高速公路房屋建筑安全、环保、节能设计理念分析

李世孝

（甘肃省交通规划勘察设计院股份有限公司，兰州730000）

1 引言

高速公路房建工程具有远离市区、区域跨度大等特征，无法接入城市热力管网， 且严寒及寒冷地区高速公路房建工程由于环境较为恶劣， 气温较低、 水分迁移集聚易导致土壤冻胀，继而损害到房建工程质量，且温度越低，其冻胀程度越严重，质量受损程度越严重。 土壤冻胀作为影响严寒及寒冷地区高速公路房建工程建设质量的重要影响因素， 一直是从业相关者研究的重点问题。 目前，我国关于土壤冻胀问题的研究主要集中于防寒处理，通过采暖及保温策略，避免因低气温而增加土壤的冻胀风险。 仅仅从建筑围护结构热工学的方面控制建筑热损耗难以满足该地区高速公路房建工程的采暖及保温需求，还需要对内部热源、末端供暖方式及设计进行优化[1-2]。基于此， 本论文将以严寒及寒冷地区高速公路房建工程作为依托，基于地域性差异化特征，对建筑安全、环保、节能方面设计理念进行分析， 力图形成相对完整的高速公路沿线设施绿色建筑设计方法。

2 高速公路房屋建筑现状

高速公路房屋建筑的热源及末端供暖方式最初采用锅炉或分体空调供暖， 但由于严寒及寒冷区域跨度较大且基于气候、地质差异，供暖方式逐渐被节能性系统代替，节能性系统包括地下水源、土壤源热泵系统、多联机系统等。 其中，地下水源热泵是一种再生性冷热源， 基于地球水体储存的太阳能实现就地取材完成供暖； 土壤源热泵系统是基于地下土壤储存的地热能发挥制冷、制热效果[3-4]。 虽然上述两种热源属于环保型能源，但上述热源系统应用与当地水文、气象条件存在密切关联性， 故一般房屋建筑主要采用多联机系统等发挥供暖功效。 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、环境污染严重等问题，故有必要寻找适合严寒及寒冷地区高速公路房建工程的可代替的、具有节能性的供暖模式[5]。

3 甘肃高速公路沿线房屋建筑设计理念

3.1 工程总体设计思路

房屋建筑是高速公路网络中的基本配套设施， 是体现公路交通文化的重要窗口。 河西片区高速项目地处高寒、 高海拔、强紫外线、大风沙、蚊虫肆虐、鼠疫重灾区的沙漠戈壁，且年平均沙尘天气超过100 d，自然环境极度恶劣，工程有效工期不足14 个月，施工任务极为繁重。 由于甘肃高速公路沿线房屋建筑（服务区、收费站）区别于一般性民用建筑及城市公共建筑，故该项目房屋建筑设计需要明确信息化、绿色化、智能化建设目标并围绕此目标进行设计。

1）符合严寒、寒冷地区高速沿线地区特征，充分体现出沿线地区各异的文化及特色，要与周围地形、地势结合，建设与周围环境和谐一体的房屋建筑。

2）充分应用安全、环保、节能设计及技术；建设过程中循环利用洞渣、废水，洞渣破碎后用于道路施工，积极应用清洁能源。

3）贯彻人性化设计理念，充分考虑使用者需求，应用信息化技术为出行者提供便利交通。

4）进行科技创新，将信息化技术贯彻全项目建设中，为房屋建筑维修提供数据支持，需要大力创新科技，提高工程质量。

3.2 节能环保设计理念——热源设计

节能环保设计是基于当地气候及区域条件， 在充分利用当地自然优势，让房屋建筑尽可能减少资源消耗及环境污染，节约成本。 在高速公路房屋建筑中成功应用相关的低碳、环保建设性技术的案例较多， 其中甘肃高速公路沿线房屋建筑创新型节能环保设计主要体现在热源设计， 沿线房屋建筑均选用节能环保型热源，即空气源热泵机组+ 太阳能（见图1），不仅解决了采暖热源问题，同时解决了热水供应问题。 太阳能热泵采用低温太阳能辅助的空气源热泵机组和太阳能集热系统结合，太阳能和热泵互为辅助热源，不仅最大限度地利用了太阳能， 还解决了阴雨天气及冬季环境温度较低太阳能资源不足时热水供应保证率问题，做到全年、全天候供应热水。 系统尽可能将空气源热泵冷热水机组布置在室外， 太阳能板置于综合楼屋面、阳台等地，供暖期间保证房间温度在18 ℃以上。

图1 空气源热泵+太阳能系统原理图

1）环保方面。 采用太阳能这一清洁绿色能源利用技术，通过太阳能转换为热能并输送到各用户所必需的系统中， 满足服务区、维修站、加油站等基本热水及暖热源需求。 太阳能热水工程是传统公认绿色且运行费用低廉的热水工程。 而空气源热泵热水工程是应用空气能，同样是安全、可靠、节能、环保的热水工程，可降低燃煤锅炉供暖频率，减少碳排放量，继而减少环境污染，充分体现出绿色交通建设理念。

2）节能方面。 采用节能低碳技术，设置固定制热时段、储能时段、储能供热时段，极端天气状态下，进行电辅热提供热量。 通过空气源热泵和太阳能的结合，有效降低空气源热泵的运行成本，解决夜间供热效率低下、因低温结霜导致的空气源热泵工作不稳定等问题。 空气源热泵制热时段为9:00～17:00，通过启动空气源热泵，给用户散热器提供热量，同时加热热水储罐中的水，当热水储罐温度高于50 ℃后，空气源热泵停止工作。 储能时段为9:00～17:00，当储水罐水温低于25 ℃，或极寒天气下空气源热泵不能工作时，启动太阳能集热器，为户用散热器提供热量，多余部分热量用于储存在热水储罐中，水温超过90 ℃时，太阳能集热器停止工作。 储能供热时段为17:00～9:00，当空气源热泵和槽式太阳能集热器提供的热量不足以满足建筑采暖时，使用热水储罐中的热水为户用散热器供热。 极端天气，连续阴天或雨雪天，太阳能光照不足时，使用电辅热为热储罐中的水升温，并为户用散热器提供热量。 结合空气源热泵机组与太阳能，不仅可以贯彻落实节能减排理念，还能保证全年全日连续供热。 该研究方向也是近年来中央热水工程热源设备发展的新方向。

3.3 安全设计理念

自然条件下的日照温度或骤然温变等情况将会导致建筑物各层梁板出现伸长或缩短现象， 尤其是室内外温差相差巨大时，建筑物结构内外构件会产生相互约束作用，出现温度性应力变形或结构变形，不仅缩短了建筑物使用年限，还威胁到相关人员的生命安全。 而节能环保型热源不仅可以降低房建设施自身能源消耗，提高房建设施结构热工性能，还有利于节约运行费用，将期望工程平均寿命成本降低到合理的程度。

3.4 信息化设计理念

敦当高速项目是甘肃省首条公路设施建管养一体化信息化集成服务平台示范试点项目，在建设过程中，全面推行信息化管理，应用互联网+ 视频监控系统，对隧道施工状态进行全面监控，对相关人员及设备进行定位跟踪，确保了项目安全性及高效性。 应用智慧高速综合管理云平台和建管养一体化信息系统，集合监测、调度、管控、应急、服务一体，实现数据一个库、 监管一张网、 管理一条线的目标， 不仅可以促进公路与5G、大数据、云计算、区块链和互联网等技术深度融合，建设运营管理信息化子平台， 持续提高公路运营管理效能和智慧化水平，通过可视化图层、视频监控、预警反馈、应急救援等技术手段，以及通过智能温度控制、温室控制、仪表控温、智能测温系统实现对综合楼室温智能化控制，推动智能建筑系统发展，实现全天候高效运营，为高速公路房屋建筑安全性提供保障；还可以为公众出行提供更便捷、更安全、更智慧、更丰富的出行服务。

4 结语

严寒及寒冷地区高速项目房屋建筑存在远离市区、 区域跨度大、环境较为恶劣、气温较低、水分迁移集聚易导致土壤冻胀等问题。 而优化建筑内部热源、末端供暖方式及设计不仅为建筑提供节能性供暖、 供水资源， 还可以降低土壤冻胀危害，节约资源，降低供暖对环境的污染。 既往供暖方式主要为地下水源、土壤源热泵系统、多联机系统等，存在区域或污染严重等局限性， 需要探寻适宜严寒及寒冷地区且具有节能环保性质的新供暖方式。 在严寒和寒冷地区高速公路项目中充分融入节能、环保与安全理念，基于高速项目地域特征及常见新型病害，创新新型技术，确保房屋建筑的安全性，延长其使用寿命。 在保证房屋建筑质量安全的前提下，其工程设计还需要贯彻落实节能环保技术， 沿线房屋建筑均选用节能环保型热源，空气源热泵机组+ 太阳能，不仅解决了采暖热源问题，同时解决了热水供应问题， 贯彻落实节能减排理念， 保证全年、全日连续供热。