上海世博園區建筑空調系統能耗預測摘要：本課題基于對2010年上海世博會園區規劃和對往屆世博會冷源方案方案的分析，通過對上海世博會園區建筑冷源需求特點和上海能源結構和可再生能源承載力的研究，提出2010年上海世博會園區冷源規劃可行性方案并對上海世博會建筑空調系統能耗進行預測。關鍵字：展館建筑空調系統建筑能耗上海世博會1上海世博會規劃概述以建立和諧城為主題的世博會將于2010年在上海舉辦。上海世博會選址位于黃浦江上游，處于陸家嘴和老外灘的南延伸段上，盧浦大橋與南浦大橋之間的濱水區，約5.4平方公里的規劃區內，規劃總建筑面積855，500平方米。自1851年第一屆倫敦世博會以來，歷屆世博會都以展現各國當時最高的經濟、文化和科技發展水平為主要目的，其中展館建筑是重要的表現手段之一[1]。和歷屆世博會相似，上海世博會的建筑也以展館建筑為主，展館建筑面積占整個世博園區總建筑面積60％以上。除展館建筑外，世博園區建筑還包括會議、辦公、娛樂及相關的服務設施建筑[2]。2010年世博會舉辦期為5月～11月，預計在此期間，上海將迎接7000萬名以上游客，日平均人流為40萬人，日最高峰人流預計可達80萬人。上海世博會舉辦期間包括上海高溫高濕的夏季，因此，世博會建筑空調系統的安全、低環境和能源負荷運行是世博會成功舉辦和實現綠色世博的關鍵。本課題基于對往屆世博會冷源設置的分析，結合上海世博會建筑規劃，對世博會建筑空調系統冷源進行研究。空調系統能耗預測首先須對建筑物動態空調負荷特性進行分析，確定空調制冷系統方案，針對該方案確定不同負荷率下的機組運行時間，并根據機組在不同負荷率下的效率，確定建筑的運行能耗。由于上海世博會的展覽期為5月份到同年的11月份，因此園區內建筑僅考慮夏季供冷能耗。前期研究已經得出上海世博會建筑物動態負荷特性，見參考文獻3。2上海世博會冷源方案探討由于展會建筑比其他類建筑更注重外型的展示效果和美學感受，因此，其能源消耗往往不被重視。但隨著世界能源的日趨緊張，集會建筑群的能源消耗和能源系統規劃越來越不容忽視，尤其對像日本這樣的能源貧乏國家[4]，日本歷屆博覽會對建筑能耗和能源結構非常重視。盡管日本歷屆博覽會都采用區域集中供冷方案。由于建筑能耗標準、建筑設備水平的提高，可利用能源資源結構的變化，各屆博覽會的能源系統也不盡相同[5-8]。大阪萬國博覽會（1970年）和沖繩國際海洋博覽會（1975年）都設置3個集中供冷機房，大阪萬國博覽會除了采用電為能源外，還引入燃氣作為一個制冷系統的能源，海洋博覽會則采用電為唯一能源，而且供冷系統采用了定溫差變流量的控制策略；國際科學博覽會（1985年）和國際花與綠博覽會（1990年）都設置1個集中供冷機房，均采用電和燃氣為能源，但冷源設備類型和規模及能源結構并不相同。而且，在花與綠博覽會的一個重要的場館—大溫室，空調系統采用了城市廢熱作為熱泵的冷源。愛知縣世博會（2005年）的理念是建造一個按照地球再生機制循環運行的“地球循環型展館”，運用以風力發電為主的可再生能源，進行區域集中供冷，實現展館運營過程二氧化碳的零排放。該屆世博會的能源規劃具有下述幾個特征：為保護地球環境，構筑低環境負荷、循環型社會的模型，采用無氟冷媒(氨冷凍機、吸收式冷熱水機組)；積極導入太陽能發電、燃料電池、生物能燃料、熱能利用，建設能源設施的展示區；追求低成本。日本歷屆世博會冷源設置概況見表1。日本歷屆世博會冷源設置概況表1結世博會名稱多建筑面積腹（著m敲2嘉）甲總冷量呆（秧M押W確）畜能源指標爽（打W/m贊2駛）鵝大阪萬國世博山會惡284700波105.7沃371抓沖繩國際海洋雖博覽會獅54000枝11.7朵217象國際科學博覽伐會智166170恰40.4鈴243.1爸國際花與綠博勤覽會洗93900兆24.6凱262婆愛知世博會鞠－炭40.1渾－對往屆世博會冷源配置的分析可知，大型建筑群大都采用集中式區域供冷，制冷機組主要以電力制冷為主。本屆世博會針對于上海地區能源狀況及場館特點，同時綜合考察世博會能源系統的后續利用、輔助建筑的熱水供應、供冷系統和電力系統的排熱、展館周圍的水源利用以及周邊地區低品位能源的利用等問題，根據各種能源形式的特點，優化能源配置。由于世博園區內建筑多為臨時建筑，從技術經濟方面考慮，擬采用以電制冷為主的，燃氣及可再生能源等為附的多能源系統。考慮到世博會單體建筑的不確定因素，本課題選用電制冷多區域供冷站作為唯一冷源形式預測上海世博會園區建筑冷源的能耗。由于離心式制冷機在大容量下的COP值高于其他種類的制冷機組，因此，本課題以離心式制冷機為對象進行模擬計算。至于制冷機組的COP，調查顯示：市場上主流的離心機組的能效比全部達到我國《冷水機組能效限定值及能源效率等級》（GB19577-2004）的2級以上，處于1-2級之間，即對于大型水冷機組COP值在5.6-6.1之間，也就是說，大型的同類制冷機組之間的差異較小，COP值相差±4.5％，由此引起的能耗差異在±4.5％范圍內[9]，可忽略。3上海世博會建筑空調系統能耗預測對于一般公共建筑，空調系統能耗占總建筑能耗比例約為50-70％，而冷熱源的能耗又約占空調系統總能耗的70％，由此可見，空調系統的冷熱源是決定建筑空調系統能耗的主要因素。因此，能源需求、能源供應和能源結構的優化是歷屆世博會基礎設施建設的重點研究課題，也是世博會得以順利成功舉辦的基礎與重要保障。3.1上海世博會建筑空調系統能耗預測方法由于建筑能耗是由眾多相關因素所決定的一個復雜過程，很難從理論上精確求解。大量研究表明：計算機模擬算是一種預測建筑空調系統能耗的有效方法[10-12]。DeST(Designer’sSimulationToolkits)[13]是我國自主研發的建筑動態模擬工具。該軟件既可用于詳細地分析建筑物的熱特性，又可以模擬系統性能，較好地解決了建筑物和系統設計耦合的問題。如今DeST已在國內、歐洲、日本、香港等地區得到應用。本課題采用該軟件進行建筑空調系統負荷的模擬計算。由于建筑空調負荷是全年變化的，而不同部分負荷下主機的制冷效率存在很大的差異。因此，根據建筑的空調負荷確定空調制冷系統的能耗，必須掌握制冷機組在部分負荷下的效率。目前，IPLV[14-16]作為制冷機組部分負荷下的能耗指標已在全球的范圍內被廣泛接納和使用。本文采用美國ARI標準采用的IPLV表征制冷機組部分負荷特性。IPLV將負荷整理成BIN參數的形式，再根據將負荷以100％、75％、50％和25％為中心劃分成四個區域，計算得到每個區域占總運行時間的比例,見式（1），(1)3.2上海世博會冷源容量預測結果IPLV表達式中的4個系數含有“時間權”的意義。本課題模擬計算工況見表2，模擬計算[3]得出IPLV各系數值見表3。將以上各系數帶入式（1），即為展館建筑的IPLV。鬼模擬計算工況彼描餃述掛竿表女2恨工況編號民工況描述烘1昏常規圍護結構低的展館和屋頂腫為透明建材的酸展館各占一半確，按上海世博丙會預測的人流仆及展館特性與激面積加權平均組確定的內擾－細綜合內擾生2以所有展館均為弓常規圍護結構偷，按上海世博具會預測的人流肅及展館特性與菠面積加權平均旦確定的內擾－膊綜合內擾獄3煌所有展館的屋枝頂均采用透明煤建材，按上海擋世博會預測的欠人流及展館特扭性與面積加權座平均確定的內龍擾－綜合內擾專4尚常規圍護結構且的展館和屋頂廚為透明建材的渣展館各占一半色，鄙1/反4拉倍的綜合內擾臣5劇常規圍護結構付的展館和屋頂圓為透明建材的評展館各占一半背，按上海世博壟會預測的人流肉及展館特性與腥面積加權平均賽確定的內擾－生綜合內擾攔6噴常規圍護結構損的展館和屋頂晃為透明建材的螞展館各占一半帝，搭4臟倍的綜合內擾嫂上海世博會展電館建懸筑魂IPLV另肯系直數并旁表啞3形工況編號豪a眠b多c榮d井1羅0.01漆0.28奮0.55貢0.16窯2男0.01嫁0.22賣0.53于0.24翅3膜0.02寺0.33健0.57蠅0.08快4屠0.01敢0.14愧0.61短0.24諸5埋0.01京0.22驕0.61差0.16飼6挽0.02但0.46蹦0.41睡0.07冒匹才電制冷區域供湯冷系統能耗集由展館建筑的認空調負荷膠和秀IPL策V釋，可計算得出聽當世博園區采蓄用常規電力制翠冷的區域制冷千系統時的耗電浸量見出表兆4殘。表中，輔助懶建筑的空調制駕冷系統能耗的脆計算嚼方法見相關規假范。大量實際煉工程調研發現緞，在空調制冷辟系統中，制冷過設備的能耗約換占系統總能耗到的去7竹0胡％，因此在怠表御4甜中，區域能耗踢由制冷設備能浙耗與選定系數收（躲1.4最3枯）共同確定。令參考日本往屆姿世博會和廣州巖大學城和浙江變大學新校區的透區域供冷系統驕，取空調制冷供系統同時使用墓系數招為幸0.險7貝。膨上海世博會建估筑能耗計郊算框-遭-扶采用常規電制快冷區域供冷方材式陽表籌4居工況編號灑1摔2鐘3雹4暫5泳6執IPLV且3.36填3.25褲3.47堪3.08戴3.30胳3.58酒展館負荷辯（固k殊w沖）須110346茶77799壯142893維71336垂92547暫151667莊展館制冷設備臘能耗番（的k慰w薦）糟32951模24161嘗40931恭23048引28231弓42252餓展館能耗鑼（在k宿w戀）桑47073瞧34516顏58473濾32926配40330堪60360鈴輔助建筑負荷桌（日k饅w貪）鐘49750該49750噸49750插49750神49750票49750秀輔助建筑能耗張（瓦k舒w誕）通17725擺17725緣17725貿17725丹17725絲17725艙建筑總負荷瘡（花M彩w耽）奧160俗128散193券121騰142禁201惡建筑總能耗殖（腿M鷹w纖）舍65始52烏76直51沒58豎78苗園區總能耗登（紡M莖w熔）詳45紛37奶53氏35北41移55付園區總能耗和（納Mw虜h徹）榆31751蚊25598婆37337攀24819早28447銹38261背園區用電峰值沸（仁M值w壘）叢20顯16錄24咸15償18道25決當展館建筑采貧用不同方案（乎圍護結構材料溝和內擾強度）塔時，上海世博版會園區電耗和而用電峰值見截圖甘1育和狠2衫。圖中，綜合躍建材為工缸況蘋1艘，無幕墻為工丘況右2趟，幕墻為工斥況利3莖；低水平、中級水平和高水平票內擾分別為工嗓況野4層、恨5歷、隸6策。由展館建筑不空調負荷計算輕可知，展館建閣筑的內擾對空站調負荷和能耗礙的影響很大，越而且，在內擾流中，人員負荷時所占的比例很閑大。腐圖悔1塘店不同展館建筑呆方案下世博園啊區電雅耗快工圖示2欣拋不同展館建筑范方案下世博園校區用電峰值窮從另圖托1勇和陷2必中，可以看出梢，不論是世博普會園區建筑空雨調系統能耗還陸是園區建筑空顏調系統用電峰年值，都隨著展循館建筑采用透罷明建材的比例夏增加而上升，賽而且，幾乎成鼻線性關系。因淺此，上海世博幼會園區展館透尚明建筑材料的性使用比例將很將大程度地影響月著世博會園區牌的能源需求量肉。因此，建議派在上海世博會帽展館建筑的招素標中關注其建企材的使用，也構即關注園區能籌源合理使用。雨從清圖鄉1扁和確2栗中，也可以看際出，不論是世盟博會園區建筑忌空調系統能耗邊還是園區建筑外空調系統用電炸峰值，都隨著萍展館建筑內擾城的增加即參觀礙人數的增加而落上升，而且，葵成近似線性關駝系，即上海世臂博會參觀人數緊對世博會園區瑞能源需求量的私影響很大。例長如，當預測人諒流由現在預測愚的乎4耐0繡萬奇人貴/陡天增加該到委8海0魔萬釘人絡/秒天，世博會園擴區建筑能耗和劈用電峰值將分紐別增雹加碼14.解3遷％違和軟15.忽5殼％；如果參觀躺人數夢由斃4禁0夢萬睬人畫/壤天降低真到水2誓0壘萬笑人清/粉天，世博會園上區建筑能耗和針用電峰值將分率別減仆少焰6.失4清％冒和歷7.魂8牢％。因此，上銜海世博會人流桌預測是世博會岡園區能耗規劃吩的關鍵基礎數碧據，應加大這丈方面的工作力夫度。神倘折電制冷區域供介冷赴+勢冰蓄冷系統能均耗搬大量的表明，貢展館建筑的空你調負荷的變化租趨勢與城市用論電負荷的變化毒趨勢很相近蝕[17]抽。因此，如果任采用冰蓄冷技耕術將白天部分脅高峰負荷移至退晚上城市電網卵的低估負荷區狼間，制冷機組蔑可以只承擔機譯載負荷，尖峰燒負荷由蓄冰承撥擔，將非常有妨利于城市電網路的安全和減少憑城市電網的容嘗量，并降低空名調制冷系統運玻行費用。而且頂，蓄冰系統出裕水溫度低，冷稼凍水溫度可降壘到周1椅-銅4菌℃糕，適宜區域供籠冷的遠距離輸刃配，支持管網嘆溫升要求，不填影響末端的使鈔用效果，可以槍充分發揮區域利供冷與冰蓄冷僚技術的優勢。竿根據大量區域遠供冷實際工程坐經驗，本課題硬選擇蓄冰承擔借總制冷負荷鎮的多3崖0遞％，機載制冷養機承擔總制冷反負荷世的臭7嗎0張％，運行策略細見赴圖朋3雜。由此，姻表慨4億中各方案世博橫會園區用電峰丹值將都減肌少吃3仍0鉛％，見扛表哈5體。而能耗由于棉制冰工況下制賢冷機效率有所否降低，而且存濕在有蓄冰和融匆冰效率問題，缺會有小幅度的速增加。鋼上海世博會建砌筑能耗計吸算亡-親-棒采用電制始冷輝+侄冰蓄冷區域供協冷方式趣表沸5議工況編號雄1新2弄3葬4鋼5旦6牽IPLV懷3.36裕3.25棕3.47矩3.08象3.30恨3.58帶建筑總負荷素（宏M技w螞）樣160評128攔193權121聯142檢201效園區用電峰值赤（震M嗽w銳）頌14債10耀17春11里13姿18團圖背3爪略上海世博會園握區蓄冷系統運闖行策略悶圖借4教晶燃氣空調部分莊負荷效率泥溫鹿燃氣制冷空調粗系統能耗嗽本方案假設上缺海世博會園區脆建筑空調系統帝的冷源均由燃才氣制冷機提供濤。燃氣空調部義分負荷效率見仆圖特4姓。采用燃氣制餃冷區域供冷方斷式的上海世博棵會建筑負荷與念能耗計算見灑表央6紹。稅上海世博會建憐筑能耗計仙算涼-嗎-蔑采用燃氣制冷鴉區域供冷方漆式鴉水表惡6胃工況編號矮1另2皮3誰4炸5搖6摩COP握1.45芒1.45紐1.45睡1.43糠1.45辭1.42洲建筑總負荷厭（久M攤w閉）棵160家128絲193貿121慰142頑201兆園區總負荷址（濤M串w芒）重112窮90社135稻85鹿99注140省園區總耗氣量塔（磁Mm板3品）自77士62捕93竿59欠69艘99結論耳通過上海世博論會能源方案研名究與能源需求藏預測可以得出萄：不論是世博貨會園區建筑空濤調系統能耗還增是園區建筑空槳調系統用電峰晨值，都隨著展坡館建筑采用透營明建材的比例渠增加而上升，爸而且，幾乎成眾線性關系；也糊隨著展館建筑啞內擾的增加即制參觀人數的增聾加而上升，而伏且，成近似線羅性關系。因此千，上海世博會戶園區展館透明島建筑材料的使名用比例和參觀貸人數將很大程故度地影響著世土博會園區的能處源需求量。因歐此，上海世博諒會人流預測是梁世博會園區能域耗規劃的關鍵款基礎數據，應哈加大這方面的玻工作力度；同頃時建議在上海刃世博會展館建鎮筑的招標中關疼注其建材的使忽用，也即關注容園區能源合理最使用。該通過對上海世辮博會建筑空調王系統冷源的比包較研究，本課希題建議上海世舍博會根襖據逐5賽個園區的劃分村建層造廚5逮個能源中心。邁該榜5早個能源中心應檢以電制境冷刮+礎冰蓄冷為主。跑根據城市燃氣憂供應情況建造滾適當數量的燃傳氣冷源站。參考文獻巡1鍵酬陳喆，董雪峰包，世博會展館安建筑結構成就銷回顧，工業建舊筑賢，豈2003.鏟9顏；珍2衫燒吳志強等，理嫂想空鞋間池—葛—曉世博會專輯，掘同濟大學出版估社緊，矮2004.1栽00-9注估；倚3結扮楊潔，上海世罪博會建筑空調渣系統能耗預測督，同濟大學博蔽士后出站報告奪，支200穩5暑，垮5冬；棵4宰扎陳賡良，國內洪外天然氣利用默的現狀與展望瓜，石油與天然殿氣化工騰，仁2002.腳5喪；啄5競精大阪萬博特俊輯礙女空氣調和衛生杏工撫學隸197性0億；聾6徑下科學萬博特章輯舉奇建筑設備與配本管工塘事賽198努5慘；義7箏脊范存養，大晨阪犁“秩花的萬榜博凡”葛博覽會空調技龍術辟括暖通空怒調凳199尺1吊，烏21(4作)節；縱8炕悅范存養，大空沉間建覆筑膠—無—氏空調設計及工橡程實錄，中國廊建筑工業出版鏡社餓，贊2001.艦9笛；嗽9譽龍維定，上海剖提高冷水機組暢能效等級的效吳益分析，上海云市率先提高空社調冷水機組能器效等級研討會留論文集族，秒200增5蜘，稿3另，伐19-2華5碼；惑10DOE暮-2Eng策ineers洞Manual新,Vers寫ion怕2.1A卡,Nove頌mber1用98滅2扇；翼禾11TRNS糠YS:a被transi鍋entsy鼻stems掛imulat干ionpr于ogram.還Solar厭Energ堤yLabo儀ratory搬,Unive眉rsity冠ofWis除consin肚,198賊8鐵；式爹12Clar攤keJA,凳McLea慈nD.E濾SP-Ab正uildin虜gand犯plant銷energy餐simul誕ation基system搞.Strat絮hclyde脾:Ener捧gySim寶ulatio友nRese鼓archU陵nit,由Univer濟sity吵of豆Strath蓋clyede冤,1988物.喜1改3竟陳腿鋒