青藏±400 kV格尔木换流站建筑节能及防风沙研究

吕文娟，陈乐，陈正时

（西北电力设计院，陕西西安710075）

青藏±400 kV直流输电工程是世界第一条高海拔±400 kV直流输电工程，起点为青海省格尔木换流站，落点为西藏换流站。±400 kV格尔木换流站与750 kV柴达木变电站同址合建，由于格尔木换流站地处高海拔、多风沙、强日照、昼夜温差大的极端恶劣环境，站址污秽等级较高，给建筑构造设计带来诸多难题。

根据格尔木换流站建筑设计的特点，对全站建筑节能、防风沙设计进行了研究，特别是针对建筑的外墙、门窗、钢结构屋盖的防风设计进行了进一步的探讨，为青藏±400 kV直流输电工程的实施提供了技术支持，也为后续恶劣环境中的换流站工程建筑设计提供了可借鉴的经验。

1 建筑构造节能设计

中国的建筑能耗量约占全国总用能量的1/4，居耗能首位。近年来，中国建筑业得到了快速发展，大量的建造和运行需要使用能源，而作为耗能大户的建筑的采暖和空调耗能，因其耗能大，节能就成为关系国计民生的重大问题。无论从整个国际经济气候还是中国宏观经济趋势来看，能源节约势在必行。

建筑能耗是人们常常忽视的重大问题。减少建筑能耗就是改善维护结构的热工性能，减少室外热量传入室内，减少室内热量流失，使热环境得以改善，减少冷热消耗，提高热舒适度。采用节能型的技术、工艺、材料，提高保温隔热性能，在保证室内热环境质量的前提下，减少运行能耗。

控制楼是换流站的心脏，控制楼内二次设备屏柜很多，特别是主控室、计算机室的温度、洁净度要求高，另外控制楼也是运行人员工作学习的场所，保证冬暖夏凉，减少因昼夜温差大而带来的能耗，因此，建筑外维护保温、节能是刻不容缓要研究的问题。改善建筑外围护结构的保温性能是建筑设计上的首要节能措施。综合楼是运行人员生活办公的场所，舒适的环境体现人性化设计的理念，本工程设计将人、自然、节能等元素很巧妙地同建筑融合，改善维护结构的热工性能从而降低能耗。维护结构节能设计主要是解决它的保温、隔热及气密性[1-2]。

1.1 墙体节能

墙体是建筑外围护结构的主体，其所用材料的保温性能直接影响建筑的耗热量。因而在节能的前提下，应进一步推广空心砖墙及其复合墙体技术。

常用的保温材料有：岩棉、玻璃棉、矿渣棉，膨胀蛭石、膨胀珍珠岩，各类聚苯板、夹心板，加气混凝土等。采用不同的保温材料与基层墙体复合，构成复合保温墙体。提高外墙的节能性能，主要是增大其热阻。将保温层置于外墙的外表面是一种先进的外墙节能技术，具有六大优越性：保温、隔热性能优良，能消除结构性冷（热）桥，保护主体结构，不占室内建筑面积，不影响室内装修，便于建筑的节能改造。本工程采用聚苯板（EPS）与加气混凝土墙体复合提高外墙保温、隔热性能。聚苯板（EPS）具有密度、强度、硬度大，表面致密；导热系数、线膨胀系数、水蒸汽透过系数小，吸水率低等特点。

1.2 门窗节能

外门窗是能耗散失的最薄弱部位，其能耗占总能耗的比例较大，其中传热损失为1/3，冷风渗透为1/3，所以在保证日照、采光、通风、观景要求的条件下，尽量减小外门窗洞口的面积，提高外门窗的气密性，减少冷风渗透，提高外门窗本身的保温性能，减少外门窗本身的传热量。其节能措施有：

1）控制窗墙面积。冬季严寒漫长，因此，建筑设计中充分利用天然能源，无疑是最基本的改善室内热环境的设计，是最基本的节能措施。在满足通风采光，保证窗户的气密性和隔热性的要求下，室内的自然热环境较好，可以大大地节约采暖和空调的耗能。

2）提高外窗的气密性，减少冷空气渗透。在建筑能耗中，通过门窗损失的能耗占到全部建筑能耗的40%～50%，因此，门窗材料的选择对节能至关重要。设置泡沫塑料密封条，使用新型的、密封性能良好的门窗材料。而门窗框与墙间的缝隙可用弹性松软型材料（如毛毡）、弹性密闭型材料（如聚乙烯泡沫材料）、密封膏以及边框设灰口等密封；框与扇的密封可用橡胶、橡塑或泡沫密封条以及高低缝、回风槽等；扇与扇之间的密封可用密封条、高低缝及缝外压条等；扇与玻璃之间的密封可用各种弹性压条等。

3）改善门窗的保温性能。提高窗料和玻璃的节能性能，选用断热铝型材，中空玻璃外层镀膜，减少直射光的辐射热。缩短窗扇的缝隙长度，采用大窗扇，减少小窗扇，扩大单块玻璃的面积，减少窗芯，合理地减少可开启的窗扇面积，适当增加固定玻璃及固定窗扇的面积。

断热铝型材按GB/T5237.1选用6063-T5铝合金热挤压型材。密封胶条选用三元乙丙EPDM胶条，抗紫外线性能、抗老化性、抗高低温性能良好，从而减少能耗。节能门窗的水密性能（GB/T7108-2002）6级，气密性能（GB/T7107-2002）5级，抗风压（GB/T7106-2002）8级，保温性能（GB/T8484-2002）8级，隔声性能（GB/T8485-2002）4级。

4）设置“温度阻尼区”。所谓温度阻尼区就是在室内与室外之间设有一中间层次，这一中间层次像热闸一样可阻止室外冷风的直接渗透，减少外墙、外窗的热耗损。外门设防风门斗，防止冷风倒灌，楼梯间设计成封闭式等措施均能收到良好的节能效果。

1.3 屋面节能

在不断改进建筑外墙、外窗的保温性能后，还必须进一步加强屋面保温隔热的研究。屋面节能措施的要点，其一是屋面保温层不宜选用密度较大、导热系数较高的保温材料，以免屋面重量过大、厚度过高；其二是屋面保温层不宜选用吸水率较大的保温材料以防屋面湿作业时因保温层大量吸水而降低保温效果，如选用吸水率较高的保温材料，屋面上应设置排气孔以排除保温层内不易排出的水分。现在，高效保温材料已经开始应用于屋面，本工程屋面采用膨胀珍珠岩保温芯板保温层代替常规的沥青珍珠岩或水泥珍珠岩做法，克服了常规做法的诸多缺点[3]。

2 建筑防风沙构造设计

建筑物防风沙构造的应用着力于改善由于高原特殊气候环境条件所造成的建筑物使用寿命缩短、建筑物理环境受损、建筑使用功能舒适度下降的问题。

2.1 防风沙门斗

门斗是进入控制楼、综合楼及阀厅内部空间的过渡区域，既可起到保温作用又可阻挡风沙的侵入，由于控制楼内二次设备屏柜很多，特别是主控室、计算机室的洁净要求高，防风沙设计必不可少，因此，外门增加门斗并选用密闭性能高的“肯德基”式型材门；门窗加防风密封毛条。

2.2 钢结构围护结构抗风设计

2.2.1 加强围护受力构件的设计

按照国家标准《建筑结构荷载规范》和《钢结构设计规范》进行风荷载取值与计算，保证主结构在承载能力极限状态和正常使用极限状态下不发生破坏，满足阀厅的功能使用要求。

本工程压型钢板围护结构的受力构件主要为屋面檩条和墙面墙梁。对于檩条和墙梁，分别按墙面、墙角边、屋面屋脊处、檐口不同部位的局部风压体型系数进行了构件及其连接强度的验算。屋面檩条和墙面墙梁的间距不大于1.2 m，在墙、屋面端部、角部的檩条或墙梁间距适当加密，保证围护系统与结构受力构件的有效传力。

屋面檩条分为主檩和次檩，主檩采用高频焊接薄壁H型钢，次檩采用冷弯C型薄壁型钢。墙梁采用高频焊接薄壁H型钢、矩形钢管和轻型槽钢。受力构件的钢材均选用Q235B号钢；钢材性能须符合GB/T700-1988的规定。高频焊接薄壁H型钢应满足《结构用高频焊接薄壁H型钢》JG/T137-2007的规定；矩形钢管若采用冷弯型钢，应满足《建筑结构用冷弯矩形钢管》JG/T178-2005中Ⅰ级产品的要求。

2.2.2 采用270°直立缝锁边屋面系统有效提高屋面抗风能力

屋面压型钢板选用270°直立缝锁边连接，此板型可保证屋面连接没有螺钉穿透屋面板，压型钢板通过专用工机具牢固锁合在固定支座上，可以抵抗较大负风压荷载。屋面板支座用自攻螺钉固定在2 mm厚镀锌Z型钢衬檩上，衬檩用自攻螺钉固定在高频焊工字钢檩条上，自攻螺钉固定在底层压型钢板波谷处，波谷用硬质橡胶垫块填实，保证自攻螺钉将衬檩牢固地固定在高频焊工字钢檩条上。使得在强风吸情况下螺栓能可靠地拉住衬檩[4-5]。

2.2.3 采用不锈钢天沟并配合结构紧固件从根本上强化了屋面的抗风能力

屋面天沟设计考虑采用1.5 mm厚不锈钢钢板天沟，折弯成槽型，安装在天沟专用支座上，天沟板两段固定在结构紧固构件上；天沟中部间距2 m设一道天沟拉杆，加强天沟整体性和抵抗风吸力作用下的变形能力[6]。

天沟支架另一侧设置一层压型钢板，压型钢板在天沟板另一侧抵抗风荷载，防止天沟受到不利的风荷载。

这种不锈钢天沟系统较之以往钢板天沟构造具有良好的防水效果。钢板天沟在搭接处若采用焊接，天沟会产生很大变形，与屋面板连接处会出现无法封堵的缝隙；若采用搭接形式，密封胶失效后会产生漏水；钢板天沟防腐处理不好会锈蚀，且需要定期维护。不锈钢天沟可以采用焊接，不锈蚀，无安全隐患。

2.3 屋面防裂设计

为防止屋面大面积龟裂，设计上采用现浇40~60 mm厚的刚性层，配置￠4＠100双向，并且掺入矿物抗裂纤维。

2.4 外墙防裂设计

由于外墙外保温墙体外贴面砖本身就容易脱落，再加上昼夜温差大等特点就很难贴面砖，因此，本工程外墙面选用砂壁状涂料[7]，并在基层砂浆中掺入矿物抗裂纤维；外墙涂料层选用吸附力强、耐候性好、耐洗刷的弹性涂料；外粉刷必须设置分格缝；腰线、雨篷、阳台等部位必须粉出不小于2%的排水坡度，且靠墙体根部处应粉成圆角；滴水线宽度应为10～20 mm，厚度不小于12 mm，且应粉成鹰嘴式；2种不同基体交接处设置钢丝网，深入两侧基体不小于1 500 mm。

2.5 减少窗的开启扇

由于围护结构门窗不断的开启，会造成风沙的侵入，因此换流站建筑物尽量减少窗的开启扇数量和尺寸，同时窗扇开启扇的宽度小于600 mm。

2.6 雨水落水管清沙口

建筑物雨水落水管在离地1 m高处设清砂口防止其堵塞，并在建筑物周边设沉沙井。

3 结语

1）±400 kV格尔木换流站换流建筑物与常规±500 kV直流工程布置方式基本相同，主要区别是将人、自然、节能等元素很巧妙地同建筑融合，减少恶劣环境对建筑物的损害，进行科学合理的节能、防风、防沙、防晒裂的构造设计，在降低建筑物能耗的同时延长建筑物使用寿命，提高建筑使用舒适度。

2）建议在今后的高压直流换流站设计技术规定或变电站设计规范的修订中增加恶劣环境的节能、防风、防沙、防裂设计章节。

[1] 中华人民共和国建设部，国家质量监督检验检疫总局联合发布.GB50189-2005公共建筑节能设计规范[S].北京：中国计划出版社，2005.

[2] 中华人民共和国住房和城乡建设部.JGJ 26-2010严寒和寒冷地区居住建筑节能设计标准[S].北京:中国建筑工业出版社,2010.

[3] 吴艺文,卢乃恺,王炽欣.浅谈徐闻洋前风电场变电站的建筑设计[J].电网与清洁能源,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] 中华人民共和国建设部，国家质量监督检验检疫总局联合发布.GB 50016-2006建筑设计防火规范[S].北京：中国计划出版社，2006.

[5] 中华人民共和国国家发展和改革委员会.DL/T 5223-2005高压直流换流站设计技术规定[S].北京：中国电力出版社，2005.

[6] 陈传新,王静,朱功辉,等.±800 kV换流站阀厅和主控楼结构选型[J].南方电网技术,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] 中华人民共和国建设部.JGJ 144-2004外墙外保温工程技术规定[S].北京:中国建筑工业出版社,2005.