青藏±400 kV格爾木換流站建筑節能及防風沙研究

呂文娟，陳樂，陳正時

（西北電力設計院，陜西西安710075）

青藏±400 kV直流輸電工程是世界第一條高海拔±400 kV直流輸電工程，起點為青海省格爾木換流站，落點為西藏換流站。±400 kV格爾木換流站與750 kV柴達木變電站同址合建，由于格爾木換流站地處高海拔、多風沙、強日照、晝夜溫差大的極端惡劣環境，站址污穢等級較高，給建筑構造設計帶來諸多難題。

根據格爾木換流站建筑設計的特點，對全站建筑節能、防風沙設計進行了研究，特別是針對建筑的外墻、門窗、鋼結構屋蓋的防風設計進行了進一步的探討，為青藏±400 kV直流輸電工程的實施提供了技術支持，也為后續惡劣環境中的換流站工程建筑設計提供了可借鑒的經驗。

1 建筑構造節能設計

中國的建筑能耗量約占全國總用能量的1/4，居耗能首位。近年來，中國建筑業得到了快速發展，大量的建造和運行需要使用能源，而作為耗能大戶的建筑的采暖和空調耗能，因其耗能大，節能就成為關系國計民生的重大問題。無論從整個國際經濟氣候還是中國宏觀經濟趨勢來看，能源節約勢在必行。

建筑能耗是人們常常忽視的重大問題。減少建筑能耗就是改善維護結構的熱工性能，減少室外熱量傳入室內，減少室內熱量流失，使熱環境得以改善，減少冷熱消耗，提高熱舒適度。采用節能型的技術、工藝、材料，提高保溫隔熱性能，在保證室內熱環境質量的前提下，減少運行能耗。

控制樓是換流站的心臟，控制樓內二次設備屏柜很多，特別是主控室、計算機室的溫度、潔凈度要求高，另外控制樓也是運行人員工作學習的場所，保證冬暖夏涼，減少因晝夜溫差大而帶來的能耗，因此，建筑外維護保溫、節能是刻不容緩要研究的問題。改善建筑外圍護結構的保溫性能是建筑設計上的首要節能措施。綜合樓是運行人員生活辦公的場所，舒適的環境體現人性化設計的理念，本工程設計將人、自然、節能等元素很巧妙地同建筑融合，改善維護結構的熱工性能從而降低能耗。維護結構節能設計主要是解決它的保溫、隔熱及氣密性[1-2]。

1.1 墻體節能

墻體是建筑外圍護結構的主體，其所用材料的保溫性能直接影響建筑的耗熱量。因而在節能的前提下，應進一步推廣空心磚墻及其復合墻體技術。

常用的保溫材料有：巖棉、玻璃棉、礦渣棉，膨脹蛭石、膨脹珍珠巖，各類聚苯板、夾心板，加氣混凝土等。采用不同的保溫材料與基層墻體復合，構成復合保溫墻體。提高外墻的節能性能，主要是增大其熱阻。將保溫層置于外墻的外表面是一種先進的外墻節能技術，具有六大優越性：保溫、隔熱性能優良，能消除結構性冷（熱）橋，保護主體結構，不占室內建筑面積，不影響室內裝修，便于建筑的節能改造。本工程采用聚苯板（EPS）與加氣混凝土墻體復合提高外墻保溫、隔熱性能。聚苯板（EPS）具有密度、強度、硬度大，表面致密；導熱系數、線膨脹系數、水蒸汽透過系數小，吸水率低等特點。

1.2 門窗節能

外門窗是能耗散失的最薄弱部位，其能耗占總能耗的比例較大，其中傳熱損失為1/3，冷風滲透為1/3，所以在保證日照、采光、通風、觀景要求的條件下，盡量減小外門窗洞口的面積，提高外門窗的氣密性，減少冷風滲透，提高外門窗本身的保溫性能，減少外門窗本身的傳熱量。其節能措施有：

1）控制窗墻面積。冬季嚴寒漫長，因此，建筑設計中充分利用天然能源，無疑是最基本的改善室內熱環境的設計，是最基本的節能措施。在滿足通風采光，保證窗戶的氣密性和隔熱性的要求下，室內的自然熱環境較好，可以大大地節約采暖和空調的耗能。

2）提高外窗的氣密性，減少冷空氣滲透。在建筑能耗中，通過門窗損失的能耗占到全部建筑能耗的40%～50%，因此，門窗材料的選擇對節能至關重要。設置泡沫塑料密封條，使用新型的、密封性能良好的門窗材料。而門窗框與墻間的縫隙可用彈性松軟型材料（如毛氈）、彈性密閉型材料（如聚乙烯泡沫材料）、密封膏以及邊框設灰口等密封；框與扇的密封可用橡膠、橡塑或泡沫密封條以及高低縫、回風槽等；扇與扇之間的密封可用密封條、高低縫及縫外壓條等；扇與玻璃之間的密封可用各種彈性壓條等。

3）改善門窗的保溫性能。提高窗料和玻璃的節能性能，選用斷熱鋁型材，中空玻璃外層鍍膜，減少直射光的輻射熱。縮短窗扇的縫隙長度，采用大窗扇，減少小窗扇，擴大單塊玻璃的面積，減少窗芯，合理地減少可開啟的窗扇面積，適當增加固定玻璃及固定窗扇的面積。

斷熱鋁型材按GB/T5237.1選用6063-T5鋁合金熱擠壓型材。密封膠條選用三元乙丙EPDM膠條，抗紫外線性能、抗老化性、抗高低溫性能良好，從而減少能耗。節能門窗的水密性能（GB/T7108-2002）6級，氣密性能（GB/T7107-2002）5級，抗風壓（GB/T7106-2002）8級，保溫性能（GB/T8484-2002）8級，隔聲性能（GB/T8485-2002）4級。

4）設置“溫度阻尼區”。所謂溫度阻尼區就是在室內與室外之間設有一中間層次，這一中間層次像熱閘一樣可阻止室外冷風的直接滲透，減少外墻、外窗的熱耗損。外門設防風門斗，防止冷風倒灌，樓梯間設計成封閉式等措施均能收到良好的節能效果。

1.3 屋面節能

在不斷改進建筑外墻、外窗的保溫性能后，還必須進一步加強屋面保溫隔熱的研究。屋面節能措施的要點，其一是屋面保溫層不宜選用密度較大、導熱系數較高的保溫材料，以免屋面重量過大、厚度過高；其二是屋面保溫層不宜選用吸水率較大的保溫材料以防屋面濕作業時因保溫層大量吸水而降低保溫效果，如選用吸水率較高的保溫材料，屋面上應設置排氣孔以排除保溫層內不易排出的水分。現在，高效保溫材料已經開始應用于屋面，本工程屋面采用膨脹珍珠巖保溫芯板保溫層代替常規的瀝青珍珠巖或水泥珍珠巖做法，克服了常規做法的諸多缺點[3]。

2 建筑防風沙構造設計

建筑物防風沙構造的應用著力于改善由于高原特殊氣候環境條件所造成的建筑物使用壽命縮短、建筑物理環境受損、建筑使用功能舒適度下降的問題。

2.1 防風沙門斗

門斗是進入控制樓、綜合樓及閥廳內部空間的過渡區域，既可起到保溫作用又可阻擋風沙的侵入，由于控制樓內二次設備屏柜很多，特別是主控室、計算機室的潔凈要求高，防風沙設計必不可少，因此，外門增加門斗并選用密閉性能高的“肯德基”式型材門；門窗加防風密封毛條。

2.2 鋼結構圍護結構抗風設計

2.2.1 加強圍護受力構件的設計

按照國家標準《建筑結構荷載規范》和《鋼結構設計規范》進行風荷載取值與計算，保證主結構在承載能力極限狀態和正常使用極限狀態下不發生破壞，滿足閥廳的功能使用要求。

本工程壓型鋼板圍護結構的受力構件主要為屋面檁條和墻面墻梁。對于檁條和墻梁，分別按墻面、墻角邊、屋面屋脊處、檐口不同部位的局部風壓體型系數進行了構件及其連接強度的驗算。屋面檁條和墻面墻梁的間距不大于1.2 m，在墻、屋面端部、角部的檁條或墻梁間距適當加密，保證圍護系統與結構受力構件的有效傳力。

屋面檁條分為主檁和次檁，主檁采用高頻焊接薄壁H型鋼，次檁采用冷彎C型薄壁型鋼。墻梁采用高頻焊接薄壁H型鋼、矩形鋼管和輕型槽鋼。受力構件的鋼材均選用Q235B號鋼；鋼材性能須符合GB/T700-1988的規定。高頻焊接薄壁H型鋼應滿足《結構用高頻焊接薄壁H型鋼》JG/T137-2007的規定；矩形鋼管若采用冷彎型鋼，應滿足《建筑結構用冷彎矩形鋼管》JG/T178-2005中Ⅰ級產品的要求。

2.2.2 采用270°直立縫鎖邊屋面系統有效提高屋面抗風能力

屋面壓型鋼板選用270°直立縫鎖邊連接，此板型可保證屋面連接沒有螺釘穿透屋面板，壓型鋼板通過專用工機具牢固鎖合在固定支座上，可以抵抗較大負風壓荷載。屋面板支座用自攻螺釘固定在2 mm厚鍍鋅Z型鋼襯檁上，襯檁用自攻螺釘固定在高頻焊工字鋼檁條上，自攻螺釘固定在底層壓型鋼板波谷處，波谷用硬質橡膠墊塊填實，保證自攻螺釘將襯檁牢固地固定在高頻焊工字鋼檁條上。使得在強風吸情況下螺栓能可靠地拉住襯檁[4-5]。

2.2.3 采用不銹鋼天溝并配合結構緊固件從根本上強化了屋面的抗風能力

屋面天溝設計考慮采用1.5 mm厚不銹鋼鋼板天溝，折彎成槽型，安裝在天溝專用支座上，天溝板兩段固定在結構緊固構件上；天溝中部間距2 m設一道天溝拉桿，加強天溝整體性和抵抗風吸力作用下的變形能力[6]。

天溝支架另一側設置一層壓型鋼板，壓型鋼板在天溝板另一側抵抗風荷載，防止天溝受到不利的風荷載。

這種不銹鋼天溝系統較之以往鋼板天溝構造具有良好的防水效果。鋼板天溝在搭接處若采用焊接，天溝會產生很大變形，與屋面板連接處會出現無法封堵的縫隙；若采用搭接形式，密封膠失效后會產生漏水；鋼板天溝防腐處理不好會銹蝕，且需要定期維護。不銹鋼天溝可以采用焊接，不銹蝕，無安全隱患。

2.3 屋面防裂設計

為防止屋面大面積龜裂，設計上采用現澆40~60 mm厚的剛性層，配置￠4＠100雙向，并且摻入礦物抗裂纖維。

2.4 外墻防裂設計

由于外墻外保溫墻體外貼面磚本身就容易脫落，再加上晝夜溫差大等特點就很難貼面磚，因此，本工程外墻面選用砂壁狀涂料[7]，并在基層砂漿中摻入礦物抗裂纖維；外墻涂料層選用吸附力強、耐候性好、耐洗刷的彈性涂料；外粉刷必須設置分格縫；腰線、雨篷、陽臺等部位必須粉出不小于2%的排水坡度，且靠墻體根部處應粉成圓角；滴水線寬度應為10～20 mm，厚度不小于12 mm，且應粉成鷹嘴式；2種不同基體交接處設置鋼絲網，深入兩側基體不小于1 500 mm。

2.5 減少窗的開啟扇

由于圍護結構門窗不斷的開啟，會造成風沙的侵入，因此換流站建筑物盡量減少窗的開啟扇數量和尺寸，同時窗扇開啟扇的寬度小于600 mm。

2.6 雨水落水管清沙口

建筑物雨水落水管在離地1 m高處設清砂口防止其堵塞，并在建筑物周邊設沉沙井。

3 結語

1）±400 kV格爾木換流站換流建筑物與常規±500 kV直流工程布置方式基本相同，主要區別是將人、自然、節能等元素很巧妙地同建筑融合，減少惡劣環境對建筑物的損害，進行科學合理的節能、防風、防沙、防曬裂的構造設計，在降低建筑物能耗的同時延長建筑物使用壽命，提高建筑使用舒適度。

2）建議在今后的高壓直流換流站設計技術規定或變電站設計規范的修訂中增加惡劣環境的節能、防風、防沙、防裂設計章節。

[1] 中華人民共和國建設部，國家質量監督檢驗檢疫總局聯合發布.GB50189-2005公共建筑節能設計規范[S].北京：中國計劃出版社，2005.

[2] 中華人民共和國住房和城鄉建設部.JGJ 26-2010嚴寒和寒冷地區居住建筑節能設計標準[S].北京:中國建筑工業出版社,2010.

[3] 吳藝文,盧乃愷,王熾欣.淺談徐聞洋前風電場變電站的建筑設計[J].電網與清潔能源,2010,26(4):64-67.WU Yi-wen,LU Nai-kai,WANG Chi-xin.The eplore of the architecture design of the Guangdong YUDEAN Xuwen Yangqian wind power plant[J].Power System and Clean Energy,2010,26(4):64-67.

[4] 中華人民共和國建設部，國家質量監督檢驗檢疫總局聯合發布.GB 50016-2006建筑設計防火規范[S].北京：中國計劃出版社，2006.

[5] 中華人民共和國國家發展和改革委員會.DL/T 5223-2005高壓直流換流站設計技術規定[S].北京：中國電力出版社，2005.

[6] 陳傳新,王靜,朱功輝,等.±800 kV換流站閥廳和主控樓結構選型[J].南方電網技術,2009,3(5):10-14.CHEN Chuan-xin,WANG Jing,ZHU Gong-hui,et al.Structure form selection of the valve hall and control building of±800 kV DC converter station[J].Southern Power System Technology,2009,3(5):10-14.

[7] 中華人民共和國建設部.JGJ 144-2004外墻外保溫工程技術規定[S].北京:中國建筑工業出版社,2005.