一、引言

1.1研究背景

当前，夏热冬冷地区超低能耗建筑供暖空调系统设计存在被动式技术与主动系统衔接不畅、系统参数匹配不合理、性能预测滞后等问题。例如，部分项目过度依赖主动热泵系统，忽视自然通风、围护结构保温等被动式技术的应用，导致系统能耗超出标准限值；部分项目未开展系统性能模拟，建成后出现冬季供暖不足、夏季制冷效率低等问题。因此，研究该地区超低能耗建筑供暖空调系统的集成设计与性能模拟，具有重要的现实意义。

1.2研究意义

从理论层面看，本文通过分析夏热冬冷地区气候与超低能耗建筑的适配性，构建“被动+主动”的系统集成设计框架，完善了该地区超低能耗建筑供暖空调系统设计理论，为后续相关研究提供方法论支撑。从实践层面看，研究成果可直接指导工程设计：对设计单位而言，明确系统集成路径与性能模拟方法，有助于提升设计方案的科学性与可行性；对行业发展而言，推动高效供暖空调系统在该地区的应用，可降低建筑领域碳排放，助力实现“双碳”目标，同时提升居民居住舒适度。

二、夏热冬冷地区超低能耗建筑供暖空调系统集成设计要点

2.1被动式节能技术与主动系统的集成原则

夏热冬冷地区超低能耗建筑供暖空调系统集成设计遵循“被动优先、主动优化、协同运行”原则。被动式节能技术是系统集成的基础，通过降低建筑冷热负荷，减少主动系统运行时间；主动系统作为补充，在被动技术无法满足需求时高效运行，二者协同实现节能与舒适的平衡。

2.2核心集成系统设计

2.2.1围护结构与辐射供暖供冷系统集成

夏热冬冷地区冬季湿冷，传统对流供暖易导致室内空气干燥；夏季高温高湿，普通空调降温易出现温差过大问题。采用“高性能围护结构+辐射供暖供冷系统”集成设计，可有效解决上述问题。围护结构采用石墨聚苯板外墙保温、Low-E中空玻璃外窗，降低建筑传热损失；辐射系统通过埋设在地板或墙面的管道，冬季通入40-45℃热水实现辐射供暖，夏季通入18-20℃冷水实现辐射供冷，结合置换式新风系统，既能保证室内温度均匀（温差≤2℃），又能控制室内湿度（冬季相对湿度40%-60%，夏季相对湿度50%-70%），提升舒适度。

2.2.2空气源热泵与太阳能辅助系统集成

夏热冬冷地区冬季低温（极端最低温-10℃），单纯空气源热泵制热效率下降；夏季高温，热泵制冷负荷增加。采用“空气源热泵+太阳能集热系统”集成设计，可提升系统全年运行效率。冬季，太阳能集热系统优先为建筑提供热水，当太阳能不足时，空气源热泵启动辅助制热，通过二者联动，使热泵COP（性能系数）维持在2.5以上；夏季，空气源热泵承担制冷任务，太阳能集热系统为生活热水提供能量，减少热泵运行负荷，实现“一机两用、能源互补”，降低系统能耗。

2.3关键设计参数确定

系统集成设计需明确关键参数，确保各子系统协同运行。围护结构参数：外墙传热系数K≤0.3W/(m²・K)，外窗传热系数K≤1.0W/(m²・K)，屋面传热系数K≤0.25W/(m²・K)；辐射系统参数：冬季供水温度40-45℃，夏季供水温度18-20℃，管道间距150-200mm；空气源热泵参数：冬季制热COP≥2.5（室外温度-5℃时），夏季制冷COP≥3.5；太阳能集热系统参数：集热器面积与建筑供暖面积比为1:10-1:15，集热效率≥50%；通风系统参数：机械新风量≥30m³/(人・h)，全热交换器热回收效率≥75%。

三、夏热冬冷地区超低能耗建筑供暖空调系统性能模拟方法

3.1常用性能模拟工具及适用场景

夏热冬冷地区超低能耗建筑供暖空调系统性能模拟需覆盖能耗、室内热舒适、系统运行效率等维度，常用工具包括EnergyPlus、TRNSYS、DeST-h，各工具适用场景不同：

• EnergyPlus：适用于系统全年能耗与室内热舒适模拟，可精准模拟不同气候条件下围护结构、供暖空调系统的能耗分布，输出全年供暖空调能耗、逐时室内温度、湿度等参数，便于评估系统是否满足超低能耗标准；

• TRNSYS：侧重系统动态运行性能模拟，可模拟太阳能集热系统、空气源热泵系统的逐时运行状态，如太阳能集热量、热泵COP变化，适合分析系统各子系统的协同运行效率；

• DeST-h：针对夏热冬冷地区气候特点优化，可模拟建筑自然通风效果与过渡季能耗，准确计算自然通风对降低空调负荷的贡献，为通风系统设计提供依据。

3.2性能模拟流程与指标

3.2.1模拟流程

夏热冬冷地区超低能耗建筑供暖空调系统性能模拟遵循“参数输入-模型构建-模拟分析-方案优化”流程：

1. 参数输入：收集项目所在地气候参数（如南京：夏季极端高温39℃，冬季极端低温-8℃，年平均相对湿度76%）、建筑设计参数（如建筑面积、层数、围护结构参数）、系统设计参数（如热泵型号、辐射系统参数）；

2. 模型构建：在模拟软件中建立建筑模型与系统模型，定义各子系统（围护结构、辐射系统、热泵系统、通风系统）的关联关系；

3. 模拟分析：设置模拟周期（全年8760h），运行模拟程序，输出系统能耗、室内热舒适、系统COP等结果；

4. 方案优化：若模拟结果不满足要求（如能耗超出限值、舒适性不达标），调整设计参数（如增加保温层厚度、优化热泵运行策略），重新模拟直至达标。

3.2.2核心模拟指标

性能模拟需重点关注三类指标：

• 能耗指标：建筑全年供暖空调能耗（目标值≤15kWh/(m²・a)）、各子系统能耗占比（如热泵能耗占比、新风系统能耗占比）；

• 热舒适指标：室内温度达标率（冬季≥18℃、夏季≤26℃的时长占比，目标值≥90%）、相对湿度达标率（冬季40%-60%、夏季50%-70%的时长占比，目标值≥85%）；

• 系统效率指标：空气源热泵全年平均COP（目标值≥3.0）、太阳能集热系统年集热效率（目标值≥50%）、全热交换器热回收效率（目标值≥75%）。

四、夏热冬冷地区超低能耗建筑供暖空调系统优化策略

4.1技术优化：强化被动式技术应用

夏热冬冷地区应进一步强化被动式技术在系统集成中的基础作用：冬季通过优化建筑朝向（优先南向布置主要房间，南向窗墙比控制在0.4-0.5），利用太阳辐射得热；夏季通过设置外遮阳（如活动式遮阳篷、遮阳百叶），减少太阳辐射进入室内；过渡季通过智能控制系统，延长自然通风时间（如当室外温度16-24℃时，自动开启自然通风），降低机械通风能耗。

4.2设备优化：选用适配性高效设备

针对夏热冬冷地区气候特点，选用适配性强的高效设备：空气源热泵选用低温强热型（可在-15℃环境下稳定运行，COP≥2.0）；辐射系统采用地板+吊顶组合形式（冬季地板供暖、夏季吊顶制冷），提升温度均匀性；太阳能集热系统选用高效平板集热器（集热效率≥55%），并优化集热器安装角度（与当地纬度一致，南京地区约32°），提升集热效率。

4.3控制优化：建立智能协同控制系统

构建“被动技术+主动系统+智能控制”的协同控制体系：通过传感器实时监测室外温湿度、室内温湿度、太阳能集热量等参数，智能切换系统运行模式——冬季：太阳能集热优先，不足时启动热泵；夏季：辐射制冷优先，配合新风除湿；过渡季：自然通风为主，机械新风为辅。同时，设置用户可调节界面，允许用户在合理范围内调整室内温度（冬季18-22℃、夏季24-26℃），兼顾节能与个性化需求。

六、结论与展望

本文研究表明，夏热冬冷地区超低能耗建筑供暖空调系统需通过“被动优先、主动优化、系统集成”的设计思路，结合性能模拟工具的优化分析，才能实现能耗与舒适的平衡。南京案例验证了“高性能围护结构+空气源热泵辐射系统+太阳能辅助+全热交换新风”集成方案的可行性，其全年供暖空调能耗仅13.2kWh/(m²・a)，室内热舒适达标率超90%，为该地区超低能耗建筑供暖空调系统设计提供了实践范例。

未来研究可从两方面深化：一是探索可再生能源与供暖空调系统的深度融合，如将地源热泵、光伏光热系统纳入集成设计，进一步降低化石能源依赖；二是加强系统全生命周期性能模拟，不仅关注运行能耗，还需纳入设备制造、安装、报废阶段的环境影响，实现系统全生命周期的低碳化。随着技术的进步与标准的完善，夏热冬冷地区超低能耗建筑供暖空调系统将向更高效、更智能、更低碳的方向发展，为建筑行业绿色转型提供核心支撑。

参考文献

[1]中国建筑科学研究院。超低能耗居住建筑设计标准（GB/T 51346-2022）[S].北京：中国建筑工业出版社，2022.

[2]江苏省住房和城乡建设厅。夏热冬冷地区超低能耗建筑技术导则（2023版）[R].南京：江苏省建筑科学研究院，2023.

[3]清华大学建筑节能研究中心。中国建筑节能年度发展研究报告2024[M].北京：中国建筑工业出版社，2024.

[4]王建国，刘加平。夏热冬冷地区建筑节能设计理论与方法[M].北京：科学出版社，2021.