尹丹宁 巫恩海 陈 鹏 苏 波 陈家乐

(1.江苏大学土木工程与力学学院，江苏 镇江 212013； 2.江苏镇江建筑科学研究院集团股份有限公司，江苏 镇江 212013； 3.上海建筑设计研究院有限公司，上海 200000)

0 引言

高速收费岗亭常见于高速公路出入口的收费广场内，是一种为车辆提供进出收费服务的管理用房[1,2]。GB/T 24719—2009公路收费亭中规定，公路收费亭可以按材料分为彩色钢板、不锈钢板、镀锌薄钢板和玻璃钢收费岗亭[3]。如图1所示为目前高速公路收费站内常用的收费岗亭。

目前高速公路上常用的收费岗亭一般为不锈钢板收费亭和彩色钢板收费岗亭，亭内铺设防静电地板；收费亭正对来车方向的正面及左右两侧共三面应设置玻璃窗，正前面应为固定玻璃窗，收费一侧玻璃窗可开启。但是，目前暂无相关标准对高速公路收费亭的保温、隔热和节能做出要求。根据调研，目前江苏地区高速公路收费亭暂未进行保温设计。

由于公路收费亭受大气温度、多种辐射等环境因素的影响，处于变化的温度场中，收费亭内部与外部环境都存在着导热、对流和热辐射的耦合换热，影响其保温性能的因素繁杂，涉及到收费亭的组成材料和几何构造[4]。收费岗亭作为高速公路收费站内特殊的建筑，虽没有一般民用建筑建筑面积大，但是收费亭数量每年呈快速增长的趋势，在全国范围内也是不容忽视的建筑群，因此收费岗亭的节能也是至关重要的。

1 节能型收费岗亭的组成

为了满足高速公路收费岗亭的节能需要，可以将GFRP夹芯保温板运用于节能型收费岗亭的设计上。同时，模块化设计可以提高生产和施工的效率，各模块单元可以在工厂生产并进行组装，随后运输至现场进行吊装。节能型收费岗亭由底板模块、亭体模块、顶板模块和门窗模块四个模块组成，节能型收费岗亭如图2所示。

2 收费岗亭热环境模拟

2.1 有限元建模

由于有限元建模软件Solid Works软件与ANSYS具有较好的兼容性[5]，进行有限元建模时，先使用Solid Works软件建立收费岗亭的几何模型，然后将模型导入ANSYS中进行网格划分和材料定义。模型导入后，在ANSYS中对模型进行网格划分，模型单元为6面体单元，网格的尺寸为5 mm，全模型共计划分9.355 9×105个单元，有限元模型如图3所示。

2.2 参数设置

完成网格划分后，定义模型的物理场，本次热环境模拟一共定义两个物理场。第一种为温度场，用以模拟冬季岗亭外的温度，定义为整个岗亭外壳；第二种为流体场，用以模拟冬季空调采暖所产生的气流，定义为整个岗亭内部空间。温度场的温度参照南京市累年最低日平均温度，设置为-4.5 ℃；冬季室内空调制冷温度设置为27 ℃。物理场参数如表1所示。

表1 物理场参数

3 结果分析

根据以往学者对收费岗亭人行化设计的研究可以知道，收费岗亭内收费员保持坐姿工作时的工作高度为1.4 m[6,7]，因此对收费岗亭内1.4 m处的温度分布进行研究更具代表性。传统收费岗亭内1.4 m处的温度分布如图4a)所示，节能型收费岗亭内1.4 m处的温度分布如图4b)所示。

由图4可知，传统收费岗亭的温度分布为中间高、四边低，亭体中间高温部分面积较小。而节能型收费岗亭温度分布也是中间高、四边低，但是其亭体中心的温度更加均匀。从收费岗亭室内温度上看，传统型收费岗亭内1.4 m处的平均温度为12.49 ℃；节能型收费岗亭内1.4 m处的平均温度为16.71 ℃。因此，相比传统收费岗亭，节能型收费岗亭室内1.4 m处的平均温度提高了4.22 ℃，节能型收费岗亭具有更好的保温性能。

提高收费岗亭的保温性能，能够为收费人员提供一个舒适的工作环境，因此需要研究收费员的工作区域温度是否达到适宜的要求。通常情况下，收费人员的工作位置位于距离前侧观察窗1.1 m、收费窗0.3 m处，因此截取收费岗亭内1.4 m高度处距前侧观察窗1.1 m位置的温度曲线进行对比，同时根据收费岗亭的人体工程学设计，选定距离左侧观察窗1 m～1.5 m的区域作为收费人员工作区域。如图5a)所示为传统收费岗亭工作区域的温度曲线，如图5b)所示为节能型收费岗亭工作区域的温度曲线。

由图5可以看出节能型收费岗亭工作区域温度曲线较传统收费岗亭工作区域温度曲线更为平缓，同时节能型收费岗亭工作区域的平均温度为21.86 ℃，传统收费岗亭工作区域的平均温度为18.93 ℃，从以上数据可以看出节能型收费岗亭工作区域的平均温度要高于传统收费岗亭工作区域的平均温度。

而在室内热舒适度方面，国际标准《适中的热环境——PMV与PPD指标的确定及热舒适条件的确定》(ISO 7730)[8]和国内标准GB 50189—2015公共建筑节能设计标准[9]均对冬季建筑室内热舒适做出了规定，对比结果如表2所示。

表2 热舒适性对比

从表2可以看出，传统收费岗亭工作区域处的平均温度距ISO 7730和GB 50189—2015和要求的冬季室内适宜温度仍有一定差距，而节能型收费岗亭工作区域的平均温度能够满足两种标准的要求，因此节能型收费岗亭具有更好的热舒适性，可以满足收费人员的工作需要。

4 结语

本文通过有限元，对传统收费岗亭和节能型收费岗亭的冬季室内热舒适性进行模拟和对比，得到以下结论：

1)在室外-4.5 ℃、室内26 ℃的条件下，节能型收费岗亭较传统收费岗亭，亭内1.4 m处的平均温度提高了4.22 ℃，节能型收费岗亭整体保温性能更高。

2)在室外-4.5 ℃、室内26 ℃的条件下，传统收费岗亭内工作区域的平均温度为18.93 ℃，节能型收费岗亭内工作区域的平均温度为21.86 ℃，节能型收费岗亭的工作区域具有更高的温度。

3)对比ISO 7730和GB 50189两个标准，与传统收费岗亭相比，节能型收费岗亭具有更好的热舒适性。