超低能耗建筑技術(shù)在上海某租賃式住宅項(xiàng)目上的應(yīng)用研究

董 禮（上海宜浩置業(yè)有限公司， 上海 201306）

1 項(xiàng)目背景和超低能耗技術(shù)難點(diǎn)

本次研究的住宅位于上海市自貿(mào)區(qū)臨港新片區(qū)，根據(jù)《中國（上海）自由貿(mào)易試驗(yàn)區(qū)臨港新片區(qū)建筑低碳建設(shè)導(dǎo)則（試行）》，需同時(shí)滿足綠色建筑三星級(jí)、健康建筑三星級(jí)和超低能耗建筑的要求，其中超低能耗建筑的設(shè)計(jì)依據(jù)為《上海市超低能耗建筑技術(shù)導(dǎo)則（試行）》。作為租賃式住宅，項(xiàng)目的主要戶型面積為 35～70 m2，以一居室和二居室為主。

調(diào)研表明：相比于常規(guī)商品住宅，租賃住宅普遍存在單元戶型小、人員密度大、能源消耗需求高的特征，同時(shí)由于建設(shè)成本的約束，在建筑節(jié)能方面本身就具有較大的挑戰(zhàn)。根據(jù)技術(shù)方案的比選，本項(xiàng)目首先采用了夾心保溫墻體和三玻雙腔斷熱高性能外窗提升圍護(hù)結(jié)構(gòu)的熱工性能，其次在空調(diào)系統(tǒng)方面根據(jù)租賃是住宅的配置標(biāo)準(zhǔn)選用了一級(jí)能效等級(jí)的分體式空調(diào)機(jī)進(jìn)一步降低采暖空調(diào)能耗。然后，由于人員密度高帶來建筑能耗需求強(qiáng)度大，因此為實(shí)現(xiàn)超低能耗建筑的能耗限值目標(biāo)，需要在可再生能源利用方面挖掘更大的空間。

為此，通過對(duì)當(dāng)?shù)靥柲苜Y源的模擬評(píng)估，項(xiàng)目采用了在屋頂盡可能多地鋪設(shè)太陽能光伏板，同時(shí)采用集中式空氣源熱泵熱水系統(tǒng)的方式，使得建筑綜合能耗進(jìn)一步下降。此外，由于受到總體規(guī)劃和風(fēng)貌設(shè)計(jì)的控制，各棟單體均在北向設(shè)置走廊和天井，只能利用狹小的天井作為空調(diào)室外機(jī)的安裝空間?？照{(diào)室外機(jī)在運(yùn)行期間產(chǎn)生大量的排熱，通風(fēng)補(bǔ)償?shù)耐獠凯h(huán)境可能會(huì)導(dǎo)致熱量的堆積，引起空調(diào)室外機(jī)運(yùn)行工況的惡化，甚至導(dǎo)致無法開機(jī)的情況。因此，本次研究也針對(duì)超低能耗目標(biāo)下的空調(diào)室外機(jī)布置優(yōu)化開展了專題分析。

2 太陽能和空氣能相結(jié)合的可再生能源綜合利用

租賃式住房戶型小、熱水需求大，如果采用常規(guī)的戶式太陽能熱水系統(tǒng)，由于設(shè)備陽臺(tái)面積極為緊張，經(jīng)分析無法提供足夠的安裝空間布置太陽能熱水系統(tǒng)的儲(chǔ)熱水箱和相關(guān)控制設(shè)備。租賃住宅在交付后將采用統(tǒng)一運(yùn)行和集中管理，具備采用集中式能源系統(tǒng)的可行性。因此，通過方案比選后，本項(xiàng)目最終采用了集中空氣源熱泵熱水系統(tǒng)＋分戶備用電加熱的生活熱水供給形式。

空氣源熱泵熱水機(jī)組、加熱水箱、儲(chǔ)熱水罐、水泵等設(shè)備集中放置在屋頂平面，便于物業(yè)檢修設(shè)備，也可以實(shí)現(xiàn)對(duì)每戶熱水使用量的計(jì)量。在設(shè)計(jì)時(shí)，考慮除極端天氣條件外，空氣源熱泵系統(tǒng)單獨(dú)運(yùn)行可滿足全部住戶的熱水需求。為滿足超低能耗性能指標(biāo)，本項(xiàng)目采用了全年效率值 COP 達(dá)到 4.85 的空氣源熱泵熱水機(jī)組。

為進(jìn)一步降低建筑能耗，項(xiàng)目充分利用屋頂平面可利用空間，選用高效晶體硅組件設(shè)計(jì)太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)，為樓棟的公共區(qū)域照明和電梯提供部分電力。由于在太陽高度角的變化過程中，女兒墻的陰影覆蓋到光伏板之后可能會(huì)在部分時(shí)段對(duì)光伏發(fā)電系統(tǒng)的整體效率產(chǎn)生不利影響，因此本項(xiàng)目設(shè)計(jì)中還采用專業(yè)模擬軟件，建立物理模型對(duì)屋面女兒墻等構(gòu)筑物進(jìn)行了遮擋分析，最終選擇了最合適的區(qū)域進(jìn)行光伏硅晶板的布置，以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的最優(yōu)化設(shè)計(jì)。屋面構(gòu)筑物遮擋模擬結(jié)果如圖 1 所示。

圖1 屋面女兒墻對(duì)光伏板的陰影影響分析（單位：kwh/m2）

3 天井空間內(nèi)的空調(diào)室外機(jī)布局優(yōu)化

本項(xiàng)目由于受到總體規(guī)劃特別是風(fēng)貌控制的要求，各棟單體南立面保持通透整潔的效果，而在北向留出內(nèi)部通道走廊和采光天井。因此，空調(diào)設(shè)計(jì)中也根據(jù)常規(guī)做法將室外機(jī)布置在天井內(nèi)，通過天井的煙囪效應(yīng)將夏季空調(diào)室外機(jī)的排熱帶出。

這種在建筑設(shè)計(jì)上比較常規(guī)的做法，卻忽略了多臺(tái)室外機(jī)集中安裝在天井內(nèi)，夏季空調(diào)同時(shí)運(yùn)行時(shí)排風(fēng)熱量的急劇堆積，可能會(huì)造成天井內(nèi)溫度過高，導(dǎo)致空調(diào)無法正常啟動(dòng)的情況。這種情況，不僅會(huì)嚴(yán)重影響超低能耗建筑目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)，也是在常規(guī)設(shè)計(jì)中需要通過模擬優(yōu)化進(jìn)行避免的。

本項(xiàng)目采用專業(yè) CFD 模擬軟件，通過設(shè)置一段 18 層的天井模型，對(duì)多臺(tái)室外機(jī)聯(lián)合運(yùn)行下天井內(nèi)溫度分布進(jìn)行了模擬分析，發(fā)現(xiàn)主要問題有以下幾點(diǎn)。

（1）天井距離內(nèi)走廊的進(jìn)深不宜過大。當(dāng)天井距離內(nèi)走廊的水平距離超過 3 m，往往會(huì)出現(xiàn)室外機(jī)散出的熱量在天井內(nèi)嚴(yán)重堆積，樓層越高，對(duì)應(yīng)樓層的室外機(jī)周邊的空氣溫度越高，存在部分室外機(jī)無法開機(jī)的可能性。圖 2 和圖 3是對(duì)一個(gè)進(jìn)深 3.3 m 的天井內(nèi)同時(shí)安裝兩臺(tái)室外機(jī)的工況所作的而模擬分析。經(jīng)過計(jì)算，當(dāng)兩臺(tái)室外機(jī)同時(shí)開啟時(shí)，15 層以上的天井內(nèi)空氣溫度將超過 45 ℃ 以上。根據(jù)現(xiàn)行的空調(diào)國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，室外機(jī)最高工作環(huán)境溫度是 43 ℃，由此可見，此時(shí)這種高溫已接近甚至超過空調(diào)室外機(jī)正常運(yùn)行的溫度，壓縮機(jī)會(huì)過熱保護(hù)，不能正常制冷。

圖2 大進(jìn)深天井內(nèi)水平截面溫度場模擬（單位：℃）

圖3 大進(jìn)深天井內(nèi)空調(diào)室外機(jī)散熱模擬（單位：℃）

（2） 室外機(jī)不能布置成對(duì)吹形式。所謂“對(duì)吹”，是指兩臺(tái)室外機(jī)由于距離過于接近，其中一臺(tái)外機(jī)的排風(fēng)“短路”到另一臺(tái)外機(jī)的周圍，加劇排熱工況的惡化。由于天井內(nèi)空間有限，當(dāng)存在需要在天井內(nèi)安裝兩臺(tái)室外機(jī)的時(shí)候，設(shè)計(jì)中經(jīng)常出現(xiàn)室外機(jī)對(duì)吹情況，本項(xiàng)目最初存在一個(gè)最不利部位，通過模擬，如圖 4 所示，在這種狀態(tài)下，最高層的天井內(nèi)空氣溫度將達(dá)到 45 ℃ 以上，超出空調(diào)室外機(jī)正常工作溫度。

圖4 空調(diào)室外機(jī)對(duì)吹時(shí)天井內(nèi)溫度模擬圖 （單位：℃）

針對(duì)以上問題，可采取兩種可行的解決方案。

（1）室外機(jī)全部移出天井，保證室外機(jī)的正常散熱。為保證南向立面整潔，室外機(jī)一般會(huì)移至走廊外側(cè)。將天井內(nèi)室外機(jī)移至走廊外側(cè)會(huì)增加空調(diào)管線長度，導(dǎo)致能耗增加，因此在進(jìn)行空調(diào)能耗模擬時(shí)，需要通過管路長度的系數(shù)修正對(duì)能耗進(jìn)行調(diào)整。

（2）建筑優(yōu)化減小天井進(jìn)深。通過進(jìn)一步的模擬驗(yàn)算，當(dāng)天井進(jìn)深控制在 1.8 m 以內(nèi)時(shí)，天井內(nèi)室外機(jī)可以實(shí)現(xiàn)正常散熱，即便最頂層的天井內(nèi)空氣溫度也可以保持在 40 ℃ 以下，不影響室外機(jī)的正常工作，如圖 5、圖 6 所示。同時(shí)走廊的護(hù)欄必須采用開敞欄桿，保證迅速散熱。

圖5 水平截面溫度場模擬示意圖（單位：℃）

圖6 時(shí)的空調(diào)室外機(jī)散熱模擬（單位：℃）

4 結(jié)語

隨著碳達(dá)峰、碳中和成為國家行動(dòng)，新建建筑全面提升節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)、推廣超低能耗建筑已成為大勢所趨。針對(duì)于租賃式住宅在超低能耗建筑方面存在的難點(diǎn)，本項(xiàng)目探索采用了集中式空氣源熱泵熱水系統(tǒng)、太陽能光伏系統(tǒng)來達(dá)到可再生能源應(yīng)用的要求，同時(shí)對(duì)于天井內(nèi)的空調(diào)室外機(jī)排熱對(duì)于運(yùn)行的影響進(jìn)行了專題研究并提出了優(yōu)化建議，作為租賃住宅開展超低能耗建筑實(shí)踐的一次有益探索，可為上海市同類項(xiàng)目的方案制定和技術(shù)優(yōu)化提供有益借鑒。