低碳环保技术在交通枢纽客站中的应用

赵建华，杜 爽

(铁道第三勘察设计院集团有限公司，天津 300251)

从哥本哈根到达沃斯,从政治博弈到全球经济利益竞争,低碳经济与绿色发展已经成为世界的焦点。来自中国的声音：到2020年,使单位国内生产总值(GDP)二氧化碳排放比2005年下降40%到45%。在20世纪70年代,当全球性的能源危机和环保问题凸现以后,铁路运输以其大运量、低能耗、高环保、全天候、安全等优势在一些发达国家再次获得了发展机遇。日本、法国、德国等国的高速铁路相继建成,由此也建成了许多新型的铁路客站站房。与以前客站相比,这些新型客站站房在站址的选择上更加注重与城市道路、城市轨道交通、公路、航空、水运等交通设施的结合,形成了更为完备的综合交通体系,铁路客站已经发展成为综合交通枢纽中的重要组成部分。

从2003年开始,铁路大型综合交通枢纽的建设在国内真正兴起。新观念、新技术在大型枢纽铁路客站中的系统研究和集成运用,使其与以往客站形式发生了根本的变化,令人耳目一新。北京南站、天津东站、南京站、武汉站、广州东站、上海虹桥站等正是这一时期的代表作品。

国内外现代综合交通枢纽的现状和发展表明,交通枢纽的最基本特点是功能多元化和空间集约化。综合交通枢纽是若干运输体系的集成,其集铁路、公交、地铁、轻轨、出租车和私家车为一体,形成联系紧密、运作高效的交通体系。

综合交通枢纽是城市设计和城市规划的重要组成,也是城市功能的新体现。为实现“一体化设计”的目标,通过综合客站与城市建设的一体化,来使客站与城市功能联系更加紧密,实现空间、形态的相互渗透与融合；同时实现了不同运营商之间的资源共享,由此创造了新的城市空间。综合交通枢纽的综合性体现在两个方面：

其一，交通功能方面,将地铁、公交车、出租车和私家车等交通设施引入到铁路车站内部,成为城市公共交通的整合处,便于与市内其他区域的连接形成,方便旅客换乘；

其二，城市功能方面,突出城市功能的多样性,集商业、娱乐业、办公、文化业等多种城市功能于一体,能有效地汇聚人流,成为市民城市生活中的日常交流场所。传统铁路客站建筑与综合交通枢纽功能比较见表1。

表1 传统铁路客站建筑与综合交通枢纽功能比对

大型综合交通枢纽与城市的关系是相互影响相互带动的,例如：虹桥综合交通枢纽建成后,周边的城市用地及其商业价值得到迅速的攀升,与此同时,周边用地的开发也会给枢纽带来更大的客流,甚至包括本应服务于枢纽的城市轨道交通等设施也要分担周边非枢纽客流的压力。例如：上海虹桥综合交通枢纽集航空、铁路、高速磁悬浮为一体(图1),同时是沪杭高速铁路的起点站,汇集上海城市轨道2号线、10号线、13号线,同时还预留了2条地铁轨道。在城市高速铁路方面,目前从浦东到虹桥的磁悬浮铁路已贯通,同时,还考虑修建沪杭磁悬浮铁路线。加上配套的公路系统及虹桥航空港,虹桥综合交通枢纽将成为铁路、高速公路和航空3种交通方式融合一体,突出铁路客站与航空港两大对外交通功能的现代化客运中心和综合交通枢纽。

新建站房共3个主要层面(图2)：地下一层、站台层和高架层。地下三层(地铁5、17号线站台层)和地下二层(地铁2、10、青浦线)的土建工程大部分位于铁路站房下,形成立体交通模式,对于分离不同类型流线、节约城市土地、缩短旅客步行距离、增加城市立体景观有着显著效果。

图1 上海虹桥站交通示意

图2 上海虹桥站剖面

结合换乘面的步行系统,设置大型步行商业区,包含精品店、特色餐饮、文化娱乐、旅游休闲等各类商业服务设施,满足到达、出发旅客，中转旅客的商业购物、娱乐休闲等需求。

由此可见,从城市规划的角度考虑,建设综合交通枢纽是集约使用土地,整合城市交通空间的有力手段。综合交通枢纽使城市交通与铁路交通之间的无缝衔接成为可能,让人们的出行更高效、安全和舒适。对城市环境的可持续发展和社会的和谐具有积极的作用。

为了实现集约化的特殊的客站建筑空间,设计中采取一系列的先进技术和手段,如大型客站综合交通枢纽规划技术、大型综合交通枢纽客流组织技术、交通及客流组织关键技术、房桥合一结构体系、超大空间结构技术、性能化消防设计技术等。

同时,作为低碳时代的产物,设计中采取了一系列多专业、综合的节能环保技术。以建成的北京南站、天津站和上海虹桥交通枢纽为例,说明这些关键技术在实际工程中的应用。

1 室内外空间设计技术

图3 北京南站站台雨篷的通风采光

在综合交通枢纽车站内部大量引入阳光、空气、绿化,改善公共空间质量。北京南站力求通过建筑手段的处理改善车站内部光环境。屋面及雨棚上的天窗,通透的玻璃幕墙和设置于高架层与站台层的采光天井,可以将自然的日光引入到车站室内、站台上和地下空间内(图3)。天窗和幕墙采用具有隔热性能的玻璃,并设遮阳设施,以隔绝夏日过多的太阳辐射和紫外线。

北京南站高架候车厅跨度约190 m,为了使下方站台具有亲切的自然光环境,在高架层楼面上设置了南北向条形采光窗(图4),让光线能够间接照入站台,同样原因在站台面上设置长方形采光窗,可以让光线照到地下一层(最终由于多种原因未能全部实现),节约能源的同时丰富了室内空间效果。

图4 北京南站站台采光

2 建筑外围护结构节能技术

北京南站的建筑节能是从前期规划和建筑方案设计本身入手的。首先,采用椭圆形建筑形式,易于控制体型系数,减少建筑暴露在室外环境中的表皮面积；其次,建筑的朝向为南偏东42°,且主要房间均避开冬季最多频率风向(北向、北西向)和夏季最大日射朝向(西向)。

幕墙系统：北京南站主站房采用玻璃幕墙与石材幕墙相结合的设计,作为维护结构应该满足节能保温要求,作为站房的门面应该满足美观需要。严格控制窗墙比限值≤0.70。幕墙玻璃采用low-e中空玻璃幕墙,具有较好的保温隔热性能。西向和东向均设置了一定的遮阳百页。高架层石材幕墙还采用了复合墙体设计方法。外墙的综合传热系数控制在规范规定范围内。

屋面系统：北京南站屋面面积约7万m2,大面积采用了直立锁边系统屋面,保温层采用150 mm厚玻璃棉,下衬压型钢板。屋面铝镁锰合金板的板与板之间紧密扣合,屋面没有螺钉外露,其良好呼吸系统可以保证屋面保温层正常发挥作用,屋顶中央采光带的面积比例为0.30,采用双层中空Low-e玻璃,其间巧妙地运用太阳能光电板的遮阳作用,同时利用彩釉玻璃本身的遮阳隔热性能,达到综合遮阳的效果。

北京南站外围护结构热工指标的限值均在规范规定范围内,根据规范相关条文,判定为节能公共建筑设计。

3 建筑声环境设计技术

北京南站的建筑声学设计主要研究建筑结构外墙幕墙隔声；车站屋顶及天窗隔声性能研究；车站高架候车大厅及车站站台层等混响时间控制；车站站台层噪声传播； 机电设备的噪声及振动控制； 分隔车站站台层及高架候车大厅采光玻璃等的噪声传播；隔绝机房噪声与机房墙身隔声性能。

玻璃幕墙的隔声设计主要基于对交通噪声的分析结果和估算地面的活动噪声程度来完成。北京南站高架候车大厅体积巨大,不能满足上述一般性指标的应用条件。因此,参照香港国际机场客运大楼及北京首都国际机场三号航站楼的情况,对大厅吊顶造吸声处理,尽量减低混响时间,再配合扩声系统设计,以满足语言扩声清晰度指标；雨棚下部空间为半开放设计,雨棚高度较大,参照国家地下铁路车站指标及香港地铁九龙站站台情况,混响时间不高于2 s(500 Hz),再配合扩声系统设计,以满足语言扩声清晰度指标；车站站台层噪声源主要包括列车进出进入站台之轨道噪声、列车冷却系统排气风机噪声、公共广播扬声器声和活动噪声等。列车为主噪声源,较其他噪声源大,因此以列车声源为依据进行隔声设计。采取的主要隔声措施为：

站台行人区：吊顶天花吸声板采用最小25%冲孔铝合金板或金属通管(Tubeline Ceiling)后,加最小厚度50 mm吸声玻璃棉(32 kg/m3)外包黑色丝布。

轨行轨区上方：预留空间(最小100 mm)做吸声处理,满足最小吸声系数值。

站台轨行区侧墙：预留空间(最小100 mm)做吸声处理,满足最小吸声系数值。

对于从地下室设备间、机械楼层设备间传出的噪声主要利用适当的隔声墙和隔声门进行隔声,隔声墙在STC40～55。

对北京南站内部会产生振动的设备进行隔振处理,采用弹簧隔振器加1层橡胶的隔振材料,以隔绝固体声的传播。

4 减振降噪技术

“房桥合一”的结构技术,解决了大型交通枢纽轨道层结构的设计难题,为创造综合性交通空间提供了技术支持,同时也为建筑带来了列车振动的问题。例如：上海虹桥铁路客站自上而下分为高架商业开发层、高架站厅层、站台层、地下站厅层及地铁层,其中，国铁列车在站台层运行。地下部分包括5条线的地铁车站和地下站厅层,而来至上部站台层高速和普速列车进出站的噪声对地下站厅层侯车区及地铁层有很大的影响,特别是上部列车通过或进站停靠过程中,将产生较大的振动,引起建筑物的楼板或墙体振动,形成结构辐射噪声。若处理不当,将对地下结构及高架层结构及玻璃幕墙结构产生较大振动,对地下站厅层及高架层旅客乘车环境造成影响,因此应对轨道层采取相应的减振降噪措施。

初步研究结果表明,在时速200 km正线上采用钢轨阻尼板、在到发线上采用橡胶垫减振垫、在建筑结构上铺设的挤塑板、碎石道床间设置中粗砂隔离层等减振降噪措施后,站台及各对应候车室的噪声及振动环境仍不同程度地超过建议的噪声振动控制建议限值要求。

支撑列车的零层板在正线通过处设置2道变形缝,可以有效阻止高速通过列车的振动传播；同时在零层板还断有3道南北向、2道东西向温度缝,通过上述手段,可以有效地阻止固体传声及其引起的楼板或墙体振动和二次噪声的辐射。

由于列车运行时振动引发的噪声级相当高,并且很大程度上属于固体传声,因此最大程度地降低对地下站厅层进行吸声降噪处理,是更为实际而有效的方法。

5 照明环境设计技术

综合交通枢纽客站公共区灯光设计,应从传统的电力专业设计工作中分割出来,作为一项专题研究工作,由专业的照明设计师配合建筑设计师合作完成。照明设计按照建筑的不同区域、不同使用功能、不同装修风格进行灯光设计。照明设计与建筑结合,实现建筑灯具一体化设计,灯具本身作为装修构件,点缀环境。照明的节能设计,通过正确选择照度标准值,合理选择照明方式,使用高光效照明光源,采用高效率节能灯具,采用节电的照明控制方式：即分组分区、独立控制等方式实现。下面以天津站为例,展示新型客站照明技术的进步(图5)。

天津站照明面积大、照明装置多,采用高效光源和高效灯具对于节约能源、降低运营成本是至关重要的措施。在低矮空间采用三基色直管荧光灯或小功率单管荧光灯,高大空间选用金属卤化物灯。

由于客运站几乎是24 h运营的,因此采用的光源和灯具均应具备较高的运行可靠性和较长的运行寿命,以降低维护运行的工作量和成本。

建筑立面照明的目的不仅仅是在夜间把建筑物照亮,而在于通过照明手段,把建筑物的特征展现出来,使建筑物呈现出与白天在日光照射下不同的形象来(图6)。景观照明应根据建筑物形式、布局、风格充分反映出建筑的性质、结构和材料特征、时代风貌、民族风格和地方特征；景观照明效果应具有较高的艺术品位,把照明艺术作为景观照明艺术设计的基本点、出发点和归宿点。做到高雅、舒适、安全,突出铁路站房的特色和内涵。

图5 天津站室内灯管照明

图6 天津站外立面照明

6 太阳能光伏发电与建筑一体化BIPV技术

近年来,世界各国都在加大对新能源和可再生能源的支持力度,许多发达国家制定了光伏屋顶计划,通过政府补贴和电价政策,鼓励各种建筑物安装光伏发电系统,世界光伏产业出现了供不应求的局面。在我国,随着能源危机的加剧,新能源也面临着大发展的机遇。从长远看,太阳能发电不仅降低了环保成本,而且具有可再生性,太阳能发电技术具有广阔的应用前景。

光伏建材型指光伏电池与瓦、砖、卷材和玻璃复合在一起组成不可分割的建筑构件或建筑材料；光伏构件型则是指与建筑构件组合在一起或独立成为建筑构件的光伏构件。光伏建材型或光伏构件型的光伏比结合安装型采用的普通组件要贵,一般用于需要采光或遮阳要求的建筑物屋顶或幕墙,根据布设的位置不同,上海虹桥站和北京南站分别采用了2种不同的光伏系统。

上海虹桥站太阳能发电系统采用光伏电池与屋顶结合安装型,即太阳能组件与雨篷屋顶相结合,采用多晶体硅单玻组件整体平铺于雨篷上,组件与雨篷的倾角一致,电池组件与雨篷之间以支架连接的应用模式。站台雨篷按不透光屋顶设计,且在雨篷下面有金属吊顶,故而对光伏电池板并无采光或遮阳的要求。故该项目不采用光伏建材型或光伏构件型。

北京位于东经115°20′至117°32′,北纬39°23′至41°05′,根据统计数据北京市年日照时间为2 700 h,比较适合太阳能发电。北京南站良好的地域位置、开阔的周边环境及舒缓的屋面造型为太阳能与建筑设计相结合提供了良好的设计平台。设计中在中央屋面玻璃采光带采用铜铟镓硒太阳能电池板,经过多轮方案比选最终在采光带两侧各3个分格内设置电池板,每块电池板规格为600 mm×1 200 mm,共设置3 246块电池板。在南站采用光伏一体化设计旨在引领公众的节能环保意识,其示范效应不言而喻,必将产生非常有益和深远的社会影响。

7 冷热电三联供技术

热电冷三联供系统是一种可以同时提供热能、冷能和电能的多联产系统。通常热电冷三联产系统以天然气做为一次能源,以微型燃气发电设备发电为核心,燃气发电设备发电后排放出来的高温尾气通过余热锅炉或吸收式制冷机,利用发电余热生产冷量和热量,满足用户的电、热、冷负荷的能源需要。能源利用效率高、使用清洁燃料及污染物的低排放使热电冷三联供的发展和应用成为能源技术发展的重要方向之一。根据基础设施超前、适宜现代生活的原则,结合车站规模、功能和周边能源供应情况,北京南站能源综合利用的总体目标是采用热电冷三联供和太阳能发电技术等能源综合利用方式,实现对能源的高效梯级利用和可再生利用,体现环保效益和社会效益。

“热电冷三联供+污水源热泵”系统(图7)。系统通过燃气发电技术,一方面发电,另一方面回收余热,经过烟气吸收式冷温水机提供冷(热),实现了能源的梯级利用,大大提高了整个系统的一次能源利用率。

热电冷三联供技术的优点如下。

(1)节省燃料：与传统电力生产相比,热电冷三联供技术的使用能节省25%的燃料。

(2)减少污染排放：热电冷三联供技术的使用,可使污染物的排放减少近1/4。如果使用天然气来取代煤和石油,则SO2和烟尘的排放可以减少到接近零的水平。

(3)经济效益：热电冷三联供的经济效益也是明显的,三联供的能源生产成本比传统方法低,据估计,成本下降幅度在20%～30%。

(4)提高能源供应安全：在大型发电厂运行或供电中断时,小型热电冷三联供机组并入电网,可保证继续供应终端用户。

(5)增加电网稳定性：由于使用吸收循环取代目前普遍采用的制冷循环,故在盛夏时节,三联供机组大大缓解了电网的压力。

图7 热电冷三联供+污水源热泵系统原理

北京南站天然气热电冷三联供技术首次将一次能源利用率提高到90%以上,拓展了能源阶梯利用。通过对冷热电三联供系统多种能量转换过程的系统分析,提出了综合高效能源利用方案,实现了化石能源与可再生能源、资源互补的应用。北京南站能源站三联供系统与常规系统年节能约420万kW·h。节能量折合标煤约为1 600 t标准煤/年、减排CO2约4 000 t/年、减排SO237 t/年。

8 地源(污水源)热泵技术

热泵系统有多种形式,包括空气源热泵、水源热泵、地源热泵及污水源热泵等。其原理都是利用部分电能,夏季将室内的多余热量搬运到各种热源中带走,冬季将各种低品位可再生热源中的热量搬运到房间内,实现夏季制冷和冬季制热的效果。上海虹桥枢纽和北京南站分别采用了站台埋管土壤源热泵和污水源热泵系统作为站房环境控制的冷热源。热泵系统采用电驱动供冷供热,对局部区域基本是零排放,另外,取消了冷却塔,也消除了噪声污染、飘水和蒸发对客站区域的空气污染，同时美化了周边的景观。

地源热泵是利用地下常温土壤温度相对稳定的特性,通过深埋于建筑物周围的管路系统与建筑物内部完成热交换的装置。冬季从土壤中取热,向建筑物供暖；夏季向土壤排热,为建筑物制冷。它以土壤作为热源、冷源,因此可以提高热泵机组的能效比。并且机房面积较小,节省常规系统冷却塔可观的耗水量,运行费用低,不产生任何有害物质,对环境无污染,实现了环保的功效。其缺点是埋地换热器受土壤性能影响较大,土壤的热工性能、能量平衡、土壤中的传热与传湿对传热有较大影响；另外连续运行时热泵的冷凝温度和蒸发温度受土壤温度的变化发生波动。为了解决占地面积问题,虹桥站利用站台地下空间用于埋管。有效解决了埋管占地面积大的问题。

污水源热泵是水源热泵的一种,城市污水热泵空调系统利用城市污水,冬季取热供暖,夏季排热制冷,全年取热供应生活热水,夏季空调季节可实施部分免费生活热水供应。污水水质对污水源热泵装置的影响是一个重要问题,解决好污水热泵中换热器表面污垢、阻塞、腐蚀等问题是污水源热泵供暖系统成功与否的关键。污水源热泵系统采用新型发明专利阻垢机和壳管式换热器进行设计。按阻垢机系统调试后污水利用系数95%设计。换热器污垢造成的换热系数的降低,每个采暖或空调季小于20%。

9 温、湿度独立控制空调系统在天津站的应用

天津站高架候车室跨度大,鉴于建筑美观要求,空调送风射程超过42 m,且屋顶中心区有大面积采光玻璃,太阳辐射强度大,因此,需要辅助地板辐射供冷才能解决其温湿度要求,而影响地板供冷的关键问题是需要采取有效措施,避免地面结露,由于温湿度独立控制系统将温度和湿度独立控制,可以确保室内状态达到设计要求,保证地面不结露(图8)。

而且,天津站采暖热源使用的是天津市第一热电公司的余热,供热管网已铺设至天津站；而夏季时,由于没有生活用热需求,热电厂发电机组冷却水需排放至海河,不仅造成能源的浪费,还会对海河水造成热污染。

图8 温、湿度独立控制空调系统

溶液除湿系统正好可以利用发电厂的冷却废热进行溶液再生,这样不仅不会增加市政管网投资,同时还能有效利用热电厂的废热,减少对海河水的热污染。

因此,在天津站采用温湿度独立控制系统是根据现场条件,所采用的一种合理、节能的空调方式。

通过DEST动态模拟计算,重点解决如何消除由于旅客站房人员密集、渗透风量大形成的大量潜热负荷,研究相应系统的匹配优化；重点研究不同出水温度及供回水温差对整个系统的影响,确定最佳出水温度和温差；研究适合的末端设备性能参数；由于车站功能复杂,空调使用具有不可预测性,要求系统能根据需要灵活运行,将各种可能发生的情况纳入自控系统,需要从硬件和软件及控制模式上进行开发研究。

天津站温、湿度独立控制空调系统具有以下创新点：

(1)采用新型系统,打破传统空调系统设计理念,实现室内热负荷和湿负荷的独立控制,避免出现传统空调中的“过冷”或“过干”的现象,节约能耗；

(2)将传统空调方式中的电制冷除湿方式,改为利用城市热电厂的“废热”进行除湿,达到废物再利用,从而节省高品位电能；

(3)采用了干燥新风贴地面送风的地板供冷方式,有效解决地板供冷存在地面结露的风险,实现了地板辐射供暖和供冷的有机结合,将屋顶及四周太阳辐射得热就近消除,有效解决了高架候车室中间区域空调送风困难的问题。

10 结语

随着一大批现代化铁路客站的建成运营,中国铁路客站将为旅客提供更加便捷的进出站服务、更加舒适的候车环境、更加人性化的服务设施,与城市的关系更加和谐,对城市综合交通乃至经济社会的发展必将发挥更加重要的作用。因此,建设低碳环保建筑是发展低碳经济,节约能源,保护环境,是关全民,全社会的大事,是推动全社会进步的大事,是推动经济社会可持续发展的必然选择。

[1] 铁道第三勘察设计院集团有限公司.京沪高速客站关键技术研究报告[R].天津：铁道第三勘察设计院集团有限公司，2010.

[2] 郑健.铁路客站旅客细部设计[M].北京：人民交通出版社，2010.

[3] 何华武，郑健.铁路旅客车站设计指南[M].北京：中国铁道出版社，2006.

[4] 郑健.铁路旅客车站设计集锦[M].北京：中国铁道出版社，2006.

[5] 铁道第三勘察设计院集团有限公司，京沪高速车站建筑设计指导原则与标准[S].2006.

[6] 黄保民,等.冷热电三联供系统在北京南站的应用[J].铁道标准设计，2008(S1).

[7] 胡立萍.新建天津站地下进站厅结构设计[J].铁道标准设计，2008(10).

[8] 武世强，那艳玲.天津站交通枢纽轨道换乘中心空调水系统设计[J].铁道标准设计，2011(3).

[9] 中华人民共和国建设部.GB50226—2007 铁路旅客车站建筑设计规范[S].

[10] 中华人民共和国铁道部.TB10016—2006，J661—2007 铁路工程节能设计规范[S].

[11] 中华人民共和国建设部.GB50010—2010 混凝土结构设计规范[S].

[12] 中华人民共和国建设部.GB50189—2005 公共建筑节能设计标准[S].