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中国既有医院建筑绿色化改造实施路径

狄彦强 张振国 李颜颐 来源:中国医院建筑与装备  2018-11-06

医疗建筑是一种综合性建筑,其特殊性来自“医疗体系”所具有的专业性、多样性和复杂性等。目前,我国医疗事业不断发展,除大量新建医院之外,既有医院也正在进行着不同程度的改造和扩建。许多医院经过改造和扩建后,医疗服务环境得到逐步改善,其中不乏一些成功范例,但同时也存在较多问题。长期以来,不管是新建还是改扩建,负责医院建设的管理者普遍重治疗轻康复,重医疗技术、设备而忽略室内外环境,医院设计人员则重规范轻个性,其局限便是建筑风格单一、色彩单调、空间狭促、环境嘈杂、绿地偏少。同时,相较于其他公共建筑,随着医疗技术的不断进步、诊疗设备的不断更新、附加服务的不断增加,医院的功能仍在进一步扩展,使得医院建筑成为了公共建筑中能耗较高的建筑类型。


目前,医院建筑绿色化改造还存在很多亟待解决的问题,主要体现在:第一,缺乏有针对性的绿色化改造成套技术;第二,缺乏适用于医院用能特点的分项计量系统和能耗监测平台;第三,缺乏专门的环境质量改善与安全保障技术;第四,医疗废气、废水、废物无害化处理技术有待升级。


针对上述问题,“十二五”国家科技支撑计划课题既有建筑绿色化改造关键技术研究与示范(2012BAJ06B00),对我国既有医院建筑绿色化改造实施路径进行了探索,重点对医院建筑绿色化改造的关键技术进行攻关和示范研究。课题组对不同地域、不同气候区既有医院建筑的功能空间与装饰材料色彩应用、建筑用能状况、室内环境质量、室外环境功能及现状、医疗三废处理情况等方面进行实地测试和调研,发现问题,梳理总结,针对性地从医疗用房功能布局优化设计与空间高效利用、医院建筑装饰装修集约化改造设计与综合性能提升、医院能源系统节能改造与能效提升、医院建筑室内环境质量综合改善与安全保障、医院建筑室外环境绿色化综合改造等等方面进行了研究攻关,形成了一套适用于医院建筑绿色化改造的技术集成体系,部分研究成果已作为相关国家标准的技术支撑。


医疗功能用房布局优化改造与装饰装修集约化改造
*医疗功能用房布局优化改造

随着居民生活与病谱的改变、患者就医观念以及医疗体制的转变,医疗设备快速更新,医疗需求持续增长,现有医院存在诸多问题,包括发展预留空间匮乏、总体布局不合理、功能流线紊乱、绿地率低、停车不便等。提出医院功能优化设计以及医院改造的实施路径,主要包括弹性化设计与改造和适度集中与空间舒适两个方面。


对于医院的功能优化,首先应该采用紧凑布局的形式,进行“适度集中化”设计。适度集中化评价指标体系从功能整合、交通合理、室内舒适、有效管理四个项目中提出评价指标。功能整合是指医院功能空间的调整与合并,体现了集约空间利用与节约原则;交通合理则是考虑功能流线的高效,是功能整合的基础与前提;室内舒适体现了人性化原则,也是医院功能布局的基本目标;有效管理是实现功能整合的有效手段。具体评价指标包含 13 个指标:其中功能整合包含持续发展、模式设计和紧凑布局;交通合理包含流线交叉、距离和效率;室内环境包括热环境、光环境、声环境、室内空气质量和色彩;有效管理包括管理系统和安全系统。各项目以及各指标层的权重通过专家对各项目的重要程度两两比对打分得到。


医院建筑的弹性化设计改造,是为了满足未来功能需要进行保留性设计或持续性的改造方法。在弹性化设计中,主要的技术方式是标准化设计以及模式单元的构建,具体包含采用高层(住院部)与多层(医技部、门诊部)相结合的方式,建立诊察室病房等基本单元规格,构建无柱大空间等。在绿色弹性化改造方面,则包括功能共享的结合模式、基于功能扩充的有机生长模式以及基于空间变更的置换模式。


*建筑装饰装修集约化改造

我国医院装饰装修中存在所用装饰材料种类少、配置不统一,装饰色彩单调、没有明确的色彩体系,装饰装修随意性较大、缺乏整体统一性和变化性的问题。针对该问题,课题组提出了装饰装修集约化改造设计的理念,即对医院功能用房进行统一的材料配置与色彩搭配设计,并根据特殊功能用房和人群对装饰材料及色彩的特殊需求对设计方案进行局部调整,以得到适用性较强的设计方案,节约设计成本、减少材料浪费,实现医院装饰效果的整体协调性与变化性,并兼顾人性化。


装饰色彩的优化设计,是指在满足色彩从属建筑空间与材料、人的心理诉求、色彩的辅助医疗功能、视觉导向性、美学的原则下设计医院的装饰色彩体系,即“主体色彩 + 辅助色彩 + 点缀色彩”,通过主体色彩实现装饰的统一性,通过辅助色彩和点缀色彩的变化实现装饰的多样化。

 

 

装饰材料的优化配置,是在满足材料的适用性、经济性和健康环保的基础上进行统一配置的原则,统一确定顶棚、墙面和地面的装饰材料种类,然后根据不同功能用房的特殊需求对材料进行调整,如人流量较大区域的地面要求耐磨、住院部地面适宜脚感舒适、卫生间等区域的材料应耐水等,特别是洁净功能用房的装饰材料应满足相关标准的要求。隔墙材料的使用则主要考虑具有放射性设备、电磁辐射等用房的防护要求。

 


能源系统节能改造与能效提升

 *空调系统优化

针对现有医院空调特点,结合医院各功能房对室内温湿度控制要求的不同,提出相应的控制策略。对于手术室空调系统来说,虽然室内控制点温湿度较低,但新风量较大,在一定程度上可以提高机器露点温度,有利于系统的稳定运行。另外,可以通过合理地协调室内控制点温湿度,使得系统的机器露点温度不至于过低,这样不但能使系统稳定地运行,而且还能提高系统的COP。


对于新风独立除湿系统,应降低回风冷却风量比,并推荐采用部分回风冷却除湿的方法,该方法能够极大降低系统的加热量,从而提高系统的COP。   


针对定露点温度控制所存在的问题,应采用动态无露点温度控制策略,并对新风独立除湿系统做分区。对于新风独立除湿系统,其控制的关键点有干表冷器侧的冷冻水进水温度、新风表冷器侧的冷冻水进水温度以及整个系统的水路控制,干表冷器处的冷冻水进水温度以室内设计温湿度状态下的干球温度作为判断依据,主要是为了防止干盘管的结露;而新风表冷器处的冷冻水温度主要以新风机器露点温度作为判断依据;对于系统的水路可以选择串联或者并联的形式。 


*分项计量改造

医院用电主要由空调和供暖系统用电、办公设备用电、照明用电、食堂用电、动力及大型医疗设备用电和其他用电6 部分构成。医院燃气主要用于冬季供暖、常年生活热水和工艺以及厨房。按《医院建筑能耗监管系统建设技术导则》对既有医院建筑进行能耗监管系统建设时遇到一些难题,主要体现为:用电分项能耗与一级子项对应关系模糊;分区计量需求等级配置不明确;既有医院建筑能耗计量系统改造涉及断电、断水、断气等问题,在确保医疗安全为第一位的前提下,改造难度较大。


课题组研究指出医院建筑分类能耗数据采集指标主要有6 项,包括耗电量、耗水量、蒸汽量、燃气量、集中供热耗热量、集中供冷耗冷量。分类能耗中,耗电量应分为照明插座用电、动力用电两个基本分项,每个基本分项按建筑楼层及供电范围不同又可分为多个配电箱子项,各子项可根据医院建筑用能系统的实际情况灵活再细分。同时指出,在进行医院建筑能耗计量系统建设时,应有针对性的按照不同医院的要求,对能耗计量等级进行划分为基本配置、标准配置和高级配置 3 个等级,并给出了对应等级的配置要求。另外,提出了适用于医院建筑能耗评价的指标主要有单位床位数能耗指标、单位住院量能耗指标、单位门诊量能耗指标共 3 类医院特色的专有能耗指标,考虑单位建筑面积指标在评价建筑能耗中使用的广泛性,同时也给出单位建筑面积能耗指标。


*能源系统优化改造

医院既有能源系统的缺陷主要体现在:建筑围护结构热工性能较差;用能系统混杂且缺少优化协调;能源系统设备运行效率低;用能系统运行维护水平较低;缺乏合理的高效运行策略;清洁可再生的能源份额少,太阳能光热、地源热泵、污水源热泵技术应用较少;余热、废热资源利用不足;照明、供配电、电梯能耗较高。


课题组遴选了有别于一般建筑能源系统优化改造,在医院中比较突出的内容进行重点研究。针对余热废热利用不足,提出了制冷机组冷凝热回收技术、空调系统排风热回收技术、锅炉烟气余热回收技术、天然气热电冷联供技术四大方面的关键技术和关键设备。针对用能系统混杂且缺少优化协调,从多元能源系统复合形式和复合能源系统耦合应用技术,提出多种能源形式优化互补,取长补短,积极采用可再生能源和蓄能调峰的关键技术实现能源系统的能效提升。同时还提出了医院建筑电气改造优化设计的关键技术。既有医院建筑多元能源系统的典型复合形式见表1。

表1  多元能源复合形式

气候区

主要冷热源形式

典型复合形式

南方地区

常规冷源:冷水机组;常规热源:燃气
锅炉;可再生能源:热泵、太阳能

1.冷水机组 + 地源热泵复合系统
2.燃气锅炉 + 太阳能复合系统

北方地区

常规冷源:冷水机组;常规热源:市政
热源、燃气锅炉;可再生能源:热泵、
太阳能

1.燃气锅炉 + 地源热泵复合系统
2.燃气锅炉 + 太阳能复合系统
3.市政热源 + 燃气锅炉调峰


*运行调控策略改造

作为能耗最大的公共建筑之一,医院建筑拥有很大的节能潜力。但由于国内目前还没有医院建筑运行管理的国家标准,且国情不同,相关规范和标准的差异明显,不能盲目照搬国外标准,而《绿色医院建筑评价标准》在运行评价上存在不足。
     

课题组构建了医院能源系统运营管理评价指标体系并开发了评价软件,通过对不同等级调研医院的试评,证明体系客观全面,软件操作简便,结果显示直观,实用性很高。 

提出医院既有能源系统的运行调控策略及高效管理模式,着重分析研究了冷水机组不同负荷分配模式下的节能运行、洁净功能用房的运行节能、输配系统变频调节运行、蒸汽凝结水回收利用、锅炉烟气余热回收、冰蓄冷空调系统错峰运行、复合能源系统节能运行和用能系统智能监测控制。这些研究全部针对医院建筑用能特点和节能难点,为医院能源系统的绿色化改造提供技术支持。


室内环境质量综合改善与安全保障
 *普通功能用房

普通住院病房、医技和门急诊用房占医院建筑面积85% 左右,承载了大多数人员。可是,长期以来,普通房间环境没有得到应有的重视。调研表明医护患者对热舒适满意程度比较高,然而,室内空气微生物、细颗粒物不合格情况非常普遍。除了来自通风空调系统设计、施工、设备和运行维护等几个方面因素外,缺少完整的医院室内环境评价体系,造成监督检查缺位。

我国医院大部分普通功能房间采用新风+ 风机盘管系统。空气过滤器的级别低,甚至没有过滤器,加之新风量和送风量小,难以有效控制室内污染物浓度。为此,课题组提出一套综合解决关键技术的措施:

基于空气中微生物浓度控制普通医疗用房的通风换气次数计算和设计方法,这是国内外首次提出适合工程设计的计算方法。着重提出我国最常用的风机盘管及过滤器的改造措施:风机盘管机组不能采用常见的过滤网,必须安装高中效过滤器,去除微生物的效率应≥ 90%,过滤器的初阻力要低于30Pa,并针对全国大部分医院空调机组的过滤器只安装粗效过滤器的状况,提出要求必须使用中效及以上过滤器,才能保证室内空气质量达到 II 级以上。所提出的改造措施不仅实施难度不大,而且效果明显,非常值得推广。

*洁净功能用房     

医院里洁净功能用房与普通用房相比,需要将空气中的微生物降到比较低的浓度,为实现这一目标,当前的主流工程技术是采用空气洁净技术,即通过大量洁净空气的不断置换、稀释,将原来的空气中的颗粒物(包括细菌和尘粒)降低到所需要的较低水平,换气次数越大,其稀释净化效果就越好,但能耗水平也会相应大幅上升。为降低既有医院洁净用房的通风空调能耗,课题组提出了综合解决方案和技术措施,包括:大幅降低空调换气次数、空气热湿处理过程改造、节能抑菌空调机组、降低污染物浓度的技术措施。

洁净用房空调净化系统为达到控制污染物浓度的目的,系统送风量通常比较大。按照我们提出的降低换气次数的方法,按大气尘浓度M = 1×105 粒 /L 的条件,采用不均匀分布计算法 ISO6 级及以上洁净度可结合扩大主流区理念进行计算,求得的下限换气次数比现行常规采用的值低 30%~50%,洁净用房的风机能耗及制冷制热能耗可以下降 50% 左右,大大降低了运行费用。该措施对我国未来的医院建筑工程设计及当前既有建筑的绿色化节能改造提供切实可行的指导,填补了当前国内外研究的主要空白。


针对全国不同气候区,提出了一对一的空气处理措施。通过对不同气候区进行模拟计算,寒冷地区、严寒地区、夏热冬冷地区可以利用新风作为天然冷源消除医院洁净用房过渡季和冬季的余热,地理位置越靠北,新风冷源的可以利用时间越长。严寒和寒冷地区,冬季及过渡季可利用变新风量方式,变新风量的冷却方式相比冷机制冷冷却方式的经济性要好,有利于节能。夏热冬冷地区,在冬季可采用变新风量方式,在过渡节需要开启冷机辅助制冷。通过计算和现场实验,新风量调大的倍数在1.5~2.4之间时,手术室的压力升高不至于产生噪声,不至于影响手术室的声环境。

课题组研制的长效净化节能抑菌空调器,解决了常规空调器空气过滤器阻力大、因二次再热加热能耗较高、空调器内易滋生细菌微生物等关键问题。通过对专利产品应用的示范工程建设,测试数据表明,阻力最少降低了80% 左右,可实现总体节能 50% 左右。


*室内空气质量监测预警

基于我国医院建筑当前的室内空气质量特点,课题组确定了细颗粒物、CO2、浮游微生物、TVOC以及甲醛作为既有医院建筑的关键性污染物控制指标,并在此基础上开发医院建筑室内空气质量通用监测平台。

所开发监测平台具有实时性以及便携性的主要特点,并针对当前微生物监测手段均无法实时给出监测结果的技术难题,开发出基于紫外荧光激发技术的微生物实时监测设备,填补了国内在这一领域的空白。在上述硬件平台的基础上,课题组开发了界面友好、便于使用的医院建筑室内空气质量监测预警软件,实现了对上述污染物参数及舒适性参数的实时监测、数据存储、检测数据报警以及趋势预测功能,并通过专家模块,在监测对象超出规定限值时,根据所测试数据给出相应提示与建议。  

 


室外环境生态化、人性化改造设计与功能提升
*室外环境生态化

在医院室外环境生态化规划设计方面,通过大量的医院现场调研和文献调研,总结了医院室外环境生态化的基本需求,进行了医院室外环境生态化功能分析,包括康复辅助和污染源隔离分析。针对医院不同功能区域和不同类型医院环境的特点,研究了医院不同功能区域(包括主入口、门急诊、住院部、周边防护区域和内部区域)和不同类型医院(包括传染病医院、儿童医院、精神病医院和中医院)的规划设计技术,最终形成了医院室外环境生态化规划设计技术体系。


*室外环境人性化

人性化在当今医院的建设过程中是医院建设者追求的目标。医院室外环境的使用人群复杂多变,课题组从医院室外环境对人体造成的感官感受及不同患者视觉(视线)、嗅觉、听觉、味觉、触觉、心理等各个层面开展研究,将人性化这一设计理念融入到医院室外环境绿色化综合改造中。

针对医院建筑既有室外环境生态化规划设计与升级改造的关键技术,课题组对上海地区多家大型综合性及专业性医院绿地景观进行系统调研,在此基础上,基于对现有用地空间的分析以及对与周边环境协调的考虑,通过对医院不同使用者人性化需求进行分析,对医院绿地水环境营造、声环境营造、热环境营造以及康复景观营造进行研究,进而构建人性化医院建筑室外环境景观系统。

医疗废气、废水、废物无害化处理升级改造

对于医疗废气、废水、废物无害化排放处理技术部分,本课题首先对全国5 大气候区不同等级医院的医疗三废排放现状调研,并根据调研中发现的主要问题出发,对医疗废气、废水、废物无害化专项处理技术进行深入研究,最终形成研究结论。具体研究方案如下:经过 100 多个的医院的现场调研和文献调研,总结医疗功能用房的实际需求,研究医疗废气无害化安全处理技术、与医疗废物焚烧技术配套的尾气无害化处理技术。对医疗废水最佳消毒剂量和接触时间进行试验分析,主要包括漂白粉、次氯酸钠、二氧化氯、臭氧以及组合消毒工艺对大肠杆菌的灭菌率进行研究,提出最佳的消毒模式,达到改善医疗三废处理技术,提高医疗环境的目的。


通过实验开发出了臭氧/ 二氧化氯组合消毒工艺,利用该工艺的协同消毒作用,对废水进行消毒。以医院含菌废水作为研究对象,通过一系列的试验对单独消毒处理和臭氧 / 二氧化氯组合工艺去除水中细菌总数,总大肠杆菌数和粪大肠菌群数的效果进行了比较系统的实验研究,开发出了臭氧 / 二氧化氯组合消毒工艺去除医院含菌废水中的细菌和病毒等的医疗废水处理技术。

结语

经总结,课题成果仍存在部分可深入研究的方面,对后期研究工作的建议可概述如下:第一,所提出的“适度集中化”的评价方法希望后期可实现规模化地指导工程实践,同时结合实际工程进行推广并对其评价指标的科学性、评价结果的准确性进行进一步研究;第二,所提出的“医院建筑装修材料的优化配置方案”,重点研究了针对不同功能用房的不同特点提出配置原则、配制方法、选材要点及配置步骤,建议进一步结合建材市场供应情况,建立适合医院建筑集约化装饰装修的产品名录;第三,关于“长效抑菌节能空调机组”,建议后期结合不同的医院机电系统形式对该装置的功能性进行实验研究,并对其进行进一步改良;第四,针对“下限换气次数”,现有研究工作主要为降低医院建筑洁净功能用房换气次数下限提供了充分的理论与实测技术支撑,后续建议通过对洁净功能用房在换气次数降低后的生命周期能耗水平变化进行进一步研究以完善技术理论体系。


综上,针对目前课题研究成果,后续建议进一步完善新技术、新产品与工程应用之间的协调、匹配、优化集成等问题,使各项成果普适性更强,更易于推广。(编辑辜琳)   


文章来自于《中国医院建筑与装备》杂志201808期。    未经许可,请勿转载!

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