某超低能耗住宅的冬季自然室溫分析和地暖節能運行策略研究

成純漢（上海宜浩置業有限公司，上海 201306）

為應對全球氣候變化，我國提出“二氧化碳排放力爭于 2030 年前達到峰值，努力爭取 2060 年前實現碳中和”的目標承諾。作為建筑領域實現節能降碳的重要手段，各地均發布政策完善超低能耗建筑標準體系和推動示范項目建設。上海在 2019 年發布超低能耗建筑技術導則之后，也在 2021 年迎來了超低能耗建筑的快速發展。根據超低能耗建筑和常規建筑在圍護結構熱工性能方面的對比，可以看出在外墻傳熱系數方面有較大的提升要求，從而也對墻體熱惰性產生了較大改變，進而對自然室溫的日變化規律產生了明顯影響[1]。

與此同時，為滿足百姓對舒適度不斷提升的要求，傳統意義上不采用集中供暖的夏熱冬冷地區，也逐步開始在住宅設計中引入地板采暖技術。地暖相比于空調，室內的溫度分層更為均勻，在冬季的舒適性方面極具優勢，但由于常規住宅在墻體蓄熱性能方面較差，地暖系統往往需要采用連續運行模式，從而帶來了運行能耗的增加，與超低能耗的理念產生了矛盾[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自然室溫的影響特征，進而通過設定不同的運行策略對供暖空調能耗進行對比分析，從而為本地區超低能耗住宅在采用地暖系統情況下同時滿足舒適性和節能性的運行策略提供了優化建議。

1 項目超低能耗設計概況

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

2 考慮外墻蓄熱特性的冬季典型日自然室溫分析

2.1 模型建立和參數設置

根據 CAD 圖紙，提取本項目外墻各層材料的厚度、導熱系數、蓄熱系數等主要性能參數，采用 eQuest 能耗分析軟件建立的項目建筑模型如圖 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 軟件中的項目能耗模型

模型中的圍護結構參數完全根據設計文件取值，室內溫濕度設計參數及內擾時刻表按照《上海市超低能耗建筑技術導則（試行）》的要求進行設置。選取 1 月的典型日分析冬季工況下白天無人時間段內的自然室溫變化規律，在軟件中將工作日晝間供暖溫度設為 0℃，確保模型運行時晝間地暖處于關閉狀態。

2.2 模擬結果分析

考慮到夏熱冬冷地區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行分析。圖 2和圖 3 分別統計了極端冬季周和典型冬季周室內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，室內溫度可維持在設定溫度 20℃ 左右；白天隨著人員離屋，地暖隨之關閉，盡管室外溫度波動較大，但室內溫度波動較為平穩，極端冬季周和典型冬季周的室內平均溫度分別為 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生了顯著的作用。

3 白天地暖設定溫度對于供暖負荷和能耗的影響

超低能耗建筑的初衷是在滿足人體熱舒適的前提下實現節能效果，而不同的室溫設定對于地暖的運行規律會產生較大影響，進而對建筑能耗帶來不同程度的影響。根據設計文件，項目采用變制冷劑流量變頻多聯式分體空調機與低溫熱水地板采暖系統聯合的兩聯供系統，機組制冷 COP 和制熱COP 均可達到 4.0。

低溫熱水地板采暖系統在全天不同時刻的溫度設定如下表所示，在考慮間歇運行的模式下，工作日晝間供暖設定溫度一般為 5℃（即不開啟地暖），傍晚到第二天凌晨設定溫度 20℃，地暖保持供暖運行狀態。為了對其節能性能進行評估，進一步采用了 PKPM 軟件對白天地暖的不同工況下供暖空調負荷和能耗進行對比研究。

表1 低溫熱水地板采暖系統供暖溫度表單位： ℃

根據空調負荷和能耗分析結果，工作日晝間地暖關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定溫度對能耗的影響，從 5℃～20℃ 進行了梯度設置，來分析不同設定溫度對于項目供暖耗熱量以及空調能耗的影響程度，具體結果如表 2 所示。

表2 房間工作日晝間供暖設定溫度對于供暖耗熱量和供暖空調能耗影響

繪制房間工作日晝間供暖設定溫度對于建筑全年供暖年耗熱量的影響曲線，考慮到設定溫度從 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定溫度對耗熱量影響

綜上可知，房間工作日晝間供暖設定溫度在 14℃ 以下時，單位面積空調供暖耗熱量以及空調能耗基本無變化。當供暖設定溫度在 15℃ 以上時，項目單位面積空調供暖耗熱量以及空調能耗的影響逐級增加。當供暖設定溫度在18～20℃ 時，工作日晝間供暖設定溫度的設置對項目空調供暖耗熱量以及空調能耗的影響較大，相對非供暖運行時間不開啟，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居住建筑，圍護結構整體保溫性能和氣密性相對較好，建筑整體蓄熱能力較好，地暖夜間運行的熱量能夠更好地保存在建筑內，晝間室內溫度在地暖不開啟的情況下也基本能達到 15℃ 以上。因此，當晝間室內溫度設定為 15℃ 時，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結構和蓄熱性能，根據本文第 2 節，在夜間開啟地暖，晝間不開啟地暖的工況下，晝間室內自然室溫基本維持在 15℃ 以上，接近 18℃。當房間工作日晝間供暖設定溫度為 18℃ 時，能耗提升幅度為11.96%，提升幅度不大，同時又可保障較好的熱舒適性，故建議地暖系統晝間供暖設定溫度為 18℃。

4 結 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自然溫度變化，分析工作日晝間供暖設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行策略，得出如下結論：

（1）冬季在開啟地暖的工況下，室內溫度基本維持在設定溫度 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（不含地暖開啟時段）的室內平均溫度分別為 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，但晝間室內溫度幾乎無波動，較為平穩。

（2）房間工作日晝間供暖設定溫度在 14℃ 以下時，項目單位面積空調供暖耗熱量以及空調能耗基本無變化。房間工作日晝間供暖設定溫度在 15℃ 以上時，項目單位面積空調供暖耗熱量以及空調能耗的影響逐級增加。當房間工作日晝間供暖設定溫度在 18～20℃ 時，工作日晝間供暖設定溫度的設置對項目空調供暖耗熱量以及空調能耗的影響較大，相對非供暖運行時間不開啟，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能要求，建議地暖系統晝間供暖設定溫度為 18℃，既可以維持較好的人體熱舒適，也可以實現節能。