上海地區(qū)可持續(xù)能源利用——2010世博園區(qū)永久場(chǎng)館建設(shè)

上海市建筑科學(xué)研究院 葛曹燕 韓繼紅

1 背景

建筑作為人類社會(huì)活動(dòng)最活躍的領(lǐng)域之一，消耗著全球30%的自然材料、40%的能源、產(chǎn)生全球30%的固廢、20%的污水和40%的CO2[1]。建筑領(lǐng)域的節(jié)能減排對(duì)于推進(jìn)全球可持續(xù)發(fā)展，實(shí)現(xiàn)中國政府在哥本哈根全球氣候大會(huì)上的承諾“2020年我國二氧化碳排放強(qiáng)度比2005年下降40%～45%”至關(guān)重要。

根據(jù)《上海市節(jié)能減排工作實(shí)施方案》[2]，上海市擬在“十一五”期間，形成300萬噸標(biāo)準(zhǔn)煤的節(jié)能能力，累計(jì)節(jié)能量達(dá)到900萬噸標(biāo)準(zhǔn)煤。節(jié)能重點(diǎn)工程包括：用電設(shè)備節(jié)電工程、能量系統(tǒng)優(yōu)化工程、余熱余壓利用節(jié)能工程、燃煤工業(yè)鍋爐窯爐節(jié)煤工程、建筑節(jié)能工程、空調(diào)和家用電器等節(jié)電工程、綠色照明工程、分布式供能等工程、城市交通節(jié)約和替代石油工程及政府機(jī)構(gòu)節(jié)能工程。

從技術(shù)實(shí)施層面來說，上海地區(qū)可持續(xù)能源發(fā)展和利用需結(jié)合上海的地域特征，綜合考慮當(dāng)?shù)貧夂?、資源、經(jīng)濟(jì)及人文因素進(jìn)行適應(yīng)性定位。由圖1可見，上海地處我國夏熱冬冷地區(qū)，屬于水質(zhì)型缺水，風(fēng)能和太陽能均屬于可利用區(qū)域，其地域氣候、資源特征以及地區(qū)因素決定了上海城市在建筑節(jié)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(qū)建筑節(jié)能基本情況

根據(jù)上海市城鄉(xiāng)建設(shè)和交通委員會(huì)2009年的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，上海市2009年度的建筑能耗總量為1502萬噸標(biāo)煤，占本地區(qū)總能耗的15%。其中，城鎮(zhèn)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(nóng)村新增建筑面積59.8萬m2，100%執(zhí)行建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)；城鎮(zhèn)既有建筑面積64290萬m2，目前執(zhí)行50%及以上節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)的建筑面積約占既有建筑總量的25%。

為實(shí)現(xiàn)“十一五”期間上海市建筑節(jié)能229.5萬噸標(biāo)煤的總量目標(biāo)，建設(shè)系統(tǒng)積極采取“新能源、新技術(shù)應(yīng)用＋全壽命周期能源監(jiān)控”的對(duì)策，重點(diǎn)包括：

○ 新建建筑強(qiáng)制執(zhí)行更高的節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)，在原先50%綜合節(jié)能的目標(biāo)基礎(chǔ)上提升至65%節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)；

○ 既有建筑：針對(duì)大型公建及政府辦公樓實(shí)施系統(tǒng)的既有建筑節(jié)能調(diào)研、審計(jì)及改造（圖2）。

據(jù)建交委統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，截至2009年底，上海市“國家機(jī)管辦公建筑和大型公共建筑節(jié)能監(jiān)管體系建設(shè)”共計(jì)覆蓋國家機(jī)關(guān)辦公樓197.7萬m2、大型公建4858.9萬m2。其中已完成統(tǒng)計(jì)建筑1325棟、已審計(jì)建筑100棟，其中30棟建筑建立能耗監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，可進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集。

同時(shí)，上海市政府結(jié)合世博園區(qū)、崇明生態(tài)島、虹橋低碳商務(wù)區(qū)等市政開發(fā)重點(diǎn)，進(jìn)行可再生能源及區(qū)域低碳的系統(tǒng)規(guī)劃和實(shí)施。以可再生能源為例，市政府曾在《上海市能源發(fā)展“十一五”規(guī)劃》中明確提出“加大能源結(jié)構(gòu)調(diào)整力度，積極發(fā)展可再生能源和替代能源”、“太陽能發(fā)展布局的重點(diǎn)是結(jié)合建筑物一體化建設(shè)，將崇明島和世博園區(qū)建成新能源利用綜合示范區(qū)，爭(zhēng)取2010年光伏發(fā)電規(guī)模達(dá)到7～10MWp”。目前，世博園區(qū)BIPV光伏電站的實(shí)際安裝總量超過5MWp，崇明、臨港、閔行各區(qū)也均建立兆瓦級(jí)以上BIPV光伏電站。下文以世博園區(qū)永久建筑為例，重點(diǎn)介紹建筑領(lǐng)域的可持續(xù)建筑應(yīng)用。

3 世博園區(qū)永久建筑節(jié)能技術(shù)應(yīng)用

本文所指世博園區(qū)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(shí)踐區(qū)UBPA南區(qū)的未來探索館（南市電廠改建工程）、UBPA北部街區(qū)上海城市案例“滬上·生態(tài)家”。

上述永久建筑充分考慮主被動(dòng)節(jié)能減排技術(shù)，從建筑功能、環(huán)境效益、展示效果各方面優(yōu)化設(shè)計(jì)，并在工程中付諸實(shí)踐，各場(chǎng)館主要技術(shù)要點(diǎn)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(jié)地、節(jié)能、節(jié)水、節(jié)材、環(huán)境保護(hù)”等方面的綜合優(yōu)勢(shì)，已獲評(píng)國家三星級(jí)綠色建筑設(shè)計(jì)評(píng)價(jià)標(biāo)識(shí)；主題館－中國館、未來探索館因在光伏發(fā)電、江水源熱泵區(qū)域能源中心等方面的技術(shù)應(yīng)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(chǎng)館的運(yùn)營能效，世博信息化部組織相關(guān)科研單位研究開發(fā)了“世博園區(qū)能源與環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)”（圖4），通過建立軟硬件平臺(tái)，實(shí)時(shí)統(tǒng)計(jì)園區(qū)節(jié)能減排效應(yīng)[3]，包括：

○統(tǒng)計(jì)分析園區(qū)各片區(qū)常規(guī)能源耗電、耗水、室外環(huán)境；

○實(shí)時(shí)計(jì)量分析永久建筑耗能及可再生能源產(chǎn)能，進(jìn)而計(jì)算運(yùn)營期間的建筑累計(jì)減排效益。

3.1 “滬上·生態(tài)家”[4]

城市最佳實(shí)踐區(qū)是2010年世博會(huì)的創(chuàng)舉之一，它以可持續(xù)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(zhì)量所做的公認(rèn)的、創(chuàng)新的和有價(jià)值的各種實(shí)踐方案和實(shí)物。上海城市案例“滬上·生態(tài)家”位于城市最佳實(shí)踐區(qū)北部街區(qū)，與英國倫敦的BedZED住宅、西班牙馬德里的竹屋相鄰，共同構(gòu)成居住建筑組團(tuán)（圖5）。

作為代表東道主參展城市最佳實(shí)踐區(qū)的唯一實(shí)物案例，“滬上·生態(tài)家”針對(duì)上海發(fā)展中國家之夏熱冬冷地區(qū)高密度大城市代表、面臨可持續(xù)發(fā)展的嚴(yán)峻考驗(yàn)的地域氣候特征和經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平，提出“關(guān)注節(jié)能環(huán)保、倡導(dǎo)樂活人生”的主題，確立了“節(jié)能減排、資源回用、環(huán)境宜居、智能高效”的技術(shù)理念，并以滿足國家《綠色建筑評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》GB/T 50378三星級(jí)為設(shè)計(jì)目標(biāo)，通過30%前瞻技術(shù)研發(fā)集成和70%成熟技術(shù)應(yīng)用，達(dá)到建筑綜合節(jié)能60%、可再生能源利用率占建筑設(shè)計(jì)能耗值的50%、非傳統(tǒng)水源利用率60%、固廢再生的墻體材料使用率100%、室內(nèi)環(huán)境達(dá)標(biāo)率100%等技術(shù)指標(biāo)。

“滬上·生態(tài)家”充分汲取江南民居的傳統(tǒng)文化精髓，提煉了山墻、里弄、老虎窗等上海住宅要素并進(jìn)行了符號(hào)化的展示。趨風(fēng)避寒、流水不腐、以土養(yǎng)水、草木蔥郁等本土生態(tài)手法也在建筑設(shè)計(jì)中得到了傳承和演繹，例如，通過樓梯井形成豎向拔風(fēng)，強(qiáng)化過渡季節(jié)建筑內(nèi)部的自然通風(fēng)，南面的景觀水體通過生態(tài)浮床等技術(shù)實(shí)現(xiàn)水體自然凈化，達(dá)到生態(tài)保持的效果；人行步道采用透水鋪地，涵養(yǎng)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(shí)，“滬上·生態(tài)家”強(qiáng)調(diào)生態(tài)技術(shù)的建筑一體化設(shè)計(jì)，從建筑本體技術(shù)和參觀展示技術(shù)應(yīng)用兩個(gè)層面有機(jī)集成了自然通風(fēng)強(qiáng)化技術(shù)、夏熱冬冷氣候適應(yīng)性圍護(hù)結(jié)構(gòu)、天然采光和室內(nèi)LED照明、燃料電池家庭能源中心、PC預(yù)制式多功能陽臺(tái)、BIPV非晶硅薄膜光伏發(fā)電系統(tǒng)、固廢再生輕質(zhì)內(nèi)隔墻、生活垃圾資源化、智能集成管理和家庭遠(yuǎn)程醫(yī)療、家用機(jī)器人服務(wù)系統(tǒng)等技術(shù)專項(xiàng)。

以建筑綜合節(jié)能和可再生能源應(yīng)用為例，“滬上·生態(tài)家”基于夏熱冬冷地區(qū)氣候特征分析,綜合考慮隔熱、保溫、調(diào)濕問題和資源再利用需要，選用圖6所示的建筑外墻構(gòu)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(jī)保溫砂漿，內(nèi)立面采用相變材料與脫硫石膏復(fù)合系統(tǒng)，在保護(hù)環(huán)境的同時(shí)，使建筑外墻具有隨室外氣候變化而變化的自適應(yīng)功能。

在光伏建筑應(yīng)用方面，“滬上·生態(tài)家”綜合考慮上海地區(qū)日照輻射資源一般，陰雨天較多的情況，選擇了弱光效應(yīng)較好、色澤均一適宜于建筑一體化設(shè)計(jì)的非晶硅光伏發(fā)電系統(tǒng)，結(jié)合坡屋頂及立面陽臺(tái)進(jìn)行一體化布置，如圖7。

另外其他相關(guān)節(jié)能措施還包括垂直軸小型建筑一體化風(fēng)力發(fā)電、LED景觀照明、能量回收電梯、中庭風(fēng)籠自然通風(fēng)、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(tài)家”屋面及陽臺(tái)BIPV系統(tǒng)

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(fā)電廠起源于清政府時(shí)期的1897年，其歷史沿革見證了上海城市工業(yè)文明的發(fā)展。隨著工業(yè)技術(shù)及可持續(xù)城市發(fā)展的需求，原南市電廠退出歷史舞臺(tái)，保留其主廠房并進(jìn)行再生性改建，體現(xiàn)了對(duì)歷史遺產(chǎn)的保護(hù)與利用；改建后的主廠房用作世博會(huì) 未來探索館，則濃縮展示了未來城市發(fā)展的美好愿景。

改建工程的技術(shù)定位包括：

○ 歷史遺跡保護(hù)；

○ 三星級(jí)綠色建筑；

○ 實(shí)現(xiàn)從“高污染高消耗的傳統(tǒng)煤電中心”向“綠色能源中心”的轉(zhuǎn)變。

綠色建筑的設(shè)計(jì)優(yōu)化貫穿方案、擴(kuò)初及施工圖全過程，充分考慮基地及廠房現(xiàn)狀，集成主動(dòng)式導(dǎo)光系統(tǒng)、太陽能及風(fēng)力發(fā)電、綠色建材、阻尼結(jié)構(gòu)加固、自然通風(fēng)、智能化集成、江水源熱泵、中水回用等多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)（圖9）。

通過“節(jié)地、節(jié)能、節(jié)水、節(jié)材、環(huán)境保護(hù)”全目標(biāo)的控制，主廠房改建工程達(dá)成一系列設(shè)計(jì)目標(biāo)：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(yīng)能耗的74.8%、可再生能源發(fā)電量占建筑能耗28.98%、可再生水源利用率55.1%、可再循環(huán)材料使用重量占建材總量的11.95%、79.4%的主要功能區(qū)實(shí)現(xiàn)天然采光等，并于2009年獲得中國“三星級(jí)綠色建筑設(shè)計(jì)評(píng)價(jià)標(biāo)識(shí)”認(rèn)證。部分技術(shù)分析及工程實(shí)景如圖10。

與此同時(shí)，改建工程充分利用廠房瀕臨浦江的地理優(yōu)勢(shì)及階梯狀建筑屋面，一體化設(shè)計(jì)應(yīng)用“江水源區(qū)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(tǒng)煤電中心”改建成為“綠色能源中心”。

江水源區(qū)域能源中心覆蓋半徑約1km，提供世博會(huì)中會(huì)后約15萬m2建筑的冷熱源供應(yīng)，系統(tǒng)總制冷量達(dá)4.14萬kW。能源中心設(shè)計(jì)充分論證了包括原南市發(fā)電廠原取排水系統(tǒng)的延用、系統(tǒng)溫水排放對(duì)環(huán)境的影響、水質(zhì)處理、區(qū)域能源供應(yīng)方式等一系列問題。項(xiàng)目基于原南市電廠發(fā)電機(jī)組的冷卻水取排水管道進(jìn)行改造加建；水質(zhì)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(duì)直徑10cm以上的雜物進(jìn)行清除過濾，只增加了對(duì)水質(zhì)進(jìn)行預(yù)處理的設(shè)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(yuǎn)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(jí)升高的階梯狀形態(tài)，建筑自遮擋少，BIPV系統(tǒng)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(tǒng)總功率逾520kWp，預(yù)計(jì)年發(fā)電量50萬kWh，與相同發(fā)電量的火電廠相比，年節(jié)約標(biāo)煤178噸（以350g標(biāo)煤/kWh計(jì)算），具有顯著的環(huán)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(qū)重要的永久性建筑。建筑融入了“綠色、節(jié)能、環(huán)?！钡脑O(shè)計(jì)理念，廣泛采用諸如太陽能光電、光熱系統(tǒng)、雨水收集及利用系統(tǒng)、雜用水收集利用系統(tǒng)、分工況變頻給水系統(tǒng)、江水直流冷卻水系統(tǒng)、程控型綠地微灌系統(tǒng)、中央監(jiān)控與管理系統(tǒng)和節(jié)能設(shè)備與節(jié)材措施等一系列的先進(jìn)技術(shù)，先后獲得國家“三星級(jí)綠色建筑設(shè)計(jì)評(píng)價(jià)標(biāo)識(shí)”及LEED金獎(jiǎng)?wù)J證?？沙掷m(xù)節(jié)能應(yīng)用技術(shù)要點(diǎn)如下：

○ 冰蓄冷及江水源熱泵系統(tǒng)：建筑夏季集中空調(diào)總冷負(fù)荷為13023 kW，其中冰蓄冷系統(tǒng)供冷量占59.5%，江水源熱泵系統(tǒng)供冷量占40.5%。冬季空調(diào)熱源由江水源熱泵機(jī)組和燃?xì)忮仩t組成，水源熱泵機(jī)組3臺(tái)，供熱量占60%；

○ 太陽能光電、光熱應(yīng)用：工程依據(jù)建筑頂層可利用面積及現(xiàn)階段太陽能電池組件的轉(zhuǎn)化效率，設(shè)計(jì)了1MW并網(wǎng)型太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)（見圖12）。太陽能熱水系統(tǒng)選用短期蓄熱集中太陽能熱水系統(tǒng)（CSHPDS），強(qiáng)制循環(huán)、二次換熱。采用由太陽能集熱器產(chǎn)生的熱水為主熱源、世博中心自備鍋爐提供的高溫?zé)崴疄檩o熱源的系統(tǒng)制備熱水，按區(qū)域分設(shè)獨(dú)立的供熱水系統(tǒng)集中供給各用熱水點(diǎn)，并設(shè)有熱水循環(huán)泵強(qiáng)制同程機(jī)械循環(huán)、動(dòng)態(tài)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(qū)空間景觀和人流交通的主軸線；世博會(huì)后，將成為上海第三個(gè)市級(jí)中心的都市空間景觀和城市交通主軸，提供市民活動(dòng)，商業(yè)服務(wù)，交通換乘的空間。作為一個(gè)半敞開性質(zhì)的建筑構(gòu)筑物，世博軸充分考慮了節(jié)能環(huán)保技術(shù)應(yīng)用，如地源熱泵和江水源熱泵耦合能源系統(tǒng)、采用安全防災(zāi)技術(shù)、空氣質(zhì)量保障技術(shù)、運(yùn)營環(huán)境監(jiān)控技術(shù)、景觀生態(tài)綠化技術(shù)、夜景泛光照明技術(shù)等。

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

4 結(jié)語

可持續(xù)能源在世博永久性場(chǎng)館中的應(yīng)用，是上海地區(qū)可持續(xù)能源應(yīng)用的一個(gè)契機(jī)，設(shè)計(jì)、建造，以及后期運(yùn)營過程中經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)為相關(guān)技術(shù)在上海地區(qū)的推廣提供了很好的借鑒。面對(duì)世博后新一輪的城市建設(shè)熱點(diǎn)，業(yè)界已經(jīng)提出從規(guī)劃、交通、建筑、施工、運(yùn)營多層面去推進(jìn)低碳發(fā)展和可持續(xù)建設(shè)。這一思路也必將推動(dòng)并真正實(shí)現(xiàn)上海地區(qū)建筑相關(guān)領(lǐng)域的可持續(xù)發(fā)展。

[1]Global Green Building Trends 2008,McGraw-Hill年度調(diào)研報(bào)告

[2]上海市人民政府關(guān)于印發(fā)《上海市節(jié)能減排工作實(shí)施方案》的通知，滬府發(fā)〔2007〕25號(hào)，2007年8月7日

[3]何孝磊 張蓓紅世博園區(qū)能源與環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)建設(shè)構(gòu)想，上海信息化，2009年3月

[4]韓繼紅，張穎等，滬上生態(tài)家綠色建筑實(shí)踐，建設(shè)科技，2009（6），P40

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

[6]世博中心綠色建筑三星級(jí)評(píng)價(jià)標(biāo)識(shí)申報(bào)材料，世博集團(tuán)提供，2010.4

[7]網(wǎng)頁資料 http://www.expo2010.cn/。