高速公路房屋建筑安全、環(huán)保、節(jié)能設計理念分析

李世孝

（甘肅省交通規(guī)劃勘察設計院股份有限公司，蘭州730000）

1 引言

高速公路房建工程具有遠離市區(qū)、區(qū)域跨度大等特征，無法接入城市熱力管網(wǎng)， 且嚴寒及寒冷地區(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，其凍脹程度越嚴重，質(zhì)量受損程度越嚴重。 土壤凍脹作為影響嚴寒及寒冷地區(qū)高速公路房建工程建設質(zhì)量的重要影響因素， 一直是從業(yè)相關者研究的重點問題。 目前，我國關于土壤凍脹問題的研究主要集中于防寒處理，通過采暖及保溫策略，避免因低氣溫而增加土壤的凍脹風險。 僅僅從建筑圍護結(jié)構(gòu)熱工學的方面控制建筑熱損耗難以滿足該地區(qū)高速公路房建工程的采暖及保溫需求，還需要對內(nèi)部熱源、末端供暖方式及設計進行優(yōu)化[1-2]。基于此， 本論文將以嚴寒及寒冷地區(qū)高速公路房建工程作為依托，基于地域性差異化特征，對建筑安全、環(huán)保、節(jié)能方面設計理念進行分析， 力圖形成相對完整的高速公路沿線設施綠色建筑設計方法。

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， 基于地球水體儲存的太陽能實現(xiàn)就地取材完成供暖； 土壤源熱泵系統(tǒng)是基于地下土壤儲存的地熱能發(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)應用與當?shù)厮?、氣象條件存在密切關聯(lián)性， 故一般房屋建筑主要采用多聯(lián)機系統(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)境污染嚴重等問題，故有必要尋找適合嚴寒及寒冷地區(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 甘肅高速公路沿線房屋建筑設計理念

3.1 工程總體設計思路

房屋建筑是高速公路網(wǎng)絡中的基本配套設施， 是體現(xiàn)公路交通文化的重要窗口。 河西片區(qū)高速項目地處高寒、 高海拔、強紫外線、大風沙、蚊蟲肆虐、鼠疫重災區(qū)的沙漠戈壁，且年平均沙塵天氣超過100 d，自然環(huán)境極度惡劣，工程有效工期不足14 個月，施工任務極為繁重。 由于甘肅高速公路沿線房屋建筑（服務區(qū)、收費站）區(qū)別于一般性民用建筑及城市公共建筑，故該項目房屋建筑設計需要明確信息化、綠色化、智能化建設目標并圍繞此目標進行設計。

1）符合嚴寒、寒冷地區(qū)高速沿線地區(qū)特征，充分體現(xiàn)出沿線地區(qū)各異的文化及特色，要與周圍地形、地勢結(jié)合，建設與周圍環(huán)境和諧一體的房屋建筑。

2）充分應用安全、環(huán)保、節(jié)能設計及技術；建設過程中循環(huán)利用洞渣、廢水，洞渣破碎后用于道路施工，積極應用清潔能源。

3）貫徹人性化設計理念，充分考慮使用者需求，應用信息化技術為出行者提供便利交通。

4）進行科技創(chuàng)新，將信息化技術貫徹全項目建設中，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)保設計理念——熱源設計

節(jié)能環(huán)保設計是基于當?shù)貧夂蚣皡^(qū)域條件， 在充分利用當?shù)刈匀粌?yōu)勢，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用相關的低碳、環(huán)保建設性技術的案例較多， 其中甘肅高速公路沿線房屋建筑創(chuàng)新型節(jié)能環(huán)保設計主要體現(xiàn)在熱源設計， 沿線房屋建筑均選用節(jié)能環(huán)保型熱源，即空氣源熱泵機組+ 太陽能（見圖1），不僅解決了采暖熱源問題，同時解決了熱水供應問題。 太陽能熱泵采用低溫太陽能輔助的空氣源熱泵機組和太陽能集熱系統(tǒng)結(jié)合，太陽能和熱泵互為輔助熱源，不僅最大限度地利用了太陽能， 還解決了陰雨天氣及冬季環(huán)境溫度較低太陽能資源不足時熱水供應保證率問題，做到全年、全天候供應熱水。 系統(tǒng)盡可能將空氣源熱泵冷熱水機組布置在室外， 太陽能板置于綜合樓屋面、陽臺等地，供暖期間保證房間溫度在18 ℃以上。

圖1 空氣源熱泵+太陽能系統(tǒng)原理圖

1）環(huán)保方面。 采用太陽能這一清潔綠色能源利用技術，通過太陽能轉(zhuǎn)換為熱能并輸送到各用戶所必需的系統(tǒng)中， 滿足服務區(qū)、維修站、加油站等基本熱水及暖熱源需求。 太陽能熱水工程是傳統(tǒng)公認綠色且運行費用低廉的熱水工程。 而空氣源熱泵熱水工程是應用空氣能，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)出綠色交通建設理念。

2）節(jié)能方面。 采用節(jié)能低碳技術，設置固定制熱時段、儲能時段、儲能供熱時段，極端天氣狀態(tài)下，進行電輔熱提供熱量。 通過空氣源熱泵和太陽能的結(jié)合，有效降低空氣源熱泵的運行成本，解決夜間供熱效率低下、因低溫結(jié)霜導致的空氣源熱泵工作不穩(wěn)定等問題。 空氣源熱泵制熱時段為9:00～17:00，通過啟動空氣源熱泵，給用戶散熱器提供熱量，同時加熱熱水儲罐中的水，當熱水儲罐溫度高于50 ℃后，空氣源熱泵停止工作。 儲能時段為9:00～17:00，當儲水罐水溫低于25 ℃，或極寒天氣下空氣源熱泵不能工作時，啟動太陽能集熱器，為戶用散熱器提供熱量，多余部分熱量用于儲存在熱水儲罐中，水溫超過90 ℃時，太陽能集熱器停止工作。 儲能供熱時段為17:00～9:00，當空氣源熱泵和槽式太陽能集熱器提供的熱量不足以滿足建筑采暖時，使用熱水儲罐中的熱水為戶用散熱器供熱。 極端天氣，連續(xù)陰天或雨雪天，太陽能光照不足時，使用電輔熱為熱儲罐中的水升溫，并為戶用散熱器提供熱量。 結(jié)合空氣源熱泵機組與太陽能，不僅可以貫徹落實節(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中央熱水工程熱源設備發(fā)展的新方向。

3.3 安全設計理念

自然條件下的日照溫度或驟然溫變等情況將會導致建筑物各層梁板出現(xiàn)伸長或縮短現(xiàn)象， 尤其是室內(nèi)外溫差相差巨大時，建筑物結(jié)構(gòu)內(nèi)外構(gòu)件會產(chǎn)生相互約束作用，出現(xiàn)溫度性應力變形或結(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施自身能源消耗，提高房建設施結(jié)構(gòu)熱工性能，還有利于節(jié)約運行費用，將期望工程平均壽命成本降低到合理的程度。

3.4 信息化設計理念

敦當高速項目是甘肅省首條公路設施建管養(yǎng)一體化信息化集成服務平臺示范試點項目，在建設過程中，全面推行信息化管理，應用互聯(lián)網(wǎng)+ 視頻監(jiān)控系統(tǒng)，對隧道施工狀態(tài)進行全面監(jiān)控，對相關人員及設備進行定位跟蹤，確保了項目安全性及高效性。 應用智慧高速綜合管理云平臺和建管養(yǎng)一體化信息系統(tǒng)，集合監(jiān)測、調(diào)度、管控、應急、服務一體，實現(xiàn)數(shù)據(jù)一個庫、 監(jiān)管一張網(wǎng)、 管理一條線的目標， 不僅可以促進公路與5G、大數(shù)據(jù)、云計算、區(qū)塊鏈和互聯(lián)網(wǎng)等技術深度融合，建設運營管理信息化子平臺， 持續(xù)提高公路運營管理效能和智慧化水平，通過可視化圖層、視頻監(jiān)控、預警反饋、應急救援等技術手段，以及通過智能溫度控制、溫室控制、儀表控溫、智能測溫系統(tǒng)實現(xiàn)對綜合樓室溫智能化控制，推動智能建筑系統(tǒng)發(fā)展，實現(xiàn)全天候高效運營，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。

4 結(jié)語

嚴寒及寒冷地區(qū)高速項目房屋建筑存在遠離市區(qū)、 區(qū)域跨度大、環(huán)境較為惡劣、氣溫較低、水分遷移集聚易導致土壤凍脹等問題。 而優(yōu)化建筑內(nèi)部熱源、末端供暖方式及設計不僅為建筑提供節(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)機系統(tǒng)等，存在區(qū)域或污染嚴重等局限性， 需要探尋適宜嚴寒及寒冷地區(qū)且具有節(jié)能環(huán)保性質(zhì)的新供暖方式。 在嚴寒和寒冷地區(qū)高速公路項目中充分融入節(jié)能、環(huán)保與安全理念，基于高速項目地域特征及常見新型病害，創(chuàng)新新型技術，確保房屋建筑的安全性，延長其使用壽命。 在保證房屋建筑質(zhì)量安全的前提下，其工程設計還需要貫徹落實節(jié)能環(huán)保技術， 沿線房屋建筑均選用節(jié)能環(huán)保型熱源，空氣源熱泵機組+ 太陽能，不僅解決了采暖熱源問題，同時解決了熱水供應問題， 貫徹落實節(jié)能減排理念， 保證全年、全日連續(xù)供熱。