清華大學(xué)  路菲 楊旭東  中國建筑科學(xué)研究院  鄒瑜

       【摘  要】氣密性是影響建筑能耗的重要因素，提高建筑氣密性對建筑節(jié)能具有重要意義。然而，提高建筑氣密性會減少進入室內(nèi)的新風滲透量，增加室內(nèi)空氣品質(zhì)惡化的危險，人們追求更好的室內(nèi)空氣品質(zhì)需要采用通風策略。本文針對某低能耗辦公建筑進行了模擬計算，分析了不同氣候區(qū)、不同通風策略下，建筑氣密性對建筑采暖空調(diào)和總能耗的影響，并對該低能耗建筑外窗氣密性和通風模式進行了優(yōu)化。

       【關(guān)鍵詞】 低能耗辦公建筑 建筑氣密性 建筑能耗 

Abstract:Air tightness is an important factor affecting the building energy consumption. Improving building air tightness is of great importance to building energy efficiency. However, improving the airtightness will reduce the infiltration of air entering the room, increasing the risk of deterioration of IAQ. The pursuit of a better indoor environment will result in more energy consumption. There is a coupling relationship among air tightness, IAQ and the energy consumption. In this paper, we simulated the energy consumption of a low energy office building. We analyzed the effects of air tightness on building heating, air conditioning and total energy consumption under different climate zones and different ventilation strategies. We also optimized the airtightness and ventilation mode of the external windows.
Keywords:Low-energy office buildings, air tightness, energy consumption

0 前言

       建筑能耗作為能源消耗的重要部分,對于節(jié)能減排有重要影響，發(fā)展低能耗建筑是建筑節(jié)能的必然趨勢。當前低能耗建筑主要通過增強圍護結(jié)構(gòu)性能、提高建筑氣密性等手段來滿足相關(guān)節(jié)能要求。建筑氣密性是影響建筑能耗的重要因素，是指建筑圍護結(jié)構(gòu)抵抗空氣從自然縫隙滲入、滲出的能力，通常以特定壓差下通過建筑圍護結(jié)構(gòu)自然縫隙的空氣量表示。建筑的空氣滲透主要來自門窗、外圍護結(jié)構(gòu)不嚴密的洞口及縫隙，滲透進入室內(nèi)的新風在一定程度上會滿足室內(nèi)的衛(wèi)生要求，但由于室內(nèi)外溫差，空氣滲透將增加采暖或空調(diào)能耗^[1]。提高氣密性將會減少進入室內(nèi)的新風滲透量，降低采暖和空調(diào)能耗，但不利于過渡季通風散熱，甚至?xí)黾舆^渡季空調(diào)需求。過高的氣密性會造成污染物在室內(nèi)積聚,增加了室內(nèi)空氣品質(zhì)惡化的危險,對人體健康和工作效率帶來不利影響^[2]。為了保證室內(nèi)通風換氣量要求，需要采用自然通風或機械通風等通風策略，通風策略的選擇對建筑能耗有很大影響^[3]。通風策略是否合理，不斷提高建筑氣密性是否節(jié)能，成為十分重要的問題。

       有學(xué)者針對居住建筑氣密性對建筑采暖空調(diào)能耗的影響進行了研究。周燕等人分析了外窗氣密性對寧波某居住建筑全年能耗的影響，但是沒有考慮建筑通風需求^[4]。彭琛等人結(jié)合建筑通風需求，研究了氣密性對建筑采暖能耗的影響，但是未模擬空調(diào)能耗的變化^[5]。豐曉航等人在不同氣密性條件不同通風模式下，分析了某居住建筑供暖空調(diào)能耗，得到了適用于該模型的氣密性和通風模式的優(yōu)化解^[6]。王夢偉等人模擬了某辦公建筑在不同氣候區(qū)，氣密性對采暖空調(diào)能耗的影響，但沒有考慮建筑的通風需求^[7]。國內(nèi)外缺乏結(jié)合建筑通風需求分析氣密性對辦公建筑采暖空調(diào)能耗的影響。此外，建筑氣密性對采暖空調(diào)能耗的影響因地區(qū)、通風策略、建筑類型、建筑體形、門窗墻比等因素而異，有必要研究氣密性對低能耗辦公建筑采暖空調(diào)能耗的影響。本文針對某低能耗辦公建筑進行了模擬計算，分析了不同氣候區(qū)、不同通風策略下，建筑氣密性對建筑采暖空調(diào)能耗的影響，并對該低能耗建筑外窗氣密性和通風模式進行了優(yōu)化。

1 氣密性要求及滲風換氣次數(shù)

       1.1 國內(nèi)建筑氣密性要求

       GB/T7106-2008《建筑外門窗氣密、水密、抗風壓性能分級及檢測方法》對外門窗的氣密性等級進行了劃分,將外窗氣密性等級分為8級。該標準采用壓力差為l0Pa時單位縫長滲透量與單位面積滲透量作為分級指標^[8]，分級指標如下表。

       為了減少建筑冷風滲透耗熱量，我國先后頒布的多項建筑節(jié)能標準中均對外門窗的氣密性等級進行了要求。GB500189-2015《公共建筑節(jié)能設(shè)計標準》中規(guī)定：10層及以上建筑外窗氣密性不應(yīng)低于7級；10層及以下建筑外窗氣密性不應(yīng)低于6級；嚴寒和寒冷地區(qū)外門的氣密性不應(yīng)低于4級^[9]。
我國尚沒有針對建筑整體氣密性的標準。室內(nèi)換氣次數(shù)影響人體健康，在滿足健康需求、沒有其它通風措施的前提下，0.5h-1通常被作為換氣次數(shù)的下限^[10]。

       1.2 滲風換氣次數(shù)

       低能耗建筑會進行建筑氣密性設(shè)計，外墻等進行了密封處理，建筑外門窗是主要滲透部位。GB/T7106-2008《建筑外門窗氣密、水密、抗風壓性能分級機檢測方法》給出了不同氣密性等級外門窗滲透風量，將不同氣密性等級的外門窗滲透風量折合成相應(yīng)的換氣次數(shù)，滲風換氣次數(shù)按如下公式計算：

       n=(q₂S)/V

       式中：n—換氣次數(shù)，次/ h； q₂—窗戶單位面積滲透風量，m³/(m²?h)；S—窗戶面積，m²； V—房間體積，m³。

2 模型及工況設(shè)計

       2.1 模型及參數(shù)

       本文以北京某近零能耗辦公建筑作為基準建筑建模，分析門窗氣密性對辦公建筑采暖空調(diào)能耗的影響。該建筑南北朝向、共4層、面積為4025 m²，。一層主要是門廳、會議室、辦公室；二層主要為會議室、辦公室；三層為辦公室；四層為會議室、辦公室。本文利用DeST對該低能耗辦公建筑進行動態(tài)能耗模擬，建筑模型建模如圖1所示。

       該建筑基本信息匯總見表2，圍護結(jié)構(gòu)的熱工參數(shù)見表3。

       北京地區(qū)采暖季為11月15日~3月15日，空調(diào)季為6月1日~8月30日。哈爾濱地區(qū)采暖季為10月15日~4月15日，空調(diào)季為6月1日~8月30日。冷源熱源為太陽能集熱系統(tǒng)和地源熱泵系統(tǒng)，制冷COP為5.38，采暖COP為4.18。其它參數(shù)設(shè)置見表4：

       2.2 滲透換氣次數(shù)

       GB/T7106-2008《建筑外門窗氣密、水密、抗風壓性能分級機檢測方法》給出了不同氣密性等級外門窗滲透風量，將不同氣密性等級的外門窗滲透風量折合成相應(yīng)的換氣次數(shù)。滲透換氣次數(shù)計算結(jié)果見下表：

       室內(nèi)換氣次數(shù)影響人體健康，在滿足健康需求、沒有其它通風措施的前提下，0.5h^-1通常被作為換氣次數(shù)的下限。由上表得出，該模型外窗氣密性等級大于1級時，由于門窗滲透引起的換氣次數(shù)小于0.5h^-1。當門窗氣密性等級大于1級時需要采用其它通風措施。

       2.3 工況設(shè)計

       辦公建筑室內(nèi)人員需要一定新風量。建筑氣密性較差時，通過空氣滲透即可滿足新風需求，但空氣滲透會引起冷熱負荷；建筑氣密性高時，只依靠空氣滲透不能滿足新風需求，這時需要適當開窗通風或引入機械通風。為了模擬該低能耗建筑在不同氣候區(qū)、不同通風模式下，氣密性對采暖空調(diào)負荷的影響。本文考慮嚴寒、寒冷2個氣候區(qū)，以哈爾濱、北京為代表城市，利用當?shù)貧庀髤?shù)進行計算。通風模式設(shè)置如下表6所示。

       其中工況3全年自然通風，通風換氣次數(shù)在一定波動范圍內(nèi)取值使得室內(nèi)溫度適宜。最小值按外窗關(guān)閉時的空氣滲漏量確定(根據(jù)外窗氣密性換算得到)，最大值為窗戶全開時通風換氣次數(shù)(設(shè)為10次/h)。工況4采暖季機械通風+其他季節(jié)自然通風，冬季門窗滲透無法滿足新風需求時采用機械通風，夏季和過渡季充分利用自然通風，換氣次數(shù)取值方法同工況3。

3 模擬結(jié)果分析

       全年空氣自然滲透、全年采用機械通風、充分利用自然通風、采暖季機械通風+其他季節(jié)自然通風四種通風模式下，該低能耗建筑在北京、哈爾濱地區(qū)的采暖空調(diào)能耗和總能耗隨門窗氣密性變化情況見圖2、圖3。 

       （注：各氣密性等級下，每列柱狀圖從左到右通風模式依次是：全年空氣自然滲透、全年采用機械通風、充分利用自然通風、采暖季機械通風+其他季節(jié)自然通風）

       （注：各氣密性等級下，每列柱狀圖從左到右通風模式依次是：全年空氣自然滲透、全年采用機械通風、充分利用自然通風、采暖季機械通風+其他季節(jié)自然通風）

       北京地區(qū)四種通風模式下，氣密性對建筑采暖空調(diào)能耗影響的模擬結(jié)果如下。（1）全年空氣滲透：隨著氣密性增加，采暖能耗逐漸降低、空調(diào)能耗逐漸增加、總能耗先降低再增加。氣密性大于1級后，滲透換氣次數(shù)小于0.5次/h。空調(diào)能耗的增加是由于氣密性增加，該低能耗辦公建筑內(nèi)熱無法散出，增大了夏季和過渡季節(jié)供冷需求。外窗氣密性為5級時總能耗最小，外窗氣密性大于5級后，空調(diào)能耗的增加量大于采暖能耗的降低量，總能耗反而增加。（2）全年機械通風：氣密性大于1級時采用機械通風，隨著氣密性的增加，采暖能耗、空調(diào)能耗逐漸降低，風機能耗增加，總能耗增加。氣密性等于2級時，滲透換氣次數(shù)為0.466h^-1，機械通風風機能耗低，總能耗最低。（3）全年自然通風：隨著氣密性增加，采暖能耗、空調(diào)能耗、總能耗逐漸降低。因此，外窗氣密性增加至最大等級8級，充分利用自然通風更利于節(jié)能，但當室外環(huán)境不宜自然通風時無法保證室內(nèi)空氣環(huán)境。（4）采暖季機械通風+其他季節(jié)自然通風：隨著氣密性增加，采暖能耗、空調(diào)能耗逐漸降低，風機能耗逐漸增大，總能耗先降低后增加，氣密性等級為6級時總能耗最低。綜上， 冬季采用機械通風（有熱回收）+其他季節(jié)充分利用自然通風模式既能保證室內(nèi)換氣次數(shù)要求又有利于節(jié)能，但要根據(jù)建筑選擇合理的氣密性。

       哈爾濱地區(qū)四種通風模式下，氣密性對建筑采暖空調(diào)能耗影響的模擬結(jié)果如下。（1）全年空氣滲透：隨著氣密性增加，采暖能耗逐漸降低、空調(diào)能耗逐漸增加、總能耗逐漸降低。空調(diào)能耗的增加是由于氣密性增加，該低能耗辦公建筑內(nèi)部熱量積聚，增大了夏季和過渡季節(jié)供冷需求。（2）全年機械通風：氣密性大于1級采用機械通風，隨著氣密性的增加，采暖能耗、空調(diào)能耗逐漸降低，風機能耗增加，總能耗逐漸降低。全年采用機械通風時，外窗氣密性應(yīng)增加到8級，此時總能耗最低。（3）全年自然通風：隨著氣密性增加，采暖能耗、空調(diào)能耗、總能耗逐漸降低。外窗氣密性增加至最大值，并充分利用自然通風更利于節(jié)能。（4）采暖季機械通風+其他季節(jié)自然通風：隨著氣密性增加，采暖能耗、空調(diào)能耗和總能耗逐漸降低。綜上，四種通風模式下，隨著氣密性增加建筑采暖空調(diào)總能耗均降低，而采暖季機械通風+其他季節(jié)自然通風的模式能保證室內(nèi)換氣次數(shù)。因此外窗氣密性為8級，采暖季機械通風（有熱回收）+其他季節(jié)自然通風的模式最有利。

       北京和哈爾濱地區(qū)模擬結(jié)果得到：（1）四種工況的總能耗：全年機械通風>全年空氣滲透>從采暖季機械通風+其他季節(jié)自然通風>全年自然通風。（2）全年機械通風工況與全年空氣自然滲透工況相比，采暖能耗高，空調(diào)能耗低（換氣次數(shù)增加降低了夏季、過渡季供冷需求），風機能耗高，總能耗高。（3）全年充分利用自然通風工況，采暖、空調(diào)、總能耗均最低。但冬季室外環(huán)境不適宜自然通風時，僅靠空氣滲透無法滿足室內(nèi)新風需求。（4）冬季機械通風+其他季節(jié)自然通風的工況，采暖、空調(diào)、風機和總能耗比較低，且能保證室內(nèi)新風需求，是該低能耗辦公建筑在北京和哈爾濱地區(qū)通風模式的最優(yōu)選擇。

4 總結(jié)

       北京和哈爾濱地區(qū)，四種工況總能耗：全年機械通風>全年空氣滲透>采暖季機械通風+其他季節(jié)自然通風>全年自然通風。而全年空氣滲透和全年自然通風模式，存在無法滿足室內(nèi)新風需求量的情況。因此在北京和哈爾濱地區(qū)最佳通風模式為：采暖季機械通風+其他季節(jié)自然通風，該策略下既能滿足室內(nèi)人員新風需求又有利于節(jié)能。

       隨著氣密性增加，該低能耗辦公建筑采暖空調(diào)能耗變化趨勢因氣候區(qū)、通風模式而異。北京、哈爾濱地區(qū)，不同通風策略下采暖空調(diào)能耗隨氣密性增加的變化規(guī)律及總能耗最低值對應(yīng)氣密性等級整理如表7、表8。

       該低能耗建筑在北京、哈爾濱地區(qū)最佳通風策略是：采暖季機械通風（有熱回收）+其它季節(jié)在自然通風，既保證建筑新風需求又節(jié)能。該通風模式下，北京地區(qū)最優(yōu)外門窗氣密性等級為6級，哈爾濱地區(qū)最優(yōu)外門窗氣密性等級為8級，此時總能耗最低。 

參考文獻

       [1] 張孝鼎, 貢太瑞, 郭清等. 氣密性對住宅能耗影響的研究[J]. 建筑節(jié)能, 2016, 44(4):61-64.
       [2] 呂超. 辦公建筑內(nèi)典型污染物控制的新風量確定方法探討[D]. 哈爾濱工業(yè)大學(xué), 2007
       [3] Kalamees T. Air tightness and air leakages of new lightweight single-family detached houses in Estonia [J]. Building & Environment, 2007, 42(6):2369-2377
       [4] 周燕, 閆成文, 姚健等. 居住建筑外窗氣密性對建筑能耗的影響[J]. 寧波大學(xué)學(xué)報(理工版), 2007, 20(2):248-250.
       [5] 彭琛, 燕達, 周欣等. 提高建筑氣密性的適應(yīng)性研究[C].全國暖通空調(diào)制冷2010年學(xué)術(shù)年會. 2010
       [6] 豐曉航, 燕達, 彭琛等. 建筑氣密性對住宅能耗影響的分析[J]. 暖通空調(diào), 2014, 44(2):5-14
       [7] 王夢偉, 秦堃, 龍恩深等. 圍護結(jié)構(gòu)的氣密性對辦公建筑能耗影響的分析[J]. 制冷與空調(diào)：四川, 2016, 30(3):345-349
       [8] 中國建筑科學(xué)研究院.GB/T7106-2008.建筑外門窗、水密、抗風壓性能及檢測方法[S].北京:中國標準出版社2009
       [9] 中國建筑科學(xué)研究院. GB 500189-2015 公共建筑節(jié)能設(shè)計標準[S]. 北京：中國建筑工業(yè)出版社, 2015
       [10] Dimitroulopoulou C. Ventilation in European dwellings: A review [J]. Building & Environment, 2012, 47(1):109-125

       備注：本文收錄于第21屆暖通空調(diào)制冷學(xué)術(shù)年會（2018年10月23～27日，中國·三門峽）論文集。版權(quán)歸論文作者所有,任何形式轉(zhuǎn)載請聯(lián)系作者。