夏熱冬冷地區(qū)宿舍氣密性提升效果研究

王和琪 柯茂林 唐鳴霄 喻偉

重慶大學(xué)土木工程學(xué)院

0 引言

隨著綠色建筑的不斷推進(jìn)，人們正在追求更加舒適的環(huán)境，而如何保證建筑舒適性的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)建筑的節(jié)能是一個(gè)重要的問題[1-2]。研究表明，門窗損失的能耗在建筑能耗中占比較大[3-4]。夏熱冬冷地區(qū)往往對(duì)于建筑氣密性要求不是太高，門縫不嚴(yán)等漏風(fēng)問題比較普遍，例如盛子灃指出了上海某高校宿舍門受工藝限制，有較大的門縫間隙，室內(nèi)外空氣對(duì)流，造成了熱量損失[5]。

研究表明[6]冬季供暖時(shí)，住宅氣密性降低一個(gè)等級(jí)供暖能耗增加2%～7%。而且，良好的氣密性有助于提高室內(nèi)舒適度[7]。目前，國內(nèi)外大多研究方向均是研究門窗材料及窗戶漏風(fēng)[8-11]來減少這部分能耗，而很少有對(duì)門縫漏風(fēng)的研究。但對(duì)于夏熱冬冷地區(qū)來說，例如重慶地區(qū)，門縫處的漏風(fēng)量也會(huì)對(duì)房間能耗有一定的影響。

因此，本文以重慶某宿舍為例，首先通過測(cè)量二氧化碳變化情況得出宿舍氣密性現(xiàn)狀，其次通過對(duì)比實(shí)驗(yàn)得到房間舒適性和能耗差異，得出提升房間氣密性后能有效降低能耗并改善房間熱舒適的結(jié)論，為宿舍節(jié)能改造提供依據(jù)。

1 研究方法

1.1 實(shí)驗(yàn)方法及測(cè)點(diǎn)布置

研究對(duì)象為重慶某宿舍兩個(gè)朝向相同，周圍房間參數(shù)一致的寢室，實(shí)驗(yàn)房間尺寸均為4.46 m×3.6 m×3.2 m。房間前墻為外墻，后墻及左右墻為內(nèi)墻。外墻安裝有一扇尺寸為2 m×0.66 m 的陽臺(tái)門，空調(diào)安裝在前墻3 m 高處。天花板正中間上安裝有1 支熒光燈。本實(shí)驗(yàn)中房間平均溫度，根據(jù)《公共建筑室內(nèi)溫度控制管理辦法》[12]。當(dāng)室內(nèi)面積不足16 m2，在室內(nèi)活動(dòng)區(qū)域中央布測(cè)點(diǎn)1 個(gè)，由HOBO 溫濕度自記儀測(cè)量初始溫度和終止溫度，房間初始二氧化碳濃度和終止二氧化碳濃度由二氧化碳測(cè)試儀測(cè)量。另外，由于風(fēng)速衰減較快，為探究門縫處漏風(fēng)風(fēng)速造成局部不舒適問題，分別在地面距門縫0 m、0.2 m、0.4 m、0.6 m、0.8 m、1.0 m、1.2 m、1.4 m、1.6 m 處布置五個(gè)測(cè)點(diǎn)，并用風(fēng)速儀測(cè)量風(fēng)速。儀器信息見表1，門縫尺寸情況見圖1。

表1 測(cè)量儀器信息

圖1 門縫情況

1.2 實(shí)驗(yàn)工況

根據(jù)現(xiàn)行《民用建筑供暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)規(guī)范》[13]，冬季長期逗留區(qū)域室內(nèi)空氣熱舒適等級(jí)Ⅱ級(jí)為18～21 ℃，因此本實(shí)驗(yàn)設(shè)定溫度為18～21 ℃，滿足Ⅱ級(jí)標(biāo)準(zhǔn)要求。為確保實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確，限制夜間時(shí)段的人員進(jìn)出，且測(cè)試過程中二氧化碳濃度四小時(shí)積累量會(huì)達(dá)到一限值，因此測(cè)試時(shí)間設(shè)定為四小時(shí)。由于兩個(gè)房間自身氣密性也存在差異，設(shè)置對(duì)比工況，工況1 和工況2 測(cè)量兩個(gè)房間均不加擋板情況下房間四小時(shí)前后溫度、二氧化碳濃度，以確定兩房間氣密性的差異。實(shí)驗(yàn)工況為工況3 和工況4，通過兩次實(shí)驗(yàn)的對(duì)比可得出房間氣密性及擋板對(duì)其影響，見表2。

表2 工況表

1.3 數(shù)據(jù)分析方法

將所測(cè)數(shù)據(jù)代入方程可得出房間換氣次數(shù)，室內(nèi)換氣次數(shù)計(jì)算方法如下：

式中：CCO2終為室內(nèi)二氧化碳終止?jié)舛龋琸g/m3；CCO2初為室內(nèi)二氧化碳初始濃度，kg/m3；Q 為門縫出滲入風(fēng)量，m3；V 為房間體積，m3；τ 為測(cè)試時(shí)間，h；m 為室內(nèi)二氧化碳散發(fā)量，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式[14]，一成年男子二氧化碳散發(fā)速率為0.02 m3/h；Cs為室外二氧化碳濃度，kg/m3。

計(jì)算漏風(fēng)能耗方法如下：

式中：Q 為每小時(shí)漏風(fēng)能耗，kJ/h；ρ 為空氣密度，kg/m3；V 為每小時(shí)進(jìn)入房間空氣體積，m3；i室內(nèi)為室內(nèi)空氣比焓，kJ/kg；i室外為室外空氣比焓，kJ/kg。

根據(jù)《民用建筑室內(nèi)熱濕環(huán)境評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》[15]，冷吹風(fēng)感的局部不滿意率（LPD1）應(yīng)按式（3）計(jì)算：

式中：LPD1為局部不滿意率，%；tal為局部空氣溫度，℃；val為局部平均空氣流速，m/s，若局部平均空氣流速小于0.05 m/s，取0.05 m/s；Tu為局部紊流強(qiáng)度，%。

根據(jù)《民用建筑室內(nèi)熱濕環(huán)境評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》[15]，當(dāng)頭和踝部垂直高度之間的空氣溫度差小于8 ℃時(shí)，局部不滿意率（LPD2）應(yīng)按式（4）所示：

式中：LPD2為局部不滿意率，%；Δta，v為頭和踝部之間的垂直空氣溫度差，℃。

為了使實(shí)驗(yàn)結(jié)果更加科學(xué)，采用Energyplus 對(duì)房間能耗進(jìn)行模擬，并與實(shí)測(cè)值比較，以確保實(shí)測(cè)值的可靠性。

2 結(jié)果分析

2.1 換氣次數(shù)

由于房間本身氣密性存在差異，會(huì)對(duì)實(shí)驗(yàn)造成一定的影響。因此，首先在兩房間均不加擋板情況下（即工況1 和工況2）測(cè)試兩房間氣密性。之后為進(jìn)一步確定門縫處漏風(fēng)的實(shí)際情況，進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)（即工況3 和工況4）。得出數(shù)據(jù)如表3 所示。

表3 四工況對(duì)比情況

據(jù)測(cè)試數(shù)據(jù)計(jì)算可得，房間1 漏風(fēng)量為24 m3，換氣次數(shù)為0.47 h-1。房間2 漏風(fēng)量為20 m3，換氣次數(shù)為0.39 h-1。在房間1 加裝擋板改造后，房間氣密性顯著提升，通過實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)可以看出房間1 漏風(fēng)量從原來的24 m3下降至15 m3，換氣次數(shù)為0.29 h-1。而在相同的測(cè)試時(shí)間段里，房間2 的漏風(fēng)量基本未變，仍然為20 m3，換氣次數(shù)為0.39 h-1。由此可見，加裝擋板對(duì)宿舍氣密性改善起到了良好的效果。

2.2 熱損失

根據(jù)表3 中所測(cè)數(shù)據(jù)，未加擋板情況下，可計(jì)算出每小時(shí)換氣量，進(jìn)而計(jì)算出每小時(shí)滲透風(fēng)負(fù)荷。提升房間氣密性后，可計(jì)算每小時(shí)進(jìn)入門縫的冷風(fēng)能耗及提升氣密性前后節(jié)約滲透風(fēng)帶來的熱損失，見表4。

表4 房間加擋板前后熱損失變化

2.3 舒適度

門縫處漏風(fēng)不僅會(huì)導(dǎo)致靠近門縫處一定范圍內(nèi)存在吹風(fēng)感問題，還會(huì)影響地面溫度，進(jìn)而影響頭足溫差為了探究門縫漏風(fēng)造成的吹風(fēng)感，影響選取了一次有代表性的測(cè)量數(shù)據(jù)。風(fēng)速如圖2 所示，溫度如表5所示。根據(jù)風(fēng)速和溫度可計(jì)算出各測(cè)點(diǎn)局部不滿意率，見表6。

圖2 房間各測(cè)點(diǎn)距門縫距離與風(fēng)速關(guān)系

表5 房間1 室內(nèi)中央溫度

表6 不同距離下不滿意率

由表6 比較各測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)看出，在門縫較大情況下，距離門縫越遠(yuǎn)，不滿意率越低。在門縫出添加擋板提升氣密性后，局部不滿意率降低。因此，氣密性的提升不僅降低房間熱損失，且有助于降低局部不滿意率，對(duì)房間舒適度提升有較大作用。

門縫處的漏風(fēng)會(huì)降低地面溫度，提高室內(nèi)工作區(qū)處的頭足溫差，進(jìn)而引起不舒適。在未加擋板時(shí)，四小時(shí)后房間頭足溫差Δta，v為6.88 ℃，而加擋板四小時(shí)后頭足溫差變?yōu)?.1 ℃，頭足溫差顯著下降。經(jīng)過計(jì)算，未加擋板房間頭足溫差不滿意率為53.23%，加擋板后房間頭足溫差不滿意率為19.87%。

由此，在門縫處添加擋板能有效減少頭足溫差，提高室內(nèi)舒適度。

2.4 Energyplus 模擬驗(yàn)證

由于實(shí)測(cè)存在一定局限性，通過模擬分析也得出了相應(yīng)結(jié)果。實(shí)驗(yàn)研究為房間陽臺(tái)門，模擬時(shí)認(rèn)為房間大門處于無風(fēng)無陽光環(huán)境，除去兩扇門所在的墻，其余四面墻均假設(shè)與之相臨房間無人。計(jì)算時(shí)運(yùn)用陰影計(jì)算，內(nèi)表面對(duì)流傳熱，外表面對(duì)流傳熱及熱平衡算法，限定空調(diào)開啟為1 月1 日至1 月25 日每天18：00-24：00，設(shè)定換氣次數(shù)為0.4 h-1，無新風(fēng)引入。實(shí)驗(yàn)所測(cè)時(shí)間為1 月17 和1 月18 兩日，測(cè)量時(shí)間為20：00-24：00，實(shí)驗(yàn)與模擬結(jié)果對(duì)比如表7 所示。

表7 空調(diào)功耗模擬值與實(shí)測(cè)值比較

由模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)計(jì)算可得，實(shí)驗(yàn)工況計(jì)算空調(diào)節(jié)約的耗熱量與模擬計(jì)算空調(diào)能耗趨勢(shì)一致，但由于實(shí)驗(yàn)工況下計(jì)算得到的熱損與模擬計(jì)算得到的能耗之間本身存在差異，且宿舍空調(diào)使用時(shí)間較久，效率會(huì)大大降低，導(dǎo)致實(shí)際情況與模擬結(jié)果差值較大。

3 結(jié)論與展望

本文研究的宿舍是20 世紀(jì)90 年代建筑，氣密性等級(jí)較低，加擋板使氣密性等級(jí)提升，降低房間熱損失，節(jié)約能耗，有效改善宿舍熱環(huán)境，為宿舍節(jié)能改造提供了可行的策略。

由于測(cè)試時(shí)間和設(shè)備的局限性，測(cè)試數(shù)據(jù)不夠精確，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)本身存在一定的局限。而且，門縫處添加擋板會(huì)導(dǎo)致房間氣密性降低，可能會(huì)使室內(nèi)新風(fēng)量不足，使得室內(nèi)空氣不新鮮，影響舒適度。因此，在今后的研究中，需合理的引入新風(fēng)，彌補(bǔ)新風(fēng)不足的問題。