建筑空調能耗預測管理論文

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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。

關鍵詞：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世博會名稱建筑面積（m2）總冷量（MW）能源指標（W/m2）

大阪萬國世博會284700105.7371

沖繩國際海洋博覽會5400011.7217

國際科學博覽會16617040.4243.1

國際花與綠博覽會9390024.6262

愛知世博會－40.1－

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。

模擬計算工況描述表2工況編號工況描述

1常規圍護結構的展館和屋頂為透明建材的展館各占一半，按上海世博會預測的人流及展館特性與面積加權平均確定的內擾－綜合內擾

2所有展館均為常規圍護結構，按上海世博會預測的人流及展館特性與面積加權平均確定的內擾－綜合內擾

3所有展館的屋頂均采用透明建材，按上海世博會預測的人流及展館特性與面積加權平均確定的內擾－綜合內擾

4常規圍護結構的展館和屋頂為透明建材的展館各占一半，1/4倍的綜合內擾

5常規圍護結構的展館和屋頂為透明建材的展館各占一半，按上海世博會預測的人流及展館特性與面積加權平均確定的內擾－綜合內擾

6常規圍護結構的展館和屋頂為透明建材的展館各占一半，4倍的綜合內擾

上海世博會展館建筑IPLV系數表3工況編號abcd

10.010.280.550.16

20.010.220.530.24

30.020.330.570.08

40.010.140.610.24

50.010.220.610.16

60.020.460.410.07

3.2.1電制冷區域供冷系統能耗

由展館建筑的空調負荷和IPLV，可計算得出當世博園區采用常規電力制冷的區域制冷系統時的耗電量見表4。表中，輔助建筑的空調制冷系統能耗的計算方法見相關規范。大量實際工程調研發現，在空調制冷系統中，制冷設備的能耗約占系統總能耗的70％，因此在表4中，區域能耗由制冷設備能耗與選定系數（1.43）共同確定。參考日本往屆世博會和廣州大學城和浙江大學新校區的區域供冷系統，取空調制冷系統同時使用系數為0.7。

上海世博會建筑能耗計算--采用常規電制冷區域供冷方式表4工況編號123456

IPLV3.363.253.473.083.303.58

展館負荷（kw）110346777991428937133692547151667

展館制冷設備能耗（kw）329512416140931230482823142252

展館能耗（kw）470733451658473329264033060360

輔助建筑負荷（kw）497504975049750497504975049750

輔助建筑能耗（kw）177251772517725177251772517725

建筑總負荷（Mw）160128193121142201

建筑總能耗（Mw）655276515878

園區總能耗（Mw）453753354155

園區總能耗（Mwh）317512559837337248192844738261

園區用電峰值（Mw）201624151825

當展館建筑采用不同方案（圍護結構材料和內擾強度）時，上海世博會園區電耗和用電峰值見圖1和2。圖中，綜合建材為工況1，無幕墻為工況2，幕墻為工況3；低水平、中水平和高水平內擾分別為工況4、5、6。由展館建筑空調負荷計算可知，展館建筑的內擾對空調負荷和能耗的影響很大，而且，在內擾中，人員負荷所占的比例很大。

圖1不同展館建筑方案下世博園區電耗

圖2不同展館建筑方案下世博園區用電峰值

從圖1和2中，可以看出，不論是世博會園區建筑空調系統能耗還是園區建筑空調系統用電峰值，都隨著展館建筑采用透明建材的比例增加而上升，而且，幾乎成線性關系。因此，上海世博會園區展館透明建筑材料的使用比例將很大程度地影響著世博會園區的能源需求量。因此，建議在上海世博會展館建筑的招標中關注其建材的使用，也即關注園區能源合理使用。

從圖1和2中，也可以看出，不論是世博會園區建筑空調系統能耗還是園區建筑空調系統用電峰值，都隨著展館建筑內擾的增加即參觀人數的增加而上升，而且，成近似線性關系，即上海世博會參觀人數對世博會園區能源需求量的影響很大。例如，當預測人流由現在預測的40萬人/天增加到80萬人/天，世博會園區建筑能耗和用電峰值將分別增加14.3％和15.5％；如果參觀人數由40萬人/天降低到20萬人/天，世博會園區建筑能耗和用電峰值將分別減少6.4％和7.8％。因此，上海世博會人流預測是世博會園區能耗規劃的關鍵基礎數據，應加大這方面的工作力度。

3.2.2電制冷區域供冷+冰蓄冷系統能耗

大量的表明，展館建筑的空調負荷的變化趨勢與城市用電負荷的變化趨勢很相近[17]。因此，如果采用冰蓄冷技術將白天部分高峰負荷移至晚上城市電網的低估負荷區間，制冷機組可以只承擔機載負荷，尖峰負荷由蓄冰承擔，將非常有利于城市電網的安全和減少城市電網的容量，并降低空調制冷系統運行費用。而且，蓄冰系統出水溫度低，冷凍水溫度可降到1-4℃，適宜區域供冷的遠距離輸配，支持管網溫升要求，不影響末端的使用效果，可以充分發揮區域供冷與冰蓄冷技術的優勢。

根據大量區域供冷實際工程經驗，本課題選擇蓄冰承擔總制冷負荷的30％，機載制冷機承擔總制冷負荷的70％，運行策略見圖3。由此，表4中各方案世博會園區用電峰值將都減少30％，見表5。而能耗由于制冰工況下制冷機效率有所降低，而且存在有蓄冰和融冰效率問題，會有小幅度的增加。

上海世博會建筑能耗計算--采用電制冷+冰蓄冷區域供冷方式表5工況編號123456

IPLV3.363.253.473.083.303.58

建筑總負荷（Mw）160128193121142201

園區用電峰值（Mw）141017111318

圖3上海世博會園區蓄冷系統運行策略

圖4燃氣空調部分負荷效率

3.2.3燃氣制冷空調系統能耗

本方案假設上海世博會園區建筑空調系統的冷源均由燃氣制冷機提供。燃氣空調部分負荷效率見圖4。采用燃氣制冷區域供冷方式的上海世博會建筑負荷與能耗計算見表6。

上海世博會建筑能耗計算--采用燃氣制冷區域供冷方式表6工況編號123456

COP1.451.451.451.431.451.42

建筑總負荷（Mw）160128193121142201

園區總負荷（Mw）112901358599140

園區總耗氣量（Mm3）776293596999

結論

通過上海世博會能源方案研究與能源需求預測可以得出：不論是世博會園區建筑空調系統能耗還是園區建筑空調系統用電峰值，都隨著展館建筑采用透明建材的比例增加而上升，而且，幾乎成線性關系；也隨著展館建筑內擾的增加即參觀人數的增加而上升，而且，成近似線性關系。因此，上海世博會園區展館透明建筑材料的使用比例和參觀人數將很大程度地影響著世博會園區的能源需求量。因此，上海世博會人流預測是世博會園區能耗規劃的關鍵基礎數據，應加大這方面的工作力度；同時建議在上海世博會展館建筑的招標中關注其建材的使用，也即關注園區能源合理使用。

通過對上海世博會建筑空調系統冷源的比較研究，本課題建議上海世博會根據5個園區的劃分建造5個能源中心。該5個能源中心應以電制冷+冰蓄冷為主。根據城市燃氣供應情況建造適當數量的燃氣冷源站。

參考文獻

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