杨洁 张旭 王凌飞
摘要： 本课题基于对2010年上海世博会园区规划和对往届世博会冷源方案方案的分析，通过对上海世博会园区建筑冷源需求特点和上海能源结构和可再生能源承载力的研究，提出2010年上海世博会园区冷源规划可行性方案并对上海世博会建筑空调系统能耗进行预测。
关键词： 展馆建筑 空调系统 建筑能耗 上海世博会
1 上海世博会规划概述
以建立和谐城为主题的世博会将于2010年在上海举办。上海世博会选址位于黄浦江上游，处于陆家嘴和老外滩的南延伸段上，卢浦大桥与南浦大桥之间的滨水区，约5.4平方公里的规划区内，规划总建筑面积855，500平方米。自1851年第一届伦敦世博会以来，历届世博会都以展现各国当时最高的经济、文化和科技发展水平为主要目的，其中展馆建筑是重要的表现手段之一[1]。和历届世博会相似，上海世博会的建筑也以展馆建筑为主，展馆建筑面积占整个世博园区总建筑面积60％以上。除展馆建筑外，世博园区建筑还包括会议、办公、娱乐及相关的服务设施建筑[2]。
2010年世博会举办期为5月～11月，预计在此期间，上海将迎接7000万名以上游客，日平均人流为40万人，日最高峰人流预计可达80万人。上海世博会举办期间包括上海高温高湿的夏季，因此，世博会建筑空调系统的安全、低环境和能源负荷运行是世博会成功举办和实现绿色世博的关键。本课题基于对往届世博会冷源设置的分析，结合上海世博会建筑规划，对世博会建筑空调系统冷源进行研究。
空调系统能耗预测首先须对建筑物动态空调负荷特性进行分析，确定空调制冷系统方案，针对该方案确定不同负荷率下的机组运行时间，并根据机组在不同负荷率下的效率，确定建筑的运行能耗。由于上海世博会的展览期为5月份到同年的11月份，因此园区内建筑仅考虑夏季供冷能耗。前期研究已经得出上海世博会建筑物动态负荷特性，见参考文献3。
2 上海世博会冷源方案探讨
由于展会建筑比其他类建筑更注重外型的展示效果和美学感受，因此，其能源消耗往往不被重视。但随着世界能源的日趋紧张，集会建筑群的能源消耗和能源系统规划越来越不容忽视，尤其对像日本这样的能源贫乏国家[4]，日本历届博览会对建筑能耗和能源结构非常重视。尽管日本历届博览会都采用区域集中供冷方案。由于建筑能耗标准、建筑设备水平的提高，可利用能源资源结构的变化，各届博览会的能源系统也不尽相同[5-8]。大阪万国博览会（1970年）和冲绳国际海洋博览会（1975年）都设置3个集中供冷机房，大阪万国博览会除了采用电为能源外，还引入燃气作为一个制冷系统的能源，海洋博览会则采用电为唯一能源，而且供冷系统采用了定温差变流量的控制策略；国际科学博览会（1985年）和国际花与绿博览会（1990年）都设置1个集中供冷机房，均采用电和燃气为能源，但冷源设备类型和规模及能源结构并不相同。而且，在花与绿博览会的一个重要的场馆—大温室，空调系统采用了城市废热作为热泵的冷源。爱知县世博会（2005年）的理念是建造一个按照地球再生机制循环运行的“地球循环型展馆”，运用以风力发电为主的可再生能源，进行区域集中供冷，实现展馆运营过程二氧化碳的零排放。该届世博会的能源规划具有下述几个特征：为保护地球环境，构筑低环境负荷、循环型社会的模型，采用无氟冷媒(氨冷冻机、吸收式冷热水机组)；积极导入太阳能发电、燃料电池、生物能燃料、热能利用，建设能源设施的展示区；追求低成本。日本历届世博会冷源设置概况见表1。
日本历届世博会冷源设置概况 表1
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世博会名称 |
建筑面积（m2） |
总冷量（MW） |
能源指标（W/m2） |
|
大阪万国世博会 |
284700 |
105.7 |
371 |
|
冲绳国际海洋博览会 |
54000 |
11.7 |
217 |
|
国际科学博览会 |
166170 |
40.4 |
243.1 |
|
国际花与绿博览会 |
93900 |
24.6 |
262 |
|
爱知世博会 |
－ |
40.1 |
－ |
对往届世博会冷源配置的分析可知，大型建筑群大都采用集中式区域供冷，制冷机组主要以电力制冷为主。本届世博会针对于上海地区能源状况及场馆特点，同时综合考察世博会能源系统的后续利用、辅助建筑的热水供应、供冷系统和电力系统的排热、展馆周围的水源利用以及周边地区低品位能源的利用等问题，根据各种能源形式的特点，优化能源配置。由于世博园区内建筑多为临时建筑，从技术经济方面考虑，拟采用以电制冷为主的，燃气及可再生能源等为附的多能源系统。考虑到世博会单体建筑的不确定因素，本课题选用电制冷多区域供冷站作为唯一冷源形式预测上海世博会园区建筑冷源的能耗。
由于离心式制冷机在大容量下的COP值高于其他种类的制冷机组，因此，本课题以离心式制冷机为对象进行模拟计算。至于制冷机组的COP，调查显示：市场上主流的离心机组的能效比全部达到我国《冷水机组能效限定值及能源效率等级》（GB19577-2004）的2级以上，处于1-2级之间，即对于大型水冷机组COP值在5.6-6.1之间，也就是说，大型的同类制冷机组之间的差异较小，COP值相差±4.5％，由此引起的能耗差异在±4.5％范围内[9]，可忽略。
3 上海世博会建筑空调系统能耗预测
对于一般公共建筑，空调系统能耗占总建筑能耗比例约为50-70％，而冷热源的能耗又约占空调系统总能耗的70％，由此可见，空调系统的冷热源是决定建筑空调系统能耗的主要因素。因此，能源需求、能源供应和能源结构的优化是历届世博会基础设施建设的重点研究课题，也是世博会得以顺利成功举办的基础与重要保障。
3.1 上海世博会建筑空调系统能耗预测方法
由于建筑能耗是由众多相关因素所决定的一个复杂过程，很难从理论上精确求解。大量研究表明：计算机模拟算是一种预测建筑空调系统能耗的有效方法[10-12]。DeST (Designer’s Simulation Toolkits)[13]是我国自主研发的建筑动态模拟工具。该软件既可用于详细地分析建筑物的热特性，又可以模拟系统性能，较好地解决了建筑物和系统设计耦合的问题。如今DeST已在国内、欧洲、日本、香港等地区得到应用。本课题采用该软件进行建筑空调系统负荷的模拟计算。
由于建筑空调负荷是全年变化的，而不同部分负荷下主机的制冷效率存在很大的差异。因此，根据建筑的空调负荷确定空调制冷系统的能耗，必须掌握制冷机组在部分负荷下的效率。目前，IPLV[14-16]作为制冷机组部分负荷下的能耗指标已在全球的范围内被广泛接纳和使用。本文采用美国ARI标准采用的IPLV表征制冷机组部分负荷特性。IPLV将负荷整理成BIN参数的形式，再根据将负荷以100％、75％、50％和25％为中心划分成四个区域，计算得到每个区域占总运行时间的比例，见式（1），
(1)
模拟计算工况描述 表2
|
工况编号 |
工况描述 |
|
1 |
常规围护结构的展馆和屋顶为透明建材的展馆各占一半，按上海世博会预测的人流及展馆特性与面积加权平均确定的内扰－综合内扰 |
|
2 |
所有展馆均为常规围护结构，按上海世博会预测的人流及展馆特性与面积加权平均确定的内扰－综合内扰 |
|
3 |
所有展馆的屋顶均采用透明建材，按上海世博会预测的人流及展馆特性与面积加权平均确定的内扰－综合内扰 |
|
4 |
常规围护结构的展馆和屋顶为透明建材的展馆各占一半，1/4倍的综合内扰 |
|
5 |
常规围护结构的展馆和屋顶为透明建材的展馆各占一半，按上海世博会预测的人流及展馆特性与面积加权平均确定的内扰－综合内扰 |
|
6 |
常规围护结构的展馆和屋顶为透明建材的展馆各占一半，4倍的综合内扰 |
上海世博会展馆建筑IPLV 系数 表3
|
工况编号 |
a |
b |
c |
d |
|
1 |
0.01 |
0.28 |
0.55 |
0.16 |
|
2 |
0.01 |
0.22 |
0.53 |
0.24 |
|
3 |
0.02 |
0.33 |
0.57 |
0.08 |
|
4 |
0.01 |
0.14 |
0.61 |
0.24 |
|
5 |
0.01 |
0.22 |
0.61 |
0.16 |
|
6 |
0.02 |
0.46 |
0.41 |
0.07 |
3.2.1 电制冷区域供冷系统能耗
由展馆建筑的空调负荷和IPLV，可计算得出当世博园区采用常规电力制冷的区域制冷系统时的耗电量见表4。表中，辅助建筑的空调制冷系统能耗的计算方法见相关规范。大量实际工程调研发现，在空调制冷系统中，制冷设备的能耗约占系统总能耗的70％，因此在表4中，区域能耗由制冷设备能耗与选定系数（1.43）共同确定。参考日本往届世博会和广州大学城和浙江大学新校区的区域供冷系统，取空调制冷系统同时使用系数为0.7。
上海世博会建筑能耗计算--采用常规电制冷区域供冷方式表4
|
工况编号 |
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
|
IPLV |
3.36 |
3.25 |
3.47 |
3.08 |
3.30 |
3.58 |
|
展馆负荷（kw） |
110346 |
77799 |
142893 |
71336 |
92547 |
151667 |
|
展馆制冷设备能耗（kw） |
32951 |
24161 |
40931 |
23048 |
28231 |
42252 |
|
展馆能耗（kw） |
47073 |
34516 |
58473 |
32926 |
40330 |
60360 |
|
辅助建筑负荷（kw） |
49750 |
49750 |
49750 |
49750 |
49750 |
49750 |
|
辅助建筑能耗（kw） |
17725 |
17725 |
17725 |
17725 |
17725 |
17725 |
|
建筑总负荷（Mw） |
160 |
128 |
193 |
121 |
142 |
201 |
|
建筑总能耗（Mw） |
65 |
52 |
76 |
51 |
58 |
78 |
|
园区总能耗（Mw） |
45 |
37 |
53 |
35 |
41 |
55 |
|
园区总能耗（Mwh） |
31751 |
25598 |
37337 |
24819 |
28447 |
38261 |
|
园区用电峰值（Mw） |
20 |
16 |
24 |
15 |
18 |
25 |
当展馆建筑采用不同方案（围护结构材料和内扰强度）时，上海世博会园区电耗和用电峰值见图1和2。图中，综合建材为工况1，无幕墙为工况2，幕墙为工况3；低水平、中水平和高水平内扰分别为工况4、5、6。由展馆建筑空调负荷计算可知，展馆建筑的内扰对空调负荷和能耗的影响很大，而且，在内扰中，人员负荷所占的比例很大。
从图1和2中，可以看出，不论是世博会园区建筑空调系统能耗还是园区建筑空调系统用电峰值，都随着展馆建筑采用透明建材的比例增加而上升，而且，几乎成线性关系。因此，上海世博会园区展馆透明建筑材料的使用比例将很大程度地影响着世博会园区的能源需求量。因此，建议在上海世博会展馆建筑的招标中关注其建材的使用，也即关注园区能源合理使用。
从图1和2中，也可以看出，不论是世博会园区建筑空调系统能耗还是园区建筑空调系统用电峰值，都随着展馆建筑内扰的增加即参观人数的增加而上升，而且，成近似线性关系，即上海世博会参观人数对世博会园区能源需求量的影响很大。例如，当预测人流由现在预测的40万人/天增加到80万人/天，世博会园区建筑能耗和用电峰值将分别增加14.3％和15.5％；如果参观人数由40万人/天降低到20万人/天，世博会园区建筑能耗和用电峰值将分别减少6.4％和7.8％。因此，上海世博会人流预测是世博会园区能耗规划的关键基础数据，应加大这方面的工作力度。
3.2.2 电制冷区域供冷+冰蓄冷系统能耗
大量的表明，展馆建筑的空调负荷的变化趋势与城市用电负荷的变化趋势很相近[17]。因此，如果采用冰蓄冷技术将白天部分高峰负荷移至晚上城市电网的低估负荷区间，制冷机组可以只承担机载负荷，尖峰负荷由蓄冰承担，将非常有利于城市电网的安全和减少城市电网的容量，并降低空调制冷系统运行费用。而且，蓄冰系统出水温度低，冷冻水温度可降到1-4℃，适宜区域供冷的远距离输配，支持管网温升要求，不影响末端的使用效果，可以充分发挥区域供冷与冰蓄冷技术的优势。
根据大量区域供冷实际工程经验，本课题选择蓄冰承担总制冷负荷的30％，机载制冷机承担总制冷负荷的70％，运行策略见图3。由此，表4中各方案世博会园区用电峰值将都减少30％，见表5。而能耗由于制冰工况下制冷机效率有所降低，而且存在有蓄冰和融冰效率问题，会有小幅度的增加。
上海世博会建筑能耗计算--采用电制冷+冰蓄冷区域供冷方式表5
|
工况编号 |
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
|
IPLV |
3.36 |
3.25 |
3.47 |
3.08 |
3.30 |
3.58 |
|
建筑总负荷（Mw） |
160 |
128 |
193 |
121 |
142 |
201 |
|
园区用电峰值（Mw） |
14 |
10 |
17 |
11 |
13 |
18 |
3.2.3 燃气制冷空调系统能耗
本方案假设上海世博会园区建筑空调系统的冷源均由燃气制冷机提供。燃气空调部分负荷效率见图4。采用燃气制冷区域供冷方式的上海世博会建筑负荷与能耗计算见表6。
上海世博会建筑能耗计算--采用燃气制冷区域供冷方式 表6
|
工况编号 |
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
|
COP |
1.45 |
1.45 |
1.45 |
1.43 |
1.45 |
1.42 |
|
建筑总负荷（Mw） |
160 |
128 |
193 |
121 |
142 |
201 |
|
园区总负荷（Mw） |
112 |
90 |
135 |
85 |
99 |
140 |
|
园区总耗气量（Mm3） |
77 |
62 |
93 |
59 |
69 |
99 |
结论
通过上海世博会能源方案研究与能源需求预测可以得出：不论是世博会园区建筑空调系统能耗还是园区建筑空调系统用电峰值，都随着展馆建筑采用透明建材的比例增加而上升，而且，几乎成线性关系；也随着展馆建筑内扰的增加即参观人数的增加而上升，而且，成近似线性关系。因此，上海世博会园区展馆透明建筑材料的使用比例和参观人数将很大程度地影响着世博会园区的能源需求量。因此，上海世博会人流预测是世博会园区能耗规划的关键基础数据，应加大这方面的工作力度；同时建议在上海世博会展馆建筑的招标中关注其建材的使用，也即关注园区能源合理使用。
通过对上海世博会建筑空调系统冷源的比较研究，本课题建议上海世博会根据5个园区的划分建造5个能源中心。该5个能源中心应以电制冷+冰蓄冷为主。根据城市燃气供应情况建造适当数量的燃气冷源站。
参考文献
3 杨洁，上海世博会建筑空调系统能耗预测，同济大学博士后出站报告，2005，5；
5 大阪万博特辑 空气调和卫生工学 1970；
6 科学万博特辑 建筑设备与配管工事 1985；
7 范存养，大阪“花的万博”博览会空调技术 暖通空调 1991，21(4)；
9 龙维定，上海提高冷水机组能效等级的效益分析，上海市率先提高空调冷水机组能效等级研讨会论文集，2005，3，19-25；
10 DOE-2 Engineers Manual， Version 2.1A， November 1982；
11 TRNSYS: a transient system simulation program. Solar Energy Laboratory， University of Wisconsin， 1988；
12 Clarke JA， McLean D. ESP-A building and plant energy simulation system. Strathclyde: Energy Simulation Research Unit， University of Strathclyede， 1988.
13 陈锋， 邓宇春， 薛志峰， 吴如宏. 建筑环境设计模拟工具包DeST. 暖通空调， 1999， 29: 58-63；
14 ARI Standard 550-1992， Centrifugal and ratary water-chilling packages， Air-conditioning and Refrigeration Institute， 4301 North Fairfax Drive， Suite 425， Arilington， Va. 22203， U.S.A.
15 ARI Standard 590-1992， Positive displacement compressor water-chilling packages， Air-conditioning and Refrigeration Institute， 4301 North Fairfax Drive， Suite 425， Arilington， Va. 22203， U.S.A.
16 ARI Standard 550/590-1998， Water-chilling packages using the vapor compression cycle， Air-conditioning and Refrigeration Institute， 4301 North Fairfax Drive， Suite 425， Arilington， Va. 22203， U.S.A.
17 彭娇，上海大空间场馆建筑空调系统及冷热源的研究，同济大学硕士论文，2005，3