超低能耗建筑氣密性研究

曹依蕾 任 瑋 劉 寅 李 歡

（1.中原工學院，河南 鄭州 450007；2.鄭州華潤燃氣股份有限公司，河南 鄭州 450000；3.鄭州海格經(jīng)緯信息技術有限公司，河南 鄭州 450000）

0 引言

發(fā)展被動式超低能耗建筑已成為全球建筑節(jié)能領域的趨勢， 并且大多數(shù)國家即將以法令強制推動。中國已經(jīng)累積了十分豐富的被動式超低能耗建筑技術經(jīng)驗， 國內(nèi)整個被動式超低能耗建筑已覆蓋到14個省、 自治區(qū)、 直轄市， 也編制了國標GB/T 51350-2019《近零能耗建筑技術標準》[1]，標準中規(guī)定嚴寒和寒冷地區(qū)的公共建筑，氣密性指標規(guī)定在室內(nèi)外壓差為50 Pa 時，換氣次數(shù)為N50≤1.0 次h-1，夏熱冬冷及夏熱冬暖地區(qū)及溫和地區(qū)甚至無要求，不同地區(qū)被動式超低能耗建筑的氣密性還有待進一步考證和研究。

本文立足于寒冷地區(qū)的氣候條件，以被動式超低能耗建筑指標為限制依據(jù)，對被動式公共建筑氣密性指標進行研究， 證明氣密性對被動式建筑的重要性，為寒冷地區(qū)建造被動式超低能耗建筑提供理論參考。

1 國內(nèi)外氣密性研究現(xiàn)狀

普通建筑的熱損失一方面是通過圍護結構保溫性能不足向外散失，另一方面是通過建筑門窗洞口等氣密性不足的縫隙造成損失，有研究表明，這部分通過空氣滲透所引起的熱量損失占建筑熱負荷的25%～50%[2]。

Caffey[3]通過研究提出建筑40%的冷熱負荷由空氣滲透引起，而Persily[4]提出這一比例應為33%，氣密性差將導致建筑冷熱負荷增大。

Ernmerich 等[5]研究了換氣次數(shù)對能耗的影響，將某一辦公建筑的換氣次數(shù)從0.17～0.26 次h-1降低至0.02～0.05 次h-1，發(fā)現(xiàn)燃氣耗量減少了40%，耗電量降低25%。

路菲[6]研究得出夏熱冬暖地區(qū)提高建筑的氣密性，室內(nèi)絕對濕度降低，溫度升高，墻體結露發(fā)霉的風險降低的結論。 建議自然通風策略下建筑氣密性N50≤3.0 次h-1； 機械通風策略下建筑氣密性N50≤1.0次h-1。

張孝鼎[7]用DeST 軟件對夏熱冬冷地區(qū)進行分析，結果表明，氣密性從1 級提高到8 級時，采暖季累計負荷降低51.5%；過渡季熱負荷降低但冷負荷卻呈現(xiàn)升高的趨勢；氣密性每提高一級，年累計負荷降幅7%左右。

通過分析國內(nèi)外對于建筑氣密性的研究成果，可以看出我國針對氣密性對建筑能耗影響研究以夏熱冬暖及夏熱冬冷地區(qū)居多，而對于寒冷地區(qū)超低能耗建筑氣密性的研究較少。

2 研究方法及對象

本文采用理論分析、模擬分析相結合的方法，針對寒冷地區(qū)被動式超低能耗建筑氣密性進行研究， 選取寒冷地區(qū)某被動式超低能耗建筑，使用Energy Plus 能耗模擬分析軟件按照被動式各項參數(shù)建立數(shù)字模型，分析氣密性對自然室溫和冷熱負荷的影響， 以便對寒冷地區(qū)建超低能耗建筑指標選擇上做到有的放矢。

研究對象為寒冷地區(qū)某超低能耗辦公建筑，該建筑共三層，建筑面積約為1 515 m2。 該建筑按照《河南省公共建筑節(jié)能設計標準》DBJ41/T 075—2016 進行節(jié)能設計，建筑內(nèi)部功能主要有會議、辦公、住宿和餐飲等。

3 建筑模型建構

采用三維建模軟件SketchUp 進行物理三維建模，用插件Open Studio 賦予熱工屬性。 本次模擬室外氣象參數(shù)選用中國氣象局采集的實測數(shù)據(jù)。 外墻保溫采用150 mm 厚的石墨聚苯板，綜合傳熱系數(shù)為0.21 W/（m2·K）； 內(nèi)墻綜合傳熱系數(shù)為0.84 W/（m2·K）；上人屋面綜合傳熱系數(shù)為0.211 W/（m2·K），非上人屋面綜合傳熱系數(shù)為0.213 W/（m2·K）；本建筑地面無保溫措施，綜合傳熱系數(shù)為4.15 W/（m2·K）。本建筑外門窗均采用鋁包木Low-e（6+12A+6+12A+6）三層玻璃兩層中空玻璃窗，中空玻璃露點為-40℃，氣密性為8 級，傳熱系數(shù)為0.8 W/（m2·K）。

4 模擬結果

4.1 氣密性對自然室溫、相對濕度的影響

4.1.1 采暖季

從圖中可以看出，N50≤1.0h-1時，建筑氣密性改變時導致自然室溫變化顯著。 當換氣次數(shù)從1.0 次h-1降低至0.2 次h-1，室內(nèi)平均自然室溫從12.7℃增加到20.4℃，N50=0.2 次h-1平均室溫就可達到規(guī)范要求冬季室內(nèi)溫度≥20℃，處于熱舒適范圍內(nèi)。 室內(nèi)相對濕度與人員在室率有關，以12 月14 日工作日為例，1.2次h-1＜N50≤0.6 次h-1時，提高建筑氣密性對室內(nèi)濕度的影響較小；N50≤0.6 次h-1時， 提高建筑氣密性對室內(nèi)濕度的影響較大。此種影響對于采暖季使得室內(nèi)熱舒適性有所提高，通過提升建筑氣密性可以減少部分主動采暖與加濕。

圖1 12 月份室內(nèi)溫度

圖2 12 月份室內(nèi)相對濕度

4.1.2 制冷季

當換氣次數(shù)從1.2 次h-1降低至1.0 次h-1， 室內(nèi)無人員時，室內(nèi)相對濕度降低了3.6%；當換氣次數(shù)從0.6 次h-1降低至0.4 次h-1， 室內(nèi)相對濕度降低了8.3%。對于自然室溫，由于室內(nèi)熱擾的存在，提高建筑氣密性會導致人員、照明、設備散熱無法向室外散失，因此夏季在不采取空調(diào)通風措施的情況下，溫度要高于室外溫度。 因此在制冷季，過度強調(diào)建筑氣密性在一定程度上對室內(nèi)熱舒適度反而不利。

圖3 7 月份室內(nèi)溫度

4.1.3 過渡季

氣密性從1.2 次h-1提升至0.2 次h-1， 室外平均溫度為15.7℃的情況下， 室內(nèi)平均自然室溫分別為21.9℃、22.7℃、25.0℃、26.8℃、29.6℃。 當換氣次數(shù)為0.4 次h-1時，室內(nèi)平均自然溫度為26.8℃，已超過了被動式住宅舒適度區(qū)間的溫度上限26℃。 N50=0.2 次h-1時，不開窗通風的情況下，室內(nèi)相對濕度超出了被動式超低能耗建筑相對濕度指標60%。 因此，在過渡性的季節(jié)，我們在強調(diào)氣密性的同時，也要充分利用自然通風創(chuàng)造一種更好的室內(nèi)熱濕環(huán)境。

圖4 7 月份室內(nèi)相對濕度

4.2 氣密性對冷熱負荷的影響

4.2.1 過渡季

對建筑模型在不同氣密性條件下的建筑能耗進行模擬計算，結果如圖7 所示，單位年能耗為負代表能耗降低量，為正則代表能耗增加量。

圖5 10 月份室內(nèi)溫度

由圖可知，建筑氣密性室內(nèi)耗熱量雖然降低，但降低幅度小于耗冷量的增大幅度， 總能耗隨氣密性的提升增大。 當換氣次數(shù)由1.2 次h-1提高到1.0 次h-1時，累計耗冷量的增加量為2.0 kW·h/m2，累計總能耗的增加量為0.3 kW·h/m2， 當換氣次數(shù)由0.8 次h-1提高到0.6 次h-1時，累計耗冷量的增加量為2.49 kW·h/m2， 累計總能耗的增加量為0.93 kW·h/m2，氣次數(shù)由0.6 次h-1提高到0.4 次h-1時，累計耗冷量的增加量為2.6 kW·h/m2， 累計總能耗的增加量為1.3 kW·h/m2，說明建筑的氣密性越高，在過渡季所損失的能耗越多。

圖6 10 月份室內(nèi)相對濕度

圖7 過渡季能耗變化圖

4.2.2 冬夏季

供暖季單位年耗熱量、空調(diào)季單位年耗冷量變化情況如圖8 所示。

由圖可知， 當建筑換氣次數(shù)由1.2 次h-1提高到1.0 次h-1時，累計耗熱量降低了2.7 kW·h/m2，累計耗冷量降低了0.3 kW·h/m2，總能耗降低了6.1%。 換氣次數(shù)由1.2 次h-1提高到0.8 次h-1時， 總能耗降低了11.9%； 換氣次數(shù)由1.2 次h-1提高到0.6 次h-1時，總能耗降低了17.4%； 換氣次數(shù)由1.2 次h-1提高到0.4次h-1時，總能耗降低了22.6%；換氣次數(shù)由1.2 次h-1提高到0.2 次h-1時，總能耗降低了27.9%。 因此從節(jié)能角度看， 對于采暖季和制冷季建筑氣密性越高越好。但通常提高建筑氣密性會造成建筑增量成本的增高，因此認為氣密性能使建筑能耗達到超低能耗建筑能耗指標就認為該氣密性是合理的。

圖8 冬夏季能耗變化圖

5 結語

（1）對采暖季而言，氣密性高有助于達到室內(nèi)溫濕度要求，換氣次數(shù)從1.2 次h-1降低至0.6 次h-1，自然室溫大幅度升高；而對于制冷季，建筑氣密性提升對于室內(nèi)舒適度反而不利；對于過渡季，當換氣次數(shù)降低為0.4 次h-1時， 室內(nèi)平均自然溫度已超過了被動式住宅舒適度區(qū)間的溫度上限26℃。

（2）建筑氣密性的提升，對于過渡季節(jié)的累計耗熱量會越小，而累計耗冷量會越來越大，總能耗增大；對于冬夏季累計耗熱量、耗冷量均有所減小，總能耗減小。 因此對于過渡季不應過多強調(diào)氣密性，而對于采暖季和制冷季建筑氣密性越高越好。