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1、上海世博园区建筑空调系统能耗预测杨洁张旭王凌飞摘要：本课题基于对XX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XX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XX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痍伸段上，卢浦大桥与南浦大桥之间的滨水区，约平方公里的规划区内，规划总建筑扃面积855，500平方米。自1851徇年第一届伦敦世博会以来，历届世博会都为以展
2、现各国当时最高的经济、文化和科技芡发展水平为主要目的，其中展馆建筑是重险要的表现手段之一1。和历届世博会哈相似，上海世博会的建筑也以展馆建筑为筑主，展馆建筑面积占整个世博园区总建筑热面积60以上。除展馆建筑外，世博园区建筑还包括会议、办公、娱乐及相关的钢服务设施建筑2。XX年世博会举淌办期为5月11月，预计在此期间，上戢海将迎接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鸲80万人。上海世博会举办期间包括上海逼高温高湿的夏季，因此，世博会建筑空调洒系统的安全、低环境和能源负荷运行是世扁博会成功举办和实现绿色世博的关键。本舔课题基于对往届世博会冷源设置的分析，鳍结合上海世博会
3、建筑规划，对世博会建筑罟空调系统冷源进行研究。空调系统能耗醍预测首先须对建筑物动态空调负荷特性进岁行分析，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，代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。前期研究已斥经得出上海世博会建筑物动态负荷特性，鸠见参考文献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姝型的展示效果和美学感受，因此，其能源着消耗往往不被重视。但随着世界能源的日蜡趋紧张，集会建筑群的能源消耗和能源系统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
4、本历届博览泥会对建筑能耗和能源结构非常重视。尽管嗦日本历届博览会都采用区域集中供冷方案咦。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，各届博诘览会的能源系统也不尽相同5-8。蛹大阪万国博览会和冲绳国际海洋博览会都抵设置3个集中供冷机房，大阪万国博览会墒除了采用电为能源外，还引入燃气作为一绔个制冷系统的能源，海洋博览会则采用电晷为唯一能源，而且供冷系统采用了定温差变流量的控制策略；国际科学博览会和国捍际花与绿博览会都设置1个集中供冷机房墟，均采用电和燃气为能源，但冷源设备类剐型和规模及能源结构并不相同。而且，在槲花与绿博览会的一个重要的场馆大温室醛，空调系统采用了城市废热作为
5、热泵的冷牍源。爱知县世博会的理念是建造一个按照法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，实现展馆运营过程澈二氧化碳的零排放。该届世博会的能源规班划具有下述几个特征：为保护地球环境，抖构筑低环境负荷、循环型社会的模型，采铮用无氟冷媒(氨冷冻机、吸收式冷热水机觇组)；积极导入太阳能发电、燃料电池、实生物能燃料、热能利用，建设能源设施的夔展示区；追求低成本。日本历届世博会冷悱源设置概况见表1。日本历届世博会冷八源设置概况表1世博会名称建筑面积总冷曰量能源指标大阪万国世博会284700371冲绳国际海洋博览会540002庠17国际科学博览会16617
6、0国际花覆与绿博览会93900262爱知世博会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，制茄冷机组主要以电力制冷为主。本届世博会汕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觊地区低品位能源的利用等问题，根据各种箜能源形式的特点，优化能源配置。由于世往博园区内建筑多为临时建筑，从技术经济宝方面考虑，拟采用以电制冷为主的，燃气陶及可再生能源等为附的多能源系统。考虑场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袅式预测上海世博会园区建筑冷源的能耗。
7、眵由于离心式制冷机在大容量下的COP唷值高于其他种类的制冷机组，因此，本课叻题以离心式制冷机为对象进行模拟计算。腴至于制冷机组的COP，调查显示：市场绕上主流的离心机组的能效比全部达到我国曰冷水机组能效限定值及能源效率等级茴的2级以上，处于1-2级之间，即对于蜥大型水冷机组COP值在之间，也就是说，大型的同类制冷机组之间的差异较小，COP值相差，由此引起的能耗差异鸫在范围内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鲍共建筑，空调系统能耗占总建筑能耗比例缜约为50-70，而冷热源的能耗又约芸占空调系统总能耗的70，由此可见，稷空调系统的冷热源是决定建筑空调系统能曦耗的主要因素。因此，
8、能源需求、能源供萼应和能源结构的优化是历届世博会基础设递施建设的重点研究课题，也是世博会得以敛顺利成功举办的基础与重要保障。上海世博会建筑空调系统能耗预测方法由于趑建筑能耗是由众多相关因素所决定的一个撤复杂过程，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刿空调系统能耗的有效方法10-12。DeST(DesignersSimulationToolkits)13是我国自主研发的建筑动态模拟工酲具。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，较好地解偃决了建筑物和系统设计耦合的问题。如今丘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望筑
9、空调系统负荷的模拟计算。由于建筑蛱空调负荷是全年变化的，而不同部分负荷劐下主机的制冷效率存在很大的差异。因此搡，根据建筑的空调负荷确定空调制冷系统婶的能耗，必须掌握制冷机组在部分负荷下葵的效率。目前，IPLV14-16荆作为制冷机组部分负荷下的能耗指标已在朔全球的范围内被广泛接纳和使用。本文采鞯用美国ARI标准采用的IPLV表征制危冷机组部分负荷特性。IPLV将负荷整使理成BIN参数的形式，再根据将负荷以蚋100、75、50和25为中电心划分成四个区域，计算得到每个区域占总运行时间的比例,见式，(1)上矫海世博会冷源容量预测结果IPLV表幅达式中的4个系数含有“时间权”的意义。本课题模拟计算工
10、况见表2，模拟计算我3得出IPLV各系数值见表3。将番以上各系数带入式，即为展馆建筑的IP蜱LV。模拟计算工况描述表2工况编号畀工况描述1常规围护结构的展馆和屋顶为杖透明建材的展馆各占一半，按上海世博会盈预测的人流及展馆特性与面积加权平均确憨定的内扰综合内扰2所有展馆均为常规理围护结构，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首内扰3所有展馆的屋顶均采用透明建材，岐按上海世博会预测的人流及展馆特性与面鼠积加权平均确定的内扰综合内扰4常规瞎围护结构的展馆和屋顶为透明建材的展馆泮各占一半，1/4倍的综合内扰5常规围饭护结构的展馆和屋顶为透明建材的展馆各汹占一半，按上海世博会预测
11、的人流及展馆爿特性与面积加权平均确定的内扰综合内船扰6常规围护结构的展馆和屋顶为透明建瘁材的展馆各占一半，4倍的综合内扰上海卩世博会展馆建筑IPLV系数表3工况编淌号abcd123456电制冷区域供冷拖系统能耗由展馆建筑的空调负荷和IP词LV，可计算得出当世博园区采用常规电晰力制冷的区域制冷系统时的耗电量见表4乖。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。大量实际工程调研樨发现，在空调制冷系统中，制冷设备的能绡耗约占系统总能耗的70，因此在表4夔中，区域能耗由制冷设备能耗与选定系数共同确定。参考日本往届世博会和广州大跨学城和浙江大学新校区的区域供冷系统，鬲取空调制冷系统同时使用系数
12、为。上海世博会建筑能耗计算-采用常规电制冷鬣区域供冷方式表4工况编号123456IPLV展馆负荷1103467779914289371336925471杭51667展馆制冷设备能耗32951廑241614093123048282日3142252展馆能耗4707334位516584733292640330后60360辅助建筑负荷4975049750497504975049750囱49750辅助建筑能耗1772517725177251772517725诽17725建筑总负荷160128193121142201建筑总能耗655栲276515878园区总能耗4537矶53354155园区总能耗3175
13、1充2559837337248192844738261园区用电峰值201624151825当展馆建筑采用不同方案时，上海世博会园区电耗和用电峰值见图邛1和2。图中，综合建材为工况1，无幕福墙为工况2，幕墙为工况3；低水平、中伲水平和高水平内扰分别为工况4、5、6塌。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，卅而且，在内扰中，人员负荷所占的比例很删大。图1不同展馆建筑方案下世博园区致电耗图2不同展馆建筑方案下世博园区撕用电峰值从图1和2中，可以看出，不光论是世博会园区建筑空调系统能耗还是园沛区建筑空调系统用电峰值，都随着展馆建蕞筑采用透明建材的比例增加而上升，而且鼎，
14、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贬度地影响着世博会园区的能源需求量。因乩此，建议在上海世博会展馆建筑的招标中痕关注其建材的使用，也即关注园区能源合浜理使用。从图1和2中，也可以看出，圭不论是世博会园区建筑空调系统能耗还是怨园区建筑空调系统用电峰值，都随着展馆芽建筑内扰的增加即参观人数的增加而上升茔，而且，成近似线性关系，即上海世博会鸱参观人数对世博会园区能源需求量的影响蓑很大。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和怵；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棱电峰值将
15、分别减少和。因此，上海世博会人流预测是世博会园区能耗规划的关笼键基础数据，应加大这方面的工作力度。醅电制冷区域供冷+冰蓄冷系统能耗大阱量的表明，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1破7。因此，如果采用冰蓄冷技术将白天拮部分高峰负荷移至晚上城市电网的低估负绦荷区间，制冷机组可以只承担机载负荷，脶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，并降吨低空调制冷系统运行费用。而且，蓄冰系馒统出水温度低，冷冻水温度可降到1-4俏，适宜区域供冷的远距离输配，支持管竹网温升要求，不影响末端的使用效果，可腮以充分发挥区域供冷与冰蓄冷技术的优势硎。根据大量区域供冷实
16、际工程经验，本信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，运涝行策略见图3。由此，表4中各方案世博醛会园区用电峰值将都减少30，见表5绰。而能耗由于制冰工况下制冷机效率有所琳降低，而且存在有蓄冰和融冰效率问题，碓会有小幅度的增加。上海世博会建筑能弁耗计算-采用电制冷+冰蓄冷区域供冷骛方式表5工况编号123456IPLV孀建筑总负荷1601281931211链42201园区用电峰值1410171癫11318图3上海世博会园区蓄冷系统运行策略图4燃气空调部分负荷效率卿燃气制冷空调系统能耗本方案假设上轨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嬉
17、图4。采用燃气制冷区域供冷方式的上海卯世博会建筑负荷与能耗计算见表6。上屙海世博会建筑能耗计算-采用燃气制冷签区域供冷方式表6工况编号123456券COP建筑总负荷1601281931彰21142201园区总负荷11290耷1358599140园区总耗气量77鸷6293596999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腐：不论是世博会园区建筑空调系统能耗还才是园区建筑空调系统用电峰值，都随着展氧馆建筑采用透明建材的比例增加而上升，靠而且，几乎成线性关系；也随着展馆建筑底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闽人
18、数将很大程度地影响着世博会园区的能锱源需求量。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，应通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晡用，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世究，本课题建议上海世博会根据5个园区愉的划分建造5个能源中心。该5个能源中榉心应以电制冷+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1陈喆，董雪峰，世博妥会展馆建筑结构成就回顾，工业建筑，；2吴志强等，理想空间世博会专辑，箧同济大学出版社，；3杨洁，上海世博挲会建筑空调系统能耗预测，同济大学博士后出站报告，XX，5；4
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