上海地区可持续能源利用——2010世博园区永久场馆建设

上海市建筑科学研究院 葛曹燕 韩继红

1 背景

建筑作为人类社会活动最活跃的领域之一，消耗着全球30%的自然材料、40%的能源、产生全球30%的固废、20%的污水和40%的CO2[1]。建筑领域的节能减排对于推进全球可持续发展，实现中国政府在哥本哈根全球气候大会上的承诺“2020年我国二氧化碳排放强度比2005年下降40%～45%”至关重要。

根据《上海市节能减排工作实施方案》[2]，上海市拟在“十一五”期间，形成300万吨标准煤的节能能力，累计节能量达到900万吨标准煤。节能重点工程包括：用电设备节电工程、能量系统优化工程、余热余压利用节能工程、燃煤工业锅炉窑炉节煤工程、建筑节能工程、空调和家用电器等节电工程、绿色照明工程、分布式供能等工程、城市交通节约和替代石油工程及政府机构节能工程。

从技术实施层面来说，上海地区可持续能源发展和利用需结合上海的地域特征，综合考虑当地气候、资源、经济及人文因素进行适应性定位。由图1可见，上海地处我国夏热冬冷地区，属于水质型缺水，风能和太阳能均属于可利用区域，其地域气候、资源特征以及地区因素决定了上海城市在建筑节能、可再生能源利用等方面都必须做到因地制宜。

2 上海地区建筑节能基本情况

根据上海市城乡建设和交通委员会2009年的统计数据，上海市2009年度的建筑能耗总量为1502万吨标煤，占本地区总能耗的15%。其中，城镇新增建筑面积5913万m2（其中居住建筑、公共建筑各占34%和14%），农村新增建筑面积59.8万m2，100%执行建筑节能设计标准；城镇既有建筑面积64290万m2，目前执行50%及以上节能标准的建筑面积约占既有建筑总量的25%。

为实现“十一五”期间上海市建筑节能229.5万吨标煤的总量目标，建设系统积极采取“新能源、新技术应用＋全寿命周期能源监控”的对策，重点包括：

○ 新建建筑强制执行更高的节能标准，在原先50%综合节能的目标基础上提升至65%节能标准；

○ 既有建筑：针对大型公建及政府办公楼实施系统的既有建筑节能调研、审计及改造（图2）。

据建交委统计数据，截至2009年底，上海市“国家机管办公建筑和大型公共建筑节能监管体系建设”共计覆盖国家机关办公楼197.7万m2、大型公建4858.9万m2。其中已完成统计建筑1325栋、已审计建筑100栋，其中30栋建筑建立能耗监测系统，可进行实时数据采集。

同时，上海市政府结合世博园区、崇明生态岛、虹桥低碳商务区等市政开发重点，进行可再生能源及区域低碳的系统规划和实施。以可再生能源为例，市政府曾在《上海市能源发展“十一五”规划》中明确提出“加大能源结构调整力度，积极发展可再生能源和替代能源”、“太阳能发展布局的重点是结合建筑物一体化建设，将崇明岛和世博园区建成新能源利用综合示范区，争取2010年光伏发电规模达到7～10MWp”。目前，世博园区BIPV光伏电站的实际安装总量超过5MWp，崇明、临港、闵行各区也均建立兆瓦级以上BIPV光伏电站。下文以世博园区永久建筑为例，重点介绍建筑领域的可持续建筑应用。

3 世博园区永久建筑节能技术应用

本文所指世博园区永久建筑包括：

○浦东：“一轴四馆”，即世博轴、中国馆、主题馆、世博中心、世博演艺中心；

○浦西：城市最佳实践区UBPA南区的未来探索馆（南市电厂改建工程）、UBPA北部街区上海城市案例“沪上·生态家”。

上述永久建筑充分考虑主被动节能减排技术，从建筑功能、环境效益、展示效果各方面优化设计，并在工程中付诸实践，各场馆主要技术要点情况如图3。其中，世博中心、世博文化中心、未来探索馆因在“节地、节能、节水、节材、环境保护”等方面的综合优势，已获评国家三星级绿色建筑设计评价标识；主题馆－中国馆、未来探索馆因在光伏发电、江水源热泵区域能源中心等方面的技术应用分别获得国家“太阳能建筑示范工程”及“可再生能源示范工程”。

为了提高世博场馆的运营能效，世博信息化部组织相关科研单位研究开发了“世博园区能源与环境监测系统”（图4），通过建立软硬件平台，实时统计园区节能减排效应[3]，包括：

○统计分析园区各片区常规能源耗电、耗水、室外环境；

○实时计量分析永久建筑耗能及可再生能源产能，进而计算运营期间的建筑累计减排效益。

3.1 “沪上·生态家”[4]

城市最佳实践区是2010年世博会的创举之一，它以可持续的城市化为展示主题，集中展示全球有代表性的城市为提高城市生活质量所做的公认的、创新的和有价值的各种实践方案和实物。上海城市案例“沪上·生态家”位于城市最佳实践区北部街区，与英国伦敦的BedZED住宅、西班牙马德里的竹屋相邻，共同构成居住建筑组团（图5）。

作为代表东道主参展城市最佳实践区的唯一实物案例，“沪上·生态家”针对上海发展中国家之夏热冬冷地区高密度大城市代表、面临可持续发展的严峻考验的地域气候特征和经济发展水平，提出“关注节能环保、倡导乐活人生”的主题，确立了“节能减排、资源回用、环境宜居、智能高效”的技术理念，并以满足国家《绿色建筑评价标准》GB/T 50378三星级为设计目标，通过30%前瞻技术研发集成和70%成熟技术应用，达到建筑综合节能60%、可再生能源利用率占建筑设计能耗值的50%、非传统水源利用率60%、固废再生的墙体材料使用率100%、室内环境达标率100%等技术指标。

“沪上·生态家”充分汲取江南民居的传统文化精髓，提炼了山墙、里弄、老虎窗等上海住宅要素并进行了符号化的展示。趋风避寒、流水不腐、以土养水、草木葱郁等本土生态手法也在建筑设计中得到了传承和演绎，例如，通过楼梯井形成竖向拔风，强化过渡季节建筑内部的自然通风，南面的景观水体通过生态浮床等技术实现水体自然净化，达到生态保持的效果；人行步道采用透水铺地，涵养地表水源；南向模块绿化、西墙爬藤绿化、屋面轻型绿化等立体配置的绿化策略，使建筑物融入绿色盎然之中。

与此同时，“沪上·生态家”强调生态技术的建筑一体化设计，从建筑本体技术和参观展示技术应用两个层面有机集成了自然通风强化技术、夏热冬冷气候适应性围护结构、天然采光和室内LED照明、燃料电池家庭能源中心、PC预制式多功能阳台、BIPV非晶硅薄膜光伏发电系统、固废再生轻质内隔墙、生活垃圾资源化、智能集成管理和家庭远程医疗、家用机器人服务系统等技术专项。

以建筑综合节能和可再生能源应用为例，“沪上·生态家”基于夏热冬冷地区气候特征分析,综合考虑隔热、保温、调湿问题和资源再利用需要，选用图6所示的建筑外墙构造，即采用长江淤泥砖作为外墙填充墙，外墙外立面采用隔热涂料或隔热砂浆，保温层采用无机保温砂浆，内立面采用相变材料与脱硫石膏复合系统，在保护环境的同时，使建筑外墙具有随室外气候变化而变化的自适应功能。

在光伏建筑应用方面，“沪上·生态家”综合考虑上海地区日照辐射资源一般，阴雨天较多的情况，选择了弱光效应较好、色泽均一适宜于建筑一体化设计的非晶硅光伏发电系统，结合坡屋顶及立面阳台进行一体化布置，如图7。

另外其他相关节能措施还包括垂直轴小型建筑一体化风力发电、LED景观照明、能量回收电梯、中庭风笼自然通风、老虎窗天然采光、立面垂直绿化防止西晒等，如图8所示。

图7 “沪上·生态家”屋面及阳台BIPV系统

3.2 未来探索馆[5]

未来探索馆即南市电厂改建工程。南市发电厂起源于清政府时期的1897年，其历史沿革见证了上海城市工业文明的发展。随着工业技术及可持续城市发展的需求，原南市电厂退出历史舞台，保留其主厂房并进行再生性改建，体现了对历史遗产的保护与利用；改建后的主厂房用作世博会 未来探索馆，则浓缩展示了未来城市发展的美好愿景。

改建工程的技术定位包括：

○ 历史遗迹保护；

○ 三星级绿色建筑；

○ 实现从“高污染高消耗的传统煤电中心”向“绿色能源中心”的转变。

绿色建筑的设计优化贯穿方案、扩初及施工图全过程，充分考虑基地及厂房现状，集成主动式导光系统、太阳能及风力发电、绿色建材、阻尼结构加固、自然通风、智能化集成、江水源热泵、中水回用等多项关键技术（图9）。

通过“节地、节能、节水、节材、环境保护”全目标的控制，主厂房改建工程达成一系列设计目标：室外基地的透水率46.1%、建筑全年综合能耗为参照建筑相应能耗的74.8%、可再生能源发电量占建筑能耗28.98%、可再生水源利用率55.1%、可再循环材料使用重量占建材总量的11.95%、79.4%的主要功能区实现天然采光等，并于2009年获得中国“三星级绿色建筑设计评价标识”认证。部分技术分析及工程实景如图10。

与此同时，改建工程充分利用厂房濒临浦江的地理优势及阶梯状建筑屋面，一体化设计应用“江水源区域能源中心”和“光伏建筑一体化BIPV电站”，将“高污染高消耗的传统煤电中心”改建成为“绿色能源中心”。

江水源区域能源中心覆盖半径约1km，提供世博会中会后约15万m2建筑的冷热源供应，系统总制冷量达4.14万kW。能源中心设计充分论证了包括原南市发电厂原取排水系统的延用、系统温水排放对环境的影响、水质处理、区域能源供应方式等一系列问题。项目基于原南市电厂发电机组的冷却水取排水管道进行改造加建；水质处理工艺三步骤（粗过滤、中过滤和精过滤）中的粗过滤即利用原南市电厂的隔栅井，对直径10cm以上的杂物进行清除过滤，只增加了对水质进行预处理的设备；能源中心温排水量最大为14000m3/h，引起黄浦江平均温升约为0.037℃，排放口附近水域温升超过0.2℃的面积小于0.01平方公里，其水量和水温均远小于原南市电厂的温排水。

因主厂房屋顶平面呈由南向北逐级升高的阶梯状形态，建筑自遮挡少，BIPV系统集成了高效单晶硅、刚性非晶硅、透光薄膜等多种电池，建筑一体化效果如图11，系统总功率逾520kWp，预计年发电量50万kWh，与相同发电量的火电厂相比，年节约标煤178吨（以350g标煤/kWh计算），具有显著的环境效益。

3.3 世博中心[6]

世博中心总建筑面积约14万平方米，是世博园区重要的永久性建筑。建筑融入了“绿色、节能、环保”的设计理念，广泛采用诸如太阳能光电、光热系统、雨水收集及利用系统、杂用水收集利用系统、分工况变频给水系统、江水直流冷却水系统、程控型绿地微灌系统、中央监控与管理系统和节能设备与节材措施等一系列的先进技术，先后获得国家“三星级绿色建筑设计评价标识”及LEED金奖认证。可持续节能应用技术要点如下：

○ 冰蓄冷及江水源热泵系统：建筑夏季集中空调总冷负荷为13023 kW，其中冰蓄冷系统供冷量占59.5%，江水源热泵系统供冷量占40.5%。冬季空调热源由江水源热泵机组和燃气锅炉组成，水源热泵机组3台，供热量占60%；

○ 太阳能光电、光热应用：工程依据建筑顶层可利用面积及现阶段太阳能电池组件的转化效率，设计了1MW并网型太阳能光伏发电系统（见图12）。太阳能热水系统选用短期蓄热集中太阳能热水系统（CSHPDS），强制循环、二次换热。采用由太阳能集热器产生的热水为主热源、世博中心自备锅炉提供的高温热水为辅热源的系统制备热水，按区域分设独立的供热水系统集中供给各用热水点，并设有热水循环泵强制同程机械循环、动态回水，以保证热水供回水温度60℃/55℃。

3.4 世博轴

世博轴是世博园区空间景观和人流交通的主轴线；世博会后，将成为上海第三个市级中心的都市空间景观和城市交通主轴，提供市民活动，商业服务，交通换乘的空间。作为一个半敞开性质的建筑构筑物，世博轴充分考虑了节能环保技术应用，如地源热泵和江水源热泵耦合能源系统、采用安全防灾技术、空气质量保障技术、运营环境监控技术、景观生态绿化技术、夜景泛光照明技术等。

以错落分布于轴线上的六个大型阳光谷为例，其通透优雅的造型兼具自然通风、天然采光和雨水收集的功能（参见图13），既节约了地下空间的照明能耗，又提供了舒适宜人的参观环境。

4 结语

可持续能源在世博永久性场馆中的应用，是上海地区可持续能源应用的一个契机，设计、建造，以及后期运营过程中经验教训为相关技术在上海地区的推广提供了很好的借鉴。面对世博后新一轮的城市建设热点，业界已经提出从规划、交通、建筑、施工、运营多层面去推进低碳发展和可持续建设。这一思路也必将推动并真正实现上海地区建筑相关领域的可持续发展。

[1]Global Green Building Trends 2008,McGraw-Hill年度调研报告

[2]上海市人民政府关于印发《上海市节能减排工作实施方案》的通知，沪府发〔2007〕25号，2007年8月7日

[3]何孝磊 张蓓红世博园区能源与环境监测系统建设构想，上海信息化，2009年3月

[4]韩继红，张颖等，沪上生态家绿色建筑实践，建设科技，2009（6），P40

[5]葛曹燕，杨建荣，上海世博南市电厂可持续改建实践，绿色建筑，2010（2），P54

[6]世博中心绿色建筑三星级评价标识申报材料，世博集团提供，2010.4

[7]网页资料 http://www.expo2010.cn/。