尹丹寧 巫恩海 陳 鵬 蘇 波 陳家樂

(1.江蘇大學土木工程與力學學院，江蘇 鎮(zhèn)江 212013； 2.江蘇鎮(zhèn)江建筑科學研究院集團股份有限公司，江蘇 鎮(zhèn)江 212013； 3.上海建筑設計研究院有限公司，上海 200000)

0 引言

高速收費崗亭常見于高速公路出入口的收費廣場內，是一種為車輛提供進出收費服務的管理用房[1,2]。GB/T 24719—2009公路收費亭中規(guī)定，公路收費亭可以按材料分為彩色鋼板、不銹鋼板、鍍鋅薄鋼板和玻璃鋼收費崗亭[3]。如圖1所示為目前高速公路收費站內常用的收費崗亭。

目前高速公路上常用的收費崗亭一般為不銹鋼板收費亭和彩色鋼板收費崗亭，亭內鋪設防靜電地板；收費亭正對來車方向的正面及左右兩側共三面應設置玻璃窗，正前面應為固定玻璃窗，收費一側玻璃窗可開啟。但是，目前暫無相關標準對高速公路收費亭的保溫、隔熱和節(jié)能做出要求。根據(jù)調研，目前江蘇地區(qū)高速公路收費亭暫未進行保溫設計。

由于公路收費亭受大氣溫度、多種輻射等環(huán)境因素的影響，處于變化的溫度場中，收費亭內部與外部環(huán)境都存在著導熱、對流和熱輻射的耦合換熱，影響其保溫性能的因素繁雜，涉及到收費亭的組成材料和幾何構造[4]。收費崗亭作為高速公路收費站內特殊的建筑，雖沒有一般民用建筑建筑面積大，但是收費亭數(shù)量每年呈快速增長的趨勢，在全國范圍內也是不容忽視的建筑群，因此收費崗亭的節(jié)能也是至關重要的。

1 節(jié)能型收費崗亭的組成

為了滿足高速公路收費崗亭的節(jié)能需要，可以將GFRP夾芯保溫板運用于節(jié)能型收費崗亭的設計上。同時，模塊化設計可以提高生產(chǎn)和施工的效率，各模塊單元可以在工廠生產(chǎn)并進行組裝，隨后運輸至現(xiàn)場進行吊裝。節(jié)能型收費崗亭由底板模塊、亭體模塊、頂板模塊和門窗模塊四個模塊組成，節(jié)能型收費崗亭如圖2所示。

2 收費崗亭熱環(huán)境模擬

2.1 有限元建模

由于有限元建模軟件Solid Works軟件與ANSYS具有較好的兼容性[5]，進行有限元建模時，先使用Solid Works軟件建立收費崗亭的幾何模型，然后將模型導入ANSYS中進行網(wǎng)格劃分和材料定義。模型導入后，在ANSYS中對模型進行網(wǎng)格劃分，模型單元為6面體單元，網(wǎng)格的尺寸為5 mm，全模型共計劃分9.355 9×105個單元，有限元模型如圖3所示。

2.2 參數(shù)設置

完成網(wǎng)格劃分后，定義模型的物理場，本次熱環(huán)境模擬一共定義兩個物理場。第一種為溫度場，用以模擬冬季崗亭外的溫度，定義為整個崗亭外殼；第二種為流體場，用以模擬冬季空調采暖所產(chǎn)生的氣流，定義為整個崗亭內部空間。溫度場的溫度參照南京市累年最低日平均溫度，設置為-4.5 ℃；冬季室內空調制冷溫度設置為27 ℃。物理場參數(shù)如表1所示。

表1 物理場參數(shù)

3 結果分析

根據(jù)以往學者對收費崗亭人行化設計的研究可以知道，收費崗亭內收費員保持坐姿工作時的工作高度為1.4 m[6,7]，因此對收費崗亭內1.4 m處的溫度分布進行研究更具代表性。傳統(tǒng)收費崗亭內1.4 m處的溫度分布如圖4a)所示，節(jié)能型收費崗亭內1.4 m處的溫度分布如圖4b)所示。

由圖4可知，傳統(tǒng)收費崗亭的溫度分布為中間高、四邊低，亭體中間高溫部分面積較小。而節(jié)能型收費崗亭溫度分布也是中間高、四邊低，但是其亭體中心的溫度更加均勻。從收費崗亭室內溫度上看，傳統(tǒng)型收費崗亭內1.4 m處的平均溫度為12.49 ℃；節(jié)能型收費崗亭內1.4 m處的平均溫度為16.71 ℃。因此，相比傳統(tǒng)收費崗亭，節(jié)能型收費崗亭室內1.4 m處的平均溫度提高了4.22 ℃，節(jié)能型收費崗亭具有更好的保溫性能。

提高收費崗亭的保溫性能，能夠為收費人員提供一個舒適的工作環(huán)境，因此需要研究收費員的工作區(qū)域溫度是否達到適宜的要求。通常情況下，收費人員的工作位置位于距離前側觀察窗1.1 m、收費窗0.3 m處，因此截取收費崗亭內1.4 m高度處距前側觀察窗1.1 m位置的溫度曲線進行對比，同時根據(jù)收費崗亭的人體工程學設計，選定距離左側觀察窗1 m～1.5 m的區(qū)域作為收費人員工作區(qū)域。如圖5a)所示為傳統(tǒng)收費崗亭工作區(qū)域的溫度曲線，如圖5b)所示為節(jié)能型收費崗亭工作區(qū)域的溫度曲線。

由圖5可以看出節(jié)能型收費崗亭工作區(qū)域溫度曲線較傳統(tǒng)收費崗亭工作區(qū)域溫度曲線更為平緩，同時節(jié)能型收費崗亭工作區(qū)域的平均溫度為21.86 ℃，傳統(tǒng)收費崗亭工作區(qū)域的平均溫度為18.93 ℃，從以上數(shù)據(jù)可以看出節(jié)能型收費崗亭工作區(qū)域的平均溫度要高于傳統(tǒng)收費崗亭工作區(qū)域的平均溫度。

而在室內熱舒適度方面，國際標準《適中的熱環(huán)境——PMV與PPD指標的確定及熱舒適條件的確定》(ISO 7730)[8]和國內標準GB 50189—2015公共建筑節(jié)能設計標準[9]均對冬季建筑室內熱舒適做出了規(guī)定，對比結果如表2所示。

表2 熱舒適性對比

從表2可以看出，傳統(tǒng)收費崗亭工作區(qū)域處的平均溫度距ISO 7730和GB 50189—2015和要求的冬季室內適宜溫度仍有一定差距，而節(jié)能型收費崗亭工作區(qū)域的平均溫度能夠滿足兩種標準的要求，因此節(jié)能型收費崗亭具有更好的熱舒適性，可以滿足收費人員的工作需要。

4 結語

本文通過有限元，對傳統(tǒng)收費崗亭和節(jié)能型收費崗亭的冬季室內熱舒適性進行模擬和對比，得到以下結論：

1)在室外-4.5 ℃、室內26 ℃的條件下，節(jié)能型收費崗亭較傳統(tǒng)收費崗亭，亭內1.4 m處的平均溫度提高了4.22 ℃，節(jié)能型收費崗亭整體保溫性能更高。

2)在室外-4.5 ℃、室內26 ℃的條件下，傳統(tǒng)收費崗亭內工作區(qū)域的平均溫度為18.93 ℃，節(jié)能型收費崗亭內工作區(qū)域的平均溫度為21.86 ℃，節(jié)能型收費崗亭的工作區(qū)域具有更高的溫度。

3)對比ISO 7730和GB 50189兩個標準，與傳統(tǒng)收費崗亭相比，節(jié)能型收費崗亭具有更好的熱舒適性。