海拔高度與門窗氣密性對建筑供暖設(shè)計熱負(fù)荷影響及機(jī)理研究

高 飛 龍恩深, 肖棟天 李皓月

海拔高度與門窗氣密性對建筑供暖設(shè)計熱負(fù)荷影響及機(jī)理研究

高 飛1龍恩深1,2肖棟天2李皓月2

（1.四川大學(xué)災(zāi)后重建與管理學(xué)院 成都 610065； 2.四川大學(xué)建筑與環(huán)境學(xué)院 成都 610065）

建筑供暖負(fù)荷主要包括圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱及冷風(fēng)滲透兩部分，海拔高度的變化，影響建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)表面對流換熱系數(shù)及空氣密度，因此海拔高度對建筑供暖設(shè)計熱負(fù)荷的影響不可忽視。主要考慮當(dāng)海拔高度增加時，在相同門窗氣密性等級條件下分析建筑冷風(fēng)滲透部分負(fù)荷的變化。通過進(jìn)一步研究來揭示海拔高度與門窗氣密性對建筑供暖設(shè)計熱負(fù)荷的影響及其機(jī)理。研究表明：（1）建筑的采暖設(shè)計熱負(fù)荷會隨海拔高度的增加而降低；（2）門窗氣密性在高海拔地區(qū)對建筑設(shè)計熱負(fù)荷的影響不如低海拔時明顯；（3）對于高海拔地區(qū)若經(jīng)濟(jì)不允許，則可適當(dāng)放寬對門窗氣密性的規(guī)定，采暖設(shè)計熱負(fù)荷計算中需考慮海拔高度的影響。研究成果為在高海拔地區(qū)的建筑供暖設(shè)計熱負(fù)荷的確定及節(jié)能相關(guān)整改措施提供理論參考。

海拔高度；空氣密度；冷風(fēng)滲透；設(shè)計熱負(fù)荷

0 引言

高海拔地區(qū)由于其獨(dú)特的地勢特點，氣候多為寒冷、嚴(yán)寒型，且多深處祖國內(nèi)陸交通不便，經(jīng)濟(jì)落后，地方建筑多半因地制宜、就地取材，造成圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)普遍較大，門窗氣密性差。結(jié)合當(dāng)?shù)睾涞臍夂驐l件、保溫性能較差的建筑現(xiàn)狀，居民生活供暖將是剛需。而現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)對這類高海拔地區(qū)的供暖設(shè)計熱負(fù)荷較少考慮高海拔空氣稀薄的因素，造成對建筑供暖負(fù)荷的過大估計，從而存在供暖系統(tǒng)設(shè)計偏大及過度強(qiáng)調(diào)門窗氣密性改善問題，以致造成過多的能源消耗。氣密性是空氣滲漏的一個主要影響因素，針對空氣滲漏及建筑氣密性的相關(guān)研究表明，空氣滲透引起的熱損失占建筑冬季熱負(fù)荷的30%以上[1]。國內(nèi)劉東等人指出，北京地區(qū)的典型多層建筑中，通過門窗縫隙引起的空氣熱損失約占全部熱損失的23%，而哈爾濱地區(qū)則為29%[2]，從而可見冷風(fēng)滲透對建筑供暖能耗的影響極大。雖然目前學(xué)者對建筑氣密性的計算[3-6]及冷風(fēng)滲透對建筑能耗影響的[7-8]研究較多，但很少結(jié)合地方海拔高度差異性去考慮空氣密度變化對冷風(fēng)滲透耗熱量的影響，從而可能造成對一些地區(qū)的供暖負(fù)荷過大計算。

因而本文結(jié)合川西高原這類高海拔地區(qū)的氣候條件，就海拔高度及門窗氣密性對建筑供暖負(fù)荷的影響進(jìn)行研究并分析其機(jī)理性，從而為高海拔地區(qū)供暖系統(tǒng)的精確設(shè)計及門窗氣密性相關(guān)的節(jié)能改造提供理論參考。

1 研究對象與方法

1.1 研究對象

本文選取某居住建筑作為研究對象，定量分析門窗不同氣密性等級下的供暖設(shè)計熱負(fù)荷。建筑模型如圖1所示，該樓為某住宅樓，每層兩戶，共六層，建筑層高2.8m，建筑總高度17.4m，建筑總面積1352.16m2，建筑體形系數(shù)為0.43。建筑四面裝窗，建筑外窗共有6種，尺寸分別為：1500mm× 1500mm（24個）、900mm×1500mm（36個）、1200mm×1000mm（6個）、2800mm×1800mm（12個）、2100mm×2400mm（12個）、1500mm×2400mm（12個），主要安裝在南北兩側(cè)立面上，南側(cè)窗墻比為0.49、北側(cè)窗墻比為0.32，東西側(cè)窗墻比為0.04。

圖1 建筑模型

1.2 研究條件

參考Weather Data | EnergyPlus中給出的川西松潘縣的氣象數(shù)據(jù)，通過計算得到松潘地區(qū)的日均溫度分布，計算結(jié)果如圖2所示。從而可以得到松潘縣日均溫度≤+5℃的天數(shù)為154天，日均溫度≤+5℃的起止日期為當(dāng)年的10月10日至次年的4月21日，本文將該時間段定為松潘地區(qū)的采暖期，采暖期內(nèi)日均溫度最高為10.93℃，最低為-9.09℃；室外平均溫度為0.93℃，空調(diào)室內(nèi)設(shè)定溫度為全天18℃。

圖2 逐日平均溫度

建筑采暖期內(nèi)供暖負(fù)荷計算中，建筑采暖負(fù)荷計算過程中取外墻傳熱系數(shù)為0.3W/(m2·K)，外窗傳熱系數(shù)為2.0W/(m2·K)，屋面?zhèn)鳠嵯禂?shù)為0.3W/(m2·K)，忽略高海拔地區(qū)空氣稀薄對各圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)的影響，不考慮室內(nèi)人員、照明，設(shè)備等穩(wěn)定內(nèi)熱源。換氣次數(shù)設(shè)定按照氣密性的單位面積分級指標(biāo)，具體分級情況參考《建筑外門窗氣密、水密、抗風(fēng)壓性能分級及檢測方法》[9]GB/T 7106-2008，根據(jù)建筑物門窗面積，計算得出不同門窗氣密性等級下的建筑換氣次數(shù)。其中每個等級的單位面積分級指標(biāo)所對應(yīng)范圍上下限的平均值，具體計算結(jié)果如表1所示。

表1 分析模型在不同門窗氣密性條件下的換氣次數(shù)nk（次/h）

1.3 研究方法

建筑負(fù)荷采用特征溫度法（CTM法）[10]計算，其特征溫度物理意義是，當(dāng)房間傳熱過程達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)時，外界傳入房間空氣總熱量與室內(nèi)空氣傳出熱量的能力之比，其負(fù)荷計算主要通過下式得到：

2 計算結(jié)果與分析

對于寒冷地區(qū)的六層以下居住建筑，其外門窗氣密性等級不應(yīng)低于國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 7106—2008中規(guī)定的4級，結(jié)合實際調(diào)研情況，當(dāng)?shù)鼐用裢忾T窗氣密性普遍較差。因而這里以外門窗氣密性4級為例，氣象條件參考松潘地區(qū)的逐時氣象參數(shù)，分析在相同氣密性條件下海拔高度對建筑供暖負(fù)荷的影響。圖3、4分別給出了海拔高度為0m、2850.7m時該建筑在采暖期的逐時熱負(fù)荷分布情況。考慮到南方供暖主要以分散式為主，因而本文設(shè)計熱負(fù)荷按不保證1天的日平均溫度計算，對比圖3、4可以看出，（1）采暖負(fù)荷較大值主要集中在12月及1月；（2）海拔增加，建筑采暖季的逐時熱負(fù)荷呈現(xiàn)明顯的降低；（3）海拔高度為0m時，建筑設(shè)計熱負(fù)荷為37.15kW，海拔高度增加到2850.7m時，對應(yīng)的設(shè)計熱負(fù)荷為32.04kW，設(shè)計熱負(fù)荷降低了14%，從而可得海拔高度對建筑的設(shè)計負(fù)荷的計算影響較大。

圖3 海拔高度為0m時的逐時熱負(fù)荷

圖4 海拔高度為2850.7m時的逐時熱負(fù)荷

圖5為同一建筑分別位于海拔高度為2850.7m時與0m時，門窗不同氣密性條件下建筑設(shè)計熱負(fù)荷的計算結(jié)果。如圖所示，相同氣密性等級下海拔高度為0m時的設(shè)計熱負(fù)荷明顯高于海拔2850.7m的熱負(fù)荷，兩者熱負(fù)荷差值由氣密性等級為1級時的8.52kW逐漸減小為氣密性等級為8級時的0.57kW，從圖5中可以看出在海拔2850.7m的位置建筑氣密性等級為1級對應(yīng)建筑設(shè)計熱負(fù)荷已達(dá)到海拔高度為0m氣密性等級為3級的大小，其他氣密性等級大多有類似情況，只在氣密性特別好的情形下，海拔高度變化對設(shè)計熱負(fù)荷的影響變得微弱，從而可知高海拔下，氣密性對建筑設(shè)計熱負(fù)荷的影響不如低海拔顯著，所以對于高原地區(qū)單從設(shè)計熱負(fù)荷來看，若建筑節(jié)能在經(jīng)濟(jì)不允許時對外門窗氣密性的要求可適當(dāng)放寬，這同時也能彌補(bǔ)高原地區(qū)空氣稀薄而導(dǎo)致室內(nèi)空氣質(zhì)量不高的情況。

圖5 不同海拔下建筑設(shè)計熱負(fù)荷與氣密性的關(guān)系

3 機(jī)理研究與討論

在工程計算中，當(dāng)海拔高度低于11km時，大氣壓強(qiáng)隨海拔變化的關(guān)系式為：

式中，為海拔高度，m；0為海平面處的大氣壓強(qiáng)，取101.3kPa；為海拔處的大氣壓強(qiáng)，kPa。

根據(jù)道爾頓分壓定律及氣體狀態(tài)方程得到式（3）：

由式3可知，在室外空氣干球溫度一定的情況下，空氣密度與海拔高度呈指數(shù)型關(guān)系，隨著海拔高度的增加而減小；與空氣干球溫度呈反比例關(guān)系。圖6為海拔高度取0～8000m，空氣溫度變化范圍為-25℃～25℃時的空氣密度取值。從圖中可以看出，空氣密度隨著海拔高度的增加而顯著減小；空氣溫度對空氣密度的作用與海拔高度有關(guān)，其影響程度隨著海拔高度的增加而減小。

圖6 海拔高度及空氣干球溫度對空氣密度的影響

圖7 門窗滲透空氣質(zhì)量流量與氣密性關(guān)系

4 結(jié)論

通過本文以松潘地區(qū)為例研究了海拔高度與門窗氣密性對建筑采暖耗熱量及熱負(fù)荷的影響，分別對比了在8個門窗氣密性等級下海拔高度分別取2850.7m、0m的建筑負(fù)荷及耗熱量的情況，可以得出如下結(jié)論：

（1）空氣密度受海拔高度、空氣干球溫度的共同作用，其中海拔高度的變化對空氣密度的影響較為顯著，當(dāng)海拔高度達(dá)到一定高度后，空氣溫度對密度的影響變得十分微小。

（2）通過模擬計算可知，在相同氣密性條件下海拔升高，建筑的采暖設(shè)計熱負(fù)荷將會降低；高海拔下，氣密性對建筑熱負(fù)荷影響不如低海拔顯著。

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Effects of Altitude and Air Tightness of Doors and Windows on Heating Load and its Mechanism

Gao Fei1Long Enshen1,2Xiao Dongtian2Li Haoyue2

( 1.Institute of Disaster Management and Reconstruction, Sichuan University, Chengdu, 610065; 2.College of Architecture and Environment, Sichuan University, Chengdu, 610065 )

Building heating load mainly includes two parts: envelope heat transfer and air infiltration. The change of altitude affects the convection heat transfer coefficient and air density on the surface of building envelope, so the influence of altitude on the heat load of building heating design can't be ignored. In this paper, it is mainly considered that when the altitude increases, the thermal load change of the air infiltration part is analyzed under the same air tightness level of doors and windows. The influence of altitude and air tightness of doors and windows on the heat load of building heating design and its mechanism are revealed through the research on the influence. This study shows that: (1) The heating design heat load of the building will decrease with the increase of altitude; (2)The influence of air tightness of doors and windows on the heat load of building design in high altitude area is not as obvious as that in low altitude area; (3)For high-altitude areas if the economy is not allowed, it can be appropriate to relax the air tightness of windows and doors, and heating design heat load calculation need to consider the impact of altitude. The research results provide a theoretical reference for the determination of the heat load in the heating design of buildings in high altitude areas and the rectification measures related to energy conservation.

Altitude; Air density; Air infiltration; Design heat load

TU241.4/TU831.6/TU834.1

A

1671-6612（2020）01-001-05

國家重點研發(fā)計劃（2016YFC0700400）；國家自然科學(xué)基金（51778382）

高 飛（1993.10-），男，在讀碩士研究生，E-mail：1135472415@qq.com

龍恩深（1964.03-），男，博士，教授，E-mail：longes2@163.com

2019-04-26