門窗氣密性與農村住宅能耗及經濟性關系模擬分析

張晗，聶金哲，龐宇馨

（北京建筑大學，供熱、供燃氣、通風及空調工程北京市重點實驗室，北京 100044）

0 引言

建筑氣密性是影響建筑整體能耗的重要因素之一。室內外的空氣通過建筑物門窗的縫隙可以直接進行交換。在采暖季節或空調季節，由于室內外存在一定的溫度和濕度差，空氣滲透將會增加采暖負荷或空調負荷。在冬季，室外空氣通過滲透進入室內，會帶來冷風滲透負荷，從而顯著增加采暖能耗，并影響室內熱舒適度。而在夏熱冬暖地區的夏季室外空氣的滲透會增加制冷能耗。據統計數據表明[1]，我國寒冷地區住宅建筑的冬季采暖總能耗大約有73%～77%是由圍護結構引起的，建筑節能優化應注重圍護結構保溫隔熱以及氣密性的提升。建筑門窗是圍護結構空氣滲透的重點部位，我國既有建筑尤其是農村住宅中的門窗因為質量或安裝規范問題存在氣密性不夠好，從而導致室內熱舒適度差，維持同等的室內熱舒適度則需要較高的能耗。近幾年，我國已經對北方地區既有居住建筑進行了大量的節能改造，建筑外墻、門窗、屋面等圍護結構的保溫性能逐步提高，已經有效地降低了建筑外圍護結構傳熱引起的能耗。聶金哲等[2]研究表明，針對我國北方地區，采用不同的圍護結構保溫隔熱性能改造方案后，可降低建筑累積熱負荷31.7%～58.7%，降低建筑累積冷負荷3.2%～30.2%，并顯著減少CO2、SO2、NOx和煙塵的排放量，從而提升建筑的節能減排效果。但是在節能改造過程中，我國建筑尤其是農村住宅建筑圍護結構氣密性水平較發達國家或地區還不夠高，建筑的氣密性改造往往容易被忽視。在建筑的總熱負荷中由空氣滲透引起的熱損失可占到25%～50%[3]。可見，因空氣滲透引起的能耗在建筑供暖和空調能耗中所占比例較高，提高建筑整體氣密性能夠有效減少冷熱損失，降低供暖空調能耗并提升室內熱舒適度，對建筑節能和居民生活環境改善有重要意義。

1 國內外對氣密性影響的研究

Jokisalo 等[4]根據數值模擬測算，在嚴寒氣候情況下，典型的芬蘭獨立式住宅中冷風滲透所形成的采暖能耗占了建筑采暖能耗的15%～30%。汪靜等[5]的研究表明，在我國夏熱冬冷地區，當建筑換氣次數從3.5 次/h 降低到0.5 次/h 時，建筑的能耗降低了72.7%，節能效果非常顯著，提高建筑整體氣密性是降低建筑能耗的有效手段之一。付衡等[6]對南京地區住宅建筑的圍護結構能耗占比進行了研究，結果表明，通風滲透是影響全年采暖空調能耗的主要因素，能耗比例達到39.48%～41.00%，而通風滲透主要是由外窗帶來的。王夢偉等[7]的研究指出，嚴寒、寒冷和夏熱冬冷地區同類型建筑的空調和采暖能耗都會隨著換氣次數的增加而增加，對嚴寒地區的采暖能耗影響更大。通過圍護結構進入建筑的空氣滲透除了會對建筑的冷熱負荷產生影響外，也會影響建筑圍護結構中的水分聚集和建筑室內的空氣質量[8]。潘振等[9]對圍護結構氣密性與建筑能耗關系進行了理論分析，并針對實際建筑外窗冷風滲透所帶來的能耗研究了相應的測試方法和開發了測試設備。

隨著我國對建筑節能的逐漸重視，建筑整體的氣密性也在不斷提高。但我國住宅目前以自然通風為主，需要平衡建筑氣密性所產生的節能和室內空氣品質之間的關系，達到降低建筑能耗提升室內空氣品質的最優化目標[10]。在滿足室內最小新風量需求的前提下，適當地提高建筑門窗氣密性并采用自然通風的方式，比追求最高的氣密性且采用機械通風加熱回收的通風方式更節能，建筑門窗采用剛好滿足通風需求的氣密性等級并采用自然通風時，亦可實現相對較低的空調采暖能耗[11]。沈帆[12]選取武漢地區的一棟政府辦公大樓作為研究的基準建筑，研究窗戶特性對建筑空調負荷及經濟性的影響表明，窗戶的氣密性等級增大1 級，相應的建筑空調負荷約減小2%。

在以上建筑氣密性與建筑能耗關系的文獻調研基礎上，本文以正在進行“煤改清潔能源”改造的華北農村地區住宅建筑為研究對象，通過建筑能耗模擬軟件DeST-h 模擬分析了不同外窗氣密性能對建筑能耗的影響，并結合經濟分析，給出了適用于我國華北農村地區住宅節能優化的外窗類型。

2 能耗分析模型建立與設置

實際影響建筑能耗的因素非常復雜，采用實驗的方法對于測量某一時刻或某一段時間的建筑能耗較為準確，但是對于分析某一因素對建筑能耗的影響則受到其它因素的干擾而變得不易控制，實驗需要的時間也過長。為分析外窗氣密性對建筑能耗的影響，采用軟件模擬的方式可以定量地分析某一因素對結果產生的影響。本文采用DeST-h 軟件對北京農村地區住宅建筑氣密性與建筑能耗的關系進行模擬。

2.1 居住建筑模型的建立

本文首先選取了一棟典型的北京某農村住宅作為研究對象，并建立能耗分析模型，該典型農村住宅的一二層平面如圖1所示，一層和二層的DeST 圖如圖2所示。該住宅朝向為正南，建筑層高3 m，圍護結構熱工參數參照GB/T 50824—2013《農村居住建筑節能設計標準》的各項要求確定，具體參數見表1 和表2。

圖1 農村住宅一層和二層平面

圖2 農村住宅一層和二層DeST 模型平面

表1 圍護結構不透明部分的做法及傳熱系數

表2 圍護結構透明部分的做法及傳熱系數

2.2 模擬工況

根據GB/T 7106—2008《建筑外門窗氣密、水密、抗風壓性能分級及檢測方法》，氣密性能采用了在標準狀態下壓力差為10 Pa 時的單位開啟縫長空氣滲透量q1和單位面積空氣滲透量q2作為分級指標。分級指標q1和q2的值如表3所示。

表3 單位開啟縫長空氣滲透量q1 和單位面積空氣滲透量q2 分級指標

空氣滲透量分級指標可通過式（1）、式（2）換算為門窗所在房間的換氣次數：

式中：N——換氣次數，次/h；

q1——外窗單位開啟縫長空氣滲透量，m3/（m·h）；

q2——外窗單位面積空氣滲透量，m3/（m2·h）；

L——外窗縫隙長度，m；

S——外窗面積，m2；

V——室內空間體積，m3。

本文主要通過模擬計算所選取農村住宅全年累計熱負荷、累計冷負荷這2 個結果指標來研究氣密性對建筑能耗的影響，并分別對采暖季和空調季2 個時間段進行分析。同時對比了室內有無內熱擾（散熱量）的情況下氣密性對建筑能耗的影響規律。值得指出的是，提高建筑的氣密性會影響室內的新風滲透量，為了改善這一問題而加入機械通風勢必會增加風機能耗。但農村住宅建筑通常對室內換氣次數或室內二氧化碳濃度沒有實時控制的需求，所以本次模擬過程中僅研究改變圍護結構氣密性對農村地區住宅能耗的影響，不考慮由于建筑氣密性提高導致的室內通風換氣量變化帶來的額外機械通風的能耗。而在經濟性分析上，則選取1 級氣密等級的外窗作為基準，以其它氣密等級外窗的投資增量和節能量計算投資回收期的形式進行分析。

3 試驗結果與分析

3.1 氣密性與換氣次數的關系

根據單位面積外窗空氣滲透量q2分級指標即式（2）計算出每個房間的換氣次數，得出各個房間的換氣次數隨氣密性等級的變化如表4所示。

表4 各個房間不同氣密性下的換氣次數

3.2 建筑累計冷熱負荷隨氣密性的變化

在建筑中，室外冷（熱）空氣滲透量會隨著氣密性的升高而減少，其帶來的能源消耗也隨之減少，這樣就降低了建筑在采暖季的熱負荷和在空調季的冷負荷。圖3 為不同氣密等級情況下建筑的全年累計冷熱負荷。

圖3 門窗不同氣密性等級下建筑的累計冷熱負荷

由圖3 可以看出，空調季和采暖季的累計冷（熱）負荷都隨著氣密性的提升而減小。由于采暖季的室內外溫差明顯高于空調季的室內外溫差，隨著氣密性等級的增加，建筑累計熱負荷的下降幅度較累計冷負荷相比明顯要大。當氣密性等級從1 級增加到8 級時，采暖季的累計熱負荷從10611.47 kW·h 降低到5352.19 kW·h，建筑的采暖熱負荷減少了49.6%，空調季的累計冷負荷從8227.82 kW·h 降低到7726.73 kW·h，建筑的冷負荷減少了6.1%。窗戶的氣密性提高到了5 級以后，全年的累計冷負荷已經超過了全年的累計熱負荷。因此可知，提高建筑的氣密性后，建筑的整體冷熱負荷都有所降低，對建筑采暖季的節能效果更明顯。

3.3 室內熱擾對門窗氣密性與建筑能耗關系的影響

圖3 所分析的計算結果是在考慮室內人員、燈光、設備等室內熱擾的情況下進行模擬分析的，該部分室內熱擾在冬季熱負荷計算過程中通常會被考慮為有利因素。而在住宅建筑實際使用過程中下，無以上熱擾時也會將建筑室內溫度控制在舒適范圍。因此，在圖3 的基礎上，對在建筑室內在有無內熱擾工況下累計冷熱負荷隨氣密等級的變化情況進行了模擬分析。圖4、圖5 分別給出了不同氣密性等級下、室內有無熱擾（室內人員、燈光、設備所散發的熱量）情況下的累計冷熱負荷的變化。

圖4 門窗不同氣密性等級下建筑有無內熱擾時的累計熱負荷

圖5 門窗不同氣密性等級下建筑有無內熱擾時的累計冷負荷

由圖4、圖5 可見，在采暖季工況下，圍護結構氣密性從1級提高到8 級時，無熱擾情況下，采暖季累計熱負荷從13528.45 kW·h 降低到8199.12 kW·h，建筑的采暖能耗減少了39.4%，隨氣密等級升高的降低幅度較有內熱擾時稍低。空調季的累計冷負荷從5571.98 kW·h 降低到3720.96 kW·h，建筑的能耗減少了33.2%，相比有熱擾時的降低幅度要明顯升高。室內熱擾會帶來一定的熱量，在冬季為有利因素，而在夏季則形成冷負荷，所以在無熱擾時，建筑的累計熱負荷增加，累計冷負荷減小。

全年累計總負荷隨門窗氣密性的變化如圖6所示。

圖6 有內熱擾工況下全年累計負荷與氣密性的關系

由圖6 可以看出，隨著圍護結構的氣密性從1 級增加到8 級時，全年累計負荷隨之降低，從18839.49 kW·h 降低到12692.85 kW·h，能耗減少了32.6%。與圖3 相同的是，隨門窗氣密等級的提升，熱負荷降低的幅度要明顯高于冷負荷的降低幅度。

提高建筑氣密性可減小室內外的空氣滲透量，有效地降低空氣滲透引起的供暖或空調負荷。但增大建筑圍護結構的氣密性的同時，會影響建筑的新風滲透量。根據計算結果顯示，當氣密性增加到8 級時，各個房間的換氣次數僅為0.08～0.20 次/h，參考歐洲國家的標準，室內的換氣次數下限一般為0.50 次/h。此時的自然滲透新風量不能夠達到健康需求的換氣次數。而室內新風量不足時，會對人體健康產生不利影響。所以為了保證人體健康，當建筑的空氣滲透量無法達到室內的新風需求時，就需要采用開窗自然通風或者機械通風的形式引入新風。此時，盡管減小了空氣滲透帶來的熱損失，但是同時建筑室內又增加了通風需求，帶來了通風的能耗。在本文所分析的典型建筑中，由于各房間的體積和門窗面積不同，換氣次數在同一門窗氣密等級下亦有所不同，若實現建筑整體在門窗滲透工況下的0.50 次/h，則門窗的氣密性應在5 級。

4 經濟性分析

在對圍護結構進行節能改造的過程中，可以采用節能隔熱性能更優的材料。而在針對圍護結構氣密性方面，可以對窗戶做出相應的窗框更換、密封材料優化、施工工藝提高等措施。經濟性上則從圍護結構的初始投資，節能量的多少以及回收期的長短等一些數據來評價氣密性等級優化的優劣。本文通過引入投資增量、節能量、冷熱價與靜態投資回收期的概念來對圍護結構氣密性的改造進行經濟性分析。

4.1 冷熱價的計算方法

冷價即為在空調期由空調系統所產生的每千瓦時冷負荷所花費的電費。熱價即為在采暖期由采暖系統所產生的每千瓦時熱負荷所花費的電費。根據相關的調研，北京農村地區采用峰谷電價政策，峰段（07：00～21：00）的電價為0.4883 元/kW·h，谷段（21：00～次日07：00）的電價為0.30 元/kW·h。北京農村地區多數現已實施煤改電項目，本文以采用空氣源熱泵作為熱源，分體空調作為冷源進行分析。取空氣源熱泵機組冬季供暖工況下的COP為2.1。空調系統在夏季供冷情況下的COP為3.1。

在采暖季時，采暖系統的熱價計算如式（3）、式（4）、式（5）所示[12]。

式中：COP1——制熱性能系數；

Q1——采暖季累計總熱負荷，kW·h；

F1——采暖季所用的電費，元；

X——采暖季所耗電量，kW·h；

A——電價，元/kW·h；

P1——采暖季熱價，元/kW·h。

在供冷季時，空調系統的冷價計算如式（6）、式（7）、式（8）所示。

式中：COP2——制冷性能系數；

Q2——供冷季累計總冷負荷，kW·h；

F2——供冷季所用的電費，元；

Y——供冷季所耗電量，kW·h；

P2——供冷季冷價，元/（kW·h）。

4.2 節能量的計算方法

外窗的節能量是對建筑的窗戶進行不同氣密等級優化后全年累計冷熱負荷相比窗戶改造前所減少的差值。在本文中采用不同氣密等級外窗情況下的建筑全年累計冷熱負荷相比1 級氣密性外窗情況下所減少的量值作為冷熱節能量。全年節省的電費按式（9）計算。不同氣密性圍護結構全年累計節省電費見表5。

式中：F3——全年累計節省的電費，元；

Q3——建筑全年累計節省的熱負荷，kW·h；

Q4——建筑全年累計節省的冷負荷，kW·h。

表5 不同氣密性圍護結構全年累計節省電費

4.3 靜態回收投資期的計算方法

為了更好地分析出哪一種氣密等級外窗在經濟性上更適用于節能優化，引入了靜態投資回收期的概念。分別比較不同氣密性窗戶靜態投資回收期時間的長短。投資增量越小且節能量越多，靜態投資回收期越短的窗戶越經濟。

靜態投資回收期的經濟含義為以項目的凈收益，回收其全部投資增量所需要的時間（一般從項目建設開始算起）。對窗戶進行改造的靜態投資回收期的簡化公式計算如式（10）。同等級氣密性窗戶的投資增量回收期見表6。

式中：Tr——投資回收期，年；

K——投資金額增量，元；

F3——全年節省的電費，元。

表6 不同等級氣密性窗戶的投資增量回收期

4.4 不同氣密性外窗經濟性分析

在只考慮圍護結構氣密性的情況下，比較各個氣密等級外窗的節能量和投資回收期，回收期越短的氣密性等級圍護結構越經濟。從表5、表6 可以得出：

（1）隨著建筑外窗的氣密性等級的增加，建筑全年節省的電費也逐漸增多，在不考慮建筑加裝機械通風裝置，并且經濟條件較好的住宅中，對建筑的外窗采用氣密性等級越高的外窗進行改造，越可降低由建筑的圍護結構帶來的能耗。

（2）投資增量回收期在外窗氣密等級1～5 級范圍內隨著氣密性的提升而降低，而投資增量回收期在外窗氣密等級5～8 級范圍內隨著氣密性的提升有所增加。在只考慮圍護結構氣密性的情況下，5～6 級氣密性的圍護結構靜態投資回收期最短，最經濟。由以上的計算結果，并結合室內自然滲透換氣次數0.50 次/h 的需求，建議將門窗氣密等級控制在5 級。

5 結論

（1）通過建筑圍護結構進入建筑內部的空氣滲透對建筑的總能耗有很大的影響。提高建筑門窗的整體氣密性，可減小室內外的空氣滲透量，有效地降低空氣滲透引起的供暖或空調負荷，降低建筑能耗，對建筑節能有重要意義。但同時增大建筑圍護結構的氣密性，會影響建筑的新風滲透量。

（2）當外窗氣密性等級從1 級增加到8 級時，采暖季建筑的采暖能耗減少了49.6%，空調季建筑的能耗減少了6.1%。在只考慮圍護結構氣密性的情況下，提高建筑的氣密性對采暖季的節能效果更明顯。

（3）綜合考慮建筑節能、室內自然滲透通風換氣次數以及經濟性的情況下，建議將門窗氣密等級控制在5 級。而以建筑節能為重，室內換氣次數可通過其他方式保證且經濟條件較好的情況下，可考慮采用最高氣密等級8 級的門窗。