張興艷 賈怡紅

(1.中鐵二院工程集團有限責任公司， 成都 610031；2.石家莊鐵道大學， 石家莊 050043)

隨著我國鐵路的發(fā)展，高寒地區(qū)鐵路站房等配套建筑大量興建[1]。既有研究表明鐵路站房是一類能耗較高的公共建筑，因為其空間高大、人員密集、照明系統(tǒng)復雜，且全年運行[2-3]?？紤]到高寒地區(qū)氣候特征的特殊性，其建筑能耗問題尤為突出，節(jié)能要求更高，節(jié)能潛力也更大。

鐵路站房的節(jié)能設計受到了國內(nèi)學者的廣泛關注，開展了詳實細致的研究，涉及到不同的氣候區(qū)。有學者綜合運用實測、模擬等多種方法給出了既能保證熱環(huán)境又滿足節(jié)能要求的嚴寒氣候區(qū)候車空間節(jié)能優(yōu)化策略[4]；寒冷氣候區(qū)一直以來都是研究的熱點區(qū)域，研究提出了很多滿足熱環(huán)境以及光環(huán)境要求的鐵路站房節(jié)能設計和改造方法[5]；此外，研究者們還詳細探究了夏熱冬冷地區(qū)火車站節(jié)能設計策略[6]。目前，針對夏熱冬暖以及溫和氣候區(qū)的研究相對較少，中鐵第四勘察設計院集團有限公司以昆明南站站房為例，創(chuàng)新性地提出適用于溫和地區(qū)地鐵路站房節(jié)能設計方法[7]，郭旭暉以新廣州火車站為例，解決了如何在夏熱冬暖地區(qū)進行了建筑被動技術優(yōu)選以降低站房的綜合能耗[8]。

建筑物的室外環(huán)境是建筑能耗的先決條件，上述研究針對我國不同氣候區(qū)都做了較為詳盡的研究，但可以看出針對高寒地區(qū)鐵路站房的節(jié)能設計研究仍然較少。因此，本文認為有必要針對高寒地區(qū)這類特殊的建筑氣候條件，探討與其相適應的鐵路站房建筑節(jié)能措施，以幫助建筑師制定合理的節(jié)能措施。

1 研究對象

本文以拉林鐵路新建林芝站為研究對象。林芝位于西藏東南部，年平均氣溫8.6 ℃。雖然林芝地區(qū)在中國建筑氣候區(qū)劃中屬于寒冷地區(qū)，但是與其他寒冷氣候區(qū)相比，林芝地區(qū)太陽輻射強度大，年均日照 2 022.2 h，日照百分率為57%。以冬季12月為例，其水平總輻射強度峰值可達600 W/m2，平均值也大于140 W/m2，可見太陽輻射得熱為其主要熱量來源，屬于典型的高寒氣候[9]。同時，拉林鐵路站房以中小型站房為主，林芝站站房也是拉林鐵路上最常見的線側平式站房，站房總建筑面積 14 898 m2，建筑平面呈規(guī)則的長方形，面寬172.2 m，進深46.2 m。因此，林芝站可以作為典型的高寒地區(qū)中小站房，具有一定的代表性和普適性。

2 高寒地區(qū)鐵路站房建筑節(jié)能策略模擬計算

2.1 冷風滲透優(yōu)化

鐵路站房室外場地環(huán)境的優(yōu)化可以有效地改善建筑周邊的微環(huán)境，從而降低建筑能耗[10]。高寒地區(qū)太陽輻射量充足，鑒于此首先應該考慮對室外場地太陽得熱的合理利用。本文首先利用Ecotect軟件對站房及周邊的太陽得熱情況進行了模擬計算，結果發(fā)現(xiàn)綠化面積與植株類型及其布局形式對站房區(qū)域微環(huán)境溫濕度的改善作用明顯。夏季同一時段，廣場平臺前范圍較大的喬木樹林區(qū)的溫濕度狀況較好，而廣場平臺上點陣布置的、少葉植株對周圍的熱濕環(huán)境幾乎沒有改善作用。另外，下墊面材質的選擇對站房區(qū)域熱環(huán)境有較大影響，透水地面或低矮植被、土壤等下墊面比瀝青道路和水泥地面的表面溫度低，而且濕度亦有改善。如果將低矮植被換為高大樹木，可以較好地改善站房區(qū)域的熱環(huán)境。

其次，在高寒地區(qū)要做好建筑的防風措施，減少冬季因冷風入侵而造成的熱量損失。本文采用PHOENICS軟件對不同門斗形式的室內(nèi)風場情況進行了模擬分析，根據(jù)林芝地區(qū)的氣候條件，設置冬季主導風向為東風，平均風速為2.3 m/s。設置了4種不同的門斗形式，方案一為正立面門斗在室外，背立面室內(nèi)檢票口處不設門斗；方案二為正立面門斗在室內(nèi)，背立面室內(nèi)檢票口處不設門斗；方案三為正立面門斗在室外，背立面室內(nèi)檢票口處設門斗；方案四為正立面門斗在室內(nèi)，背立面室內(nèi)檢票口處設門斗。模擬結果如圖1所示，方案一一層室內(nèi)風速均小于1.6 m/s，檢票口處的風速在2.2～2.6 m/s，入口門斗處風速在0.3～1.1 m/s；方案二一層室內(nèi)風速同樣均小于 1.6 m/s，檢票口處的風速在2.2～2.6 m/s，入口門斗處風速在 0.2～1.5 m/s；方案三一層室內(nèi)風速均小于1.5 m/s，檢票口處的風速在1.8～2.6 m/s，入口門斗處風速在0.4～1.3 m/s；方案四一層室內(nèi)風速均小于1.5 m/s，但檢票口處的風速在2.4～2.8 m/s，入口門斗處風速在 0.2～1.5 m/s。由此可知，方案二和方案四檢票口處風速過大，說明室內(nèi)設內(nèi)門斗更容易形成穿堂風，造成人員吹風感，因此建議入口門斗設置外門斗，對比方案一和方案三，可知檢票口處宜設置內(nèi)門斗。

圖1 不同門斗形式對室內(nèi)風場的影響圖

2.2 圍護結構節(jié)能設計

2.2.1 外墻保溫厚度與全年能耗關系

提高圍護結構的保溫性能是降低建筑能耗最有效的途徑[11]，本文利用Design Builder計算不同保溫層厚度與建筑全年能耗的關系。模擬中具體熱工參數(shù)設置為：夏季空調室外計算干球溫度22.9 ℃，夏季空調室外計算濕球溫度15.6 ℃，夏季通風室外計算溫度19.9 ℃。冬季空調室外計算溫度-3.7 ℃，冬季空調室外計算相對濕度49%，冬季通風室外計算溫度0.5 ℃。

同時，根據(jù)空氣質量規(guī)范要求和功能分區(qū)特點，室內(nèi)空氣設計參數(shù)如表1所示。

表1 室內(nèi)空氣設計參數(shù)表

原始模型外墻構造基本參數(shù)如表2所示。

表2 林芝站原始模型外墻構造基本參數(shù)表

外墻保溫厚度與建筑能耗關系結果如圖2所示。整體看來，對于墻體外保溫系統(tǒng)而言，保溫性能強弱排序為擠塑聚苯板>膨脹聚苯乙烯泡沫板>巖棉板，并且全年耗熱量隨圍護結構保溫層厚度的變化呈線性變化，但是保溫層厚度增加到一定值(即外墻傳熱系數(shù)降低到一定值)后，耗熱量遞減的幅度就降低了。

圖2 外墻保溫做法與全年耗熱量的關系圖

參考《公共建筑節(jié)能設計標準》[12]和《西藏自治區(qū)民用建筑節(jié)能設計標準》[13]的要求，西藏自治區(qū)甲類公共建筑墻體的平均傳熱系數(shù)應該小于等于0.5 W/(m2·K)。根據(jù)相關資料，50 mm厚擠塑聚苯板板、70 mm 厚的膨脹聚苯乙烯泡沫板或80 mm厚的巖棉板均可達到上述要求。由回歸方程的斜率(如表3 所示)可知保溫材料的性能對厚度的變化敏感程度不同，巖棉保溫板保溫層厚度每增大10 mm，全年耗熱量可以減少 19.0 kW/m2左右，膨脹聚苯乙烯泡沫板保溫層厚度每增大10 mm，全年耗熱量可以減少18.5 kW/m2；擠塑聚苯板保溫層厚度每增大10 mm，全年耗熱量可以減少15.8 kW/m2。比較可知，相同厚度下擠塑聚苯板不僅熱工性能最好，而且對保溫層厚度的變化更為敏感。因此，推薦擠塑聚苯板用作高寒地區(qū)鐵路站房外墻外保溫材料。由圖2也可看出，在使用擠塑聚苯板做保溫材料時，當保溫層厚度大于120 mm后繼續(xù)增加厚度收益并不佳，因此，推薦最佳的保溫層厚度為50～120 mm。

表3 外墻保溫厚度與全年耗熱量回歸方程斜率表

2.2.2 屋面保溫厚度與全年能耗關系

除外墻保溫外，屋面保溫也是建筑節(jié)能設計中不可忽視的一個重要方面。不同于普通嚴寒或寒冷地區(qū)，高寒地區(qū)的建筑屋面接受了較大強度的太陽輻射，因此要平衡好輻射得熱與屋面散熱的關系。原始模型屋面構造基本參數(shù)如表4所示，熱工參數(shù)設置同上。利用Design Builder軟件計算了不同屋面保溫做法與建筑全年能耗的關系，結果如圖3所示。

表4 林芝站原始模型屋面構造基本參數(shù)表

圖3 屋面保溫做法與全年耗熱量的關系圖

可以看出，全年耗熱量在初始階段會跟隨屋頂保溫厚度的減小而顯著減小，保溫性能強弱依次為擠塑聚苯板>膨脹聚苯乙烯泡沫板。同時參考《公共建筑節(jié)能設計標準》和《西藏自治區(qū)民用建筑節(jié)能設計標準》，西藏自治區(qū)甲類公共建筑的屋面的平均傳熱系數(shù)應該小于等于0.40 W/(m2·K)。根據(jù)相關資料，計算可知膨脹聚苯乙烯泡沫板以及擠塑聚苯板厚度分別為120 mm厚、90 mm厚時，可達到上述要求。因此，推薦節(jié)能效果較好的擠塑聚苯板高寒地區(qū)鐵路站房屋頂外保溫材料，并且當保溫層厚度超過120 mm時，節(jié)能效率就降低了，因此推薦厚度為70～120 mm。

此外，外保溫若無經(jīng)濟條件限制，應首選擠塑聚苯板(XPS板)保溫材料，但是它的價格相對而言也較高；聚苯乙稀泡沫板(EPS板)的保溫性能雖然比上述兩個材料弱，但是性價比很高；巖棉板的保溫性能是最差的，性價比也不高。同時需要注意建筑耗熱量會隨著體形的復雜程度而增大[14]，西藏傳統(tǒng)民居的建筑形態(tài)一般選擇方形等簡單形體，通過降低筑物的體形系數(shù)以減少了建筑物與周圍環(huán)境產(chǎn)生的熱交換[15]。同理，高寒地區(qū)鐵路站房也應盡量選擇規(guī)則的形體，使體形不要太復雜，凹凸面不要過多，避免體形系數(shù)過大，以達到節(jié)能的目的。

另外需要說明一點，根據(jù)目前防火規(guī)范《建筑設計防火規(guī)范》[16]規(guī)定“設置人員密集場所的建筑，其外墻外保溫材料的燃燒性能應為A級”。由于鐵路站房的特殊性，其外墻保溫材料應采用A級耐火等級保溫材料。然而，目前適合北方寒冷地區(qū)的常用的外保溫材料中，只有巖棉是A級保溫材料，而導熱系數(shù)較小的相對節(jié)能效果比較好的外保溫材料，如XPS和硬泡聚氨酯等外保溫材料，都不滿足A級的防火等級要求，而目前對于難燃材料如何達到A級不燃等級標準的相關研究一直在進行，并取得了初步的成效，目前市場上也出現(xiàn)了如FAE-A級防火蜂巢隔離保溫板是在傳統(tǒng)的模塑聚苯乙烯泡沫板的基礎上進行改良，從而達到A級阻燃效果的新型保溫隔熱材料。因此，雖然此結論對于當前的高密度建筑不適用，但是仍可以對高寒地區(qū)的其他建筑類型提供一定的借鑒意義。

2.3 窗墻比與建筑全年能耗關系

通常窗口的傳熱系數(shù)會大于墻體的傳熱系數(shù)，室內(nèi)外的傳熱量也會隨著窗戶面積的增大而增大，但同時也增加了進入室內(nèi)的太陽輻射得熱。目前出于美觀的需求，鐵路站房常采用幕墻或者大面積透明圍護結構，可見有必要從降低建筑能耗的角度出發(fā)，分析窗墻比與建筑能耗的關系以確定最佳的窗墻比。

本文利用Design Builder軟件模擬計算了建筑全年耗熱量與窗墻比之間的關系。在考慮室內(nèi)參數(shù)為照明節(jié)能控制同時不采用任何遮陽設施的情況下，依次進行模擬分析研究建筑各項能耗通過軟件模擬能耗變化量，由于鐵路站房東西兩側為輔助用房，其窗墻比數(shù)值對能耗影響不大，因此，重點研究南北兩側的窗墻比與能耗的關系。外窗材料選擇PVC塑料窗[K=2.2 kW/(m2·K)]，普通中空玻璃窗(6中等透光熱反射+12空氣+6透明)[K=1.80 kW/(m2·K)]。模擬時，其他圍護結構參數(shù)不做改變，分別調整南北兩個主要朝向的窗墻面積比，從0.2增加至0.8，步長為0.15，計算單位建筑面積建筑的全年耗熱量，結果如圖4所示。可以看到，隨著南向窗墻比的增加全年能耗在持續(xù)減少，但0.65是一個臨界點，當窗墻比增大到0.65后，窗墻比的增大對能耗的影響作用開始減緩。因此，在保證經(jīng)濟性的情況下，建議南向最佳窗墻比為0.65。北向窗墻比對能耗的影響與南向結果不同，隨著北向窗墻比的增大，全年能耗也在逐漸增大，建議北向窗墻比滿足基本最小要求即可。這可能是因為對于高寒地區(qū)，建筑采暖能耗遠高于制冷能耗，因此南向窗墻比增大可以有效獲得太陽的輻射得熱以降低采暖能耗，而北向窗墻比的增大起到了相反的作用。

圖4 建筑窗墻比與全年耗熱量的關系圖

3 結論

氣候條件是建筑節(jié)能設計的重要依據(jù)，一切技術手法都應當圍繞氣候條件展開。本文以位于高寒地區(qū)的典型中小站林芝站為例，利用計算機軟件模擬計算了建筑外墻保溫做法、建筑屋面保溫做法以及南北向窗墻比與全年耗熱量的關系，最終得出了一些適用于高寒地區(qū)鐵路站房建筑的節(jié)能方法和策略，為高寒地區(qū)同類鐵路站房的節(jié)能設計提供參考與建議，主要結論如下：

(1)在高寒地區(qū)鐵路站房的規(guī)劃布局階段應注意站房周邊下墊面、景觀綠化和植物類型配置，建議選擇透水地面，并設置較大范圍的喬木樹林區(qū)，改善建筑周圍的微環(huán)境以降低能耗。關于冷風侵入，在室內(nèi)設內(nèi)門斗更容易形成穿堂風，造成人員吹風感，建議入口門斗設置外門斗，檢票口不設門斗。

(2)若無經(jīng)濟要求限制，外墻保溫應首選擠塑聚苯板作為保溫材料，推薦厚度50～120 mm；在進行屋頂保溫設計時，同樣應首選保溫性能比較好的擠塑聚苯板作為屋面保溫材料，推薦厚度為70～120 mm。

(3)全年耗熱量會隨著建筑南向窗墻比的增加而減小，但變化率以0.65為拐點，在窗墻比小于0.65的情況下，全年耗熱量隨南向窗墻比的變化更加敏感。因此權衡經(jīng)濟性，推薦南向最佳窗墻比為0.65。而全年耗熱量隨著建筑北向窗墻比的增大而增大，因此要嚴格控制北向窗墻比的大小，滿足規(guī)范基本要求即可。