建筑氣密性對超低能耗建筑冷熱負荷的影響分析

袁守濤，商懷帥,2,*，劉孝華，祝英杰，柴 鑫

(1.青島理工大學 土木工程學院，青島 266525；2.西部綠色建筑國家重點實驗室，西安 710055；3. 青島市黃島區(qū)建設工程質(zhì)量監(jiān)督站，青島 266555)

建筑氣密性是指外門窗正常關閉狀態(tài)下建筑外圍護結構阻止空氣在風壓、熱壓等作用下滲入/滲出的能力，是保證建筑外圍護結構保溫性能穩(wěn)定的重要控制指標。在室內(nèi)外熱壓及室外風壓的作用下，空氣可通過建筑外圍護結構縫隙進行滲透交換，在采暖季冷風滲透導致熱損失，在制冷季熱風滲透導致熱量堆積，空氣滲透將增加建筑供熱、供冷負荷[1]。有研究統(tǒng)計表明常規(guī)建筑由空氣滲透引起的熱負荷損失可達25%～50%[2]，劉東等[3]認為北京地區(qū)典型多層建筑熱損失中23%由空氣滲透引起，而在哈爾濱地區(qū)這一數(shù)字更是達到29%?？梢娍諝鉂B透引起建筑冷熱損失較大，而建筑氣密性越好，空氣滲透交換越少，熱損失越少，即建筑氣密性的提高更利于降低建筑熱損失。超低能耗建筑起源于德國，因其良好的性能和實用性在國內(nèi)得以廣泛推廣。

在此契機下，我國建筑節(jié)能技術有序推進，在建筑外保溫、建筑外遮陽、新風熱回收、建筑熱橋處理技術方面發(fā)展迅速[4]，反而在建筑氣密性方面發(fā)展較為緩慢。主要原因在于德國等高緯度、高寒國家地區(qū)建筑以采暖需求為主，通過提高建筑氣密性可顯著降低采暖需求，但在我國地域遼闊，大部分地區(qū)通常在采暖季需要較高的建筑氣密性以減少空氣滲透引起的熱損失而在制冷季卻可冷負荷增加。同時建筑整體氣密性不同于建筑外保溫、外遮陽等僅依靠特殊部品部件即可實現(xiàn)，而是需要綜合考慮、綜合措施。實際上寒冷地區(qū)和嚴寒地區(qū)居民到冬季采用報紙護窗、掛擋風門簾等就是加強氣密性的做法，但實際針對建筑氣密性的研究較少，并沒有針對不同地區(qū)的超低能耗建筑氣密性綜合研究分析。本文通過相關研究調(diào)研，建立了典型建筑模型，模擬分析了不同氣密性條件下寒冷地區(qū)、嚴寒地區(qū)模型建筑的制冷采暖能耗，針對不同氣候區(qū)提出了建議的建筑氣密性要求和通風策略。

1 超低能耗建筑氣密性研究

1.1 建筑氣密性評價標準

建筑氣密性對建筑節(jié)能起著極大影響，目前各國均早已認可其重要程度，逐漸形成了完善的技術體系和規(guī)范標準。歐洲各國對氣密性進行了更嚴格的規(guī)定，控制指標逐步從外窗氣密性轉(zhuǎn)變到建筑整體氣密性。經(jīng)調(diào)研發(fā)現(xiàn)，各國目前常用的建筑氣密性評價方法主要有以下兩種：

1) 換氣次數(shù)法[5]。以建筑物內(nèi)外壓差為50 Pa時，單位時間室內(nèi)外空氣交換量與建筑體積的比值作為標準。主要控制指標為建筑物換氣次數(shù)指標(N50或ACH50，m3/(m3·h))。

2) 空氣滲透率法[6]。以建筑物內(nèi)外壓差為50 Pa時，單位時間室內(nèi)外空氣交換量與外維護結構面積的比值作為標準。主要控制指標為建筑物漏風量指標(Q50，m3/(m2·h))。

表1為采用上述方法的部分國家超低能耗建筑氣密性標準要求[7-8]。

表1 部分國家標準建筑氣密性要求

與國外不同，我國建筑氣密性研究起步較晚，《室內(nèi)空氣質(zhì)量標準》(GB/T 18883—2002)[9]給出了我國寒冷地區(qū)及嚴寒地區(qū)通風換氣次數(shù)要求為0.5 h-1、夏熱冬冷地區(qū)1.0 h-1，但該換氣次數(shù)要求目的在于保證室內(nèi)舒適度，并非氣密性要求?！督隳芎慕ㄖ夹g標準》(GB/T 51350—2019)[10]給出了超低能耗建筑及近零能耗建筑氣密性要求，但并未交代檢測方法。同時《建筑外門窗氣密、水密、抗風壓性能檢測方法》(GB/T 7106—2019)新版標準刪除了原標準對氣密性評價的分級指標[11]，分級指標部分引用了《建筑幕墻、門窗通用技術條件》(GB/T 31433—2015)[12]中相關內(nèi)容。但該標準基于門窗等構件級別的氣密性表述建筑整體氣密性，不能反映其他外圍護結構空氣滲透及建筑缺陷等對建筑整體氣密性的影響。

1.2 自然條件下滲透換氣次數(shù)

自然條件下的通風換氣次數(shù)在概念、數(shù)值上顯然不等同于50 Pa壓差下滲透換氣次數(shù)，但自然條件下滲透換氣次數(shù)與50 Pa壓差下滲透換氣次數(shù)卻存在相互轉(zhuǎn)換關系。目前我國還未有明確的自然條件下滲透換氣量與50 Pa壓差下檢測值轉(zhuǎn)換的客觀方式載入規(guī)范，針對此，本節(jié)整理了相關研究給出的建筑氣密性與自然條件下?lián)Q氣次數(shù)的轉(zhuǎn)換方法。在許多其他研究中，對換氣次數(shù)指標描述形式不同，為了使本研究內(nèi)容方便與其他研究結果比較以及參數(shù)化模擬分析，下文統(tǒng)一使用如下指標：ACH50，ACH分別為50 Pa壓差下滲透換氣次數(shù)和自然條件下滲透換氣次數(shù)，用以反映建筑氣密性；N為自然條件下通風換氣次數(shù)，包含滲透換風和自然通風，單位上與ACH相同但不描述氣密性。

北京《民用建筑節(jié)能現(xiàn)場檢驗標準》(DB11/T 555—2015)[13]介紹了ACH與ACH50的轉(zhuǎn)換關系，見式(1)，且給出換算系數(shù)為17。CHEN等[14]對我國寒冷地區(qū)北京和唐山一般建筑進行氣密檢測，得出ACH指標同時按上式轉(zhuǎn)換為ACH50，所測建筑換氣次數(shù)為ACH50=4.08，16.66 h-1；而JOKISALO等[15]得出芬蘭170棟一般建筑平均氣密性指標ACH50=3.7 h-1；KALAMEES[16]認為愛沙尼亞32棟一般建筑平均氣密性指標ACH50=4.9 h-1。從數(shù)據(jù)看，我國同期一般建筑經(jīng)上式轉(zhuǎn)換氣密性與歐洲各國建筑氣密性相近，對此可以認為上式轉(zhuǎn)化方法具有一定準確性。

(1)

式中：H為自然條件下滲透換氣次數(shù)(ACH)；H50為50 Pa壓差下滲透換氣次數(shù)(ACH50)；n為換算系數(shù)，與氣候、煙囪效應、風與遮擋、滲透類型等有關，我國建筑可取n=17。

路菲等[17]參考德國DIN EN 832的方法給出了ACH與ACH50的轉(zhuǎn)換關系，見式(2)，當建筑不考慮機械通風時，平均自然滲透率可按式(3)計算。對比發(fā)現(xiàn)，式(1)提供的換算系數(shù)介于式(3)給出的中度遮擋情況與高度遮擋情況之間。我國建筑多為單體建筑，遮擋情況多介于兩者之間，或可認為式(1)更貼合我國實情。

(2)

H=H50e

(3)

式中：H為自然條件下滲透換氣次數(shù)(ACH)；H50為50 Pa壓差下滲透換氣次數(shù)(ACH50)；e，f為遮擋系數(shù)，對于多面暴露中度遮擋建筑可取e=0.07，f=15，對于多面暴露高度遮擋建筑可取e=0.04，f=15；nd為機械通風裝置送風和排風換氣次數(shù)差，1/h。

此外，余鎮(zhèn)雨等[18]根據(jù)11棟典型建筑的實測數(shù)據(jù)通過線性分析，得到了ACH與ACH50的近似線性關系，見式(4)，但實測數(shù)據(jù)較少，離散性較大。豐曉航等[19]以單位面積空氣滲透量q2結合建筑窗墻比、面積等換算了平均自然滲透率ACH，此方法未考慮除外門窗外其他外圍護結構處有滲透引起的空氣交換。

(4)

式中：H5為5 Pa壓差下滲透換氣次數(shù)(ACH5)；H50為50 Pa壓差下滲透換氣次數(shù)(ACH50)。

2 模擬分析方法

建筑中影響能耗的因素多而雜，特別是在滲透換氣、通風換氣等方面，如采用實驗的方法，即使采取嚴密措施也很難達到理想效果，而且容易受所監(jiān)測周期內(nèi)氣候條件影響，很難反映建筑全生命周期能耗情況。為此，本文基于DeST以青島某超低能耗建筑為模型基礎，模擬計算寒冷地區(qū)及嚴寒地區(qū)氣密性和制冷季夜間通風策略對超低能耗建筑冷熱負荷的影響。

依據(jù)GB/T 14167-2013 《汽車安全帶安裝固定點、ISOFIX固定點及上固定點系統(tǒng)》中對于座椅翻轉(zhuǎn)裝置的試驗要求，需沿平行于車輛縱向中心平面并與水平線成向上10°±5°的方向施加載荷[1]。

2.1 超低能耗建筑物理模型

典型建筑位于青島地區(qū)，該建筑高23.1 m，共5層，建筑面積7862.28 m2，各層主要功能區(qū)包括展覽室、辦公室、實驗室、會議室，建筑模型如圖1所示。模型建筑維護結構熱工參數(shù)和建筑內(nèi)部熱擾按原設計進行，均符合《近零能耗建筑技術標準》(GB/T 51350—2019)對寒冷地區(qū)及嚴寒地區(qū)的參數(shù)要求。建筑主要房間室內(nèi)濕熱環(huán)境要求對本分析影響明顯，參考GB/T 51350—2019，對主要房間室內(nèi)熱濕環(huán)境參數(shù)設置見表2。

圖1 建筑模型

表2 主要房間室內(nèi)熱濕環(huán)境

寒冷地區(qū)及嚴寒地區(qū)超低能耗居住建筑氣密性應滿足ACH50≤0.6 h-1，超低能耗公共建筑氣密性應滿足ACH50≤1.0 h-1。基于DeST的模擬分析需要輸入自然條件下的滲透換風量ACH，根據(jù)上述調(diào)查研究，本文在模擬分析時ACH50與ACH的轉(zhuǎn)換使用式(1)。鑒于已有研究成果，結合式(1)共分設7個氣密性等級，見表3。

表3 氣密性分級設置

2.2 氣密性及通風工況設計

考慮到超低能耗建筑氣密性較高，不能依靠空氣滲透交換滿足新風需求，且隨著氣密性提高，外門窗密閉性能增加，要同時滿足外窗的高氣密性和可開啟性十分困難，因而需要引進機械通風以補充額外所需新風。機械通風導致風機能耗增加，但同時可通過高效的新風熱回收系統(tǒng)減少新風負荷，文獻[17]認為在高氣密性狀態(tài)下，新風熱回收系統(tǒng)減少的新風處理能耗足以抵消系統(tǒng)本身運行增加的能耗。因此本文在針對性研究建筑氣密性對超低能耗建筑冷熱負荷的影響時，認為機械通風增加的風機能耗與熱回收裝置節(jié)約的制冷供暖能耗相抵消，不做風機能耗討論。

基于以上認識，寒冷地區(qū)(青島)及嚴寒地區(qū)(哈爾濱)模型建筑模擬計算的工況設計見表4。

表4 模擬計算的工況

工況1：考慮同時滿足外窗高氣密性和可開啟性十分困難，模型建筑不進行開窗通風，新風需求由機械通風完成；通過比較該通風狀況下不同氣密性等級建筑冷熱負荷需求，給出建議的氣密性等級。

工況2：寒冷地區(qū)和嚴寒地區(qū)制冷季夜間室外適宜，可顯著改善室內(nèi)濕熱環(huán)境，在氣密性ACH50=0.6 h-1的基礎上增加制冷季夜間自然通風，探討高氣密性下制冷季夜間通風模式對建筑冷熱負荷的影響；參考已有研究成果[20-21]，制冷季夜間通風換氣次數(shù)分為5個等級，通風換氣次數(shù)N分別為1，2，3，5，10 h-1。

工況3：在工況1的基礎上增加制冷季夜間自然通風，分析不同氣密性及不同夜間通風換氣次數(shù)耦合作用下，模型建筑冷熱負荷變化情況，劃定不同氣密性狀況下制冷季夜間通風有效節(jié)能換氣次數(shù)范圍，同時給出更為合理的氣密性及夜間通風狀況建議。

3 模擬結果與分析

3.1 氣密性對建筑負荷的影響

研究了模型建筑在不同氣密性狀態(tài)下建筑單位面積能耗(包括制冷能耗和供暖能耗)的變化情況，以氣密性ACH50=0.6 h-1為基準工況計算了不同氣密性等級下建筑能耗增長率，并以模型建筑單位面積制冷、采暖能耗量作為底圖分別繪制了制冷能耗增長率、采暖能耗增長率和制冷采暖能耗增長率與氣密性的關系曲線，如圖2—5所示。

1)寒冷地區(qū)。如圖2所示，隨著氣密性降低，建筑采暖能耗先是緩慢增長而后迅速增長，建筑制冷能耗則先是緩慢降低而后趨于穩(wěn)定，總體降幅遠低于采暖能耗增幅。與之對應的是圖3曲線反映了制冷采暖綜合能耗的變化，總體呈上升趨勢，且增速明顯增加，例如氣密性ACH50分別為1，2和3 h-1時，制冷采暖能耗分別增加0.92%，5.6%和19.65%。對比來看，建筑氣密性對建筑熱負荷的影響效果遠大于建筑冷負荷。結合模型建筑采暖能耗變化情況，同時考慮增強建筑氣密性的成本問題，建議寒冷地區(qū)超低能耗建筑氣密性ACH50≤1.0 h-1，在此基礎上再提高氣密性對建筑制冷采暖需求影響不大。

2) 嚴寒地區(qū)。如圖4所示，隨著氣密性降低，建筑采暖能耗先經(jīng)歷緩慢增長而后加速直至呈線性增長，建筑制冷能耗則先緩慢降低而后下降速率變大，總體降幅小于采暖能耗增幅。對比圖2，嚴寒地區(qū)采暖能耗增幅低于寒冷地區(qū)，分析認為高氣密性下模型建筑在哈爾濱采暖能耗明顯高于青島，導致以此為基準的采暖能耗增長率低于青島，并不能說明嚴寒地區(qū)采暖能耗對建筑氣密性的敏感度低于寒冷地區(qū)。從圖5可以看出，隨著氣密性降低，建筑制冷采暖能耗總體呈上升趨勢，且增速明顯增加，表明嚴寒地區(qū)建筑氣密性仍主要影響建筑熱負荷，且嚴寒地區(qū)采暖能耗對建筑氣密性的敏感度高于寒冷地區(qū)?；谝陨戏治?，建議嚴寒地區(qū)超低能耗建筑氣密性ACH50≤1.0 h-1，同時條件允許下可繼續(xù)提升建筑氣密性至ACH50≤0.6 h-1。

3.2 夜間通風對建筑負荷的影響

寒冷地區(qū)及嚴寒地區(qū)制冷季夜間室外空氣溫度濕度多數(shù)情況下可改善室內(nèi)濕熱環(huán)境，為此，研究了在建筑氣密性ACH50=0.6 h-1狀況下，模型建筑采暖制冷能耗隨制冷季夜間通風量增加的變化情況。同時以制冷季夜間通風換氣次數(shù)N=0.035 h-1為基準工況分析了建筑能耗變化情況，并以模型建筑單位面積制冷、采暖能耗量為底圖分別繪制了制冷能耗增長率、采暖能耗增長率和制冷采暖能耗增長率與制冷季夜間通風量的關系曲線，如圖6—9所示。

1) 寒冷地區(qū)。寒冷地區(qū)制冷季夜間通風量顯著影響建筑的冷熱負荷狀況。從圖6可以看出，采暖能耗隨夜間通風量的增加而增加，且增速增加；制冷能耗隨夜間通風量增加呈先降低再增加趨勢，但整體低于未通風工況。從圖7可以看出，寒冷地區(qū)模型建筑制冷采暖能耗隨制冷季夜間通風換氣量增加呈先降低后增加的趨勢。綜合來看，該通風策略能顯著降低模型建筑冷負荷，同時增加建筑熱負荷；當夜間通風換氣次數(shù)N≤5 h-1時，有節(jié)能效果，且以N=2 h-1時節(jié)能效果最佳，節(jié)能率達到10.21%；但隨著通風換氣次數(shù)增加，建筑熱負荷增量超過冷負荷減少量，繼續(xù)增加夜間通風不能節(jié)省用能。

2) 嚴寒地區(qū)。與寒冷地區(qū)不同，從圖8可以看出，隨制冷季夜間通風換氣次數(shù)增加，模型建筑采暖能耗先降低再增加，總體幅度較??；同時，制冷能耗一直下降，但降低速度逐漸變緩，降幅較大。結合圖9，嚴寒地區(qū)在該通風策略下，減少的制冷能耗始終大于增加的采暖能耗，模型建筑在N≤10 h-1下均具有節(jié)能效果。綜合來看，制冷采暖能耗變化趨勢與寒冷地區(qū)相近，在制冷季夜間通風次數(shù)N=2 h-1時達到最大，節(jié)能效果可達17.55%。

3.3 耦合作用下建筑負荷分析

自然通風及空氣滲漏本質(zhì)上均通過室內(nèi)外空氣交換顯著影響建筑室內(nèi)熱環(huán)境。為此，分析了氣密性和制冷季夜間通風耦合作用對建筑用能的影響，圖10、圖11以ACH50=0.6 h-1且N=0.035 h-1為基準工況，分別給出了青島、哈爾濱兩座城市模型建筑不同氣密性狀況、不同夜間通風策略的制冷采暖能耗變化情況。其中圖左側(cè)反映建筑用能變化趨勢，圖右側(cè)為局部放大，表現(xiàn)主要節(jié)能工況。

1) 寒冷地區(qū)。如圖10所示，與工況1相同，不同夜間通風策略下模型建筑用能隨建筑氣密性降低而增加；而在氣密性狀況相同時，不同夜間通風策略對建筑用能影響存在差異，具體為N≤5 h-1時較工況1有所降低，N=10 h-1時明顯增加建筑能耗。整體而言，當建筑氣密性ACH50≤1.0 h-1，1.0 h-1≤夜間通風換氣次數(shù)N≤5.0 h-1時具有一定節(jié)能性，其中以ACH50=0.6 h-1，N=2.0 h-1工況效果最佳。從節(jié)能、成本角度考慮，建議寒冷地區(qū)建筑氣密性ACH50≤1.0 h-1，同時制冷季夜間開啟部分外窗，維持2～3 h-1的自然通風量。

2) 嚴寒地區(qū)。嚴寒地區(qū)不同夜間通風策略下模型建筑用能仍隨建筑氣密性降低而增加，但模型建筑在不同氣密性狀況下所采用的夜間通風策略均可減少建筑能耗。如圖11所示，當建筑氣密性ACH50≤1.7 h-1，1.0 h-1≤夜間通風換氣次數(shù)N≤5.0 h-1時模型建筑用能明顯降低，其中ACH50=0.6 h-1，N=2.0 h-1和ACH50=0.6 h-1，N=3.0 h-1工況建筑用能更低。基于此，建議嚴寒地區(qū)建筑氣密性ACH50≤0.6 h-1，同時制冷季夜間開啟部分外窗，維持2～3 h-1的自然通風量。

4 結論

1) 不采取其他自然通風策略下，建筑氣密性降低，導致建筑采暖能耗增加、制冷能耗降低。但采暖能耗變化幅度明顯大于制冷能耗，因而建筑整體用能顯著增加。同時考慮提升建筑氣密性成本，建議寒冷地區(qū)超低能耗建筑氣密性ACH50≤1.0 h-1；嚴寒地區(qū)超低能耗建筑氣密性ACH50≤1.0 h-1，同時條件允許下可繼續(xù)提升氣密性至ACH50≤0.6 h-1。

2) 制冷季夜間自然通風可顯著降低建筑制冷能耗，同時伴隨著采暖能耗的增加。從節(jié)能角度考慮，建議ACH50=0.6 h-1工況下寒冷地區(qū)及嚴寒地區(qū)超低能耗建筑制冷季夜間開窗風量宜維持在2 h-1左右。

3) 制冷季夜間通風策略下，寒冷地區(qū)及嚴寒地區(qū)建筑用能顯著降低的區(qū)間為建筑氣密性ACH50≤1.0 h-1、制冷季夜間開窗風量介于1～5 h-1。從成本和節(jié)能角度考慮，建議寒冷地區(qū)及嚴寒地區(qū)超低能耗建筑氣密性ACH50≤1.0 h-1，制冷季夜間開窗風量保持在2～3 h-1，如有需要嚴寒地區(qū)可繼續(xù)提升建筑氣密性。