某超低能耗住宅的冬季自然室温分析和地暖节能运行策略研究

成纯汉（上海宜浩置业有限公司，上海 201306）

为应对全球气候变化，我国提出“二氧化碳排放力争于 2030 年前达到峰值，努力争取 2060 年前实现碳中和”的目标承诺。作为建筑领域实现节能降碳的重要手段，各地均发布政策完善超低能耗建筑标准体系和推动示范项目建设。上海在 2019 年发布超低能耗建筑技术导则之后，也在 2021 年迎来了超低能耗建筑的快速发展。根据超低能耗建筑和常规建筑在围护结构热工性能方面的对比，可以看出在外墙传热系数方面有较大的提升要求，从而也对墙体热惰性产生了较大改变，进而对自然室温的日变化规律产生了明显影响[1]。

与此同时，为满足百姓对舒适度不断提升的要求，传统意义上不采用集中供暖的夏热冬冷地区，也逐步开始在住宅设计中引入地板采暖技术。地暖相比于空调，室内的温度分层更为均匀，在冬季的舒适性方面极具优势，但由于常规住宅在墙体蓄热性能方面较差，地暖系统往往需要采用连续运行模式，从而带来了运行能耗的增加，与超低能耗的理念产生了矛盾[2]。针对这一难题，笔者以上海市某新建超低能耗住宅为例，模拟分析了冬季典型日条件下墙体蓄热性能提升后对户内自然室温的影响特征，进而通过设定不同的运行策略对供暖空调能耗进行对比分析，从而为本地区超低能耗住宅在采用地暖系统情况下同时满足舒适性和节能性的运行策略提供了优化建议。

1 项目超低能耗设计概况

本项目位于上海市浦东地区，为一栋 18 F 的住宅，建筑面积 5 472 m2。根据上海市超低能耗建筑的技术要求，外墙的平均传热系数均＜0.4 W/(m2·K) ，并采用外墙保温一体化系统。其中，底部加强层采用现浇混凝土免拆模板保温系统，三层及以上主体采用预制混凝土夹心保温外墙系统、局部采用现浇混凝土免拆模板保温系统。现浇混凝土免拆模板系统采用 90 mm 硅墨烯不燃保温板，导热系数 0.054 W/(m·K)；预制混凝土夹心保温系统采用 55 mm 硬泡聚氨酯，导热系数 0.024 W/(m·K)。为了实现夏季良好的遮阳隔热效果，同时不影响冬季的日照采光，项目在南向、东向、西向主要功能房间的外窗设置中置遮阳百叶。

2 考虑外墙蓄热特性的冬季典型日自然室温分析

2.1 模型建立和参数设置

根据 CAD 图纸，提取本项目外墙各层材料的厚度、导热系数、蓄热系数等主要性能参数，采用 eQuest 能耗分析软件建立的项目建筑模型如图 1 所示。考虑到住宅每层平面户型完全相同，因此对建筑模型进行了简化，并以三层的某起居室作为研究对象。

图1 eQuest 软件中的项目能耗模型

模型中的围护结构参数完全根据设计文件取值，室内温湿度设计参数及内扰时刻表按照《上海市超低能耗建筑技术导则（试行）》的要求进行设置。选取 1 月的典型日分析冬季工况下白天无人时间段内的自然室温变化规律，在软件中将工作日昼间供暖温度设为 0℃，确保模型运行时昼间地暖处于关闭状态。

2.2 模拟结果分析

考虑到夏热冬冷地区典型气象文件中的气象条件，选取冬季室外温度最低的一周（1 月 3 日—1 月 9 日）作为研究周期 1，简称极端冬季周；同时选取冬季室外温度最接近平均温度的一周（12 月 5 日—12 月 11 日）作为研究周期 2，简称典型冬季周。通过极端冬季周和典型冬季周的昼间自然室温模拟分析，对超低能耗建筑的热惰性进行分析。图 2和图 3 分别统计了极端冬季周和典型冬季周室内温度和室外干球温度的变化。

图 2 典型冬季周（12 月 5 日—12 月 11 日）室内温度与室外干球温度的对比

图3 极端冬季周（1 月 3 日—1 月 9 日）室内温度与室外干球温度的对比

由上述分析可知，夜间开启地暖的工况下，室内温度可维持在设定温度 20℃ 左右；白天随着人员离屋，地暖随之关闭，尽管室外温度波动较大，但室内温度波动较为平稳，极端冬季周和典型冬季周的室内平均温度分别为 17.8℃、17.9℃，显示了超低能耗建筑的蓄热特性对于维持室温产生了显著的作用。

3 白天地暖设定温度对于供暖负荷和能耗的影响

超低能耗建筑的初衷是在满足人体热舒适的前提下实现节能效果，而不同的室温设定对于地暖的运行规律会产生较大影响，进而对建筑能耗带来不同程度的影响。根据设计文件，项目采用变制冷剂流量变频多联式分体空调机与低温热水地板采暖系统联合的两联供系统，机组制冷 COP 和制热COP 均可达到 4.0。

低温热水地板采暖系统在全天不同时刻的温度设定如下表所示，在考虑间歇运行的模式下，工作日昼间供暖设定温度一般为 5℃（即不开启地暖），傍晚到第二天凌晨设定温度 20℃，地暖保持供暖运行状态。为了对其节能性能进行评估，进一步采用了 PKPM 软件对白天地暖的不同工况下供暖空调负荷和能耗进行对比研究。

表1 低温热水地板采暖系统供暖温度表单位： ℃

根据空调负荷和能耗分析结果，工作日昼间地暖关闭工况下的供暖年耗热量为 4.87 kWh/m2a。为了分析不同昼间供暖设定温度对能耗的影响，从 5℃～20℃ 进行了梯度设置，来分析不同设定温度对于项目供暖耗热量以及空调能耗的影响程度，具体结果如表 2 所示。

表2 房间工作日昼间供暖设定温度对于供暖耗热量和供暖空调能耗影响

绘制房间工作日昼间供暖设定温度对于建筑全年供暖年耗热量的影响曲线，考虑到设定温度从 5～14℃ 均无变化，曲线图中仅考虑 5℃，14～20℃，曲线如图 2 所示。

图2 不同工作日昼间供暖设定温度对耗热量影响

综上可知，房间工作日昼间供暖设定温度在 14℃ 以下时，单位面积空调供暖耗热量以及空调能耗基本无变化。当供暖设定温度在 15℃ 以上时，项目单位面积空调供暖耗热量以及空调能耗的影响逐级增加。当供暖设定温度在18～20℃ 时，工作日昼间供暖设定温度的设置对项目空调供暖耗热量以及空调能耗的影响较大，相对非供暖运行时间不开启，供暖耗热量增加 11.96%～41.77%。

由于超低能耗居住建筑相对于常规居住建筑，围护结构整体保温性能和气密性相对较好，建筑整体蓄热能力较好，地暖夜间运行的热量能够更好地保存在建筑内，昼间室内温度在地暖不开启的情况下也基本能达到 15℃ 以上。因此，当昼间室内温度设定为 15℃ 时，能耗提升幅度非常有限。

由于冬季人体舒适度可接受的温度范围为 18～22 ℃，考虑到超低能耗建筑具有良好的围护结构和蓄热性能，根据本文第 2 节，在夜间开启地暖，昼间不开启地暖的工况下，昼间室内自然室温基本维持在 15℃ 以上，接近 18℃。当房间工作日昼间供暖设定温度为 18℃ 时，能耗提升幅度为11.96%，提升幅度不大，同时又可保障较好的热舒适性，故建议地暖系统昼间供暖设定温度为 18℃。

4 结 语

本文以某上海市超低能耗住宅为研究对象，通过模拟冬季工况下工作日昼间无地暖工况下的室内自然温度变化，分析工作日昼间供暖设定温度对供暖能耗的影响，来探讨超低能耗住宅建筑的地暖运行策略，得出如下结论：

（1）冬季在开启地暖的工况下，室内温度基本维持在设定温度 20℃ 左右；在工作日昼间地暖不开启的工况下，极端冬季周和典型冬季周（不含地暖开启时段）的室内平均温度分别为 17.8℃、17.9℃。由于超低能耗建筑墙体良好的蓄热性能，尽管室外温度波动较大，但昼间室内温度几乎无波动，较为平稳。

（2）房间工作日昼间供暖设定温度在 14℃ 以下时，项目单位面积空调供暖耗热量以及空调能耗基本无变化。房间工作日昼间供暖设定温度在 15℃ 以上时，项目单位面积空调供暖耗热量以及空调能耗的影响逐级增加。当房间工作日昼间供暖设定温度在 18～20℃ 时，工作日昼间供暖设定温度的设置对项目空调供暖耗热量以及空调能耗的影响较大，相对非供暖运行时间不开启，供暖耗热量增加11.96%～41.77%。

（3）综合考虑超低能耗住宅的舒适要求和节能要求，建议地暖系统昼间供暖设定温度为 18℃，既可以维持较好的人体热舒适，也可以实现节能。