节能是一场技术产业革命,不只是节约能源,更是利用一切新技术自我更新 , 同时拉动产业发展。医院建筑作为最复杂的民用建筑之一,设备繁多,空间环境质量要求很高,因此能耗非常巨大,建筑节能变得尤为重要。本文结合实例,对德国绿色医院建筑节能模式进行粗浅的探析,以供我国的医院建筑设计同行参考。

医院建筑除了具有一般公共建筑的特点外,还因作为集病源与易感人群为一体的特殊场所,担负着救死扶伤的重任,使得医院有别于一般公共建筑。相比其他不同公共建筑的能耗密度(每平米单位耗能),医院建筑的能耗密度仅次于商场。近几年来,我国医院能耗不断大幅攀升,能源支出占运行费用支出的10%以上。

德国医院建筑节能发展概况

德国的绿色建筑标准包括了社会、经济、生态三个方面综合质量目标,分别对技术质量和过程质量两个方面进行打分,从2012年起开始对医院建筑进行绿色认证。与美英的绿色建筑认证体系相比,德国体系的独特特点是增加了经济质量方面的内容,并且特别引入了过程质量(包括规划、执行、管理)评定(图1)。而这些过程质量评定措施实际上就是突出了建筑在运行阶段使用能耗的动态控制,这也是德国绿色建筑标准最为值得学习和参考的地方。

图1   绿色认证体系对比

近20年来德国的医院有了较大的变化,主要表现在医院数量、病床数量、平均住院期的减少,病人数量、医护人员数量的增加(图2);与此同时,医院的总能耗却一直在逐年增加(图3)。因此德国医院建筑节能更新具有重要意义。

图2  德国医院变化

图3  德国医院总能耗

根据德国布赫医院集团相关研究表明,一座医院建筑在其全生命周期的运营成本是其建造成本的5 倍左右,所以建筑节能最主要体现在运营的能耗节约上,具体可分为供暖(制冷)、供电、供水三个方面。西门子集团对其近15年参与节能建设改造的约 2000 座建筑的数据进行统计分析,结果表明,经过节能改造后,平均每间医院每年可以节省能源支出约150万欧元。所以,努力降低医院运营阶段的使用能耗,是德国绿色医院节能更新的重点工作。

四种模式

德国的医疗建筑设施建设发展已经较为成熟,绝大部分医院的节能更新都是在原有设施的基础上进行改造、改建或者扩建,也有少量的完全新建医院,这四种模式在节能措施方面侧重点各不相同,适合不同情况的医院,下面将结合具体实例分别进行介绍分析。

(一)模式1:小规模改造—柏林贝特尔(Bethel)医院

这是目前德国最常见最大量的医院节能改造更新模式,主要是用较少的投入改造升级已有的水、暖、电设备及管线以达到降低能耗的目标。柏林贝特尔医院是一间250床的小型社区医院,建筑设施已较为老旧(图4、5)。

图4  贝特尔(Bethel)医院主入口外观

图 5 贝特尔(Bethel)医院地下设备房入口

2010 年医院通过德国能源局,以54万欧元招标到豪赫蒂夫(HochTief)能源管理公司,全面负责医院的设备节能改造、运营及维护服务,保证医院在12年内(2010-2022 年)每年在能耗上节约11.5万欧元以上。其中医院方每年可节约能耗开支8万欧元,七年内回收54 万欧元的招标费用,能源管理公司每年获得3.5万欧元的利润。如果每年节省超过11.5万欧元,超过部分能源管理公司得到45%,医院得到55%,所以双方都会积极配合,以获得更多的能耗节省。

能源管理公司将节能改造措施基本放在设备和管线上面,对医院环境影响甚小。这些节能改造和管理措施主要包括:

①所有能源供应外包给燃气公司以减少碳排放(2012 年比 2008 年减少碳排 28%);

②改造供暖设备及管道;

③优化并减少水泵,减少电能消耗,将水和空气混合,降低用水量;

④更换 LED 照明灯具,减少电能消耗;

⑤通过智能监控系统控制主要能耗设备,以达到最优化目标;⑥专职技术人员定期现场检查评估,以便动态改进(图6、7)。

图 6 贝特尔(Bethel)医院设备改造优化 1
图 7 贝特尔(Bethel)医院设备改造优化 2

贝特尔医院 2013 年获得了德国节能医院奖。这种模式投入少、简单易行、收益明显,医院、能源管理公司和国家均从中受益,适合在大部分现有的中小型医院中推行。

(二)模式2:原址改建——汉堡 Asklepios 医院

汉堡Asklepios医院始建于1907年,原由60多栋老建筑组成,分布在400m宽、1200m长的用地上,总建筑面积 135000㎡,共有1200张病床,5800 位员工(图8)。

图 8 汉堡 Asklepios 医院旧景
图 9 汉堡 Asklepios 医院鸟瞰

分散的老建筑、漫长的设备管线,使原有医院能耗巨大,再加上庞大的人员费用支出,原有医院每年亏损约 2000 万欧元。1999 年院方全权委托一家计划开发机构在原址进行改建。其中约三分之二的土地出售给政府,当中保留了20多栋被评为文化遗产的老建筑;在剩下三分之一的用地上,投入了1.6亿欧元规划重建一所全新的绿色医院,于2005年建成投入使用(图9)。

新医院在规划设计时非常重视建成后的运营成本控制,在建设规模、建筑布局、技术设备选用、人员配备等各方面做了详细评估,并在建设过程中不断地改进,从而保证新医院运营效益的最优化。最终建成的新院是一栋相对紧凑集中的综合体建筑,总建筑面积 67000㎡,共有701张病床,3300位员工。由于缩减了规模,并采用了许多绿色节能的新技术新设备,使新院的运营成本大大降低,虽然病床数量减少,但由于提高了使用率和周转率,新院每年净收入达到4000万欧元。

新院的节能措施从建筑布局、设备选用、到装修设计等方面采取了各项综合手段,主要有:①建筑布局采取相对紧凑的综合体形式,流线简捷清晰;②后勤保障及设备用房全部放在地下一层,使管线相对集中;③地下室通过周边放坡及中间开天井获得自然采光通风(图10);④部分后勤供应物流使用智能机器人运送(图11);⑤庭园上空设置了智能启闭的电动天窗,在气温低于 12℃时可自动关闭,减少了空调能耗(图 12);⑥灯具大量使用可以单独控制的LED灯泡;⑦使用可节水的龙头及消防喷淋头;⑧采光、供暖根据时间智能调节;⑨室内装修使用新型涂料,可以提高 15% 的光亮度,并且可以用水擦洗污渍,减少维护费用。

图 10 汉堡Asklepios医院天井

图 11 Asklepios 医院运输机器人

图 12 汉堡 Asklepios 医院中庭

许多历史悠久的大医院都具有占地大、建筑分散且数量很多、能耗巨大、各时期的老建筑无法适应现代医学功能要求等特点。Asklepios 医院的原址改建模式提供了成功的范例,通过部分出售土地获取资金,按照现代医学和绿色节能要求,采用最新的技术和设备,在原址建设一所全新的医院,不但给老医院带来新生,而且给社会带来巨大的节能效益。

(三)模式 3:扩建能源中心——柏林UKE医院

柏林UKE医院坐落在Klinicum大学校园里,是一所具有120年历史的老牌医院。包括大学在内共约40ha各时期的老建筑,分散在30ha用地内,带来的问题与Asklepios医院非常类似。但是,因为UKE医院是与Klinicum大学融为一体的,不可能采用Asklepios医院那样的卖地改建方式,而是在新建的一幢外科综合楼里(图 13、14),扩建了一个服务整间医院的能源中心(图15)。

图13 柏林 UKE 医院外科综合楼

图14 UKE 医院主入口门厅
图15 UKE 医院能源中心

能源中心的主要设备用房放在新楼的地下室内,并在地面上修建了一所全新的供电供暖站。电能、暖气、蒸汽均由能源中心综合统一提供,通过电脑监控主要机电设备,达到能耗最优化目标。通风系统的废气排放口设置了热能回收利用装置,以提高热能效率。在新楼屋顶还安装了1400㎡的太阳能光伏发电板(图16),可以为医院提供约1%的电能。

图 16 UKE 医院屋面太阳能光电板
图 17 UKE 医院门窗密闭性检测

为节约能源,院方通过热量图检查了窗户的密闭性(图17),对气密性不达标的窗户进行改造;另外,在大楼二层设计了医院街及多个小型内天井,以获得自然的采光通风(图18、19),并对所有的照明灯具进行评估,减少不必要的灯具并更换成更节能的 LED 灯具。

图18 UKE 医院医院街及内天井剖面示意

图19 UKE 医院内天井

通过扩建能源中心,使用新型设备集中供应电能、暖气、蒸汽,并采用一系列的绿色智能监控措施,UKE医院的目标是到2020年减少碳排放 20%,2050 年减少碳排放 80%,这对于一所无法进行大规模改造的老式大医院来说,是非常巨大的改进,也为类似情况的老式医院的节能改造提供了另一种成功模式。

(四)模式 4:标准化新建——柏林布赫 Helios 医院

位于柏林郊区的 Helios 医院,是布赫医院集团旗下的其中一间医院(图 20、21)。该集团共拥有 73 家医院共 42000 名员工,其中 6 家为 1000 床以上的全能医院,因此集团在医院的运营管理上具有非常丰富的经验。在对以往经验分析总结的基础上,Helios 医院主要通过标准化的建筑设计手段,来达到节约能耗和减少运营成本的目标。

图 20 柏林 Helios 医院鸟瞰
图 21 柏林 Helios 医院总平面图

首先是确定合适的规模。根据集团的相关研究表明,800~1000 床为一间医院的最佳规模,科室配备合理且方便运营管理。过大的规模会引起流线过于复杂冗长,降低了医疗效率,并增加能源损耗。Helios 医院建成的规模是24个科室共 1033 个床位。

其次是合理的相对集中式建筑布局。Helios 医院采用“王”字型枝端布局模式,通过一条 280m 长的中央走廊将三幢 150m 宽的建筑串成一体,总建筑面积101879㎡。这种相对紧凑的布局模式使得医院的功能分区十分明确,流线简捷高效,又兼顾了良好的通风采光和景观视野(图22)。

图 22 柏林 Helios医院体量示意

然后是建筑采用标准模数化设计。平面柱网采用7.2m模数,形成实用面积16㎡的标准病房;层高采用4.2m、3.8m和3.2m模数,首层及有手术室的二层采用4.2m,其它大部分采用3.2m。在满足功能要求的基础上,建筑标准模数化一方面有利于缩短服务流线距离,以提高医护人员效率;另一方面可以减少空间容积,以节约空调能耗;还有利于减少装修材料和设备的规格,可以降低建造和维护成本。

最后一条与汉堡 Asklepios 医院类似,将后勤保障及设备用房全部放在地下一层,使管线相对集中,地下室通过周边局部放坡获得自然采光通风(图23)。不同的是Helios医院还在中央走廊的下方建设了一条 350m长的地沟,可以预冷空气后再送到中庭、中央走廊等公共空间,实测可降低室温 3~6℃,大大降低了空调能耗(图24、25)。

图23  柏林Helios医院下沉庭园

图24 柏林 Helios 医院中庭

图25  柏林 Helios 医院候诊厅

Helios医院不依赖高新技术设备,主要通过建筑设计手段来达到节约能耗和减少运营成本的目标,为全新建设的医院提供了另一种更加经济且简单可行的节能模式。

政策资金及技术服务支持

节能是一场技术产业革命,德国的绿色医院建筑节能更新不仅是医院单方面方的独立行动,其中也包括了政府机构的政策及资金支持,以及研究机构和能源管理公司的技术服务支持。

根据柏林社会与卫生署的资料介绍,柏林市政府对医院在能源效率方面的资助政策集中在旧医院的改造方面,主要包括:①对手术室空气系统的改造及废热回收利用;②中央空调系统的更新改造;③建筑外墙保温层的更新改造;④发电设备的更新,并利用其废热供暖;⑤大医院建设能源控制中心。无论是公立医院还是私立医院,进行上述节能更新建设,均可向社会与卫生署申请补贴。补贴从社会医疗安全需求角度评估后发放,一般可占到建设投资的三分之一左右。

在其四种主要节能更新模式中,小规模改造模式和扩建能源中心模式适合最大量的现有医院进行改造更新,主要通过利用新技术、新设备和智能监控管理等措施来达到节能目标,这些措施都有赖于相关技术产业的发展,而政府的政策支持和资金补助能够为其提供方向和动力。而原址改建模式和标准化新建模式为我们提供了另一条不依赖高新技术设备的节能思路,通过合理的规划布局、建筑设计和装修设计等综合手段,同样能够达到显著的节能目标,这对于节能技术产业相对落后的我国,更加具有现实的指导意义。

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作者:麦华