出了綠色節能、健康舒適的療養環境。

通過設計我們也意識到，綠色技術與建筑設計不應該只是建筑的兩件外衣。對于既有建筑改造，太陽能等技術措施不再是空間定型后的附加產物，而應在設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、被動綠色節能技術手段改善建筑的風、光、熱等物理環境，將可持續理念與綠色技術貫穿于設計始終，使綠色技術與建筑設計有機結合，合二為一。

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

[2] 趙群.太陽能建筑整合設計對策研究[D].哈爾濱: 哈爾濱工業大學, 2008.

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

[4] 王鵬.建筑物種植屋面應用研究[J].節能經濟, 2009, (S1):17－19.

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