導(dǎo)語(yǔ)：建筑空調(diào)能耗預(yù)測(cè)管理論文一文來(lái)源于網(wǎng)友上傳，不代表本站觀點(diǎn)，若需要原創(chuàng)文章可咨詢客服老師，歡迎參考。

摘要：本課題基于對(duì)2010年上海世博會(huì)園區(qū)規(guī)劃和對(duì)往屆世博會(huì)冷源方案方案的分析，通過(guò)對(duì)上海世博會(huì)園區(qū)建筑冷源需求特點(diǎn)和上海能源結(jié)構(gòu)和可再生能源承載力的研究，提出2010年上海世博會(huì)園區(qū)冷源規(guī)劃可行性方案并對(duì)上海世博會(huì)建筑空調(diào)系統(tǒng)能耗進(jìn)行預(yù)測(cè)。

關(guān)鍵詞：展館建筑空調(diào)系統(tǒng)建筑能耗上海世博會(huì)

1上海世博會(huì)規(guī)劃概述

以建立和諧城為主題的世博會(huì)將于2010年在上海舉辦。上海世博會(huì)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(qū)，約5.4平方公里的規(guī)劃區(qū)內(nèi)，規(guī)劃總建筑面積855，500平方米。自1851年第一屆倫敦世博會(huì)以來(lái)，歷屆世博會(huì)都以展現(xiàn)各國(guó)當(dāng)時(shí)最高的經(jīng)濟(jì)、文化和科技發(fā)展水平為主要目的，其中展館建筑是重要的表現(xiàn)手段之一[1]。和歷屆世博會(huì)相似，上海世博會(huì)的建筑也以展館建筑為主，展館建筑面積占整個(gè)世博園區(qū)總建筑面積60％以上。除展館建筑外，世博園區(qū)建筑還包括會(huì)議、辦公、娛樂(lè)及相關(guān)的服務(wù)設(shè)施建筑[2]。

2010年世博會(huì)舉辦期為5月～11月，預(yù)計(jì)在此期間，上海將迎接7000萬(wàn)名以上游客，日平均人流為40萬(wàn)人，日最高峰人流預(yù)計(jì)可達(dá)80萬(wàn)人。上海世博會(huì)舉辦期間包括上海高溫高濕的夏季，因此，世博會(huì)建筑空調(diào)系統(tǒng)的安全、低環(huán)境和能源負(fù)荷運(yùn)行是世博會(huì)成功舉辦和實(shí)現(xiàn)綠色世博的關(guān)鍵。本課題基于對(duì)往屆世博會(huì)冷源設(shè)置的分析，結(jié)合上海世博會(huì)建筑規(guī)劃，對(duì)世博會(huì)建筑空調(diào)系統(tǒng)冷源進(jìn)行研究。

空調(diào)系統(tǒng)能耗預(yù)測(cè)首先須對(duì)建筑物動(dòng)態(tài)空調(diào)負(fù)荷特性進(jìn)行分析，確定空調(diào)制冷系統(tǒng)方案，針對(duì)該方案確定不同負(fù)荷率下的機(jī)組運(yùn)行時(shí)間，并根據(jù)機(jī)組在不同負(fù)荷率下的效率，確定建筑的運(yùn)行能耗。由于上海世博會(huì)的展覽期為5月份到同年的11月份，因此園區(qū)內(nèi)建筑僅考慮夏季供冷能耗。前期研究已經(jīng)得出上海世博會(huì)建筑物動(dòng)態(tài)負(fù)荷特性，見(jiàn)參考文獻(xiàn)3。

2上海世博會(huì)冷源方案探討

由于展會(huì)建筑比其他類建筑更注重外型的展示效果和美學(xué)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(huì)建筑群的能源消耗和能源系統(tǒng)規(guī)劃越來(lái)越不容忽視，尤其對(duì)像日本這樣的能源貧乏國(guó)家[4]，日本歷屆博覽會(huì)對(duì)建筑能耗和能源結(jié)構(gòu)非常重視。盡管日本歷屆博覽會(huì)都采用區(qū)域集中供冷方案。由于建筑能耗標(biāo)準(zhǔn)、建筑設(shè)備水平的提高，可利用能源資源結(jié)構(gòu)的變化，各屆博覽會(huì)的能源系統(tǒng)也不盡相同[5-8]。大阪萬(wàn)國(guó)博覽會(huì)（1970年）和沖繩國(guó)際海洋博覽會(huì)（1975年）都設(shè)置3個(gè)集中供冷機(jī)房，大阪萬(wàn)國(guó)博覽會(huì)除了采用電為能源外，還引入燃?xì)庾鳛橐粋€(gè)制冷系統(tǒng)的能源，海洋博覽會(huì)則采用電為唯一能源，而且供冷系統(tǒng)采用了定溫差變流量的控制策略；國(guó)際科學(xué)博覽會(huì)（1985年）和國(guó)際花與綠博覽會(huì)（1990年）都設(shè)置1個(gè)集中供冷機(jī)房，均采用電和燃?xì)鉃槟茉矗湓丛O(shè)備類型和規(guī)模及能源結(jié)構(gòu)并不相同。而且，在花與綠博覽會(huì)的一個(gè)重要的場(chǎng)館—大溫室，空調(diào)系統(tǒng)采用了城市廢熱作為熱泵的冷源。愛(ài)知縣世博會(huì)（2005年）的理念是建造一個(gè)按照地球再生機(jī)制循環(huán)運(yùn)行的“地球循環(huán)型展館”，運(yùn)用以風(fēng)力發(fā)電為主的可再生能源，進(jìn)行區(qū)域集中供冷，實(shí)現(xiàn)展館運(yùn)營(yíng)過(guò)程二氧化碳的零排放。該屆世博會(huì)的能源規(guī)劃具有下述幾個(gè)特征：為保護(hù)地球環(huán)境，構(gòu)筑低環(huán)境負(fù)荷、循環(huán)型社會(huì)的模型，采用無(wú)氟冷媒(氨冷凍機(jī)、吸收式冷熱水機(jī)組)；積極導(dǎo)入太陽(yáng)能發(fā)電、燃料電池、生物能燃料、熱能利用，建設(shè)能源設(shè)施的展示區(qū)；追求低成本。日本歷屆世博會(huì)冷源設(shè)置概況見(jiàn)表1。

日本歷屆世博會(huì)冷源設(shè)置概況表1世博會(huì)名稱建筑面積（m2）總冷量（MW）能源指標(biāo)（W/m2）

大阪萬(wàn)國(guó)世博會(huì)284700105.7371

沖繩國(guó)際海洋博覽會(huì)5400011.7217

國(guó)際科學(xué)博覽會(huì)16617040.4243.1

國(guó)際花與綠博覽會(huì)9390024.6262

愛(ài)知世博會(huì)－40.1－

對(duì)往屆世博會(huì)冷源配置的分析可知，大型建筑群大都采用集中式區(qū)域供冷，制冷機(jī)組主要以電力制冷為主。本屆世博會(huì)針對(duì)于上海地區(qū)能源狀況及場(chǎng)館特點(diǎn)，同時(shí)綜合考察世博會(huì)能源系統(tǒng)的后續(xù)利用、輔助建筑的熱水供應(yīng)、供冷系統(tǒng)和電力系統(tǒng)的排熱、展館周?chē)乃蠢靡约爸苓叺貐^(qū)低品位能源的利用等問(wèn)題，根據(jù)各種能源形式的特點(diǎn)，優(yōu)化能源配置。由于世博園區(qū)內(nèi)建筑多為臨時(shí)建筑，從技術(shù)經(jīng)濟(jì)方面考慮，擬采用以電制冷為主的，燃?xì)饧翱稍偕茉吹葹楦降亩嗄茉聪到y(tǒng)。考慮到世博會(huì)單體建筑的不確定因素，本課題選用電制冷多區(qū)域供冷站作為唯一冷源形式預(yù)測(cè)上海世博會(huì)園區(qū)建筑冷源的能耗。

由于離心式制冷機(jī)在大容量下的COP值高于其他種類的制冷機(jī)組，因此，本課題以離心式制冷機(jī)為對(duì)象進(jìn)行模擬計(jì)算。至于制冷機(jī)組的COP，調(diào)查顯示：市場(chǎng)上主流的離心機(jī)組的能效比全部達(dá)到我國(guó)《冷水機(jī)組能效限定值及能源效率等級(jí)》（GB19577-2004）的2級(jí)以上，處于1-2級(jí)之間，即對(duì)于大型水冷機(jī)組COP值在5.6-6.1之間，也就是說(shuō)，大型的同類制冷機(jī)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(nèi)[9]，可忽略。

3上海世博會(huì)建筑空調(diào)系統(tǒng)能耗預(yù)測(cè)

對(duì)于一般公共建筑，空調(diào)系統(tǒng)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(diào)系統(tǒng)總能耗的70％，由此可見(jiàn)，空調(diào)系統(tǒng)的冷熱源是決定建筑空調(diào)系統(tǒng)能耗的主要因素。因此，能源需求、能源供應(yīng)和能源結(jié)構(gòu)的優(yōu)化是歷屆世博會(huì)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的重點(diǎn)研究課題，也是世博會(huì)得以順利成功舉辦的基礎(chǔ)與重要保障。

3.1上海世博會(huì)建筑空調(diào)系統(tǒng)能耗預(yù)測(cè)方法

由于建筑能耗是由眾多相關(guān)因素所決定的一個(gè)復(fù)雜過(guò)程，很難從理論上精確求解。大量研究表明：計(jì)算機(jī)模擬算是一種預(yù)測(cè)建筑空調(diào)系統(tǒng)能耗的有效方法[10-12]。DeST(Designer’sSimulationToolkits)[13]是我國(guó)自主研發(fā)的建筑動(dòng)態(tài)模擬工具。該軟件既可用于詳細(xì)地分析建筑物的熱特性，又可以模擬系統(tǒng)性能，較好地解決了建筑物和系統(tǒng)設(shè)計(jì)耦合的問(wèn)題。如今DeST已在國(guó)內(nèi)、歐洲、日本、香港等地區(qū)得到應(yīng)用。本課題采用該軟件進(jìn)行建筑空調(diào)系統(tǒng)負(fù)荷的模擬計(jì)算。

由于建筑空調(diào)負(fù)荷是全年變化的，而不同部分負(fù)荷下主機(jī)的制冷效率存在很大的差異。因此，根據(jù)建筑的空調(diào)負(fù)荷確定空調(diào)制冷系統(tǒng)的能耗，必須掌握制冷機(jī)組在部分負(fù)荷下的效率。目前，IPLV[14-16]作為制冷機(jī)組部分負(fù)荷下的能耗指標(biāo)已在全球的范圍內(nèi)被廣泛接納和使用。本文采用美國(guó)ARI標(biāo)準(zhǔn)采用的IPLV表征制冷機(jī)組部分負(fù)荷特性。IPLV將負(fù)荷整理成BIN參數(shù)的形式，再根據(jù)將負(fù)荷以100％、75％、50％和25％為中心劃分成四個(gè)區(qū)域，計(jì)算得到每個(gè)區(qū)域占總運(yùn)行時(shí)間的比例,見(jiàn)式（1），

(1)

3.2上海世博會(huì)冷源容量預(yù)測(cè)結(jié)果

IPLV表達(dá)式中的4個(gè)系數(shù)含有“時(shí)間權(quán)”的意義。本課題模擬計(jì)算工況見(jiàn)表2，模擬計(jì)算[3]得出IPLV各系數(shù)值見(jiàn)表3。將以上各系數(shù)帶入式（1），即為展館建筑的IPLV。

模擬計(jì)算工況描述表2工況編號(hào)工況描述

1常規(guī)圍護(hù)結(jié)構(gòu)的展館和屋頂為透明建材的展館各占一半，按上海世博會(huì)預(yù)測(cè)的人流及展館特性與面積加權(quán)平均確定的內(nèi)擾－綜合內(nèi)擾

2所有展館均為常規(guī)圍護(hù)結(jié)構(gòu)，按上海世博會(huì)預(yù)測(cè)的人流及展館特性與面積加權(quán)平均確定的內(nèi)擾－綜合內(nèi)擾

3所有展館的屋頂均采用透明建材，按上海世博會(huì)預(yù)測(cè)的人流及展館特性與面積加權(quán)平均確定的內(nèi)擾－綜合內(nèi)擾

4常規(guī)圍護(hù)結(jié)構(gòu)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(nèi)擾

5常規(guī)圍護(hù)結(jié)構(gòu)的展館和屋頂為透明建材的展館各占一半，按上海世博會(huì)預(yù)測(cè)的人流及展館特性與面積加權(quán)平均確定的內(nèi)擾－綜合內(nèi)擾

6常規(guī)圍護(hù)結(jié)構(gòu)的展館和屋頂為透明建材的展館各占一半，4倍的綜合內(nèi)擾

上海世博會(huì)展館建筑IPLV系數(shù)表3工況編號(hào)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(qū)域供冷系統(tǒng)能耗

由展館建筑的空調(diào)負(fù)荷和IPLV，可計(jì)算得出當(dāng)世博園區(qū)采用常規(guī)電力制冷的區(qū)域制冷系統(tǒng)時(shí)的耗電量見(jiàn)表4。表中，輔助建筑的空調(diào)制冷系統(tǒng)能耗的計(jì)算方法見(jiàn)相關(guān)規(guī)范。大量實(shí)際工程調(diào)研發(fā)現(xiàn)，在空調(diào)制冷系統(tǒng)中，制冷設(shè)備的能耗約占系統(tǒng)總能耗的70％，因此在表4中，區(qū)域能耗由制冷設(shè)備能耗與選定系數(shù)（1.43）共同確定。參考日本往屆世博會(huì)和廣州大學(xué)城和浙江大學(xué)新校區(qū)的區(qū)域供冷系統(tǒng)，取空調(diào)制冷系統(tǒng)同時(shí)使用系數(shù)為0.7。

上海世博會(huì)建筑能耗計(jì)算--采用常規(guī)電制冷區(qū)域供冷方式表4工況編號(hào)123456

IPLV3.363.253.473.083.303.58

展館負(fù)荷（kw）110346777991428937133692547151667

展館制冷設(shè)備能耗（kw）329512416140931230482823142252

展館能耗（kw）470733451658473329264033060360

輔助建筑負(fù)荷（kw）497504975049750497504975049750

輔助建筑能耗（kw）177251772517725177251772517725

建筑總負(fù)荷（Mw）160128193121142201

建筑總能耗（Mw）655276515878

園區(qū)總能耗（Mw）453753354155

園區(qū)總能耗（Mwh）317512559837337248192844738261

園區(qū)用電峰值（Mw）201624151825

當(dāng)展館建筑采用不同方案（圍護(hù)結(jié)構(gòu)材料和內(nèi)擾強(qiáng)度）時(shí)，上海世博會(huì)園區(qū)電耗和用電峰值見(jiàn)圖1和2。圖中，綜合建材為工況1，無(wú)幕墻為工況2，幕墻為工況3；低水平、中水平和高水平內(nèi)擾分別為工況4、5、6。由展館建筑空調(diào)負(fù)荷計(jì)算可知，展館建筑的內(nèi)擾對(duì)空調(diào)負(fù)荷和能耗的影響很大，而且，在內(nèi)擾中，人員負(fù)荷所占的比例很大。

圖1不同展館建筑方案下世博園區(qū)電耗

圖2不同展館建筑方案下世博園區(qū)用電峰值

從圖1和2中，可以看出，不論是世博會(huì)園區(qū)建筑空調(diào)系統(tǒng)能耗還是園區(qū)建筑空調(diào)系統(tǒng)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(guān)系。因此，上海世博會(huì)園區(qū)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(huì)園區(qū)的能源需求量。因此，建議在上海世博會(huì)展館建筑的招標(biāo)中關(guān)注其建材的使用，也即關(guān)注園區(qū)能源合理使用。

從圖1和2中，也可以看出，不論是世博會(huì)園區(qū)建筑空調(diào)系統(tǒng)能耗還是園區(qū)建筑空調(diào)系統(tǒng)用電峰值，都隨著展館建筑內(nèi)擾的增加即參觀人數(shù)的增加而上升，而且，成近似線性關(guān)系，即上海世博會(huì)參觀人數(shù)對(duì)世博會(huì)園區(qū)能源需求量的影響很大。例如，當(dāng)預(yù)測(cè)人流由現(xiàn)在預(yù)測(cè)的40萬(wàn)人/天增加到80萬(wàn)人/天，世博會(huì)園區(qū)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(shù)由40萬(wàn)人/天降低到20萬(wàn)人/天，世博會(huì)園區(qū)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(huì)人流預(yù)測(cè)是世博會(huì)園區(qū)能耗規(guī)劃的關(guān)鍵基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，應(yīng)加大這方面的工作力度。

3.2.2電制冷區(qū)域供冷+冰蓄冷系統(tǒng)能耗

大量的表明，展館建筑的空調(diào)負(fù)荷的變化趨勢(shì)與城市用電負(fù)荷的變化趨勢(shì)很相近[17]。因此，如果采用冰蓄冷技術(shù)將白天部分高峰負(fù)荷移至晚上城市電網(wǎng)的低估負(fù)荷區(qū)間，制冷機(jī)組可以只承擔(dān)機(jī)載負(fù)荷，尖峰負(fù)荷由蓄冰承擔(dān)，將非常有利于城市電網(wǎng)的安全和減少城市電網(wǎng)的容量，并降低空調(diào)制冷系統(tǒng)運(yùn)行費(fèi)用。而且，蓄冰系統(tǒng)出水溫度低，冷凍水溫度可降到1-4℃，適宜區(qū)域供冷的遠(yuǎn)距離輸配，支持管網(wǎng)溫升要求，不影響末端的使用效果，可以充分發(fā)揮區(qū)域供冷與冰蓄冷技術(shù)的優(yōu)勢(shì)。

根據(jù)大量區(qū)域供冷實(shí)際工程經(jīng)驗(yàn)，本課題選擇蓄冰承擔(dān)總制冷負(fù)荷的30％，機(jī)載制冷機(jī)承擔(dān)總制冷負(fù)荷的70％，運(yùn)行策略見(jiàn)圖3。由此，表4中各方案世博會(huì)園區(qū)用電峰值將都減少30％，見(jiàn)表5。而能耗由于制冰工況下制冷機(jī)效率有所降低，而且存在有蓄冰和融冰效率問(wèn)題，會(huì)有小幅度的增加。

上海世博會(huì)建筑能耗計(jì)算--采用電制冷+冰蓄冷區(qū)域供冷方式表5工況編號(hào)123456

IPLV3.363.253.473.083.303.58

建筑總負(fù)荷（Mw）160128193121142201

園區(qū)用電峰值（Mw）141017111318

圖3上海世博會(huì)園區(qū)蓄冷系統(tǒng)運(yùn)行策略

圖4燃?xì)饪照{(diào)部分負(fù)荷效率

3.2.3燃?xì)庵评淇照{(diào)系統(tǒng)能耗

本方案假設(shè)上海世博會(huì)園區(qū)建筑空調(diào)系統(tǒng)的冷源均由燃?xì)庵评錂C(jī)提供。燃?xì)饪照{(diào)部分負(fù)荷效率見(jiàn)圖4。采用燃?xì)庵评鋮^(qū)域供冷方式的上海世博會(huì)建筑負(fù)荷與能耗計(jì)算見(jiàn)表6。

上海世博會(huì)建筑能耗計(jì)算--采用燃?xì)庵评鋮^(qū)域供冷方式表6工況編號(hào)123456

COP1.451.451.451.431.451.42

建筑總負(fù)荷（Mw）160128193121142201

園區(qū)總負(fù)荷（Mw）112901358599140

園區(qū)總耗氣量（Mm3）776293596999

結(jié)論

通過(guò)上海世博會(huì)能源方案研究與能源需求預(yù)測(cè)可以得出：不論是世博會(huì)園區(qū)建筑空調(diào)系統(tǒng)能耗還是園區(qū)建筑空調(diào)系統(tǒng)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(guān)系；也隨著展館建筑內(nèi)擾的增加即參觀人數(shù)的增加而上升，而且，成近似線性關(guān)系。因此，上海世博會(huì)園區(qū)展館透明建筑材料的使用比例和參觀人數(shù)將很大程度地影響著世博會(huì)園區(qū)的能源需求量。因此，上海世博會(huì)人流預(yù)測(cè)是世博會(huì)園區(qū)能耗規(guī)劃的關(guān)鍵基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，應(yīng)加大這方面的工作力度；同時(shí)建議在上海世博會(huì)展館建筑的招標(biāo)中關(guān)注其建材的使用，也即關(guān)注園區(qū)能源合理使用。

通過(guò)對(duì)上海世博會(huì)建筑空調(diào)系統(tǒng)冷源的比較研究，本課題建議上海世博會(huì)根據(jù)5個(gè)園區(qū)的劃分建造5個(gè)能源中心。該5個(gè)能源中心應(yīng)以電制冷+冰蓄冷為主。根據(jù)城市燃?xì)夤?yīng)情況建造適當(dāng)數(shù)量的燃?xì)饫湓凑尽?/p>

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7范存養(yǎng)，大阪“花的萬(wàn)博”博覽會(huì)空調(diào)技術(shù)暖通空調(diào)1991，21(4)；

8范存養(yǎng)，大空間建筑——空調(diào)設(shè)計(jì)及工程實(shí)錄，中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2001.9；

9龍維定，上海提高冷水機(jī)組能效等級(jí)的效益分析，上海市率先提高空調(diào)冷水機(jī)組能效等級(jí)研討會(huì)論文集，2005，3，19-25；

10DOE-2EngineersManual,Version2.1A,November1982；

11TRNSYS:atransientsystemsimulationprogram.SolarEnergyLaboratory,UniversityofWisconsin,1988；

12ClarkeJA,McLeanD.ESP-Abuildingandplantenergysimulationsystem.Strathclyde:EnergySimulationResearchUnit,UniversityofStrathclyede,1988.

13陳鋒,鄧宇春,薛志峰,吳如宏.建筑環(huán)境設(shè)計(jì)模擬工具包DeST.暖通空調(diào),1999,29:58-63；

14ARIStandard550-1992,Centrifugalandratarywater-chillingpackages,Air-conditioningandRefrigerationInstitute,4301NorthFairfaxDrive,Suite425,Arilington,Va.22203,U.S.A.

15ARIStandard590-1992,Positivedisplacementcompressorwater-chillingpackages,Air-conditioningandRefrigerationInstitute,4301NorthFairfaxDrive,Suite425,Arilington,Va.22203,U.S.A.

16ARIStandard550/590-1998,Water-chillingpackagesusingthevaporcompressioncycle,Air-conditioningandRefrigerationInstitute,4301NorthFairfaxDrive,Suite425,Arilington,Va.22203,U.S.A.

17彭嬌，上海大空間場(chǎng)館建筑空調(diào)系統(tǒng)及冷熱源的研究，同濟(jì)大學(xué)碩士論文，2005，3