某超低能耗住宅的冬季自然室溫分析和地暖節(jié)能運(yùn)行策略研究

成純漢（上海宜浩置業(yè)有限公司，上海 201306）

為應(yīng)對全球氣候變化，我國提出“二氧化碳排放力爭于 2030 年前達(dá)到峰值，努力爭取 2060 年前實(shí)現(xiàn)碳中和”的目標(biāo)承諾。作為建筑領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)節(jié)能降碳的重要手段，各地均發(fā)布政策完善超低能耗建筑標(biāo)準(zhǔn)體系和推動示范項(xiàng)目建設(shè)。上海在 2019 年發(fā)布超低能耗建筑技術(shù)導(dǎo)則之后，也在 2021 年迎來了超低能耗建筑的快速發(fā)展。根據(jù)超低能耗建筑和常規(guī)建筑在圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工性能方面的對比，可以看出在外墻傳熱系數(shù)方面有較大的提升要求，從而也對墻體熱惰性產(chǎn)生了較大改變，進(jìn)而對自然室溫的日變化規(guī)律產(chǎn)生了明顯影響[1]。

與此同時(shí)，為滿足百姓對舒適度不斷提升的要求，傳統(tǒng)意義上不采用集中供暖的夏熱冬冷地區(qū)，也逐步開始在住宅設(shè)計(jì)中引入地板采暖技術(shù)。地暖相比于空調(diào)，室內(nèi)的溫度分層更為均勻，在冬季的舒適性方面極具優(yōu)勢，但由于常規(guī)住宅在墻體蓄熱性能方面較差，地暖系統(tǒng)往往需要采用連續(xù)運(yùn)行模式，從而帶來了運(yùn)行能耗的增加，與超低能耗的理念產(chǎn)生了矛盾[2]。針對這一難題，筆者以上海市某新建超低能耗住宅為例，模擬分析了冬季典型日條件下墻體蓄熱性能提升后對戶內(nèi)自然室溫的影響特征，進(jìn)而通過設(shè)定不同的運(yùn)行策略對供暖空調(diào)能耗進(jìn)行對比分析，從而為本地區(qū)超低能耗住宅在采用地暖系統(tǒng)情況下同時(shí)滿足舒適性和節(jié)能性的運(yùn)行策略提供了優(yōu)化建議。

1 項(xiàng)目超低能耗設(shè)計(jì)概況

本項(xiàng)目位于上海市浦東地區(qū)，為一棟 18 F 的住宅，建筑面積 5 472 m2。根據(jù)上海市超低能耗建筑的技術(shù)要求，外墻的平均傳熱系數(shù)均＜0.4 W/(m2·K) ，并采用外墻保溫一體化系統(tǒng)。其中，底部加強(qiáng)層采用現(xiàn)澆混凝土免拆模板保溫系統(tǒng)，三層及以上主體采用預(yù)制混凝土夾心保溫外墻系統(tǒng)、局部采用現(xiàn)澆混凝土免拆模板保溫系統(tǒng)?，F(xiàn)澆混凝土免拆模板系統(tǒng)采用 90 mm 硅墨烯不燃保溫板，導(dǎo)熱系數(shù) 0.054 W/(m·K)；預(yù)制混凝土夾心保溫系統(tǒng)采用 55 mm 硬泡聚氨酯，導(dǎo)熱系數(shù) 0.024 W/(m·K)。為了實(shí)現(xiàn)夏季良好的遮陽隔熱效果，同時(shí)不影響冬季的日照采光，項(xiàng)目在南向、東向、西向主要功能房間的外窗設(shè)置中置遮陽百葉。

2 考慮外墻蓄熱特性的冬季典型日自然室溫分析

2.1 模型建立和參數(shù)設(shè)置

根據(jù) CAD 圖紙，提取本項(xiàng)目外墻各層材料的厚度、導(dǎo)熱系數(shù)、蓄熱系數(shù)等主要性能參數(shù)，采用 eQuest 能耗分析軟件建立的項(xiàng)目建筑模型如圖 1 所示。考慮到住宅每層平面戶型完全相同，因此對建筑模型進(jìn)行了簡化，并以三層的某起居室作為研究對象。

圖1 eQuest 軟件中的項(xiàng)目能耗模型

模型中的圍護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)完全根據(jù)設(shè)計(jì)文件取值，室內(nèi)溫濕度設(shè)計(jì)參數(shù)及內(nèi)擾時(shí)刻表按照《上海市超低能耗建筑技術(shù)導(dǎo)則（試行）》的要求進(jìn)行設(shè)置。選取 1 月的典型日分析冬季工況下白天無人時(shí)間段內(nèi)的自然室溫變化規(guī)律，在軟件中將工作日晝間供暖溫度設(shè)為 0℃，確保模型運(yùn)行時(shí)晝間地暖處于關(guān)閉狀態(tài)。

2.2 模擬結(jié)果分析

考慮到夏熱冬冷地區(qū)典型氣象文件中的氣象條件，選取冬季室外溫度最低的一周（1 月 3 日—1 月 9 日）作為研究周期 1，簡稱極端冬季周；同時(shí)選取冬季室外溫度最接近平均溫度的一周（12 月 5 日—12 月 11 日）作為研究周期 2，簡稱典型冬季周。通過極端冬季周和典型冬季周的晝間自然室溫模擬分析，對超低能耗建筑的熱惰性進(jìn)行分析。圖 2和圖 3 分別統(tǒng)計(jì)了極端冬季周和典型冬季周室內(nèi)溫度和室外干球溫度的變化。

圖 2 典型冬季周（12 月 5 日—12 月 11 日）室內(nèi)溫度與室外干球溫度的對比

圖3 極端冬季周（1 月 3 日—1 月 9 日）室內(nèi)溫度與室外干球溫度的對比

由上述分析可知，夜間開啟地暖的工況下，室內(nèi)溫度可維持在設(shè)定溫度 20℃ 左右；白天隨著人員離屋，地暖隨之關(guān)閉，盡管室外溫度波動較大，但室內(nèi)溫度波動較為平穩(wěn)，極端冬季周和典型冬季周的室內(nèi)平均溫度分別為 17.8℃、17.9℃，顯示了超低能耗建筑的蓄熱特性對于維持室溫產(chǎn)生了顯著的作用。

3 白天地暖設(shè)定溫度對于供暖負(fù)荷和能耗的影響

超低能耗建筑的初衷是在滿足人體熱舒適的前提下實(shí)現(xiàn)節(jié)能效果，而不同的室溫設(shè)定對于地暖的運(yùn)行規(guī)律會產(chǎn)生較大影響，進(jìn)而對建筑能耗帶來不同程度的影響。根據(jù)設(shè)計(jì)文件，項(xiàng)目采用變制冷劑流量變頻多聯(lián)式分體空調(diào)機(jī)與低溫?zé)崴匕宀膳到y(tǒng)聯(lián)合的兩聯(lián)供系統(tǒng)，機(jī)組制冷 COP 和制熱COP 均可達(dá)到 4.0。

低溫?zé)崴匕宀膳到y(tǒng)在全天不同時(shí)刻的溫度設(shè)定如下表所示，在考慮間歇運(yùn)行的模式下，工作日晝間供暖設(shè)定溫度一般為 5℃（即不開啟地暖），傍晚到第二天凌晨設(shè)定溫度 20℃，地暖保持供暖運(yùn)行狀態(tài)。為了對其節(jié)能性能進(jìn)行評估，進(jìn)一步采用了 PKPM 軟件對白天地暖的不同工況下供暖空調(diào)負(fù)荷和能耗進(jìn)行對比研究。

表1 低溫?zé)崴匕宀膳到y(tǒng)供暖溫度表單位： ℃

根據(jù)空調(diào)負(fù)荷和能耗分析結(jié)果，工作日晝間地暖關(guān)閉工況下的供暖年耗熱量為 4.87 kWh/m2a。為了分析不同晝間供暖設(shè)定溫度對能耗的影響，從 5℃～20℃ 進(jìn)行了梯度設(shè)置，來分析不同設(shè)定溫度對于項(xiàng)目供暖耗熱量以及空調(diào)能耗的影響程度，具體結(jié)果如表 2 所示。

表2 房間工作日晝間供暖設(shè)定溫度對于供暖耗熱量和供暖空調(diào)能耗影響

繪制房間工作日晝間供暖設(shè)定溫度對于建筑全年供暖年耗熱量的影響曲線，考慮到設(shè)定溫度從 5～14℃ 均無變化，曲線圖中僅考慮 5℃，14～20℃，曲線如圖 2 所示。

圖2 不同工作日晝間供暖設(shè)定溫度對耗熱量影響

綜上可知，房間工作日晝間供暖設(shè)定溫度在 14℃ 以下時(shí)，單位面積空調(diào)供暖耗熱量以及空調(diào)能耗基本無變化。當(dāng)供暖設(shè)定溫度在 15℃ 以上時(shí)，項(xiàng)目單位面積空調(diào)供暖耗熱量以及空調(diào)能耗的影響逐級增加。當(dāng)供暖設(shè)定溫度在18～20℃ 時(shí)，工作日晝間供暖設(shè)定溫度的設(shè)置對項(xiàng)目空調(diào)供暖耗熱量以及空調(diào)能耗的影響較大，相對非供暖運(yùn)行時(shí)間不開啟，供暖耗熱量增加 11.96%～41.77%。

由于超低能耗居住建筑相對于常規(guī)居住建筑，圍護(hù)結(jié)構(gòu)整體保溫性能和氣密性相對較好，建筑整體蓄熱能力較好，地暖夜間運(yùn)行的熱量能夠更好地保存在建筑內(nèi)，晝間室內(nèi)溫度在地暖不開啟的情況下也基本能達(dá)到 15℃ 以上。因此，當(dāng)晝間室內(nèi)溫度設(shè)定為 15℃ 時(shí)，能耗提升幅度非常有限。

由于冬季人體舒適度可接受的溫度范圍為 18～22 ℃，考慮到超低能耗建筑具有良好的圍護(hù)結(jié)構(gòu)和蓄熱性能，根據(jù)本文第 2 節(jié)，在夜間開啟地暖，晝間不開啟地暖的工況下，晝間室內(nèi)自然室溫基本維持在 15℃ 以上，接近 18℃。當(dāng)房間工作日晝間供暖設(shè)定溫度為 18℃ 時(shí)，能耗提升幅度為11.96%，提升幅度不大，同時(shí)又可保障較好的熱舒適性，故建議地暖系統(tǒng)晝間供暖設(shè)定溫度為 18℃。

4 結(jié) 語

本文以某上海市超低能耗住宅為研究對象，通過模擬冬季工況下工作日晝間無地暖工況下的室內(nèi)自然溫度變化，分析工作日晝間供暖設(shè)定溫度對供暖能耗的影響，來探討超低能耗住宅建筑的地暖運(yùn)行策略，得出如下結(jié)論：

（1）冬季在開啟地暖的工況下，室內(nèi)溫度基本維持在設(shè)定溫度 20℃ 左右；在工作日晝間地暖不開啟的工況下，極端冬季周和典型冬季周（不含地暖開啟時(shí)段）的室內(nèi)平均溫度分別為 17.8℃、17.9℃。由于超低能耗建筑墻體良好的蓄熱性能，盡管室外溫度波動較大，但晝間室內(nèi)溫度幾乎無波動，較為平穩(wěn)。

（2）房間工作日晝間供暖設(shè)定溫度在 14℃ 以下時(shí)，項(xiàng)目單位面積空調(diào)供暖耗熱量以及空調(diào)能耗基本無變化。房間工作日晝間供暖設(shè)定溫度在 15℃ 以上時(shí)，項(xiàng)目單位面積空調(diào)供暖耗熱量以及空調(diào)能耗的影響逐級增加。當(dāng)房間工作日晝間供暖設(shè)定溫度在 18～20℃ 時(shí)，工作日晝間供暖設(shè)定溫度的設(shè)置對項(xiàng)目空調(diào)供暖耗熱量以及空調(diào)能耗的影響較大，相對非供暖運(yùn)行時(shí)間不開啟，供暖耗熱量增加11.96%～41.77%。

（3）綜合考慮超低能耗住宅的舒適要求和節(jié)能要求，建議地暖系統(tǒng)晝間供暖設(shè)定溫度為 18℃，既可以維持較好的人體熱舒適，也可以實(shí)現(xiàn)節(jié)能。