低碳環保技術在交通樞紐客站中的應用

趙建華，杜 爽

(鐵道第三勘察設計院集團有限公司，天津 300251)

從哥本哈根到達沃斯,從政治博弈到全球經濟利益競爭,低碳經濟與綠色發展已經成為世界的焦點。來自中國的聲音：到2020年,使單位國內生產總值(GDP)二氧化碳排放比2005年下降40%到45%。在20世紀70年代,當全球性的能源危機和環保問題凸現以后,鐵路運輸以其大運量、低能耗、高環保、全天候、安全等優勢在一些發達國家再次獲得了發展機遇。日本、法國、德國等國的高速鐵路相繼建成,由此也建成了許多新型的鐵路客站站房。與以前客站相比,這些新型客站站房在站址的選擇上更加注重與城市道路、城市軌道交通、公路、航空、水運等交通設施的結合,形成了更為完備的綜合交通體系,鐵路客站已經發展成為綜合交通樞紐中的重要組成部分。

從2003年開始,鐵路大型綜合交通樞紐的建設在國內真正興起。新觀念、新技術在大型樞紐鐵路客站中的系統研究和集成運用,使其與以往客站形式發生了根本的變化,令人耳目一新。北京南站、天津東站、南京站、武漢站、廣州東站、上海虹橋站等正是這一時期的代表作品。

國內外現代綜合交通樞紐的現狀和發展表明,交通樞紐的最基本特點是功能多元化和空間集約化。綜合交通樞紐是若干運輸體系的集成,其集鐵路、公交、地鐵、輕軌、出租車和私家車為一體,形成聯系緊密、運作高效的交通體系。

綜合交通樞紐是城市設計和城市規劃的重要組成,也是城市功能的新體現。為實現“一體化設計”的目標,通過綜合客站與城市建設的一體化,來使客站與城市功能聯系更加緊密,實現空間、形態的相互滲透與融合；同時實現了不同運營商之間的資源共享,由此創造了新的城市空間。綜合交通樞紐的綜合性體現在兩個方面：

其一，交通功能方面,將地鐵、公交車、出租車和私家車等交通設施引入到鐵路車站內部,成為城市公共交通的整合處,便于與市內其他區域的連接形成,方便旅客換乘；

其二，城市功能方面,突出城市功能的多樣性,集商業、娛樂業、辦公、文化業等多種城市功能于一體,能有效地匯聚人流,成為市民城市生活中的日常交流場所。傳統鐵路客站建筑與綜合交通樞紐功能比較見表1。

表1 傳統鐵路客站建筑與綜合交通樞紐功能比對

大型綜合交通樞紐與城市的關系是相互影響相互帶動的,例如：虹橋綜合交通樞紐建成后,周邊的城市用地及其商業價值得到迅速的攀升,與此同時,周邊用地的開發也會給樞紐帶來更大的客流,甚至包括本應服務于樞紐的城市軌道交通等設施也要分擔周邊非樞紐客流的壓力。例如：上海虹橋綜合交通樞紐集航空、鐵路、高速磁懸浮為一體(圖1),同時是滬杭高速鐵路的起點站,匯集上海城市軌道2號線、10號線、13號線,同時還預留了2條地鐵軌道。在城市高速鐵路方面,目前從浦東到虹橋的磁懸浮鐵路已貫通,同時,還考慮修建滬杭磁懸浮鐵路線。加上配套的公路系統及虹橋航空港,虹橋綜合交通樞紐將成為鐵路、高速公路和航空3種交通方式融合一體,突出鐵路客站與航空港兩大對外交通功能的現代化客運中心和綜合交通樞紐。

新建站房共3個主要層面(圖2)：地下一層、站臺層和高架層。地下三層(地鐵5、17號線站臺層)和地下二層(地鐵2、10、青浦線)的土建工程大部分位于鐵路站房下,形成立體交通模式,對于分離不同類型流線、節約城市土地、縮短旅客步行距離、增加城市立體景觀有著顯著效果。

圖1 上海虹橋站交通示意

圖2 上海虹橋站剖面

結合換乘面的步行系統,設置大型步行商業區,包含精品店、特色餐飲、文化娛樂、旅游休閑等各類商業服務設施,滿足到達、出發旅客，中轉旅客的商業購物、娛樂休閑等需求。

由此可見,從城市規劃的角度考慮,建設綜合交通樞紐是集約使用土地,整合城市交通空間的有力手段。綜合交通樞紐使城市交通與鐵路交通之間的無縫銜接成為可能,讓人們的出行更高效、安全和舒適。對城市環境的可持續發展和社會的和諧具有積極的作用。

為了實現集約化的特殊的客站建筑空間,設計中采取一系列的先進技術和手段,如大型客站綜合交通樞紐規劃技術、大型綜合交通樞紐客流組織技術、交通及客流組織關鍵技術、房橋合一結構體系、超大空間結構技術、性能化消防設計技術等。

同時,作為低碳時代的產物,設計中采取了一系列多專業、綜合的節能環保技術。以建成的北京南站、天津站和上海虹橋交通樞紐為例,說明這些關鍵技術在實際工程中的應用。

1 室內外空間設計技術

圖3 北京南站站臺雨篷的通風采光

在綜合交通樞紐車站內部大量引入陽光、空氣、綠化,改善公共空間質量。北京南站力求通過建筑手段的處理改善車站內部光環境。屋面及雨棚上的天窗,通透的玻璃幕墻和設置于高架層與站臺層的采光天井,可以將自然的日光引入到車站室內、站臺上和地下空間內(圖3)。天窗和幕墻采用具有隔熱性能的玻璃,并設遮陽設施,以隔絕夏日過多的太陽輻射和紫外線。

北京南站高架候車廳跨度約190 m,為了使下方站臺具有親切的自然光環境,在高架層樓面上設置了南北向條形采光窗(圖4),讓光線能夠間接照入站臺,同樣原因在站臺面上設置長方形采光窗,可以讓光線照到地下一層(最終由于多種原因未能全部實現),節約能源的同時豐富了室內空間效果。

圖4 北京南站站臺采光

2 建筑外圍護結構節能技術

北京南站的建筑節能是從前期規劃和建筑方案設計本身入手的。首先,采用橢圓形建筑形式,易于控制體型系數,減少建筑暴露在室外環境中的表皮面積；其次,建筑的朝向為南偏東42°,且主要房間均避開冬季最多頻率風向(北向、北西向)和夏季最大日射朝向(西向)。

幕墻系統：北京南站主站房采用玻璃幕墻與石材幕墻相結合的設計,作為維護結構應該滿足節能保溫要求,作為站房的門面應該滿足美觀需要。嚴格控制窗墻比限值≤0.70。幕墻玻璃采用low-e中空玻璃幕墻,具有較好的保溫隔熱性能。西向和東向均設置了一定的遮陽百頁。高架層石材幕墻還采用了復合墻體設計方法。外墻的綜合傳熱系數控制在規范規定范圍內。

屋面系統：北京南站屋面面積約7萬m2,大面積采用了直立鎖邊系統屋面,保溫層采用150 mm厚玻璃棉,下襯壓型鋼板。屋面鋁鎂錳合金板的板與板之間緊密扣合,屋面沒有螺釘外露,其良好呼吸系統可以保證屋面保溫層正常發揮作用,屋頂中央采光帶的面積比例為0.30,采用雙層中空Low-e玻璃,其間巧妙地運用太陽能光電板的遮陽作用,同時利用彩釉玻璃本身的遮陽隔熱性能,達到綜合遮陽的效果。

北京南站外圍護結構熱工指標的限值均在規范規定范圍內,根據規范相關條文,判定為節能公共建筑設計。

3 建筑聲環境設計技術

北京南站的建筑聲學設計主要研究建筑結構外墻幕墻隔聲；車站屋頂及天窗隔聲性能研究；車站高架候車大廳及車站站臺層等混響時間控制；車站站臺層噪聲傳播； 機電設備的噪聲及振動控制； 分隔車站站臺層及高架候車大廳采光玻璃等的噪聲傳播；隔絕機房噪聲與機房墻身隔聲性能。

玻璃幕墻的隔聲設計主要基于對交通噪聲的分析結果和估算地面的活動噪聲程度來完成。北京南站高架候車大廳體積巨大,不能滿足上述一般性指標的應用條件。因此,參照香港國際機場客運大樓及北京首都國際機場三號航站樓的情況,對大廳吊頂造吸聲處理,盡量減低混響時間,再配合擴聲系統設計,以滿足語言擴聲清晰度指標；雨棚下部空間為半開放設計,雨棚高度較大,參照國家地下鐵路車站指標及香港地鐵九龍站站臺情況,混響時間不高于2 s(500 Hz),再配合擴聲系統設計,以滿足語言擴聲清晰度指標；車站站臺層噪聲源主要包括列車進出進入站臺之軌道噪聲、列車冷卻系統排氣風機噪聲、公共廣播揚聲器聲和活動噪聲等。列車為主噪聲源,較其他噪聲源大,因此以列車聲源為依據進行隔聲設計。采取的主要隔聲措施為：

站臺行人區：吊頂天花吸聲板采用最小25%沖孔鋁合金板或金屬通管(Tubeline Ceiling)后,加最小厚度50 mm吸聲玻璃棉(32 kg/m3)外包黑色絲布。

軌行軌區上方：預留空間(最小100 mm)做吸聲處理,滿足最小吸聲系數值。

站臺軌行區側墻：預留空間(最小100 mm)做吸聲處理,滿足最小吸聲系數值。

對于從地下室設備間、機械樓層設備間傳出的噪聲主要利用適當的隔聲墻和隔聲門進行隔聲,隔聲墻在STC40～55。

對北京南站內部會產生振動的設備進行隔振處理,采用彈簧隔振器加1層橡膠的隔振材料,以隔絕固體聲的傳播。

4 減振降噪技術

“房橋合一”的結構技術,解決了大型交通樞紐軌道層結構的設計難題,為創造綜合性交通空間提供了技術支持,同時也為建筑帶來了列車振動的問題。例如：上海虹橋鐵路客站自上而下分為高架商業開發層、高架站廳層、站臺層、地下站廳層及地鐵層,其中，國鐵列車在站臺層運行。地下部分包括5條線的地鐵車站和地下站廳層,而來至上部站臺層高速和普速列車進出站的噪聲對地下站廳層侯車區及地鐵層有很大的影響,特別是上部列車通過或進站停靠過程中,將產生較大的振動,引起建筑物的樓板或墻體振動,形成結構輻射噪聲。若處理不當,將對地下結構及高架層結構及玻璃幕墻結構產生較大振動,對地下站廳層及高架層旅客乘車環境造成影響,因此應對軌道層采取相應的減振降噪措施。

初步研究結果表明,在時速200 km正線上采用鋼軌阻尼板、在到發線上采用橡膠墊減振墊、在建筑結構上鋪設的擠塑板、碎石道床間設置中粗砂隔離層等減振降噪措施后,站臺及各對應候車室的噪聲及振動環境仍不同程度地超過建議的噪聲振動控制建議限值要求。

支撐列車的零層板在正線通過處設置2道變形縫,可以有效阻止高速通過列車的振動傳播；同時在零層板還斷有3道南北向、2道東西向溫度縫,通過上述手段,可以有效地阻止固體傳聲及其引起的樓板或墻體振動和二次噪聲的輻射。

由于列車運行時振動引發的噪聲級相當高,并且很大程度上屬于固體傳聲,因此最大程度地降低對地下站廳層進行吸聲降噪處理,是更為實際而有效的方法。

5 照明環境設計技術

綜合交通樞紐客站公共區燈光設計,應從傳統的電力專業設計工作中分割出來,作為一項專題研究工作,由專業的照明設計師配合建筑設計師合作完成。照明設計按照建筑的不同區域、不同使用功能、不同裝修風格進行燈光設計。照明設計與建筑結合,實現建筑燈具一體化設計,燈具本身作為裝修構件,點綴環境。照明的節能設計,通過正確選擇照度標準值,合理選擇照明方式,使用高光效照明光源,采用高效率節能燈具,采用節電的照明控制方式：即分組分區、獨立控制等方式實現。下面以天津站為例,展示新型客站照明技術的進步(圖5)。

天津站照明面積大、照明裝置多,采用高效光源和高效燈具對于節約能源、降低運營成本是至關重要的措施。在低矮空間采用三基色直管熒光燈或小功率單管熒光燈,高大空間選用金屬鹵化物燈。

由于客運站幾乎是24 h運營的,因此采用的光源和燈具均應具備較高的運行可靠性和較長的運行壽命,以降低維護運行的工作量和成本。

建筑立面照明的目的不僅僅是在夜間把建筑物照亮,而在于通過照明手段,把建筑物的特征展現出來,使建筑物呈現出與白天在日光照射下不同的形象來(圖6)。景觀照明應根據建筑物形式、布局、風格充分反映出建筑的性質、結構和材料特征、時代風貌、民族風格和地方特征；景觀照明效果應具有較高的藝術品位,把照明藝術作為景觀照明藝術設計的基本點、出發點和歸宿點。做到高雅、舒適、安全,突出鐵路站房的特色和內涵。

圖5 天津站室內燈管照明

圖6 天津站外立面照明

6 太陽能光伏發電與建筑一體化BIPV技術

近年來,世界各國都在加大對新能源和可再生能源的支持力度,許多發達國家制定了光伏屋頂計劃,通過政府補貼和電價政策,鼓勵各種建筑物安裝光伏發電系統,世界光伏產業出現了供不應求的局面。在我國,隨著能源危機的加劇,新能源也面臨著大發展的機遇。從長遠看,太陽能發電不僅降低了環保成本,而且具有可再生性,太陽能發電技術具有廣闊的應用前景。

光伏建材型指光伏電池與瓦、磚、卷材和玻璃復合在一起組成不可分割的建筑構件或建筑材料；光伏構件型則是指與建筑構件組合在一起或獨立成為建筑構件的光伏構件。光伏建材型或光伏構件型的光伏比結合安裝型采用的普通組件要貴,一般用于需要采光或遮陽要求的建筑物屋頂或幕墻,根據布設的位置不同,上海虹橋站和北京南站分別采用了2種不同的光伏系統。

上海虹橋站太陽能發電系統采用光伏電池與屋頂結合安裝型,即太陽能組件與雨篷屋頂相結合,采用多晶體硅單玻組件整體平鋪于雨篷上,組件與雨篷的傾角一致,電池組件與雨篷之間以支架連接的應用模式。站臺雨篷按不透光屋頂設計,且在雨篷下面有金屬吊頂,故而對光伏電池板并無采光或遮陽的要求。故該項目不采用光伏建材型或光伏構件型。

北京位于東經115°20′至117°32′,北緯39°23′至41°05′,根據統計數據北京市年日照時間為2 700 h,比較適合太陽能發電。北京南站良好的地域位置、開闊的周邊環境及舒緩的屋面造型為太陽能與建筑設計相結合提供了良好的設計平臺。設計中在中央屋面玻璃采光帶采用銅銦鎵硒太陽能電池板,經過多輪方案比選最終在采光帶兩側各3個分格內設置電池板,每塊電池板規格為600 mm×1 200 mm,共設置3 246塊電池板。在南站采用光伏一體化設計旨在引領公眾的節能環保意識,其示范效應不言而喻,必將產生非常有益和深遠的社會影響。

7 冷熱電三聯供技術

熱電冷三聯供系統是一種可以同時提供熱能、冷能和電能的多聯產系統。通常熱電冷三聯產系統以天然氣做為一次能源,以微型燃氣發電設備發電為核心,燃氣發電設備發電后排放出來的高溫尾氣通過余熱鍋爐或吸收式制冷機,利用發電余熱生產冷量和熱量,滿足用戶的電、熱、冷負荷的能源需要。能源利用效率高、使用清潔燃料及污染物的低排放使熱電冷三聯供的發展和應用成為能源技術發展的重要方向之一。根據基礎設施超前、適宜現代生活的原則,結合車站規模、功能和周邊能源供應情況,北京南站能源綜合利用的總體目標是采用熱電冷三聯供和太陽能發電技術等能源綜合利用方式,實現對能源的高效梯級利用和可再生利用,體現環保效益和社會效益。

“熱電冷三聯供+污水源熱泵”系統(圖7)。系統通過燃氣發電技術,一方面發電,另一方面回收余熱,經過煙氣吸收式冷溫水機提供冷(熱),實現了能源的梯級利用,大大提高了整個系統的一次能源利用率。

熱電冷三聯供技術的優點如下。

(1)節省燃料：與傳統電力生產相比,熱電冷三聯供技術的使用能節省25%的燃料。

(2)減少污染排放：熱電冷三聯供技術的使用,可使污染物的排放減少近1/4。如果使用天然氣來取代煤和石油,則SO2和煙塵的排放可以減少到接近零的水平。

(3)經濟效益：熱電冷三聯供的經濟效益也是明顯的,三聯供的能源生產成本比傳統方法低,據估計,成本下降幅度在20%～30%。

(4)提高能源供應安全：在大型發電廠運行或供電中斷時,小型熱電冷三聯供機組并入電網,可保證繼續供應終端用戶。

(5)增加電網穩定性：由于使用吸收循環取代目前普遍采用的制冷循環,故在盛夏時節,三聯供機組大大緩解了電網的壓力。

圖7 熱電冷三聯供+污水源熱泵系統原理

北京南站天然氣熱電冷三聯供技術首次將一次能源利用率提高到90%以上,拓展了能源階梯利用。通過對冷熱電三聯供系統多種能量轉換過程的系統分析,提出了綜合高效能源利用方案,實現了化石能源與可再生能源、資源互補的應用。北京南站能源站三聯供系統與常規系統年節能約420萬kW·h。節能量折合標煤約為1 600 t標準煤/年、減排CO2約4 000 t/年、減排SO237 t/年。

8 地源(污水源)熱泵技術

熱泵系統有多種形式,包括空氣源熱泵、水源熱泵、地源熱泵及污水源熱泵等。其原理都是利用部分電能,夏季將室內的多余熱量搬運到各種熱源中帶走,冬季將各種低品位可再生熱源中的熱量搬運到房間內,實現夏季制冷和冬季制熱的效果。上海虹橋樞紐和北京南站分別采用了站臺埋管土壤源熱泵和污水源熱泵系統作為站房環境控制的冷熱源。熱泵系統采用電驅動供冷供熱,對局部區域基本是零排放,另外,取消了冷卻塔,也消除了噪聲污染、飄水和蒸發對客站區域的空氣污染，同時美化了周邊的景觀。

地源熱泵是利用地下常溫土壤溫度相對穩定的特性,通過深埋于建筑物周圍的管路系統與建筑物內部完成熱交換的裝置。冬季從土壤中取熱,向建筑物供暖；夏季向土壤排熱,為建筑物制冷。它以土壤作為熱源、冷源,因此可以提高熱泵機組的能效比。并且機房面積較小,節省常規系統冷卻塔可觀的耗水量,運行費用低,不產生任何有害物質,對環境無污染,實現了環保的功效。其缺點是埋地換熱器受土壤性能影響較大,土壤的熱工性能、能量平衡、土壤中的傳熱與傳濕對傳熱有較大影響；另外連續運行時熱泵的冷凝溫度和蒸發溫度受土壤溫度的變化發生波動。為了解決占地面積問題,虹橋站利用站臺地下空間用于埋管。有效解決了埋管占地面積大的問題。

污水源熱泵是水源熱泵的一種,城市污水熱泵空調系統利用城市污水,冬季取熱供暖,夏季排熱制冷,全年取熱供應生活熱水,夏季空調季節可實施部分免費生活熱水供應。污水水質對污水源熱泵裝置的影響是一個重要問題,解決好污水熱泵中換熱器表面污垢、阻塞、腐蝕等問題是污水源熱泵供暖系統成功與否的關鍵。污水源熱泵系統采用新型發明專利阻垢機和殼管式換熱器進行設計。按阻垢機系統調試后污水利用系數95%設計。換熱器污垢造成的換熱系數的降低,每個采暖或空調季小于20%。

9 溫、濕度獨立控制空調系統在天津站的應用

天津站高架候車室跨度大,鑒于建筑美觀要求,空調送風射程超過42 m,且屋頂中心區有大面積采光玻璃,太陽輻射強度大,因此,需要輔助地板輻射供冷才能解決其溫濕度要求,而影響地板供冷的關鍵問題是需要采取有效措施,避免地面結露,由于溫濕度獨立控制系統將溫度和濕度獨立控制,可以確保室內狀態達到設計要求,保證地面不結露(圖8)。

而且,天津站采暖熱源使用的是天津市第一熱電公司的余熱,供熱管網已鋪設至天津站；而夏季時,由于沒有生活用熱需求,熱電廠發電機組冷卻水需排放至海河,不僅造成能源的浪費,還會對海河水造成熱污染。

圖8 溫、濕度獨立控制空調系統

溶液除濕系統正好可以利用發電廠的冷卻廢熱進行溶液再生,這樣不僅不會增加市政管網投資,同時還能有效利用熱電廠的廢熱,減少對海河水的熱污染。

因此,在天津站采用溫濕度獨立控制系統是根據現場條件,所采用的一種合理、節能的空調方式。

通過DEST動態模擬計算,重點解決如何消除由于旅客站房人員密集、滲透風量大形成的大量潛熱負荷,研究相應系統的匹配優化；重點研究不同出水溫度及供回水溫差對整個系統的影響,確定最佳出水溫度和溫差；研究適合的末端設備性能參數；由于車站功能復雜,空調使用具有不可預測性,要求系統能根據需要靈活運行,將各種可能發生的情況納入自控系統,需要從硬件和軟件及控制模式上進行開發研究。

天津站溫、濕度獨立控制空調系統具有以下創新點：

(1)采用新型系統,打破傳統空調系統設計理念,實現室內熱負荷和濕負荷的獨立控制,避免出現傳統空調中的“過冷”或“過干”的現象,節約能耗；

(2)將傳統空調方式中的電制冷除濕方式,改為利用城市熱電廠的“廢熱”進行除濕,達到廢物再利用,從而節省高品位電能；

(3)采用了干燥新風貼地面送風的地板供冷方式,有效解決地板供冷存在地面結露的風險,實現了地板輻射供暖和供冷的有機結合,將屋頂及四周太陽輻射得熱就近消除,有效解決了高架候車室中間區域空調送風困難的問題。

10 結語

隨著一大批現代化鐵路客站的建成運營,中國鐵路客站將為旅客提供更加便捷的進出站服務、更加舒適的候車環境、更加人性化的服務設施,與城市的關系更加和諧,對城市綜合交通乃至經濟社會的發展必將發揮更加重要的作用。因此,建設低碳環保建筑是發展低碳經濟,節約能源,保護環境,是關全民,全社會的大事,是推動全社會進步的大事,是推動經濟社會可持續發展的必然選擇。

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