医疗建筑设计如何影响气候变化

　　在4月22日地球日这一天，美国卫生与公众服务部及其气候变化与健康公平办公室与白宫合作，呼吁医疗保健部门，包括医院、卫生系统、供应商、制药公司和其他行业利益相关者，致力于解决气候危机。他们要求各组织承诺到2030年将温室气体(GHG)排放量减少一半，到2050年实现零排放。

　　此外，企业组织被要求公开报告其进展，完成供应链排放清单，为其设施和社区制定气候适应计划，并指定一名执行领导负责这项工作。

　　简单地说，原因是医疗建筑，尤其是医院，消耗了大量的能源，是典型商业办公楼的两倍到四倍以上，是典型小学的10倍。

　　医院通过现场燃烧燃烧化石燃料，释放出二氧化碳(最常见的人类活动引起的温室气体)作为燃烧的产物，主要用于为建筑物空间供暖。

　　医院也消耗大量的电力，这间接导致了发电厂产生的二氧化碳排放。除了燃烧产生的二氧化碳，医疗建筑排放的其他温室气体包括甲烷(主要以天然气管道泄漏的形式);一氧化二氮(麻醉气体);以及在冷却器、冰柜和空调系统中用作制冷剂的氟化气体。

　　温室气体将热量滞留在大气中。向大气中排放温室气体会增加被捕获的热量，从而导致气候变化。如果医疗保健行业是一个独立的国家，它将成为世界第五大温室气体排放国。

　　气候变化对健康的影响日益明显，包括：过敏季节增多 不断变化的疾病载体 食物和水传播疾病增加 不断上升的心理健康和压力障碍 气候变化引起的日益严重的天气事件对健康的影响，尤其是医疗保健系统提供有效服务的能力下降。

　　虽然地球日的承诺是自愿的，但许多其他地区正在制定减少温室气体排放的法规。例如，在美国加州，超过50个地区已经通过法律，禁止建造带有天然气连接的新建筑(包括医院)。其他州要求越来越严格的能源法规。通过这些努力，这些地区正在推动设施减少与现场燃烧有关的温室气体排放，以及利用燃烧发电的公用事业发电厂产生的电力消耗。

　　还有一些区通过减税、增加建筑面积津贴或加快审批等方式奖励排放量较低的建筑。一些国家通过罚款或公开披露和建筑能源评级等级(类似于卫生部门对餐馆的评级)来惩罚排放量较高的企业组织。

　　例如，2022年1月，美国华盛顿州和科罗拉多州以及31个市政当局组成了白宫建筑性能联盟(White House Building Performance Coalition)。目标是在其管辖范围内实施能源消耗和温室气体排放绩效标准。这些正在考虑中的标准可能会取代传统的建筑能源规范，传统的建筑能源规范通常使用规定的设计特征和施工检查来提供可预测的能源消耗。此外，这些规定将适用于现有建筑物，而不仅仅是新建或翻新的建筑物。

　　重要的是建筑物的实际能源消耗和由此产生的源排放，而不是建筑物的预期运行方式。这种模式的转变可能会改变业主/运营商与设计和建造其建筑的团队之间的期望。当建筑物的实际能源消耗超过建筑物设计和施工团队的预测时，业主很可能会向这些各方寻求帮助。

　　减少二氧化碳排放(和其他温室气体)的过程被称为“脱碳”。那么，如何实现医院运营建设的低碳化呢?

　　医疗保健领域脱碳最明显的工具之一是通过节能和提高效率——减少来自化石燃料来源的运营能源使用将减少二氧化碳排放。

　　其中许多措施是众所周知的，只是必须更加严格和广泛地应用。例如，它们包括： 绝缘和构造良好的建筑围护结构，特别是减少玻璃作为墙体材料 集成高效照明 通过在低占用率/下班时间减少气流来改进HVAC系统的控制

　　另一种脱碳策略是使用现场可再生能源系统来减少公用事业中化石燃料产生的能源数量;然而，很少有医疗保健建筑有足够的空间在现场产生所有能源。这些可再生能源系统可以通过光伏板发电，而太阳能集热器可以产生供暖和生活使用的热水。

　　同时，由于医院的内部发热负荷(灯光、设备和人员)或多或少全天候运行，因此医院的大部分空间全年都需要空调。

　　因此，矛盾的是，空调和供暖系统同时运行。在大多数医院，冷冻水系统提供冷却。冷冻水通过空气处理器从空气中除去热量，循环水回到冷却器，并通过冷却塔从系统中排出热量。

　　减少天然气使用的一种方法是从冷却塔中回收热量，并将其输送回供暖系统。这可以通过一种特殊的“热回收”制冷机或通过水对水热泵来实现。该系统利用电力将这种能量从冷却塔系统转移到加热系统。冷却塔排出的热量与供热系统所需的热量不完全同步，需要蓄热(通常在储水箱中)。 推动可再生能源

　　另一种脱碳途径是减少与发电厂运营相关的碳排放。这意味着不再使用化石燃料发电。这可以包括公用事业规模的可再生能源，例如风能或太阳能，以取代化石燃料发电厂。随着这些可再生能源系统的成本与化石燃料技术的成本持平，许多公用事业公司正在减少与发电相关的二氧化碳排放量。

　　事实上，在美国许多州已经制定了可再生能源组合标准，要求其管辖下的公用事业公司逐步增加每年产生的可再生能源电力的数量，从而减少其二氧化碳排放量。

　　在通往纯清洁能源电网的道路上仍然存在许多障碍，主要是通过储能系统的应用来消除太阳能和风能系统的可中断性问题。然而，医疗保健系统可以通过提倡从为其设施提供服务的公用事业中产生更多的可再生能源来加快这一进程。

　　由于公用电网的温室气体排放量正在下降(许多区域电网变得“更清洁”)，这导致了另一种迅速获得动力的脱碳战略：有益的电气化。该战略的重点是将供暖系统(包括生活用水和空间供暖)从化石燃料(例如在锅炉或熔炉中燃烧天然气)转换为来自低碳排放电力的电力。对于每个项目来说，不仅要评估建筑物使用的能源，还要评估为该建筑物服务的发电厂消耗的能源，这一点很重要。

　　医院电气化的一个有益例子是使用热泵技术代替化石燃料。一家典型的北美医院大约有一半的现场能源消耗来自燃烧天然气，主要是为了提供再加热以维持空间温度。燃烧能还预热新鲜空气、加湿、消毒和烹饪。

　　医疗建筑电气系统显然会受到各种系统向电气化转变的影响。在最简单的层面上，消除燃烧化石燃料产生的排放将需要从电源中提供更多的能量，并最终从非排放电源中提供。因此，建筑电气系统的所有元素都需要增长。

　　这种变化的幅度和速度将难以预测，因为我们对医疗机构中的全电气化厨房等方面的经验很少。尽管如此，建筑业主和设计师现在必须积极转向全电气建筑。

　　美国国家消防协会研究基金会最近的一份报告发现，至少医疗保健电气系统的某些组件使用过时的需求因素，导致电气系统规模过大。

　　这些影响在更高级别的系统中增长，新的应急发电机的规模通常是它们将服务的实际负载的三到四倍。这些问题只会随着向这些系统添加更多负载而加剧，对设计人员现在必须考虑的空间和成本产生明显的影响。

　　另一个可能影响医疗电气系统的电气化趋势是电动汽车数量的激增。经济学人智库估计，2022年电动汽车的数量增加了51%，尽管受供应链挑战的限制。

　　美国政府于2021年8月宣布了一项非约束性目标，即到2030年使电动汽车占新车销量的一半。最近通过的基础设施投资和就业法案为该目标提供了激励措施。

　　随着电气化的发展，工作人员、患者和车队车辆对带充电器的空间的需求将会增长。对医疗保健电气系统的需求将显着增加。这将需要更大程度地扩展医疗电气系统。 隐含碳

　　虽然我们现在讨论的大部分内容都与建筑物在建造后的整个生命周期中排放的运营碳有关，但隐含碳排放发生在建筑物入住前的制造和建造过程中。

　　事实上，根据Architecture 2030汇编的数据，随着能源效率的不断提高导致运营碳排放量下降，隐含碳的相对份额将在未来10年内增长到全球建筑相关排放量的近75%。因此，如果不解决隐含碳问题，就很难实现2030年的碳减排目标。

　　“隐含碳”是指产品生命周期中所有温室气体排放量的总和。这涉及采矿、提炼、加工和制造，以及运输、安装、维护和废弃后处置它们。它包括所有温室气体的排放，其中许多温室气体的变暖效应比二氧化碳大，尽管排放量较小。

　　与新建建筑相比，再利用和改造现有建筑产生的隐含碳排放量通常减少50% 至 75%。对于新建筑，大部分隐含碳存在于建筑物的结构系统中。

　　只关注三种材料的低碳替代品——混凝土、钢材和铝，它们产生了全球总排放量的 23%(大部分来自建筑环境)——产生了最多的结果。替代品包括补充胶凝材料，例如飞灰、矿渣和磨碎的消费后玻璃;混合水泥;大量木材;或者简单地使用更少的混凝土。 重新思考MEP，制冷剂的选择

　　在地基、结构和外墙覆层之后，MEP(Mechanical, Electrical & Plumbing，暖通、电气、给排水等)系统在建筑项目中贡献了第二大隐含碳量。该行业仍在努力确定MEP系统在减少隐含碳方面将发挥的作用。由于不同材料的数量以及进入任何给定设备的广泛供应链，量化MEP系统中的隐含碳量具有挑战性。

　　此外，大多数MEP系统倾向于使用更多材料以更高效率运行。例如，许多冷却器在其管束中使用更多铜的情况下以更高的效率运行。当管道较大且静压较低时，风扇使用的能量较少，从而增加了使用的金属板的磅数。因此，虽然传统观点通常是减少材料的使用量并寻找含碳量较低的替代材料，但这可能不是MEP系统减排的最佳方法

　　制冷剂选择作为减少制冷剂泄漏对环境影响的一种方法得到了推动。这是因为具有较低全球变暖潜能值 (GWP) 的制冷剂越来越多地用于新设备。

　　如果要进行真正的生命周期碳评估，则必须结合运营排放的贡献(基于制冷剂选择和设备效率之间的关系)来看待这些影响。

　　许多医疗保健建筑几乎都在不断翻新和改造，以适应不同的治疗方式和功能变化。这种正在进行的翻新在建筑物的整个生命周期中几乎持续不断地增加建筑物的隐含碳。因此，这些改造成为试图将含碳量降至最低时的另一块拼图。 无害

　　大幅减少运营碳和隐含碳的需求很重要。实现这一目标的时间表也是如此(以避免气候变化造成灾难性影响)。这些目标将需要付出巨大的努力，并致力于摆脱一切照旧的做法，尤其是在建筑环境中。

　　由于其巨大的碳足迹以及“首先，不造成伤害”的使命，医疗保健行业需要带头。

　　本文作者：Steven Guttmann, Kim Shinn, and Walt Vernon