Kontekst badania
W obliczu rosnących wymagań dotyczących jakości środowiska wewnętrznego, bezpieczeństwa epidemiologicznego oraz redukcji zużycia energii i emisji CO₂, projektowanie szpitali – a w szczególności oddziałów łóżkowych – staje się zadaniem wielokryterialnym i silnie złożonym. Jednostki pielęgniarskie (nursing units) są przestrzeniami o długim czasie przebywania pacjentów i personelu, co sprawia, że jakość wentylacji naturalnej, dostęp do światła dziennego oraz efektywność energetyczna mają bezpośredni wpływ na zdrowie, komfort i koszty eksploatacyjne. Dotychczasowe podejścia projektowe często optymalizowały pojedyncze aspekty (np. energię lub oświetlenie), pomijając ich wzajemne zależności i kompromisy. Artykuł odpowiada na tę lukę, proponując zintegrowane, parametryczne i wielokryterialne podejście do wczesnej fazy projektowania oddziałów szpitalnych.
Cele i hipotezy
Głównym celem badania było opracowanie i zweryfikowanie metody projektowania opartej na wydajności (performance-driven design), umożliwiającej jednoczesną optymalizację trzech kluczowych wskaźników środowiskowych w jednostkach pielęgniarskich:
- skuteczności wentylacji naturalnej,
- jakości doświetlenia światłem dziennym,
- energochłonności budynku.
Autorzy postawili hipotezę, że zastosowanie wielokryterialnej optymalizacji (multi-objective optimization) pozwala uzyskać bardziej zrównoważone i funkcjonalne rozwiązania projektowe niż optymalizacja jednozadaniowa, która prowadzi do poprawy jednego parametru kosztem pozostałych.
Metody badawcze
Badanie oparto na parametrycznym modelowaniu geometrycznym jednostki pielęgniarskiej w środowisku Grasshopper (Rhino), zintegrowanym z narzędziami symulacyjnymi Ladybug Tools. Zastosowano:
- symulacje CFD wentylacji naturalnej (Butterfly / OpenFOAM),
- symulacje światła dziennego (Honeybee-Radiance, wskaźnik AUDI – Average Useful Daylight Illuminance),
- symulacje zużycia energii (Honeybee-Energy / EnergyPlus, wskaźnik EUI).
Zmienne projektowe obejmowały m.in. szerokość i głębokość traktów, wysokość kondygnacji, wskaźnik WWR oraz losowe czynniki reorganizacji funkcjonalnej. Proces optymalizacji przeprowadzono z użyciem algorytmu genetycznego NSGA-II zaimplementowanego w dodatku Wallacei. Studium przypadku stanowił rzeczywisty oddział szpitalny w Chengdu (Chiny), analizowany w lokalnych warunkach klimatycznych.
Rezultaty badań i ich interpretacja
Wyniki potwierdziły istnienie wyraźnych kompromisów pomiędzy wentylacją, doświetleniem i energochłonnością. Rozwiązanie średniooptymalne (Average Optimal Solution) poprawiło:
- średnią prędkość powietrza z 0,37 do 0,51 m/s,
- wskaźnik AUDI z 58,72% do 63,04%,
przy jedynie nieznacznym wzroście EUI (ok. +0,7%).
Rozwiązania jednozadaniowe osiągały ekstremalne wartości (np. minimalne EUI lub maksymalne AWS), lecz jednocześnie znacząco pogarszały pozostałe wskaźniki. Analizy regresji wykazały, że WWR i wysokość kondygnacji silnie wpływają na wentylację i światło dzienne, natomiast większa głębokość i mniejszy WWR sprzyjają redukcji zużycia energii. Dodatkowo wykazano, że optymalizacja prowadzona na jednej kondygnacji jest reprezentatywna dla zachowania całego budynku.
Wnioski
Badanie dowodzi, że wielokryterialna optymalizacja parametryczna stanowi skuteczne narzędzie wspierające projektowanie jednostek pielęgniarskich w szpitalach. Podejście to umożliwia świadome balansowanie pomiędzy jakością środowiska wewnętrznego a efektywnością energetyczną już na etapie koncepcji. Autorzy podkreślają, że projektowanie ukierunkowane wyłącznie na jeden cel prowadzi do rozwiązań nieoptymalnych funkcjonalnie i środowiskowo. Zaproponowana metodyka tworzy solidne podstawy dla projektowania niskoemisyjnych, zrównoważonych obiektów ochrony zdrowia.
Ograniczenia zakresu badawczego
Badanie ograniczono do jednego typu układu funkcjonalnego i jednego klimatu lokalnego (Chengdu), co zawęża możliwość bezpośredniej generalizacji wyników. Czynniki reorganizacji funkcjonalnej miały charakter losowy i nie były oceniane za pomocą mierzalnych wskaźników ergonomii czy efektywności pracy personelu. Autorzy wskazują, że przyszłe badania powinny integrować kryteria funkcjonalne i organizacyjne z analizami środowiskowymi oraz rozszerzyć zakres na inne typologie oddziałów i strefy klimatyczne.
Artykuł opublikowano w ScienceDirect.