上海地區可持續能源利用——2010世博園區永久場館建設

上海市建筑科學研究院 葛曹燕 韓繼紅

1 背景

建筑作為人類社會活動最活躍的領域之一，消耗著全球30%的自然材料、40%的能源、產生全球30%的固廢、20%的污水和40%的CO2[1]。建筑領域的節能減排對于推進全球可持續發展，實現中國政府在哥本哈根全球氣候大會上的承諾“2020年我國二氧化碳排放強度比2005年下降40%～45%”至關重要。

根據《上海市節能減排工作實施方案》[2]，上海市擬在“十一五”期間，形成300萬噸標準煤的節能能力，累計節能量達到900萬噸標準煤。節能重點工程包括：用電設備節電工程、能量系統優化工程、余熱余壓利用節能工程、燃煤工業鍋爐窯爐節煤工程、建筑節能工程、空調和家用電器等節電工程、綠色照明工程、分布式供能等工程、城市交通節約和替代石油工程及政府機構節能工程。

從技術實施層面來說，上海地區可持續能源發展和利用需結合上海的地域特征，綜合考慮當地氣候、資源、經濟及人文因素進行適應性定位。由圖1可見，上海地處我國夏熱冬冷地區，屬于水質型缺水，風能和太陽能均屬于可利用區域，其地域氣候、資源特征以及地區因素決定了上海城市在建筑節能、可再生能源利用等方面都必須做到因地制宜。

2 上海地區建筑節能基本情況

根據上海市城鄉建設和交通委員會2009年的統計數據，上海市2009年度的建筑能耗總量為1502萬噸標煤，占本地區總能耗的15%。其中，城鎮新增建筑面積5913萬m2（其中居住建筑、公共建筑各占34%和14%），農村新增建筑面積59.8萬m2，100%執行建筑節能設計標準；城鎮既有建筑面積64290萬m2，目前執行50%及以上節能標準的建筑面積約占既有建筑總量的25%。

為實現“十一五”期間上海市建筑節能229.5萬噸標煤的總量目標，建設系統積極采取“新能源、新技術應用＋全壽命周期能源監控”的對策，重點包括：

○ 新建建筑強制執行更高的節能標準，在原先50%綜合節能的目標基礎上提升至65%節能標準；

○ 既有建筑：針對大型公建及政府辦公樓實施系統的既有建筑節能調研、審計及改造（圖2）。

據建交委統計數據，截至2009年底，上海市“國家機管辦公建筑和大型公共建筑節能監管體系建設”共計覆蓋國家機關辦公樓197.7萬m2、大型公建4858.9萬m2。其中已完成統計建筑1325棟、已審計建筑100棟，其中30棟建筑建立能耗監測系統，可進行實時數據采集。

同時，上海市政府結合世博園區、崇明生態島、虹橋低碳商務區等市政開發重點，進行可再生能源及區域低碳的系統規劃和實施。以可再生能源為例，市政府曾在《上海市能源發展“十一五”規劃》中明確提出“加大能源結構調整力度，積極發展可再生能源和替代能源”、“太陽能發展布局的重點是結合建筑物一體化建設，將崇明島和世博園區建成新能源利用綜合示范區，爭取2010年光伏發電規模達到7～10MWp”。目前，世博園區BIPV光伏電站的實際安裝總量超過5MWp，崇明、臨港、閔行各區也均建立兆瓦級以上BIPV光伏電站。下文以世博園區永久建筑為例，重點介紹建筑領域的可持續建筑應用。

3 世博園區永久建筑節能技術應用

本文所指世博園區永久建筑包括：

○浦東：“一軸四館”，即世博軸、中國館、主題館、世博中心、世博演藝中心；

○浦西：城市最佳實踐區UBPA南區的未來探索館（南市電廠改建工程）、UBPA北部街區上海城市案例“滬上·生態家”。

上述永久建筑充分考慮主被動節能減排技術，從建筑功能、環境效益、展示效果各方面優化設計，并在工程中付諸實踐，各場館主要技術要點情況如圖3。其中，世博中心、世博文化中心、未來探索館因在“節地、節能、節水、節材、環境保護”等方面的綜合優勢，已獲評國家三星級綠色建筑設計評價標識；主題館－中國館、未來探索館因在光伏發電、江水源熱泵區域能源中心等方面的技術應用分別獲得國家“太陽能建筑示范工程”及“可再生能源示范工程”。

為了提高世博場館的運營能效，世博信息化部組織相關科研單位研究開發了“世博園區能源與環境監測系統”（圖4），通過建立軟硬件平臺，實時統計園區節能減排效應[3]，包括：

○統計分析園區各片區常規能源耗電、耗水、室外環境；

○實時計量分析永久建筑耗能及可再生能源產能，進而計算運營期間的建筑累計減排效益。

3.1 “滬上·生態家”[4]

城市最佳實踐區是2010年世博會的創舉之一，它以可持續的城市化為展示主題，集中展示全球有代表性的城市為提高城市生活質量所做的公認的、創新的和有價值的各種實踐方案和實物。上海城市案例“滬上·生態家”位于城市最佳實踐區北部街區，與英國倫敦的BedZED住宅、西班牙馬德里的竹屋相鄰，共同構成居住建筑組團（圖5）。

作為代表東道主參展城市最佳實踐區的唯一實物案例，“滬上·生態家”針對上海發展中國家之夏熱冬冷地區高密度大城市代表、面臨可持續發展的嚴峻考驗的地域氣候特征和經濟發展水平，提出“關注節能環保、倡導樂活人生”的主題，確立了“節能減排、資源回用、環境宜居、智能高效”的技術理念，并以滿足國家《綠色建筑評價標準》GB/T 50378三星級為設計目標，通過30%前瞻技術研發集成和70%成熟技術應用，達到建筑綜合節能60%、可再生能源利用率占建筑設計能耗值的50%、非傳統水源利用率60%、固廢再生的墻體材料使用率100%、室內環境達標率100%等技術指標。

“滬上·生態家”充分汲取江南民居的傳統文化精髓，提煉了山墻、里弄、老虎窗等上海住宅要素并進行了符號化的展示。趨風避寒、流水不腐、以土養水、草木蔥郁等本土生態手法也在建筑設計中得到了傳承和演繹，例如，通過樓梯井形成豎向拔風，強化過渡季節建筑內部的自然通風，南面的景觀水體通過生態浮床等技術實現水體自然凈化，達到生態保持的效果；人行步道采用透水鋪地，涵養地表水源；南向模塊綠化、西墻爬藤綠化、屋面輕型綠化等立體配置的綠化策略，使建筑物融入綠色盎然之中。

與此同時，“滬上·生態家”強調生態技術的建筑一體化設計，從建筑本體技術和參觀展示技術應用兩個層面有機集成了自然通風強化技術、夏熱冬冷氣候適應性圍護結構、天然采光和室內LED照明、燃料電池家庭能源中心、PC預制式多功能陽臺、BIPV非晶硅薄膜光伏發電系統、固廢再生輕質內隔墻、生活垃圾資源化、智能集成管理和家庭遠程醫療、家用機器人服務系統等技術專項。

以建筑綜合節能和可再生能源應用為例，“滬上·生態家”基于夏熱冬冷地區氣候特征分析,綜合考慮隔熱、保溫、調濕問題和資源再利用需要，選用圖6所示的建筑外墻構造，即采用長江淤泥磚作為外墻填充墻，外墻外立面采用隔熱涂料或隔熱砂漿，保溫層采用無機保溫砂漿，內立面采用相變材料與脫硫石膏復合系統，在保護環境的同時，使建筑外墻具有隨室外氣候變化而變化的自適應功能。

在光伏建筑應用方面，“滬上·生態家”綜合考慮上海地區日照輻射資源一般，陰雨天較多的情況，選擇了弱光效應較好、色澤均一適宜于建筑一體化設計的非晶硅光伏發電系統，結合坡屋頂及立面陽臺進行一體化布置，如圖7。

另外其他相關節能措施還包括垂直軸小型建筑一體化風力發電、LED景觀照明、能量回收電梯、中庭風籠自然通風、老虎窗天然采光、立面垂直綠化防止西曬等，如圖8所示。

圖7 “滬上·生態家”屋面及陽臺BIPV系統

3.2 未來探索館[5]

未來探索館即南市電廠改建工程。南市發電廠起源于清政府時期的1897年，其歷史沿革見證了上海城市工業文明的發展。隨著工業技術及可持續城市發展的需求，原南市電廠退出歷史舞臺，保留其主廠房并進行再生性改建，體現了對歷史遺產的保護與利用；改建后的主廠房用作世博會 未來探索館，則濃縮展示了未來城市發展的美好愿景。

改建工程的技術定位包括：

○ 歷史遺跡保護；

○ 三星級綠色建筑；

○ 實現從“高污染高消耗的傳統煤電中心”向“綠色能源中心”的轉變。

綠色建筑的設計優化貫穿方案、擴初及施工圖全過程，充分考慮基地及廠房現狀，集成主動式導光系統、太陽能及風力發電、綠色建材、阻尼結構加固、自然通風、智能化集成、江水源熱泵、中水回用等多項關鍵技術（圖9）。

通過“節地、節能、節水、節材、環境保護”全目標的控制，主廠房改建工程達成一系列設計目標：室外基地的透水率46.1%、建筑全年綜合能耗為參照建筑相應能耗的74.8%、可再生能源發電量占建筑能耗28.98%、可再生水源利用率55.1%、可再循環材料使用重量占建材總量的11.95%、79.4%的主要功能區實現天然采光等，并于2009年獲得中國“三星級綠色建筑設計評價標識”認證。部分技術分析及工程實景如圖10。

與此同時，改建工程充分利用廠房瀕臨浦江的地理優勢及階梯狀建筑屋面，一體化設計應用“江水源區域能源中心”和“光伏建筑一體化BIPV電站”，將“高污染高消耗的傳統煤電中心”改建成為“綠色能源中心”。

江水源區域能源中心覆蓋半徑約1km，提供世博會中會后約15萬m2建筑的冷熱源供應，系統總制冷量達4.14萬kW。能源中心設計充分論證了包括原南市發電廠原取排水系統的延用、系統溫水排放對環境的影響、水質處理、區域能源供應方式等一系列問題。項目基于原南市電廠發電機組的冷卻水取排水管道進行改造加建；水質處理工藝三步驟（粗過濾、中過濾和精過濾）中的粗過濾即利用原南市電廠的隔柵井，對直徑10cm以上的雜物進行清除過濾，只增加了對水質進行預處理的設備；能源中心溫排水量最大為14000m3/h，引起黃浦江平均溫升約為0.037℃，排放口附近水域溫升超過0.2℃的面積小于0.01平方公里，其水量和水溫均遠小于原南市電廠的溫排水。

因主廠房屋頂平面呈由南向北逐級升高的階梯狀形態，建筑自遮擋少，BIPV系統集成了高效單晶硅、剛性非晶硅、透光薄膜等多種電池，建筑一體化效果如圖11，系統總功率逾520kWp，預計年發電量50萬kWh，與相同發電量的火電廠相比，年節約標煤178噸（以350g標煤/kWh計算），具有顯著的環境效益。

3.3 世博中心[6]

世博中心總建筑面積約14萬平方米，是世博園區重要的永久性建筑。建筑融入了“綠色、節能、環保”的設計理念，廣泛采用諸如太陽能光電、光熱系統、雨水收集及利用系統、雜用水收集利用系統、分工況變頻給水系統、江水直流冷卻水系統、程控型綠地微灌系統、中央監控與管理系統和節能設備與節材措施等一系列的先進技術，先后獲得國家“三星級綠色建筑設計評價標識”及LEED金獎認證。可持續節能應用技術要點如下：

○ 冰蓄冷及江水源熱泵系統：建筑夏季集中空調總冷負荷為13023 kW，其中冰蓄冷系統供冷量占59.5%，江水源熱泵系統供冷量占40.5%。冬季空調熱源由江水源熱泵機組和燃氣鍋爐組成，水源熱泵機組3臺，供熱量占60%；

○ 太陽能光電、光熱應用：工程依據建筑頂層可利用面積及現階段太陽能電池組件的轉化效率，設計了1MW并網型太陽能光伏發電系統（見圖12）。太陽能熱水系統選用短期蓄熱集中太陽能熱水系統（CSHPDS），強制循環、二次換熱。采用由太陽能集熱器產生的熱水為主熱源、世博中心自備鍋爐提供的高溫熱水為輔熱源的系統制備熱水，按區域分設獨立的供熱水系統集中供給各用熱水點，并設有熱水循環泵強制同程機械循環、動態回水，以保證熱水供回水溫度60℃/55℃。

3.4 世博軸

世博軸是世博園區空間景觀和人流交通的主軸線；世博會后，將成為上海第三個市級中心的都市空間景觀和城市交通主軸，提供市民活動，商業服務，交通換乘的空間。作為一個半敞開性質的建筑構筑物，世博軸充分考慮了節能環保技術應用，如地源熱泵和江水源熱泵耦合能源系統、采用安全防災技術、空氣質量保障技術、運營環境監控技術、景觀生態綠化技術、夜景泛光照明技術等。

以錯落分布于軸線上的六個大型陽光谷為例，其通透優雅的造型兼具自然通風、天然采光和雨水收集的功能（參見圖13），既節約了地下空間的照明能耗，又提供了舒適宜人的參觀環境。

4 結語

可持續能源在世博永久性場館中的應用，是上海地區可持續能源應用的一個契機，設計、建造，以及后期運營過程中經驗教訓為相關技術在上海地區的推廣提供了很好的借鑒。面對世博后新一輪的城市建設熱點，業界已經提出從規劃、交通、建筑、施工、運營多層面去推進低碳發展和可持續建設。這一思路也必將推動并真正實現上海地區建筑相關領域的可持續發展。

[1]Global Green Building Trends 2008,McGraw-Hill年度調研報告

[2]上海市人民政府關于印發《上海市節能減排工作實施方案》的通知，滬府發〔2007〕25號，2007年8月7日

[3]何孝磊 張蓓紅世博園區能源與環境監測系統建設構想，上海信息化，2009年3月

[4]韓繼紅，張穎等，滬上生態家綠色建筑實踐，建設科技，2009（6），P40

[5]葛曹燕，楊建榮，上海世博南市電廠可持續改建實踐，綠色建筑，2010（2），P54

[6]世博中心綠色建筑三星級評價標識申報材料，世博集團提供，2010.4

[7]網頁資料 http://www.expo2010.cn/。