李世孝

（甘肅省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)院股份有限公司，蘭州730000）

1 引言

高速公路房建工程具有遠(yuǎn)離市區(qū)、區(qū)域跨度大等特征，無(wú)法接入城市熱力管網(wǎng)， 且嚴(yán)寒及寒冷地區(qū)高速公路房建工程由于環(huán)境較為惡劣， 氣溫較低、 水分遷移集聚易導(dǎo)致土壤凍脹，繼而損害到房建工程質(zhì)量，且溫度越低，其凍脹程度越嚴(yán)重，質(zhì)量受損程度越嚴(yán)重。 土壤凍脹作為影響嚴(yán)寒及寒冷地區(qū)高速公路房建工程建設(shè)質(zhì)量的重要影響因素， 一直是從業(yè)相關(guān)者研究的重點(diǎn)問(wèn)題。 目前，我國(guó)關(guān)于土壤凍脹問(wèn)題的研究主要集中于防寒處理，通過(guò)采暖及保溫策略，避免因低氣溫而增加土壤的凍脹風(fēng)險(xiǎn)。 僅僅從建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工學(xué)的方面控制建筑熱損耗難以滿(mǎn)足該地區(qū)高速公路房建工程的采暖及保溫需求，還需要對(duì)內(nèi)部熱源、末端供暖方式及設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化[1-2]?；诖?， 本論文將以嚴(yán)寒及寒冷地區(qū)高速公路房建工程作為依托，基于地域性差異化特征，對(duì)建筑安全、環(huán)保、節(jié)能方面設(shè)計(jì)理念進(jìn)行分析， 力圖形成相對(duì)完整的高速公路沿線(xiàn)設(shè)施綠色建筑設(shè)計(jì)方法。

2 高速公路房屋建筑現(xiàn)狀

高速公路房屋建筑的熱源及末端供暖方式最初采用鍋爐或分體空調(diào)供暖， 但由于嚴(yán)寒及寒冷區(qū)域跨度較大且基于氣候、地質(zhì)差異，供暖方式逐漸被節(jié)能性系統(tǒng)代替，節(jié)能性系統(tǒng)包括地下水源、土壤源熱泵系統(tǒng)、多聯(lián)機(jī)系統(tǒng)等。 其中，地下水源熱泵是一種再生性冷熱源， 基于地球水體儲(chǔ)存的太陽(yáng)能實(shí)現(xiàn)就地取材完成供暖； 土壤源熱泵系統(tǒng)是基于地下土壤儲(chǔ)存的地?zé)崮馨l(fā)揮制冷、制熱效果[3-4]。 雖然上述兩種熱源屬于環(huán)保型能源，但上述熱源系統(tǒng)應(yīng)用與當(dāng)?shù)厮?、氣象條件存在密切關(guān)聯(lián)性， 故一般房屋建筑主要采用多聯(lián)機(jī)系統(tǒng)等發(fā)揮供暖功效。 但一般供暖方式需要消耗大量能量，且存在能源利用效率低、環(huán)境污染嚴(yán)重等問(wèn)題，故有必要尋找適合嚴(yán)寒及寒冷地區(qū)高速公路房建工程的可代替的、具有節(jié)能性的供暖模式[5]。

3 甘肅高速公路沿線(xiàn)房屋建筑設(shè)計(jì)理念

3.1 工程總體設(shè)計(jì)思路

房屋建筑是高速公路網(wǎng)絡(luò)中的基本配套設(shè)施， 是體現(xiàn)公路交通文化的重要窗口。 河西片區(qū)高速項(xiàng)目地處高寒、 高海拔、強(qiáng)紫外線(xiàn)、大風(fēng)沙、蚊蟲(chóng)肆虐、鼠疫重災(zāi)區(qū)的沙漠戈壁，且年平均沙塵天氣超過(guò)100 d，自然環(huán)境極度惡劣，工程有效工期不足14 個(gè)月，施工任務(wù)極為繁重。 由于甘肅高速公路沿線(xiàn)房屋建筑（服務(wù)區(qū)、收費(fèi)站）區(qū)別于一般性民用建筑及城市公共建筑，故該項(xiàng)目房屋建筑設(shè)計(jì)需要明確信息化、綠色化、智能化建設(shè)目標(biāo)并圍繞此目標(biāo)進(jìn)行設(shè)計(jì)。

1）符合嚴(yán)寒、寒冷地區(qū)高速沿線(xiàn)地區(qū)特征，充分體現(xiàn)出沿線(xiàn)地區(qū)各異的文化及特色，要與周?chē)匦?、地?shì)結(jié)合，建設(shè)與周?chē)h(huán)境和諧一體的房屋建筑。

2）充分應(yīng)用安全、環(huán)保、節(jié)能設(shè)計(jì)及技術(shù)；建設(shè)過(guò)程中循環(huán)利用洞渣、廢水，洞渣破碎后用于道路施工，積極應(yīng)用清潔能源。

3）貫徹人性化設(shè)計(jì)理念，充分考慮使用者需求，應(yīng)用信息化技術(shù)為出行者提供便利交通。

4）進(jìn)行科技創(chuàng)新，將信息化技術(shù)貫徹全項(xiàng)目建設(shè)中，為房屋建筑維修提供數(shù)據(jù)支持，需要大力創(chuàng)新科技，提高工程質(zhì)量。

3.2 節(jié)能環(huán)保設(shè)計(jì)理念——熱源設(shè)計(jì)

節(jié)能環(huán)保設(shè)計(jì)是基于當(dāng)?shù)貧夂蚣皡^(qū)域條件， 在充分利用當(dāng)?shù)刈匀粌?yōu)勢(shì)，讓房屋建筑盡可能減少資源消耗及環(huán)境污染，節(jié)約成本。 在高速公路房屋建筑中成功應(yīng)用相關(guān)的低碳、環(huán)保建設(shè)性技術(shù)的案例較多， 其中甘肅高速公路沿線(xiàn)房屋建筑創(chuàng)新型節(jié)能環(huán)保設(shè)計(jì)主要體現(xiàn)在熱源設(shè)計(jì)， 沿線(xiàn)房屋建筑均選用節(jié)能環(huán)保型熱源，即空氣源熱泵機(jī)組+ 太陽(yáng)能（見(jiàn)圖1），不僅解決了采暖熱源問(wèn)題，同時(shí)解決了熱水供應(yīng)問(wèn)題。 太陽(yáng)能熱泵采用低溫太陽(yáng)能輔助的空氣源熱泵機(jī)組和太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)結(jié)合，太陽(yáng)能和熱泵互為輔助熱源，不僅最大限度地利用了太陽(yáng)能， 還解決了陰雨天氣及冬季環(huán)境溫度較低太陽(yáng)能資源不足時(shí)熱水供應(yīng)保證率問(wèn)題，做到全年、全天候供應(yīng)熱水。 系統(tǒng)盡可能將空氣源熱泵冷熱水機(jī)組布置在室外， 太陽(yáng)能板置于綜合樓屋面、陽(yáng)臺(tái)等地，供暖期間保證房間溫度在18 ℃以上。

圖1 空氣源熱泵+太陽(yáng)能系統(tǒng)原理圖

1）環(huán)保方面。 采用太陽(yáng)能這一清潔綠色能源利用技術(shù)，通過(guò)太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換為熱能并輸送到各用戶(hù)所必需的系統(tǒng)中， 滿(mǎn)足服務(wù)區(qū)、維修站、加油站等基本熱水及暖熱源需求。 太陽(yáng)能熱水工程是傳統(tǒng)公認(rèn)綠色且運(yùn)行費(fèi)用低廉的熱水工程。 而空氣源熱泵熱水工程是應(yīng)用空氣能，同樣是安全、可靠、節(jié)能、環(huán)保的熱水工程，可降低燃煤鍋爐供暖頻率，減少碳排放量，繼而減少環(huán)境污染，充分體現(xiàn)出綠色交通建設(shè)理念。

2）節(jié)能方面。 采用節(jié)能低碳技術(shù)，設(shè)置固定制熱時(shí)段、儲(chǔ)能時(shí)段、儲(chǔ)能供熱時(shí)段，極端天氣狀態(tài)下，進(jìn)行電輔熱提供熱量。 通過(guò)空氣源熱泵和太陽(yáng)能的結(jié)合，有效降低空氣源熱泵的運(yùn)行成本，解決夜間供熱效率低下、因低溫結(jié)霜導(dǎo)致的空氣源熱泵工作不穩(wěn)定等問(wèn)題。 空氣源熱泵制熱時(shí)段為9:00～17:00，通過(guò)啟動(dòng)空氣源熱泵，給用戶(hù)散熱器提供熱量，同時(shí)加熱熱水儲(chǔ)罐中的水，當(dāng)熱水儲(chǔ)罐溫度高于50 ℃后，空氣源熱泵停止工作。 儲(chǔ)能時(shí)段為9:00～17:00，當(dāng)儲(chǔ)水罐水溫低于25 ℃，或極寒天氣下空氣源熱泵不能工作時(shí)，啟動(dòng)太陽(yáng)能集熱器，為戶(hù)用散熱器提供熱量，多余部分熱量用于儲(chǔ)存在熱水儲(chǔ)罐中，水溫超過(guò)90 ℃時(shí)，太陽(yáng)能集熱器停止工作。 儲(chǔ)能供熱時(shí)段為17:00～9:00，當(dāng)空氣源熱泵和槽式太陽(yáng)能集熱器提供的熱量不足以滿(mǎn)足建筑采暖時(shí)，使用熱水儲(chǔ)罐中的熱水為戶(hù)用散熱器供熱。 極端天氣，連續(xù)陰天或雨雪天，太陽(yáng)能光照不足時(shí)，使用電輔熱為熱儲(chǔ)罐中的水升溫，并為戶(hù)用散熱器提供熱量。 結(jié)合空氣源熱泵機(jī)組與太陽(yáng)能，不僅可以貫徹落實(shí)節(jié)能減排理念，還能保證全年全日連續(xù)供熱。 該研究方向也是近年來(lái)中央熱水工程熱源設(shè)備發(fā)展的新方向。

3.3 安全設(shè)計(jì)理念

自然條件下的日照溫度或驟然溫變等情況將會(huì)導(dǎo)致建筑物各層梁板出現(xiàn)伸長(zhǎng)或縮短現(xiàn)象， 尤其是室內(nèi)外溫差相差巨大時(shí)，建筑物結(jié)構(gòu)內(nèi)外構(gòu)件會(huì)產(chǎn)生相互約束作用，出現(xiàn)溫度性應(yīng)力變形或結(jié)構(gòu)變形，不僅縮短了建筑物使用年限，還威脅到相關(guān)人員的生命安全。 而節(jié)能環(huán)保型熱源不僅可以降低房建設(shè)施自身能源消耗，提高房建設(shè)施結(jié)構(gòu)熱工性能，還有利于節(jié)約運(yùn)行費(fèi)用，將期望工程平均壽命成本降低到合理的程度。

3.4 信息化設(shè)計(jì)理念

敦當(dāng)高速項(xiàng)目是甘肅省首條公路設(shè)施建管養(yǎng)一體化信息化集成服務(wù)平臺(tái)示范試點(diǎn)項(xiàng)目，在建設(shè)過(guò)程中，全面推行信息化管理，應(yīng)用互聯(lián)網(wǎng)+ 視頻監(jiān)控系統(tǒng)，對(duì)隧道施工狀態(tài)進(jìn)行全面監(jiān)控，對(duì)相關(guān)人員及設(shè)備進(jìn)行定位跟蹤，確保了項(xiàng)目安全性及高效性。 應(yīng)用智慧高速綜合管理云平臺(tái)和建管養(yǎng)一體化信息系統(tǒng)，集合監(jiān)測(cè)、調(diào)度、管控、應(yīng)急、服務(wù)一體，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)一個(gè)庫(kù)、 監(jiān)管一張網(wǎng)、 管理一條線(xiàn)的目標(biāo)， 不僅可以促進(jìn)公路與5G、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、區(qū)塊鏈和互聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)深度融合，建設(shè)運(yùn)營(yíng)管理信息化子平臺(tái)， 持續(xù)提高公路運(yùn)營(yíng)管理效能和智慧化水平，通過(guò)可視化圖層、視頻監(jiān)控、預(yù)警反饋、應(yīng)急救援等技術(shù)手段，以及通過(guò)智能溫度控制、溫室控制、儀表控溫、智能測(cè)溫系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)綜合樓室溫智能化控制，推動(dòng)智能建筑系統(tǒng)發(fā)展，實(shí)現(xiàn)全天候高效運(yùn)營(yíng)，為高速公路房屋建筑安全性提供保障；還可以為公眾出行提供更便捷、更安全、更智慧、更豐富的出行服務(wù)。

4 結(jié)語(yǔ)

嚴(yán)寒及寒冷地區(qū)高速項(xiàng)目房屋建筑存在遠(yuǎn)離市區(qū)、 區(qū)域跨度大、環(huán)境較為惡劣、氣溫較低、水分遷移集聚易導(dǎo)致土壤凍脹等問(wèn)題。 而優(yōu)化建筑內(nèi)部熱源、末端供暖方式及設(shè)計(jì)不僅為建筑提供節(jié)能性供暖、 供水資源， 還可以降低土壤凍脹危害，節(jié)約資源，降低供暖對(duì)環(huán)境的污染。 既往供暖方式主要為地下水源、土壤源熱泵系統(tǒng)、多聯(lián)機(jī)系統(tǒng)等，存在區(qū)域或污染嚴(yán)重等局限性， 需要探尋適宜嚴(yán)寒及寒冷地區(qū)且具有節(jié)能環(huán)保性質(zhì)的新供暖方式。 在嚴(yán)寒和寒冷地區(qū)高速公路項(xiàng)目中充分融入節(jié)能、環(huán)保與安全理念，基于高速項(xiàng)目地域特征及常見(jiàn)新型病害，創(chuàng)新新型技術(shù)，確保房屋建筑的安全性，延長(zhǎng)其使用壽命。 在保證房屋建筑質(zhì)量安全的前提下，其工程設(shè)計(jì)還需要貫徹落實(shí)節(jié)能環(huán)保技術(shù)， 沿線(xiàn)房屋建筑均選用節(jié)能環(huán)保型熱源，空氣源熱泵機(jī)組+ 太陽(yáng)能，不僅解決了采暖熱源問(wèn)題，同時(shí)解決了熱水供應(yīng)問(wèn)題， 貫徹落實(shí)節(jié)能減排理念， 保證全年、全日連續(xù)供熱。