寒冷地区高铁站设计节能潜力分析——以天津西站为例

王劲柳 王楠 刘立 刘丛红 / WANG Jinliu, WANG Nan, LIU Li, LIU Conghong

1 引言

随着资源与环境问题愈加严峻，节能减排成为当今世界重要趋势。中国建筑能耗占社会总能耗的27.8%（仇保兴，2011），其中大型公共建筑不足城镇建筑总面积的4%，能耗却占城镇建筑总能耗的20%以上（李传成，2011），节能潜力巨大。近年来我国高速铁路总体规划建设不断深入，计划到2020年，高速铁路网覆盖80%以上大城市（国家发展改革委，2016），且随着区际、省会、地市、县域覆盖网络的逐步扩大，高铁站作为一类依托于高速铁路运输而形成的典型大型公共建筑在各地蓬勃建设，高铁站房能耗及其作为重要建筑的导向作用越来越受到社会关注。

高铁站房一般尺度宏大，候车空间单位面积耗能达160～180kWh/m2·yr（中国城市科学研究会，2015），远高于其他公共建筑，因具有人员流动量大、停留时间短、使用频率的时间差异大等特点，使其在节能潜力上具有自身的特殊性。作为地域门户，若能立足于节能展开设计，不仅可以实现节能减排，而且利于引导大众绿色审美，在新时代具有特殊的示范意义与带动作用。本文以天津西站高铁站房为例，探索寒冷地区高铁站的节能设计潜力。

2 天津西站现状

基于前期对铁路车站设计资料与建成高铁站房使用情况的文献查阅，进行多次实地调研，以仪器测量、拍照摄像、个别访谈等方法获取研究所需数据、信息，调研内容包括空间尺度与布局、建筑细部、运行特点、站前广场现状、节能措施应用等方面。

2.1 基本概况

天津西站坐落于天津市红桥区，属于寒冷地区，由德国gmp（冯·格康，玛格及合伙人建筑师事务所）设计，总建筑面积18万m2（曼哈德·冯·格康 等，2012），其中站房面积约10.4万m2，站场总体规模达13台26线，以高、普速车场分别在南、北侧横列布置（温静，2013）。西站采用构筑路网、架设连桥、复合换乘、延续景观的设计构思，由中央主站房与四角辅楼构成整体（图1）。主站房南北方向约380m，东西方向约145m，高达57m，以白色编织钢架与通透玻璃幕墙围合成拱状形体。站房采用地下出站与换乘层、地面站台层、高架候车层的功能布置方式以及上进下出的进出站模式（魏庆朝，2015）；共有南北两个站前广场，目前仅南广场投入使用，不仅具有景观效果，更结合区域交通规划起着人流集散作用（图2）。

2.2 站房布局与空间尺度

天津西站站房采用立体布局，主要空间如候车大厅位于高架层（图3），进站区分层布置于地面层与高架层，售票空间紧邻进站区，商业集中分布于地下层与高架层两侧。站房地下出站与换乘层、地面站台层的层高均约10m，高架层为整体大空间形式，横向跨度达145m，中部至两侧依次为中央通廊、检票区、候车区、两侧通廊和商业。候车区空间尺度宏大，顶部为拱形屋面，室内空间净高达47m，两侧商业高10m，上部拱顶空间无具体功能却高达37m；中央通廊跨度达33m，调研发现旅客大多集中在候车区与商业区等候，通廊平日人流少且停留时间短。

图1 天津西站鸟瞰（来源：720yun.com/t/724z7c2ziks?pano_id=33250）

图2 天津西站平面（来源：www.gooood.hk/_d272467739.htm）

图3 高架层布局与候车空间

图4 大型采光屋面与立面

2.3 建筑细部

高架候车层因进深、跨度大，采用大型采光屋面。屋面为白色钢框架玻璃幕墙结构，钢结构拱梁由下至上逐渐增粗增厚，阳光通过穿插交织的菱形网格透入室内，提供给大空间室内明亮环境。立面设计上，主要以大面积玻璃幕墙围护，仅下部四角辅楼采用实体与局部遮阳结合的形式（图4）。室内候车厅的检票空间以小型玻璃体量的形式置入大空间之中，最高点4.9m，与大厅顶部相距较远。

2.4 运行特点

图5 候车厅人员密度对比

图6 天津西站调研现状

图7 天津西站节能潜力分析

调研选取2016年11月20日为例，统计了天津西站全天发送列车的类型与时刻（表1），当日发送列车共计133班次，以高铁列车居多，为97班次。发送时刻统计数据表明，当日6:00～21:00发送列车119班次；21:00～次日6:00发送列车仅14班次，其中高铁列车班次更为稀少，为5班次。高铁列车具有高密度、小编组的运行特点及旅客快进快出的候车行为，实地调研时发现，候车大厅内人员密度不高，但在平日与节假日人员密度相差较大（图5）。目前北侧进站厅尚未开通，而现阶段站房规模足以满足节假日高峰期客流的正常使用。

2.5 节能措施应用

天津西站从工程构造到技术设备均采用了较高标准的节能措施，体现了节能减排的理念：大型采光屋面结构与玻璃幕墙使室内白天无需电力照明；高架检票区域设置特质玻璃地坪，以便下部站台层获得自然采光（图6）；站台雨篷敷设非晶硅薄膜电池组件，实现光伏发电与建筑一体化（汪洋 等，2015）；采用燃气冷热电三联供系统，以能源梯级利用的方式提高能源利用效率（赵奕，2010）。西站采用的节能技术设备先进，若在建筑方案阶段更加着力于空间设计的节能潜力，将会获得更显著的效果。

3 天津西站节能潜力分析

调研关注了天津西站在使用、运营过程中的能耗问题及其与建筑设计层面的联系，分析归纳出天津西站在方案设计阶段存在的节能潜力（图7）。

（1）形体尺度

主站房为高大拱状形体，特别是高架候车层尺度宏大，最高点距楼面约47m，上部拱顶空间达37m却并未利用，因空间尺度过大带来能耗负担。

（2）空间布局

高架层以整体空间贯通站房跨度与进深方向，其间无热边界分隔，无法根据使用期间实际客流量变化进行空间的分区控制。同时，采用中间候车、两侧附属空间的布局形式，候车空间的通风和采光状况不理想，需要依靠设备系统辅助。

（3）表皮材料

主站房屋顶由网状钢架与通透玻璃组成，光线穿透的同时引入过多日光辐射，会增大夏季的制冷负荷；立面通透且基本无遮阳措施，围护结构并未针对寒冷气候区进行高效设计。

图8 设计研究方案

（4）室内细部

高架层内的检票等空间采用常规设计高度，与大空间候车厅顶部有较大距离且无法利用，建筑能耗负担增加；中央通廊跨度大但客流量少，空间利用率低而增加能耗。

（5）建设规模和使用频率

站房客流量较少、部分空间未投入使用，现阶段建设规模过大而导致能耗水平较高；深夜或凌晨时段客流量稀少，而空调和照明设备仍正常运转，带来了不必要的能源消耗。

（6）站前广场

广场空旷且以硬质铺装为主，炎热、寒冷、阴雨等不利天气条件下广场上的进出站和停留旅客数量少；能起到遮阳、庇护效果的绿化或构筑物较少，不利于分担站房高峰期客流量或调节站场微气候。

4 整合节能减排策略的设计研究

通过上文对天津西站的实地调研与节能潜力分析，探讨高铁站在建筑方案设计层面的节能减排策略，并结合西站现状条件、规划发展等情况提出整合节能减排设计策略的研究方案。

4.1 节能减排策略

（1）形体尺度

作为大跨建筑，高铁站形体尺度可与结构选型紧密结合，从结构角度考虑，将结构、形态、空间相结合，设计合理的建筑高度，以避免空间与能耗的浪费（李琴波 等，2014）。

（2）空间布局

基于不同时期、不同时段的客流密度与运行状况，结合建筑结构与使用特点，将候车层内部完整大空间切分为小空间以形成候车单元，以分区调控的方式控制单元开合，降低设备系统不必要的运行负荷；同时，依据人群使用频率以及不同空间对环境因素的不同需求，调整主要空间如候车、商业等的相对位置。

（3）屋顶及立面细部

大跨度、大进深高架层可在屋面设置采光带以满足室内采光需求，同时辅助遮阳措施，避免自然光进入的同时增加过多的太阳辐射得热；围护结构可基于地域气候，避免全部以玻璃幕墙围合的形式并结合相应的遮阳或保温设计（周正，2017）。

（4）室内细部

提高室内空间利用率，不同功能空间以独立单元形式布置，以便分区、分块控制；对于大跨度的中央候车通廊，可在使用率低的位置引入室外空间与绿植，促进大空间的自然采光通风。

（5）建设规模

基于高铁列车运行特点与旅客候车行为的分析，站房以“通过空间”为主导，规模不宜过大，可依据高峰期客流量或聚集人数由铁路旅客建筑相关规范确定现行建筑规模，同时考虑到本地区长远交通规划，着眼于建设时序进行分期建设，降低站房使用、运行中的能耗和碳排放。

（6）站前广场

从不同时期的客流密度与现行的站房规模出发，增强站前广场的人流集散功能，使其分担高峰期客流量，可在广场上建构筑物，平日用于遮荫、售卖，高峰期可快速搭建为旅客临时休息区，将部分客流引向室外，避免站房为容纳大量客流而建设规模过大带来的能耗问题。

4.2 设计研究方案

综上节能设计策略，并结合功能流线要求和建筑美学，生成研究方案（图8）。

4.2.1 空间尺度

研究方案以高架层检票口为结构生成的出发点，无需温度调节的检票空间由“小盒子”改为楼面贯通至顶的立方体并向四周扩展，排除顶部无法利用的空间，削减了需进行温度调节的空间体积而降低能耗。在方案研究的过程中不断调整尺寸比例，保证结构高跨比等技术要求，检票空间结构则由高架层向下延伸至底，并进行细化设计，形成整体结构的基本单元。结构单元在开间方向设置两个以使用和技术需求，东西跨度为111m，南北进深为21.5m，高度降为22m（图9）。

4.2.2 空间布局

以结构单元为基础，跨度、进深方向各并置两组组成一个候车单元，空间布局按不同功能对舒适度、自然采光通风需求的不同而布置（图10）。调整主要使用空间与附属空间的相对位置：候车空间向外移动，且特殊候车室位于东部最外侧以便于自然采光通风；商业空间集中布置于西侧，作缓冲空间减弱西晒对候车大厅的影响；中央通廊跨度、进深大，中庭设计促进自然采光与通风。候车单元之间设置隔热边界（图10），使其在站房运营过程中根据车次与人流变化开启或关闭，降低客流量稀少时设备系统的运行能耗。

4.2.3 屋顶及立面细部

方案从项目所处寒冷地区气候特点出发，针对不同部位借助参数化设计工具生成建筑细部的形态。屋顶细部上，将结构单元采光面细分生成多个四棱锥网格（图11）：南向布置太阳能电池板实现遮阳并收集太阳能。北向设置天窗以提供室内自然采光通风，形态的确定借助grasshopper算法，根据夏季正午太阳入射角度，控制网格中心顶点的移动高度与距离，实现太阳能收集量的最大化。

图9 结构单元生成及尺度信息

图10 候车单元布局及分区控制

立面设计将结构曲线投影其上，反映了内部结构特色，且对不同朝向立面基于气候因素进行了特殊设计：南立面借助结构外檐出挑形成自遮阳，确保在本地区夏季最炎热的月份为南立面提供有效遮阳；东西立面太阳入射高度角低，适宜垂直遮阳，考虑到屋顶与立面衔接的连贯性而采用扭转竖板的遮阳构件（图11），其上下边缘与建筑水平相接而中部垂直于立面，自上而下产生180°的扭转。

4.2.4 室内细部

大厅中部“通过性”强人流停留时间短，植入生态庭院并布置绿化景观（图12），改善大跨度、大进深中央通廊部位的采光通风，调节局部微气候并收集屋面雨水。

图11 细部及参数化生成（屋顶及立面）

4.2.5 建设规模

根据铁路部门编制的京津冀地区城际铁路网规划（黄海蕾，2015），以远期规划时间节点2030年的高峰小时旅客发送量7400人次为依据（陈富昱，2014），由《铁路旅客车站建筑设计规范（GB50226-2007）》计算得到一期站房主要功能（候车厅、集散厅、商业）空间使用面积（中华人民共和国铁道部，2012），与既有站房对比（表2），方案一期面积远小于既有站房。研究方案采用上进下出与下进下出结合的进出站模式，一期地下空间贯穿南北且北侧提供旅客地下进站空间，地上体量位于南侧，于南、东、西三侧设置进出站入口；为降低扩建施工对站房正常使用的影响，北侧预建结构，保证后期快速扩建的可能性（图13）。

图12 室内细部

表2 天津西站2030年预测与既有面积对比（以候车厅、集散厅、商业为例）

图13 方案分期示意

4.2.6 站前广场

方案将时间因素考虑在内，基于现阶段站房规模与高峰期剧增客流情况，提升站前广场的人流集散功能：站房结构单元形式沿用至广场，以人的尺度进行比例调整后作为广场构筑物，平日用于遮荫、售卖，高峰时期作为旅客临时休息区（图14）——不仅避免了站房规模过大带来的能耗问题，也使站前广场成为“城市客厅”，增强建筑与城市一体化。

5 节能效果模拟分析

以研究方案与既有站房为对象，进行能耗与碳排放的模拟计算与节能评价，以对比分析的方式验证整合节能策略后的效果。根据《民用建筑设计通则》（GB50352-2005），天津西站作为大型重要公共建筑，建筑寿命为100年，故本文能耗和碳排放计算以100年为运行期，并以2030年为时间节点将其分为一期（2030前）和二期（2030后）。

5.1 建筑能耗模拟

5.1.1 建立模型与参数设置

能耗模拟借助Designbuilder软件，经过模型简化、参数设置等过程，得到最终模拟结果。简化后的模型如图15所示，参数的设置如人员活动状况、围护结构材料构造、照明与暖通空调系统等根据实地调研与施工图纸所得的数据信息输入，研究方案与既有站房各项参数设定一致，以验证建筑设计层面带来的能耗差异。

5.1.2 模拟结果与对比分析

模拟分析了研究方案与既有站房的候车厅室内温度波动，包括空气温度、辐射温度和体感温度3类指标，结果表明，既有站房候车厅室内存在严重的夏季过热、冬季过冷现象，而在研究方案中得到了明显缓解（图16）。

能耗计算范围包含采暖、制冷和照明3项主要能耗，采用等效电法进行不同种类能耗之间的换算。运行能耗强度方面，研究方案一期总能耗强度约100kWh/m2·a，与既有站房约160kWh/m2·a的总能耗强度相比，节能率达到37.5%；方案二期是在一期的基础上主要增加北侧集散厅、高架候车层的空间，二期完成后整体方案的能耗强度约116kWh/m2·a，远小于既有站房能耗强度；对比运行期100年总能耗，研究方案比既有站房降低约50%，实现节能量952 634 020kWh（图17）。

图14 站前广场构筑物

图15 Designbuilder软件模拟模型

图16 夏季和冬季典型日候车厅室内温度波动

图17 模拟结果与能耗对比

图18 生命周期碳排放量对比

5.2 建筑生命周期碳排放量计算

此部分使用《2006年IPCC国家温室气体清单指南》（政府间气候变化专门委员会，2007）所提供的计量方程：温室气体排放=AD×EF（AD为人类活动发生程度的信息，EF为量化单位活动的排放量或清除量的系数）来估算温室气体排放量。碳排放计量范围包含建材生产及运输、建筑施工、建筑运行、建筑拆除各阶段的完整生命周期。

对比生命周期碳排放总量，研究方案比既有站房减少63.4%的碳排放，共计减少CO2排放量874 059t。数据表明，通过采取节能措施与控制建材用量，研究方案在运行能耗碳排放和建材生产碳排放两个分项上减排效果最为明显（图18）。

6 结语

本文以寒冷地区天津西站高铁站房方案设计，在建筑方案设计层面基于节能减排视角探讨适于高铁站房本身特点的节能设计策略，并进行能耗与碳排放模拟评价，以期为寒冷地区大型、特大型高铁站的节能方案设计提供参考，并对其他地区不同规模高铁站房设计提供借鉴。高铁站房作为城市门户，彰显了一种设计中的文化诉求，以节能减排为目标的高铁站设计不仅可以有效减少建筑全生命周期的能耗和碳排放，对于引导绿色低碳美学观，推动其他类型的城市公共建筑实现节能减排也具有现实意义。