適應高寒氣候特點的鐵路站房建筑節能策略

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)

隨著我國鐵路的發展，高寒地區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、照明系統復雜，且全年運行[2-3]。考慮到高寒地區氣候特征的特殊性，其建筑能耗問題尤為突出，節能要求更高，節能潛力也更大。

鐵路站房的節能設計受到了國內學者的廣泛關注，開展了詳實細致的研究，涉及到不同的氣候區。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境又滿足節能要求的嚴寒氣候區候車空間節能優化策略[4]；寒冷氣候區一直以來都是研究的熱點區域，研究提出了很多滿足熱環境以及光環境要求的鐵路站房節能設計和改造方法[5]；此外，研究者們還詳細探究了夏熱冬冷地區火車站節能設計策略[6]。目前，針對夏熱冬暖以及溫和氣候區的研究相對較少，中鐵第四勘察設計院集團有限公司以昆明南站站房為例，創新性地提出適用于溫和地區地鐵路站房節能設計方法[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進行了建筑被動技術優選以降低站房的綜合能耗[8]。

建筑物的室外環境是建筑能耗的先決條件，上述研究針對我國不同氣候區都做了較為詳盡的研究，但可以看出針對高寒地區鐵路站房的節能設計研究仍然較少。因此，本文認為有必要針對高寒地區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能措施，以幫助建筑師制定合理的節能措施。

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 ℃。雖然林芝地區在中國建筑氣候區劃中屬于寒冷地區，但是與其他寒冷氣候區相比，林芝地區太陽輻射強度大，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中小站房，具有一定的代表性和普適性。

2 高寒地區鐵路站房建筑節能策略模擬計算

2.1 冷風滲透優化

鐵路站房室外場地環境的優化可以有效地改善建筑周邊的微環境，從而降低建筑能耗[10]。高寒地區太陽輻射量充足，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，結果發現綠化面積與植株類型及其布局形式對站房區域微環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境幾乎沒有改善作用。另外，下墊面材質的選擇對站房區域熱環境有較大影響，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域的熱環境。

其次，在高寒地區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風場情況進行了模擬分析，根據林芝地區的氣候條件，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，背立面室內檢票口處不設門斗；方案二為正立面門斗在室內，背立面室內檢票口處不設門斗；方案三為正立面門斗在室外，背立面室內檢票口處設門斗；方案四為正立面門斗在室內，背立面室內檢票口處設門斗。模擬結果如圖1所示，方案一一層室內風速均小于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，說明室內設內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門斗。

圖1 不同門斗形式對室內風場的影響圖

2.2 圍護結構節能設計

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，根據空氣質量規范要求和功能分區特點，室內空氣設計參數如表1所示。

表1 室內空氣設計參數表

原始模型外墻構造基本參數如表2所示。

表2 林芝站原始模型外墻構造基本參數表

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《公共建筑節能設計標準》[12]和《西藏自治區民用建筑節能設計標準》[13]的要求，西藏自治區甲類公共建筑墻體的平均傳熱系數應該小于等于0.5 W/(m2·K)。根據相關資料，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，高寒地區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如表4所示，熱工參數設置同上。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《公共建筑節能設計標準》和《西藏自治區民用建筑節能設計標準》，西藏自治區甲類公共建筑的屋面的平均傳熱系數應該小于等于0.40 W/(m2·K)。根據相關資料，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，推薦節能效果較好的擠塑聚苯板高寒地區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]，西藏傳統民居的建筑形態一般選擇方形等簡單形體，通過降低筑物的體形系數以減少了建筑物與周圍環境產生的熱交換[15]。同理，高寒地區鐵路站房也應盡量選擇規則的形體，使體形不要太復雜，凹凸面不要過多，避免體形系數過大，以達到節能的目的。

另外需要說明一點，根據目前防火規范《建筑設計防火規范》[16]規定“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，而導熱系數較小的相對節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，目前市場上也出現了如FAE-A級防火蜂巢隔離保溫板是在傳統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會大于墻體的傳熱系數，室內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，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。在考慮室內參數為照明節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，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

氣候條件是建筑節能設計的重要依據，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鐵路站房建筑的節能方法和策略，為高寒地區同類鐵路站房的節能設計提供參考與建議，主要結論如下：

(1)在高寒地區鐵路站房的規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，改善建筑周圍的微環境以降低能耗。關于冷風侵入，在室內設內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，滿足規范基本要求即可。