建筑節能性能對室內環境影響評估

■ 高喜紅 Gao Xihong

建筑能耗的一大部分是用來改善和維持室內熱舒適狀況，人平均90% 的時間在室內度過[1]，室內舒適狀況對人體的身心健康、舒適感和工作效率都會產生顯著影響。目前，建筑節能性能會影響到建筑的能耗已經受到普遍的認可，但建筑節能性能對室內環境的影響極少被關注。本文借助HEED（Home Energy Efficient Design）軟件建造計算機模型及數據，探究節能性能對建筑室內環境的影響。

以我國南方某城市一個建筑面積為120m2的未達到節能標準的三室一廳住宅為例，位于6層單元樓的中間某層（選取處于建筑的底層或頂層的住宅，因有熱量從建筑的地板或屋頂流失，對計算的影響更多,故選擇中間層），無外露的屋頂及地板，正南北向，不使用太陽能。若將其改造為以下3種建筑：剛達到節能標準的建筑、達到高節能標準的建筑以及達到高節能標準且利用太陽能的建筑，現比較其改造后室內環境質量有何變化。

1 概念介紹

1.1 HEED

HEED（Home Energy Efficient Design）家庭節能設計,是一個房屋設計節能軟件。HEED使用程序最初稱為太陽能5,是一種熱分析計算內核。它使用1h熱平衡方法，使用標準ASHRAE（American Society of Heating, Refrigerating and Air Conditioning Engineers）算法計算在1年內的8 760h每小時的熱平衡：麥基和賴特延時和衰減因子法計算通過不透明的墻壁熱量,熱流的導納因子法計算內部熱量,加州能源委員會的ACM法來計算地下室的性能。為發現每小時熱平衡，使用逐次逼近法來計算室內空氣溫度。HEED100%通過了可運行、可用于測量加熱和冷卻的案例測試，是一個可以信任和應用的軟件[2]。

1.2 LEED

LEED是leadership in Energy Environmental Design 的簡稱，由美國于2000年提出，是一個關于綠色建筑認證和評估的標準。LEED引起了全球范圍的綠色建筑運動，它關注建筑設計、建造、維護和運營全過程，如今它已經成為全球公認的綠色建筑評價體系，每天都有140 000m2的建筑注冊LEED[3]。

LEED分為5個范疇，室內環境質量（Indoor Environmental Quality）為其中一類，其目的在于為建筑提供健康舒適的工作和生活環境。室內空氣質量、室內熱舒適、室內采光質量為室內環境質量中的前三點。

本文以該未達到節能標準的建筑為基礎，統計、測量及運用計算機建造模型，得出其年平均數值，并比較若將其進行節能改造，會對室內環境質量產生哪些影響。

2 室內溫度

這里所研究的室內溫度，其前提條件為自然條件下的室內空氣溫度，即不使用加熱或制冷設備。通過測量及數據統計，得出該城市的年平均溫度。為在本模型更好體現溫度的細微變化，采用華氏度（℉）為單位。該地理位置的年平均溫度為：最高溫度88.01℉，最低氣溫45.01℉，年平均溫差為43℉。最高氣溫出現于6～10月的中午～下午。高溫持續時間最長的月份為7月份，時間段為10∶00～18∶00。最低氣溫出現于11月～次年4月初及4～5月、10～11月的部分時間，時間段主要為22∶00～10∶00。夏季最高氣溫持續時間較冬季最低氣溫持續時間短。而人體的最舒適溫度在夏季低于冬季(圖1)。

通過測量、數據統計及使用HEED軟件，得出該未達到節能標準建筑的室內年平均溫度，其年最高溫度為75℉，最低溫度為60.70℉，溫差為14.3℉。7～9月的時間，最高氣溫為75℉，最低69.28℉。最低氣溫出現于11月～次年4月，為60.7℉，時間段為4∶00～8∶00。

通過HEED得知，如將其改造為剛達到節能標準的建筑，其年最高溫度為75℉，最低溫度為67.60℉，溫差為7.4℉。最低氣溫出現于11月～次年3月，為67.60℉，時間段為5∶00～8∶00，年最低氣溫持續時間少于未達到節能標準的建筑。

如將其改造為高節能標準的建筑，其年最高溫度為74.87℉，出現于冬季；最低溫度為69.90℉，出現于夏季，溫差為4.97℉。7～9月的夏季時間，最高氣溫為73.88℉，最低69.90℉并為年最低氣溫，熱舒適性優良。最高氣溫出現于10月～次年6月，為74.87℉并為年最高溫度。在10月～次年6月這幾個月份內，最低氣溫為71.89℉，但只有非常短租的時間，大多數時間的溫度為72.88～74.87℉。

高節能標準的建筑與以上兩個建筑室內溫度的顯著不同之處為其年最低氣溫出現于夏季，年最高氣溫出現于冬季，表現為冬暖夏涼。此外，高節能標準建筑其室內溫度的年平均溫差較前兩者建筑小，室內年平均溫度穩定，熱舒適性優良。

利用太陽能的高節能標準的建筑其室內平均溫度與高節能標準的建筑相近，其年最低氣溫出現于夏季，年最高氣溫出現于冬季，亦表現為冬暖夏涼。其最大差別為其12月～次年6月的高溫時間較不利用太陽能的高節能標準的建筑短。據分析應為相同的節能性能，不利用太陽能的建筑使用煤氣比利用太陽能的建筑多，而煤氣的使用會產生熱量，從而產生了不利用太陽能的建筑12月～次年6月的高溫時間比利用太陽能的建筑時間長的現象。

由模型及以上分析亦可知，節能性能好的建筑，其室內熱舒適性并不絕對在任何情況下優于節能性能不好的建筑。在6～7月天氣剛開始炎熱的時候，未到達節能標準的建筑，其室內熱舒適性反而優于剛達到節能標準的建筑。據分析，該情況的出現是由于未到達節能標準的建筑因其在冬季及春季室內氣溫一直較低，在天氣剛開始轉熱的時候，室內的寒冷會抵消一部分熱氣，因此室內熱舒適性在這段時間反而優于剛達到節能標準的建筑。但未到達節能標準的建筑其冬季室內最低氣溫低于剛達到節能標準的建筑，并表現為低溫時間長，所以其冬季的室內熱舒適性低于剛達到節能標準的建筑。高節能標準的建筑其室內熱舒適性明顯優于剛達到節能標準的建筑。夏季沒有最高氣溫的出現，并具有相當長的低溫時間；冬季也沒有最低氣溫的出現，并表現為穩定的室內溫度狀態。此外，其年平均溫差僅為未達到節能標準的建筑的年平均溫差的1/3左右。

3 空氣交換速度

空氣交換速度指的是一個空間每小時換空氣的次數。為了集中研究4種建筑的空氣滲透大小，采用比較其通過滲透的空氣交換速度的方法。空氣滲透是指非設計的室外空氣進入室內，主要是通過建筑縫隙或開關門。空氣滲透是影響建筑能耗的重要因素之一。空氣滲透越嚴重，建筑的能量損失越多，能耗越高。一個典型的美國住宅，約有1/3的暖通空調能量由空氣滲透造成[4]。由于空氣滲透對建筑不利，所以一般在設計中會將空氣滲透降低到最小。除了增加建能耗外，空氣滲透也會使人產生不舒適感，影響室內環境質量。灰塵的傾入，夏季熱氣的傾入和冬季冷風的灌入均會降低室內的環境質量。

文中的室內空氣交換條件為：所有的窗戶和門都處于關閉狀態，所以沒有自然通風；且沒有熱舒適的風扇或空調，只有通過從縫隙（如們、窗縫隙）或其它原因的空氣滲透。因此，在此條件下，空氣交換速度越快，說明空氣滲透越嚴重，對室內溫度、舒適度、空氣質量的影響也越大；相反，空氣交換速度越慢，說明空氣滲透越微弱，對室內溫度、舒適度、空氣質量的影響也越小。

事實上，該未達到節能標準建筑當其改造為剛達到節能標準建筑后，其室內空氣交換速度只有微小差異(圖2)。在6月中下旬～8月中下旬的12∶00～17∶00，空氣交換速度為整年中最大值，說明熱氣從室外滲透至室內達到最大值。從5月中下旬～11月早11∶00～19∶00，空氣交換速度為整年中第二大值，說明亦有大量熱氣從室外滲入。11月～次年2月的冬季，空氣交換速度為整年中第二大值，說明大量的冷氣從室外滲透至室內，此時的冷氣滲透值為全年最大。而從5～8月的早6∶00～10∶00，8～9月中旬的凌晨12∶00～10∶00，空氣滲透為全年最小值。

高節能建筑的室內空氣交換速度與利用太陽能的高節能建筑室內空氣交換速度相同。幾乎全年空氣滲透速度為穩定的最小值，只有在6～10月的18∶00～0∶00增大，并于7～9月的20∶00～22∶00達到最大值，在這段時間內大量熱氣從室外滲入，空氣滲透為全年最大值。相比未達到節能標準及剛達到節能標準的建筑，其空氣滲透速度明顯減小。

由模型及以上分析可知，建筑節能性能不僅會影響建筑的能源消耗，亦會對建筑室內空氣交換產生影響。相同節能性能的建筑室內空氣滲透速度相同，節能性能好的建筑其室內空氣滲透速度遠低于節能性能差的建筑。

4 室內采光質量

為衡量建筑的室內采光質量，采用衡量其室內用電量大小的方法。為了達到相同的照明質量，室內用電量越大而室內采光質量越低；室內用電量越小而室內采光質量越高；室內用電量相同而說明室內采光質量相同。

建立模型得出分析圖片（圖3）。圖中數據為該未達到節能標準的建筑及若將其改造為3種不同節能性能的建筑后，為達到采光質量的平均用電量。從模型得出的分析圖可以看出，未達到節能標準建筑、剛達到節能標準建筑及高節能標準建筑的照明需求圖只有微小差異，幾乎可以忽略；高節能建筑和利用太陽能的高節能建筑的室內照明需求圖相同。即不用節能性能的建筑室內采光質量只有微小差別，甚至可以忽略；相同節能性能的建筑，其室內采光質量相同。

這些照明需求圖像一個個“峽谷”,“峽谷”的底部在夏季更寬在冬季更窄，這是因為夏季日照時間較冬季長，所以用電量相對冬季較小。同時由圖可以看出，該住宅一天之內，從0∶00～6∶00，用電量為最小；7∶00用電量達到第一個高峰；8∶00以后用電量趨于平緩并維持穩定直到16∶00；從16∶00～18∶00用電需求又急劇上升并于19∶00達到穩定；19∶00～23∶00用電需求達到第二個高峰，并為持續高峰狀態，23∶00～0∶00時用電需求又急劇下降。

由圖可知， 這4種建筑的采光質量會在一年內隨著季節和一天內隨著時間改變，但4種建筑的室內采光質量幾乎無差異。建筑節能性能并不影響室內采光質量。

5 結語

隨著人們生活水平的提高，對室內環境質量的要求也在提高。節能性能好的建筑其室內熱舒適性，總體來講高于節能性能差的建筑，但并不是在任何情況下都優于節能性能差的建筑。

建筑室內環境是一個復雜的體系，建筑節能性能不僅會影響建筑的能耗，而且對室內環境也會產生影響，但節能性能的優劣并不與室內環境成正比，在進行室內環境設計時應將其與建筑整體聯系起來，綜合設計。

[1]GREENGUARD CERTIFICATION.Overview of Indoor Air Quality [EB/OL].[2013,07,11]. http://www.greenguard.org/en/indoorAirQuality.aspx.

[2] UCLA Department of Architecture and Urban Design. HEED Validation Reports[R]. UCLA Department of Architecture and Urban Design.2012.

[3] U. S. Green Building Council. LEED [EB/OL]. [2013,07,16]. http://www.usgbc.org/leed.

[4] WIKIPEDIA. Infiltration(HVAC)[EB/OL]. [2013,07,09]. http://en.wikipedia.org/wiki/Air_infiltration.