超低能耗建筑技术在上海某租赁式住宅项目上的应用研究

董 礼（上海宜浩置业有限公司， 上海 201306）

1 项目背景和超低能耗技术难点

本次研究的住宅位于上海市自贸区临港新片区，根据《中国（上海）自由贸易试验区临港新片区建筑低碳建设导则（试行）》，需同时满足绿色建筑三星级、健康建筑三星级和超低能耗建筑的要求，其中超低能耗建筑的设计依据为《上海市超低能耗建筑技术导则（试行）》。作为租赁式住宅，项目的主要户型面积为 35～70 m2，以一居室和二居室为主。

调研表明：相比于常规商品住宅，租赁住宅普遍存在单元户型小、人员密度大、能源消耗需求高的特征，同时由于建设成本的约束，在建筑节能方面本身就具有较大的挑战。根据技术方案的比选，本项目首先采用了夹心保温墙体和三玻双腔断热高性能外窗提升围护结构的热工性能，其次在空调系统方面根据租赁是住宅的配置标准选用了一级能效等级的分体式空调机进一步降低采暖空调能耗。然后，由于人员密度高带来建筑能耗需求强度大，因此为实现超低能耗建筑的能耗限值目标，需要在可再生能源利用方面挖掘更大的空间。

为此，通过对当地太阳能资源的模拟评估，项目采用了在屋顶尽可能多地铺设太阳能光伏板，同时采用集中式空气源热泵热水系统的方式，使得建筑综合能耗进一步下降。此外，由于受到总体规划和风貌设计的控制，各栋单体均在北向设置走廊和天井，只能利用狭小的天井作为空调室外机的安装空间。空调室外机在运行期间产生大量的排热，通风补偿的外部环境可能会导致热量的堆积，引起空调室外机运行工况的恶化，甚至导致无法开机的情况。因此，本次研究也针对超低能耗目标下的空调室外机布置优化开展了专题分析。

2 太阳能和空气能相结合的可再生能源综合利用

租赁式住房户型小、热水需求大，如果采用常规的户式太阳能热水系统，由于设备阳台面积极为紧张，经分析无法提供足够的安装空间布置太阳能热水系统的储热水箱和相关控制设备。租赁住宅在交付后将采用统一运行和集中管理，具备采用集中式能源系统的可行性。因此，通过方案比选后，本项目最终采用了集中空气源热泵热水系统＋分户备用电加热的生活热水供给形式。

空气源热泵热水机组、加热水箱、储热水罐、水泵等设备集中放置在屋顶平面，便于物业检修设备，也可以实现对每户热水使用量的计量。在设计时，考虑除极端天气条件外，空气源热泵系统单独运行可满足全部住户的热水需求。为满足超低能耗性能指标，本项目采用了全年效率值 COP 达到 4.85 的空气源热泵热水机组。

为进一步降低建筑能耗，项目充分利用屋顶平面可利用空间，选用高效晶体硅组件设计太阳能光伏发电系统，为楼栋的公共区域照明和电梯提供部分电力。由于在太阳高度角的变化过程中，女儿墙的阴影覆盖到光伏板之后可能会在部分时段对光伏发电系统的整体效率产生不利影响，因此本项目设计中还采用专业模拟软件，建立物理模型对屋面女儿墙等构筑物进行了遮挡分析，最终选择了最合适的区域进行光伏硅晶板的布置，以实现系统的最优化设计。屋面构筑物遮挡模拟结果如图 1 所示。

图1 屋面女儿墙对光伏板的阴影影响分析（单位：kwh/m2）

3 天井空间内的空调室外机布局优化

本项目由于受到总体规划特别是风貌控制的要求，各栋单体南立面保持通透整洁的效果，而在北向留出内部通道走廊和采光天井。因此，空调设计中也根据常规做法将室外机布置在天井内，通过天井的烟囱效应将夏季空调室外机的排热带出。

这种在建筑设计上比较常规的做法，却忽略了多台室外机集中安装在天井内，夏季空调同时运行时排风热量的急剧堆积，可能会造成天井内温度过高，导致空调无法正常启动的情况。这种情况，不仅会严重影响超低能耗建筑目标的实现，也是在常规设计中需要通过模拟优化进行避免的。

本项目采用专业 CFD 模拟软件，通过设置一段 18 层的天井模型，对多台室外机联合运行下天井内温度分布进行了模拟分析，发现主要问题有以下几点。

（1）天井距离内走廊的进深不宜过大。当天井距离内走廊的水平距离超过 3 m，往往会出现室外机散出的热量在天井内严重堆积，楼层越高，对应楼层的室外机周边的空气温度越高，存在部分室外机无法开机的可能性。图 2 和图 3是对一个进深 3.3 m 的天井内同时安装两台室外机的工况所作的而模拟分析。经过计算，当两台室外机同时开启时，15 层以上的天井内空气温度将超过 45 ℃ 以上。根据现行的空调国家标准规定，室外机最高工作环境温度是 43 ℃，由此可见，此时这种高温已接近甚至超过空调室外机正常运行的温度，压缩机会过热保护，不能正常制冷。

图2 大进深天井内水平截面温度场模拟（单位：℃）

图3 大进深天井内空调室外机散热模拟（单位：℃）

（2） 室外机不能布置成对吹形式。所谓“对吹”，是指两台室外机由于距离过于接近，其中一台外机的排风“短路”到另一台外机的周围，加剧排热工况的恶化。由于天井内空间有限，当存在需要在天井内安装两台室外机的时候，设计中经常出现室外机对吹情况，本项目最初存在一个最不利部位，通过模拟，如图 4 所示，在这种状态下，最高层的天井内空气温度将达到 45 ℃ 以上，超出空调室外机正常工作温度。

图4 空调室外机对吹时天井内温度模拟图 （单位：℃）

针对以上问题，可采取两种可行的解决方案。

（1）室外机全部移出天井，保证室外机的正常散热。为保证南向立面整洁，室外机一般会移至走廊外侧。将天井内室外机移至走廊外侧会增加空调管线长度，导致能耗增加，因此在进行空调能耗模拟时，需要通过管路长度的系数修正对能耗进行调整。

（2）建筑优化减小天井进深。通过进一步的模拟验算，当天井进深控制在 1.8 m 以内时，天井内室外机可以实现正常散热，即便最顶层的天井内空气温度也可以保持在 40 ℃ 以下，不影响室外机的正常工作，如图 5、图 6 所示。同时走廊的护栏必须采用开敞栏杆，保证迅速散热。

图5 水平截面温度场模拟示意图（单位：℃）

图6 时的空调室外机散热模拟（单位：℃）

4 结语

随着碳达峰、碳中和成为国家行动，新建建筑全面提升节能标准、推广超低能耗建筑已成为大势所趋。针对于租赁式住宅在超低能耗建筑方面存在的难点，本项目探索采用了集中式空气源热泵热水系统、太阳能光伏系统来达到可再生能源应用的要求，同时对于天井内的空调室外机排热对于运行的影响进行了专题研究并提出了优化建议，作为租赁住宅开展超低能耗建筑实践的一次有益探索，可为上海市同类项目的方案制定和技术优化提供有益借鉴。