高速公路房屋建筑安全、環保、節能設計理念分析

李世孝

（甘肅省交通規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、區域跨度大等特征，無法接入城市熱力管網， 且嚴寒及寒冷地區高速公路房建工程由于環境較為惡劣， 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量，且溫度越低，其凍脹程度越嚴重，質量受損程度越嚴重。 土壤凍脹作為影響嚴寒及寒冷地區高速公路房建工程建設質量的重要影響因素， 一直是從業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。 僅僅從建筑圍護結構熱工學的方面控制建筑熱損耗難以滿足該地區高速公路房建工程的采暖及保溫需求，還需要對內部熱源、末端供暖方式及設計進行優化[1-2]?；诖?， 本論文將以嚴寒及寒冷地區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、環保、節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供暖， 但由于嚴寒及寒冷區域跨度較大且基于氣候、地質差異，供暖方式逐漸被節能性系統代替，節能性系統包括地下水源、土壤源熱泵系統、多聯機系統等。 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就地取材完成供暖； 土壤源熱泵系統是基于地下土壤儲存的地熱能發揮制冷、制熱效果[3-4]。 雖然上述兩種熱源屬于環保型能源，但上述熱源系統應用與當地水文、氣象條件存在密切關聯性， 故一般房屋建筑主要采用多聯機系統等發揮供暖功效。 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、環境污染嚴重等問題，故有必要尋找適合嚴寒及寒冷地區高速公路房建工程的可代替的、具有節能性的供暖模式[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絡中的基本配套設施， 是體現公路交通文化的重要窗口。 河西片區高速項目地處高寒、 高海拔、強紫外線、大風沙、蚊蟲肆虐、鼠疫重災區的沙漠戈壁，且年平均沙塵天氣超過100 d，自然環境極度惡劣，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、收費站）區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、寒冷地區高速沿線地區特征，充分體現出沿線地區各異的文化及特色，要與周圍地形、地勢結合，建設與周圍環境和諧一體的房屋建筑。

2）充分應用安全、環保、節能設計及技術；建設過程中循環利用洞渣、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據支持，需要大力創新科技，提高工程質量。

3.2 節能環保設計理念——熱源設計

節能環保設計是基于當地氣候及區域條件， 在充分利用當地自然優勢，讓房屋建筑盡可能減少資源消耗及環境污染，節約成本。 在高速公路房屋建筑中成功應用相關的低碳、環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新型節能環保設計主要體現在熱源設計， 沿線房屋建筑均選用節能環保型熱源，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結合，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+太陽能系統原理圖

1）環保方面。 采用太陽能這一清潔綠色能源利用技術，通過太陽能轉換為熱能并輸送到各用戶所必需的系統中， 滿足服務區、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、節能、環保的熱水工程，可降低燃煤鍋爐供暖頻率，減少碳排放量，繼而減少環境污染，充分體現出綠色交通建設理念。

2）節能方面。 采用節能低碳技術，設置固定制熱時段、儲能時段、儲能供熱時段，極端天氣狀態下，進行電輔熱提供熱量。 通過空氣源熱泵和太陽能的結合，有效降低空氣源熱泵的運行成本，解決夜間供熱效率低下、因低溫結霜導致的空氣源熱泵工作不穩定等問題。 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。 結合空氣源熱泵機組與太陽能，不僅可以貫徹落實節能減排理念，還能保證全年全日連續供熱。 該研究方向也是近年來中央熱水工程熱源設備發展的新方向。

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伸長或縮短現象， 尤其是室內外溫差相差巨大時，建筑物結構內外構件會產生相互約束作用，出現溫度性應力變形或結構變形，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。 而節能環保型熱源不僅可以降低房建設施自身能源消耗，提高房建設施結構熱工性能，還有利于節約運行費用，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，應用互聯網+ 視頻監控系統，對隧道施工狀態進行全面監控，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一體化信息系統，集合監測、調度、管控、應急、服務一體，實現數據一個庫、 監管一張網、 管理一條線的目標， 不僅可以促進公路與5G、大數據、云計算、區塊鏈和互聯網等技術深度融合，建設運營管理信息化子平臺， 持續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、智能測溫系統實現對綜合樓室溫智能化控制，推動智能建筑系統發展，實現全天候高效運營，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 結語

嚴寒及寒冷地區高速項目房屋建筑存在遠離市區、 區域跨度大、環境較為惡劣、氣溫較低、水分遷移集聚易導致土壤凍脹等問題。 而優化建筑內部熱源、末端供暖方式及設計不僅為建筑提供節能性供暖、 供水資源， 還可以降低土壤凍脹危害，節約資源，降低供暖對環境的污染。 既往供暖方式主要為地下水源、土壤源熱泵系統、多聯機系統等，存在區域或污染嚴重等局限性， 需要探尋適宜嚴寒及寒冷地區且具有節能環保性質的新供暖方式。 在嚴寒和寒冷地區高速公路項目中充分融入節能、環保與安全理念，基于高速項目地域特征及常見新型病害，創新新型技術，確保房屋建筑的安全性，延長其使用壽命。 在保證房屋建筑質量安全的前提下，其工程設計還需要貫徹落實節能環保技術， 沿線房屋建筑均選用節能環保型熱源，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， 貫徹落實節能減排理念， 保證全年、全日連續供熱。