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北欧科学园区的规划与建设研究
摘 要:寒冷地区有着独特的地理位置和气候条件,在北半球高纬度地区广泛分布.本文在分析寒地城镇环境建设中存在问题的基础上,对发达国家寒地在城镇环境建设关键技术,包括能源节约与应用技术、积雪处理技术和道路维护技术等方面进行了研究,阐述开发适宜的寒地建设关键技术的国际经验对中国北方寒地城镇环境建设的启示,以期加强中国寒地城镇环境在建设技术方面的应对.一般来讲,冬季在人们眼中是和严寒、冰雪、阴暗等联系在一起的.根据国际寒地城市协会的统计,世界上至少30个国家位于地球北半部的高纬度地区, 6亿以上的人口有着生活在冬季气候中的经历.从寒地城市的气候特征来看,在世界范围内,这些城市主要分布在加拿大、美国中北部、斯堪的纳维亚半岛、冰岛、格陵兰岛、瑞士、前苏联、日本、中国东北和华北以及中亚的伊朗、阿富汗等国家,其中多数位于北半球高纬度地区.寒冷气候条件下城市环境建设的主要问题
寒冷的气候条件对于城市环境建设产生较大的负面影响,主要表现在几方面.1·1 交通和出行
寒冷的气候条件对寒地城市最大的负面影响是冬季的城市交通问题.由于频繁的降雪来不及从道路上清除,形成冰雪路面,导致冬季机动车行驶速度缓慢、事故多发、交通运营能力大大降低,影响城市居民正常的生产和生活.光滑或湿滑的冰雪路面环境给人们的步行也增加了许多困难,尤其是给老弱病残人士增加了危险.总之,寒冷气候条件极大地影响了寒地城市道路交通和人们的出行,在很大程度上降低了城市的生产和生活的效率.1·2 路面铺装和维护
在寒冷地域,冻胀、冻结对道路铺装的影响极大,能够形成横裂、纵裂、网裂等现象.冻胀破坏随冻深而增加,冻胀主要在道路横断方向不均匀地发生,大致在中央部位为最大,因此,寒地城市沿道路中线易出现大的裂缝.此外,在春融期,冻结的铺装从上下两面开始融化,上面融化快,水还留在下层中,使下层处于过饱和状态,从而使路基、基层承载力显著降低,此时车辆往复作用于路面就会引起网裂并伴随路面下沉.为了保持良好的路面质量,需要不断及时地对道路路面加以维护.1·3 积雪清除
降雪使得北方的寒地城市在冬季不得不面临清雪的问题,清雪需要清雪机械、融雪剂以及各种人工劳动,此外还需要对合理的清雪方式开展专门的研究,因此城市需要支付大量的费用.在一些频繁降雪的城市,城市用于清雪的费用更多,在很大程度上增加了政府的财政负担.1·4 能源损耗
寒地城市的能源消耗较大,尤其是工业城市的冬季供暖.由于气候的原因导致寒地城市冬季的采暖期较长,居民住宅以及公共设施每年都消耗大量的煤炭、电力等能源用于供暖,能源消耗产生了大量的煤烟型大气污染.此外,寒地城市在交通方面的能耗也很大.除了冬季车辆内部供暖耗能以外,光滑的冰雪路面也增加了机动车燃油的消耗量,而且冬季自行车等交通工具无法使用,也加剧了机动车交通紧张程度,增加了用于交通方面的能耗.昼短夜长的冬季气候特点还使得城市每年在冬季都要额外消耗大量的照明用电.国外寒地城镇环境建设关键技术开发与应用
多年来,发达国家寒地城市的研究者们一直在积极研究开发适宜严寒气候的建设技术,并以先进适宜技术支持寒地城市规划建设.由于冬季处于严寒的气候条件下,能源节约与应用技术、积雪处理技术和道路维护技术成为国外寒地城市环境建设中较为关键的几项技术.2·1 能源节约与应用技术
在能源方面,许多国家的寒地城市都在积极推行有效的节能政策,除了在墙体设计以及建筑材料的运用等方面节能以外,更注重在城市建设的层面倡导节约能源,提高能源利用率.在日本北海道和本州北部两个寒冷并且降雪丰富的地区,人们利用雪冷却系统,在各种建筑物中建造存储雪的设施,将雪用于夏季制冷和空调.札幌的节能策略是制定“区域空调计划”,该计划就是利用每天从地铁排出的低温废热为区域采暖提供廉价的能源.在欧洲,瑞典在保护环境和节约能源方面作出了表率.马尔默在社区建设中,采取了大量的节能技术.该社区的能耗目标是每年105千瓦/米2时,建筑均应用新技术新材料和新结构.能源就地生产并可回收利用,包括风力、太阳能、地热采暖和海水采热,所有能源都是可再生,并且不使用煤炭类产生二氧化物的燃料.基律纳在家庭、办公场所和工业建筑中采用社区集中供热方式,能量来自于采矿工业过剩的能,通过烟囱失去的能量散失到空中之前被城市用于体育运动场地和家庭供热,这些举措不但节约能源而且极大地改进了空气质量.吕勒奥将工业废热储存起来作为热源用于融化Kallax机场跑道上的冰雪,降低了清雪成本,获得良好的环境同时又增加了安全性.北欧国家相对比较注重热量回收系统技术的应用,如通过通风管将各房间空气过滤收集起来,并回收其中的大部分热量,污浊的空气由设在房屋顶部的风机抽走排放,这种技术多应用在许多集合式多层、高层住宅中.瑞典的废热回收技术主要有锅炉尾气废热回收和城镇污水处理后的热回收等多种形式.如斯德哥尔摩市回收废水中的热可提供该市45%的集中供热.冰岛大力开发地热资源,地热能所占的比例很大,全国有85%的家庭利用地热采暖.除区域采暖、发电以外,更广泛地利用在温室土壤的采暖设施、融雪系统、文化娱乐设施(温水游泳池、足球赛场)的土壤干燥等.自20世纪50年代,美国明尼阿玻利斯南谷购物中心建设了独具特色的节能系统,使用丰富的低温地下水资源和将热量收集并储存在地下层的办法,来满足降温和取暖的需要.这套系统的优点是节能和无污染,对能量作了最有效的利用,达到了全面控制环境的目的,把人从恶劣的自然环境中解脱出来.直到今天,明尼阿玻利斯南谷比本地其它用复杂和现代方法来加热和冷却的购物中心效率高10% ~15%.2·2 积雪处理技术
冬季降雪对于寒地城镇正常的交通运转影响很大,尤其是一些寒地城镇冬季降雪强度较大、持续时间长,因此及时清除和处理积雪对于寒地城镇正常的生产、生活十分重要.经过多年的研制和开发,日本以及欧美等国家的寒地城镇已经拥有较为先进的机械清雪设备,可以在较短的时间内完成大面积的自动化清雪作业.除此之外,许多寒地城镇还建立了较完善的融雪系统,比如日本北方地区的一些城市如札幌、青森等.札幌市早在20世纪60年代就已经开始在部分人行道下安装加热融雪系统,并且逐步推广.青森市(Aomori)建立两种人行道融雪系统,在城市的人行道和过街人行横道地下铺设管道,融雪方式有两种:一种是通过管道运送经过加热的海水,利用海水的热量来融化积雪,另一种则是利用地热融化人行道和停车场积雪.为了防止雪倾倒站点融化的雪水污染海水,青森市建立一个系统,使雪被经过处理后的废水融化,将清洁的雪水流入大海.此外,日本的一些寒地城镇在一些道路的危险地段还使用低压力、低速度的喷洒系统产生一种稳定水流来促进冰雪融化.经过融雪处理,减少了在道路交叉口、坡路段以及转弯处路面冻结打滑的危险.冰岛的首都雷克雅未克则铺设管道利用居民排放的废水余热和地热促进人行道和过街通道的积雪融化,方便居民出行,这种技术还应用于建设冬季可融化冰雪的足球场地.挪威和瑞典的一些城镇同日本一样在道路的表面利用电热融化系统来清除道路上的积雪和冰,以减少道路的维护费用.美国阿拉斯加的安格雷奇等城镇采取利用建筑物的余热来使人行道的积雪融化,同时节约了能源.在积雪的运送方面,日本的城镇通过对现有城镇排水系统的综合利用来输送雪,这种方法主要是在冬季将城镇综合排水渠、溢水沟的有关设施改造成雪流动水槽,由商业和住宅的业主把积雪从城镇的街道和人行道自愿地铲起放到这些水槽中,采用液压方式来运送积雪.同时,将污水处理厂调节池改造为冬季堆雪处理系统,利用其具有的较大的储备能力来对雪存储以进一步进行处理.针对雪处理问题,日本寒地城镇还研制开发出用于对降雪情况进行智能检测的高灵敏度降雪探测器、雪深度感应器、积雪感应器等高技术产品,并且开发出宅前和道路上的燃气融雪系统.此外,雪在日本、瑞典等国家一些降雪较多的寒地城镇成为一种资源,人们将其用于空调制冷,既解决了积雪处理和利用的实际问题,又极大地节约了能源.日本、芬兰、挪威、瑞典、德国、美国、加拿大等国的寒地城镇在利用化学物质控制冰雪等方面进行深入的研究,环保型融雪剂已经得到广泛应用.使用融雪剂还可加装固体融雪剂撒布前预湿统,据国外一些寒地城镇使用结果证明,加装融雪剂预湿系统后,达到同等的融雪能力,可以节约30%以上的融雪剂,大大节约了融雪成本.2·3 冬季道路维护技术
寒地城镇地处北方严寒的气候条件下,冬季一般会持续5个月左右甚至半年以上.冬季的低温、降雪对城镇道路的影响很大,需要在道路建设、养护、管理等方面采取克服冰雪严寒的措施,因此许多国家的寒地城镇都十分重视研究冬季道路维护技术,日本和欧洲的寒地城镇在这方面开展的研究走在世界的前列.日本北海道道路环境建设的技术开发正向多元化的方向发展.在道路建设方面,基本确立了考虑冰雪寒冷气象条件的几何构造、铺装结构、材料等的设计施工标准,并且因地制宜地利用新的材料与施工方法.几何构造的标准是从冬期交通安全、车辆的驱动与制动性能等方面来规定纵坡与横坡的最大值以及有利于除雪作业而设置的堆雪宽度.铺装结构及材料方面,为防止冻胀,除了一般采用的用抗冻材料置换到冻深的方法以外,日本还研制出以防冻为主的功能性铺装技术.防冻铺装有助于路面防冻及剥离路面所积的冰雪.从机理上大致分两类:一类是沥青混凝土中含氯化钠和氯化钙等盐化物,使用后盐化物逐渐释放于路表,用盐化物来降低冰雪的冰点,从而达到防冻目的.另一类是利用路面表面嵌入材料的特点,包括变形型和粗糙型两种路面铺设,变形型就是增加路面面层(或罩面层)材料的柔性,使柔度大幅度提高,从而增加了路面受力时的弹性变形量.路面结冰后,行车辗压时使路面冰层直接承受不均匀的垂直和水平力作用而自动破碎,然后用除雪机清除碎冰,使所积冰雪剥离;粗糙型就是采用大粒径、升级配等沥青混凝土铺筑面层,增加面层的粗糙度.冰冻后,行车辗压时,水平力的作用使结冻层很快被磨耗掉,同时也增加了制动效果.在冬季道路管理方面,日本和欧洲的寒地城镇拥有较为先进的道路天气信息系统(RWIS)、冬季交通管理系统和驾驶者信息系统.通过道路天气信息系统(RWIS),道路部门利用传感器收集和监控道路小气候数据,包括温度、风速、风向、降水和湿度,工作人员把信息迅速通过指定的无线电频率分发到公路休息区域,以便根据信息调整速度限制.RWIS系统安装和维护虽然昂贵,但是通过其产生的信息使得有关部门能够对是否利用化学品融冰雪进行迅速反应并且应用,这样既防止道路结冰,又节省了时间和融雪材料.此外,工作人员还可以掌握和预测天气情况,从而决定是否在道路危险地方分配人员和清雪机械.加拿大交通部门也在开发一个名为“全加拿大道路气候信息系统一体化网络”(RWIS),这一网络主要致力于改善环境,提高道路安全性能和出行者的出行效率.通过RWIS系统网络,道路养护人员可以获取实时的道路气候信息,以帮助决定在何时采取何种方式对道路进行维护管理.同时,RWIS也有助于天气预报人员来预测道路路面结冰的情况,从而使出行者能及时地获取所需的道路信息,采取防范措施或改变出行计划.对中国寒地城镇环境建设的启示
由于经济发展水平和城镇建设水平的制约以及人才短缺等因素,我国寒地城镇在城镇环境生态建设技术开发与应用方面远落后于日本、欧美等一些发达国家的寒地城镇.对于中国的寒地城镇而言,应该在积极借鉴国外寒地城镇建设关键技术的基础上强调运用生态适宜技术的策略,即在吸收传统技术优势的同时引进国外先进科学技术,结合环境、经济、能源、文化等多种方面的综合考虑,对现代科学技术进行本土化适宜改造,使之适应特定地区的发展状况和发展要求的技术策略.生态的适宜技术则更强调节约能源和符合生态发展的需求,根据我国寒地城镇的实际情况,因地制宜地采用“适宜技术”正是寒地城镇生态建设技术的现实选择.寒地城镇涉及的生态适宜技术体系非常庞大,其中较为关键的技术策略包括:
1)节能技术.寒地城镇除了研究墙体设计以及建筑材料的运用等方面的生态节能技术以外,更应注重在城镇建设的层面研究生态节能技术,其关键技术主要包括能源的再利用和新能源的研发与应用两个方面.2)冰雪处理技术及道路维护技术.包括步空间环境融雪技术、道路路面除冰雪技术和防冻胀、冻结技术,积雪存储利用技术等.3)计算机及信息应用技术.包括寒地室外物理环境相关的计算机模拟技术、冬季气候条件相关的道路智能管理信息技术、寒地城镇规划相关的计算机和信息技术等.4)其它生态适宜技术.包括有效的冬季施工技术,冰雪建筑和冰雪景观的建设技术等.4 结论
总之,对国际上地处寒冷地域的发达国家在城镇建设技术方面的经验进行深入研究,有助于充分发挥这些经验的前瞻性、针对性和指导性作用,更好地解决我国寒地城镇建设中存在的问题,加强我国寒地城镇环境在建设技术方面的应对
