寒冷地區(qū)高鐵站設(shè)計節(jié)能潛力分析
——以天津西站為例

王勁柳 王楠 劉立 劉叢紅 / WANG Jinliu, WANG Nan, LIU Li, LIU Conghong

1 引言

隨著資源與環(huán)境問題愈加嚴(yán)峻，節(jié)能減排成為當(dāng)今世界重要趨勢。中國建筑能耗占社會總能耗的27.8%（仇保興，2011），其中大型公共建筑不足城鎮(zhèn)建筑總面積的4%，能耗卻占城鎮(zhèn)建筑總能耗的20%以上（李傳成，2011），節(jié)能潛力巨大。近年來我國高速鐵路總體規(guī)劃建設(shè)不斷深入，計劃到2020年，高速鐵路網(wǎng)覆蓋80%以上大城市（國家發(fā)展改革委，2016），且隨著區(qū)際、省會、地市、縣域覆蓋網(wǎng)絡(luò)的逐步擴大，高鐵站作為一類依托于高速鐵路運輸而形成的典型大型公共建筑在各地蓬勃建設(shè)，高鐵站房能耗及其作為重要建筑的導(dǎo)向作用越來越受到社會關(guān)注。

高鐵站房一般尺度宏大，候車空間單位面積耗能達160～180kWh/m2·yr（中國城市科學(xué)研究會，2015），遠高于其他公共建筑，因具有人員流動量大、停留時間短、使用頻率的時間差異大等特點，使其在節(jié)能潛力上具有自身的特殊性。作為地域門戶，若能立足于節(jié)能展開設(shè)計，不僅可以實現(xiàn)節(jié)能減排，而且利于引導(dǎo)大眾綠色審美，在新時代具有特殊的示范意義與帶動作用。本文以天津西站高鐵站房為例，探索寒冷地區(qū)高鐵站的節(jié)能設(shè)計潛力。

2 天津西站現(xiàn)狀

基于前期對鐵路車站設(shè)計資料與建成高鐵站房使用情況的文獻查閱，進行多次實地調(diào)研，以儀器測量、拍照攝像、個別訪談等方法獲取研究所需數(shù)據(jù)、信息，調(diào)研內(nèi)容包括空間尺度與布局、建筑細部、運行特點、站前廣場現(xiàn)狀、節(jié)能措施應(yīng)用等方面。

2.1 基本概況

天津西站坐落于天津市紅橋區(qū)，屬于寒冷地區(qū)，由德國gmp（馮·格康，瑪格及合伙人建筑師事務(wù)所）設(shè)計，總建筑面積18萬m2（曼哈德·馮·格康 等，2012），其中站房面積約10.4萬m2，站場總體規(guī)模達13臺26線，以高、普速車場分別在南、北側(cè)橫列布置（溫靜，2013）。西站采用構(gòu)筑路網(wǎng)、架設(shè)連橋、復(fù)合換乘、延續(xù)景觀的設(shè)計構(gòu)思，由中央主站房與四角輔樓構(gòu)成整體（圖1）。主站房南北方向約380m，東西方向約145m，高達57m，以白色編織鋼架與通透玻璃幕墻圍合成拱狀形體。站房采用地下出站與換乘層、地面站臺層、高架候車層的功能布置方式以及上進下出的進出站模式（魏慶朝，2015）；共有南北兩個站前廣場，目前僅南廣場投入使用，不僅具有景觀效果，更結(jié)合區(qū)域交通規(guī)劃起著人流集散作用（圖2）。

2.2 站房布局與空間尺度

天津西站站房采用立體布局，主要空間如候車大廳位于高架層（圖3），進站區(qū)分層布置于地面層與高架層，售票空間緊鄰進站區(qū)，商業(yè)集中分布于地下層與高架層兩側(cè)。站房地下出站與換乘層、地面站臺層的層高均約10m，高架層為整體大空間形式，橫向跨度達145m，中部至兩側(cè)依次為中央通廊、檢票區(qū)、候車區(qū)、兩側(cè)通廊和商業(yè)。候車區(qū)空間尺度宏大，頂部為拱形屋面，室內(nèi)空間凈高達47m，兩側(cè)商業(yè)高10m，上部拱頂空間無具體功能卻高達37m；中央通廊跨度達33m，調(diào)研發(fā)現(xiàn)旅客大多集中在候車區(qū)與商業(yè)區(qū)等候，通廊平日人流少且停留時間短。

圖1 天津西站鳥瞰（來源：720yun.com/t/724z7c2ziks?pano_id=33250）

圖2 天津西站平面（來源：www.gooood.hk/_d272467739.htm）

圖3 高架層布局與候車空間

圖4 大型采光屋面與立面

2.3 建筑細部

高架候車層因進深、跨度大，采用大型采光屋面。屋面為白色鋼框架玻璃幕墻結(jié)構(gòu)，鋼結(jié)構(gòu)拱梁由下至上逐漸增粗增厚，陽光通過穿插交織的菱形網(wǎng)格透入室內(nèi)，提供給大空間室內(nèi)明亮環(huán)境。立面設(shè)計上，主要以大面積玻璃幕墻圍護，僅下部四角輔樓采用實體與局部遮陽結(jié)合的形式（圖4）。室內(nèi)候車廳的檢票空間以小型玻璃體量的形式置入大空間之中，最高點4.9m，與大廳頂部相距較遠。

2.4 運行特點

圖5 候車廳人員密度對比

圖6 天津西站調(diào)研現(xiàn)狀

圖7 天津西站節(jié)能潛力分析

調(diào)研選取2016年11月20日為例，統(tǒng)計了天津西站全天發(fā)送列車的類型與時刻（表1），當(dāng)日發(fā)送列車共計133班次，以高鐵列車居多，為97班次。發(fā)送時刻統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明，當(dāng)日6:00～21:00發(fā)送列車119班次；21:00～次日6:00發(fā)送列車僅14班次，其中高鐵列車班次更為稀少，為5班次。高鐵列車具有高密度、小編組的運行特點及旅客快進快出的候車行為，實地調(diào)研時發(fā)現(xiàn)，候車大廳內(nèi)人員密度不高，但在平日與節(jié)假日人員密度相差較大（圖5）。目前北側(cè)進站廳尚未開通，而現(xiàn)階段站房規(guī)模足以滿足節(jié)假日高峰期客流的正常使用。

2.5 節(jié)能措施應(yīng)用

天津西站從工程構(gòu)造到技術(shù)設(shè)備均采用了較高標(biāo)準(zhǔn)的節(jié)能措施，體現(xiàn)了節(jié)能減排的理念：大型采光屋面結(jié)構(gòu)與玻璃幕墻使室內(nèi)白天無需電力照明；高架檢票區(qū)域設(shè)置特質(zhì)玻璃地坪，以便下部站臺層獲得自然采光（圖6）；站臺雨篷敷設(shè)非晶硅薄膜電池組件，實現(xiàn)光伏發(fā)電與建筑一體化（汪洋 等，2015）；采用燃氣冷熱電三聯(lián)供系統(tǒng)，以能源梯級利用的方式提高能源利用效率（趙奕，2010）。西站采用的節(jié)能技術(shù)設(shè)備先進，若在建筑方案階段更加著力于空間設(shè)計的節(jié)能潛力，將會獲得更顯著的效果。

3 天津西站節(jié)能潛力分析

調(diào)研關(guān)注了天津西站在使用、運營過程中的能耗問題及其與建筑設(shè)計層面的聯(lián)系，分析歸納出天津西站在方案設(shè)計階段存在的節(jié)能潛力（圖7）。

（1）形體尺度

主站房為高大拱狀形體，特別是高架候車層尺度宏大，最高點距樓面約47m，上部拱頂空間達37m卻并未利用，因空間尺度過大帶來能耗負擔(dān)。

（2）空間布局

高架層以整體空間貫通站房跨度與進深方向，其間無熱邊界分隔，無法根據(jù)使用期間實際客流量變化進行空間的分區(qū)控制。同時，采用中間候車、兩側(cè)附屬空間的布局形式，候車空間的通風(fēng)和采光狀況不理想，需要依靠設(shè)備系統(tǒng)輔助。

（3）表皮材料

主站房屋頂由網(wǎng)狀鋼架與通透玻璃組成，光線穿透的同時引入過多日光輻射，會增大夏季的制冷負荷；立面通透且基本無遮陽措施，圍護結(jié)構(gòu)并未針對寒冷氣候區(qū)進行高效設(shè)計。

圖8 設(shè)計研究方案

（4）室內(nèi)細部

高架層內(nèi)的檢票等空間采用常規(guī)設(shè)計高度，與大空間候車廳頂部有較大距離且無法利用，建筑能耗負擔(dān)增加；中央通廊跨度大但客流量少，空間利用率低而增加能耗。

（5）建設(shè)規(guī)模和使用頻率

站房客流量較少、部分空間未投入使用，現(xiàn)階段建設(shè)規(guī)模過大而導(dǎo)致能耗水平較高；深夜或凌晨時段客流量稀少，而空調(diào)和照明設(shè)備仍正常運轉(zhuǎn)，帶來了不必要的能源消耗。

（6）站前廣場

廣場空曠且以硬質(zhì)鋪裝為主，炎熱、寒冷、陰雨等不利天氣條件下廣場上的進出站和停留旅客數(shù)量少；能起到遮陽、庇護效果的綠化或構(gòu)筑物較少，不利于分擔(dān)站房高峰期客流量或調(diào)節(jié)站場微氣候。

4 整合節(jié)能減排策略的設(shè)計研究

通過上文對天津西站的實地調(diào)研與節(jié)能潛力分析，探討高鐵站在建筑方案設(shè)計層面的節(jié)能減排策略，并結(jié)合西站現(xiàn)狀條件、規(guī)劃發(fā)展等情況提出整合節(jié)能減排設(shè)計策略的研究方案。

4.1 節(jié)能減排策略

（1）形體尺度

作為大跨建筑，高鐵站形體尺度可與結(jié)構(gòu)選型緊密結(jié)合，從結(jié)構(gòu)角度考慮，將結(jié)構(gòu)、形態(tài)、空間相結(jié)合，設(shè)計合理的建筑高度，以避免空間與能耗的浪費（李琴波 等，2014）。

（2）空間布局

基于不同時期、不同時段的客流密度與運行狀況，結(jié)合建筑結(jié)構(gòu)與使用特點，將候車層內(nèi)部完整大空間切分為小空間以形成候車單元，以分區(qū)調(diào)控的方式控制單元開合，降低設(shè)備系統(tǒng)不必要的運行負荷；同時，依據(jù)人群使用頻率以及不同空間對環(huán)境因素的不同需求，調(diào)整主要空間如候車、商業(yè)等的相對位置。

（3）屋頂及立面細部

大跨度、大進深高架層可在屋面設(shè)置采光帶以滿足室內(nèi)采光需求，同時輔助遮陽措施，避免自然光進入的同時增加過多的太陽輻射得熱；圍護結(jié)構(gòu)可基于地域氣候，避免全部以玻璃幕墻圍合的形式并結(jié)合相應(yīng)的遮陽或保溫設(shè)計（周正，2017）。

（4）室內(nèi)細部

提高室內(nèi)空間利用率，不同功能空間以獨立單元形式布置，以便分區(qū)、分塊控制；對于大跨度的中央候車通廊，可在使用率低的位置引入室外空間與綠植，促進大空間的自然采光通風(fēng)。

（5）建設(shè)規(guī)模

基于高鐵列車運行特點與旅客候車行為的分析，站房以“通過空間”為主導(dǎo)，規(guī)模不宜過大，可依據(jù)高峰期客流量或聚集人數(shù)由鐵路旅客建筑相關(guān)規(guī)范確定現(xiàn)行建筑規(guī)模，同時考慮到本地區(qū)長遠交通規(guī)劃，著眼于建設(shè)時序進行分期建設(shè)，降低站房使用、運行中的能耗和碳排放。

（6）站前廣場

從不同時期的客流密度與現(xiàn)行的站房規(guī)模出發(fā)，增強站前廣場的人流集散功能，使其分擔(dān)高峰期客流量，可在廣場上建構(gòu)筑物，平日用于遮蔭、售賣，高峰期可快速搭建為旅客臨時休息區(qū)，將部分客流引向室外，避免站房為容納大量客流而建設(shè)規(guī)模過大帶來的能耗問題。

4.2 設(shè)計研究方案

綜上節(jié)能設(shè)計策略，并結(jié)合功能流線要求和建筑美學(xué)，生成研究方案（圖8）。

4.2.1 空間尺度

研究方案以高架層檢票口為結(jié)構(gòu)生成的出發(fā)點，無需溫度調(diào)節(jié)的檢票空間由“小盒子”改為樓面貫通至頂?shù)牧⒎襟w并向四周擴展，排除頂部無法利用的空間，削減了需進行溫度調(diào)節(jié)的空間體積而降低能耗。在方案研究的過程中不斷調(diào)整尺寸比例，保證結(jié)構(gòu)高跨比等技術(shù)要求，檢票空間結(jié)構(gòu)則由高架層向下延伸至底，并進行細化設(shè)計，形成整體結(jié)構(gòu)的基本單元。結(jié)構(gòu)單元在開間方向設(shè)置兩個以使用和技術(shù)需求，東西跨度為111m，南北進深為21.5m，高度降為22m（圖9）。

4.2.2 空間布局

以結(jié)構(gòu)單元為基礎(chǔ)，跨度、進深方向各并置兩組組成一個候車單元，空間布局按不同功能對舒適度、自然采光通風(fēng)需求的不同而布置（圖10）。調(diào)整主要使用空間與附屬空間的相對位置：候車空間向外移動，且特殊候車室位于東部最外側(cè)以便于自然采光通風(fēng)；商業(yè)空間集中布置于西側(cè)，作緩沖空間減弱西曬對候車大廳的影響；中央通廊跨度、進深大，中庭設(shè)計促進自然采光與通風(fēng)。候車單元之間設(shè)置隔熱邊界（圖10），使其在站房運營過程中根據(jù)車次與人流變化開啟或關(guān)閉，降低客流量稀少時設(shè)備系統(tǒng)的運行能耗。

4.2.3 屋頂及立面細部

方案從項目所處寒冷地區(qū)氣候特點出發(fā)，針對不同部位借助參數(shù)化設(shè)計工具生成建筑細部的形態(tài)。屋頂細部上，將結(jié)構(gòu)單元采光面細分生成多個四棱錐網(wǎng)格（圖11）：南向布置太陽能電池板實現(xiàn)遮陽并收集太陽能。北向設(shè)置天窗以提供室內(nèi)自然采光通風(fēng)，形態(tài)的確定借助grasshopper算法，根據(jù)夏季正午太陽入射角度，控制網(wǎng)格中心頂點的移動高度與距離，實現(xiàn)太陽能收集量的最大化。

圖9 結(jié)構(gòu)單元生成及尺度信息

圖10 候車單元布局及分區(qū)控制

立面設(shè)計將結(jié)構(gòu)曲線投影其上，反映了內(nèi)部結(jié)構(gòu)特色，且對不同朝向立面基于氣候因素進行了特殊設(shè)計：南立面借助結(jié)構(gòu)外檐出挑形成自遮陽，確保在本地區(qū)夏季最炎熱的月份為南立面提供有效遮陽；東西立面太陽入射高度角低，適宜垂直遮陽，考慮到屋頂與立面銜接的連貫性而采用扭轉(zhuǎn)豎板的遮陽構(gòu)件（圖11），其上下邊緣與建筑水平相接而中部垂直于立面，自上而下產(chǎn)生180°的扭轉(zhuǎn)。

4.2.4 室內(nèi)細部

大廳中部“通過性”強人流停留時間短，植入生態(tài)庭院并布置綠化景觀（圖12），改善大跨度、大進深中央通廊部位的采光通風(fēng)，調(diào)節(jié)局部微氣候并收集屋面雨水。

圖11 細部及參數(shù)化生成（屋頂及立面）

4.2.5 建設(shè)規(guī)模

根據(jù)鐵路部門編制的京津冀地區(qū)城際鐵路網(wǎng)規(guī)劃（黃海蕾，2015），以遠期規(guī)劃時間節(jié)點2030年的高峰小時旅客發(fā)送量7400人次為依據(jù)（陳富昱，2014），由《鐵路旅客車站建筑設(shè)計規(guī)范（GB50226-2007）》計算得到一期站房主要功能（候車廳、集散廳、商業(yè)）空間使用面積（中華人民共和國鐵道部，2012），與既有站房對比（表2），方案一期面積遠小于既有站房。研究方案采用上進下出與下進下出結(jié)合的進出站模式，一期地下空間貫穿南北且北側(cè)提供旅客地下進站空間，地上體量位于南側(cè)，于南、東、西三側(cè)設(shè)置進出站入口；為降低擴建施工對站房正常使用的影響，北側(cè)預(yù)建結(jié)構(gòu)，保證后期快速擴建的可能性（圖13）。

圖12 室內(nèi)細部

表2 天津西站2030年預(yù)測與既有面積對比（以候車廳、集散廳、商業(yè)為例）

圖13 方案分期示意

4.2.6 站前廣場

方案將時間因素考慮在內(nèi)，基于現(xiàn)階段站房規(guī)模與高峰期劇增客流情況，提升站前廣場的人流集散功能：站房結(jié)構(gòu)單元形式沿用至廣場，以人的尺度進行比例調(diào)整后作為廣場構(gòu)筑物，平日用于遮蔭、售賣，高峰時期作為旅客臨時休息區(qū)（圖14）——不僅避免了站房規(guī)模過大帶來的能耗問題，也使站前廣場成為“城市客廳”，增強建筑與城市一體化。

5 節(jié)能效果模擬分析

以研究方案與既有站房為對象，進行能耗與碳排放的模擬計算與節(jié)能評價，以對比分析的方式驗證整合節(jié)能策略后的效果。根據(jù)《民用建筑設(shè)計通則》（GB50352-2005），天津西站作為大型重要公共建筑，建筑壽命為100年，故本文能耗和碳排放計算以100年為運行期，并以2030年為時間節(jié)點將其分為一期（2030前）和二期（2030后）。

5.1 建筑能耗模擬

5.1.1 建立模型與參數(shù)設(shè)置

能耗模擬借助Designbuilder軟件，經(jīng)過模型簡化、參數(shù)設(shè)置等過程，得到最終模擬結(jié)果。簡化后的模型如圖15所示，參數(shù)的設(shè)置如人員活動狀況、圍護結(jié)構(gòu)材料構(gòu)造、照明與暖通空調(diào)系統(tǒng)等根據(jù)實地調(diào)研與施工圖紙所得的數(shù)據(jù)信息輸入，研究方案與既有站房各項參數(shù)設(shè)定一致，以驗證建筑設(shè)計層面帶來的能耗差異。

5.1.2 模擬結(jié)果與對比分析

模擬分析了研究方案與既有站房的候車廳室內(nèi)溫度波動，包括空氣溫度、輻射溫度和體感溫度3類指標(biāo)，結(jié)果表明，既有站房候車廳室內(nèi)存在嚴(yán)重的夏季過熱、冬季過冷現(xiàn)象，而在研究方案中得到了明顯緩解（圖16）。

能耗計算范圍包含采暖、制冷和照明3項主要能耗，采用等效電法進行不同種類能耗之間的換算。運行能耗強度方面，研究方案一期總能耗強度約100kWh/m2·a，與既有站房約160kWh/m2·a的總能耗強度相比，節(jié)能率達到37.5%；方案二期是在一期的基礎(chǔ)上主要增加北側(cè)集散廳、高架候車層的空間，二期完成后整體方案的能耗強度約116kWh/m2·a，遠小于既有站房能耗強度；對比運行期100年總能耗，研究方案比既有站房降低約50%，實現(xiàn)節(jié)能量952 634 020kWh（圖17）。

圖14 站前廣場構(gòu)筑物

圖15 Designbuilder軟件模擬模型

圖16 夏季和冬季典型日候車廳室內(nèi)溫度波動

圖17 模擬結(jié)果與能耗對比

圖18 生命周期碳排放量對比

5.2 建筑生命周期碳排放量計算

此部分使用《2006年IPCC國家溫室氣體清單指南》（政府間氣候變化專門委員會，2007）所提供的計量方程：溫室氣體排放=AD×EF（AD為人類活動發(fā)生程度的信息，EF為量化單位活動的排放量或清除量的系數(shù)）來估算溫室氣體排放量。碳排放計量范圍包含建材生產(chǎn)及運輸、建筑施工、建筑運行、建筑拆除各階段的完整生命周期。

對比生命周期碳排放總量，研究方案比既有站房減少63.4%的碳排放，共計減少CO2排放量874 059t。數(shù)據(jù)表明，通過采取節(jié)能措施與控制建材用量，研究方案在運行能耗碳排放和建材生產(chǎn)碳排放兩個分項上減排效果最為明顯（圖18）。

6 結(jié)語

本文以寒冷地區(qū)天津西站高鐵站房方案設(shè)計，在建筑方案設(shè)計層面基于節(jié)能減排視角探討適于高鐵站房本身特點的節(jié)能設(shè)計策略，并進行能耗與碳排放模擬評價，以期為寒冷地區(qū)大型、特大型高鐵站的節(jié)能方案設(shè)計提供參考，并對其他地區(qū)不同規(guī)模高鐵站房設(shè)計提供借鑒。高鐵站房作為城市門戶，彰顯了一種設(shè)計中的文化訴求，以節(jié)能減排為目標(biāo)的高鐵站設(shè)計不僅可以有效減少建筑全生命周期的能耗和碳排放，對于引導(dǎo)綠色低碳美學(xué)觀，推動其他類型的城市公共建筑實現(xiàn)節(jié)能減排也具有現(xiàn)實意義。