超低能耗建筑技術(shù)在上海某租賃式住宅項目上的應用研究

董 禮（上海宜浩置業(yè)有限公司， 上海 201306）

1 項目背景和超低能耗技術(shù)難點

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)易試驗區(qū)臨港新片區(qū)建筑低碳建設導則（試行）》，需同時滿足綠色建筑三星級、健康建筑三星級和超低能耗建筑的要求，其中超低能耗建筑的設計依據(jù)為《上海市超低能耗建筑技術(shù)導則（試行）》。作為租賃式住宅，項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，同時由于建設成本的約束，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準選用了一級能效等級的分體式空調(diào)機進一步降低采暖空調(diào)能耗。然后，由于人員密度高帶來建筑能耗需求強度大，因此為實現(xiàn)超低能耗建筑的能耗限值目標，需要在可再生能源利用方面挖掘更大的空間。

為此，通過對當?shù)靥柲苜Y源的模擬評估，項目采用了在屋頂盡可能多地鋪設太陽能光伏板，同時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一步下降。此外，由于受到總體規(guī)劃和風貌設計的控制，各棟單體均在北向設置走廊和天井，只能利用狹小的天井作為空調(diào)室外機的安裝空間。空調(diào)室外機在運行期間產(chǎn)生大量的排熱，通風補償?shù)耐獠凯h(huán)境可能會導致熱量的堆積，引起空調(diào)室外機運行工況的惡化，甚至導致無法開機的情況。因此，本次研究也針對超低能耗目標下的空調(diào)室外機布置優(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)，由于設備陽臺面積極為緊張，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)的儲熱水箱和相關(guān)控制設備。租賃住宅在交付后將采用統(tǒng)一運行和集中管理，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。

空氣源熱泵熱水機組、加熱水箱、儲熱水罐、水泵等設備集中放置在屋頂平面，便于物業(yè)檢修設備，也可以實現(xiàn)對每戶熱水使用量的計量。在設計時，考慮除極端天氣條件外，空氣源熱泵系統(tǒng)單獨運行可滿足全部住戶的熱水需求。為滿足超低能耗性能指標，本項目采用了全年效率值 COP 達到 4.85 的空氣源熱泵熱水機組。

為進一步降低建筑能耗，項目充分利用屋頂平面可利用空間，選用高效晶體硅組件設計太陽能光伏發(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在部分時段對光伏發(fā)電系統(tǒng)的整體效率產(chǎn)生不利影響，因此本項目設計中還采用專業(yè)模擬軟件，建立物理模型對屋面女兒墻等構(gòu)筑物進行了遮擋分析，最終選擇了最合適的區(qū)域進行光伏硅晶板的布置，以實現(xiàn)系統(tǒng)的最優(yōu)化設計。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)室外機布局優(yōu)化

本項目由于受到總體規(guī)劃特別是風貌控制的要求，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)設計中也根據(jù)常規(guī)做法將室外機布置在天井內(nèi)，通過天井的煙囪效應將夏季空調(diào)室外機的排熱帶出。

這種在建筑設計上比較常規(guī)的做法，卻忽略了多臺室外機集中安裝在天井內(nèi)，夏季空調(diào)同時運行時排風熱量的急劇堆積，可能會造成天井內(nèi)溫度過高，導致空調(diào)無法正常啟動的情況。這種情況，不僅會嚴重影響超低能耗建筑目標的實現(xiàn)，也是在常規(guī)設計中需要通過模擬優(yōu)化進行避免的。

本項目采用專業(yè) CFD 模擬軟件，通過設置一段 18 層的天井模型，對多臺室外機聯(lián)合運行下天井內(nèi)溫度分布進行了模擬分析，發(fā)現(xiàn)主要問題有以下幾點。

（1）天井距離內(nèi)走廊的進深不宜過大。當天井距離內(nèi)走廊的水平距離超過 3 m，往往會出現(xiàn)室外機散出的熱量在天井內(nèi)嚴重堆積，樓層越高，對應樓層的室外機周邊的空氣溫度越高，存在部分室外機無法開機的可能性。圖 2 和圖 3是對一個進深 3.3 m 的天井內(nèi)同時安裝兩臺室外機的工況所作的而模擬分析。經(jīng)過計算，當兩臺室外機同時開啟時，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)國家標準規(guī)定，室外機最高工作環(huán)境溫度是 43 ℃，由此可見，此時這種高溫已接近甚至超過空調(diào)室外機正常運行的溫度，壓縮機會過熱保護，不能正常制冷。

圖2 大進深天井內(nèi)水平截面溫度場模擬（單位：℃）

圖3 大進深天井內(nèi)空調(diào)室外機散熱模擬（單位：℃）

（2） 室外機不能布置成對吹形式。所謂“對吹”，是指兩臺室外機由于距離過于接近，其中一臺外機的排風“短路”到另一臺外機的周圍，加劇排熱工況的惡化。由于天井內(nèi)空間有限，當存在需要在天井內(nèi)安裝兩臺室外機的時候，設計中經(jīng)常出現(xiàn)室外機對吹情況，本項目最初存在一個最不利部位，通過模擬，如圖 4 所示，在這種狀態(tài)下，最高層的天井內(nèi)空氣溫度將達到 45 ℃ 以上，超出空調(diào)室外機正常工作溫度。

圖4 空調(diào)室外機對吹時天井內(nèi)溫度模擬圖 （單位：℃）

針對以上問題，可采取兩種可行的解決方案。

（1）室外機全部移出天井，保證室外機的正常散熱。為保證南向立面整潔，室外機一般會移至走廊外側(cè)。將天井內(nèi)室外機移至走廊外側(cè)會增加空調(diào)管線長度，導致能耗增加，因此在進行空調(diào)能耗模擬時，需要通過管路長度的系數(shù)修正對能耗進行調(diào)整。

（2）建筑優(yōu)化減小天井進深。通過進一步的模擬驗算，當天井進深控制在 1.8 m 以內(nèi)時，天井內(nèi)室外機可以實現(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，不影響室外機的正常工作，如圖 5、圖 6 所示。同時走廊的護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 時的空調(diào)室外機散熱模擬（單位：℃）

4 結(jié)語

隨著碳達峰、碳中和成為國家行動，新建建筑全面提升節(jié)能標準、推廣超低能耗建筑已成為大勢所趨。針對于租賃式住宅在超低能耗建筑方面存在的難點，本項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)來達到可再生能源應用的要求，同時對于天井內(nèi)的空調(diào)室外機排熱對于運行的影響進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踐的一次有益探索，可為上海市同類項目的方案制定和技術(shù)優(yōu)化提供有益借鑒。