夏熱冬冷地區宿舍氣密性提升效果研究

王和琪 柯茂林 唐鳴霄 喻偉

重慶大學土木工程學院

0 引言

隨著綠色建筑的不斷推進，人們正在追求更加舒適的環境，而如何保證建筑舒適性的基礎上實現建筑的節能是一個重要的問題[1-2]。研究表明，門窗損失的能耗在建筑能耗中占比較大[3-4]。夏熱冬冷地區往往對于建筑氣密性要求不是太高，門縫不嚴等漏風問題比較普遍，例如盛子灃指出了上海某高校宿舍門受工藝限制，有較大的門縫間隙，室內外空氣對流，造成了熱量損失[5]。

研究表明[6]冬季供暖時，住宅氣密性降低一個等級供暖能耗增加2%～7%。而且，良好的氣密性有助于提高室內舒適度[7]。目前，國內外大多研究方向均是研究門窗材料及窗戶漏風[8-11]來減少這部分能耗，而很少有對門縫漏風的研究。但對于夏熱冬冷地區來說，例如重慶地區，門縫處的漏風量也會對房間能耗有一定的影響。

因此，本文以重慶某宿舍為例，首先通過測量二氧化碳變化情況得出宿舍氣密性現狀，其次通過對比實驗得到房間舒適性和能耗差異，得出提升房間氣密性后能有效降低能耗并改善房間熱舒適的結論，為宿舍節能改造提供依據。

1 研究方法

1.1 實驗方法及測點布置

研究對象為重慶某宿舍兩個朝向相同，周圍房間參數一致的寢室，實驗房間尺寸均為4.46 m×3.6 m×3.2 m。房間前墻為外墻，后墻及左右墻為內墻。外墻安裝有一扇尺寸為2 m×0.66 m 的陽臺門，空調安裝在前墻3 m 高處。天花板正中間上安裝有1 支熒光燈。本實驗中房間平均溫度，根據《公共建筑室內溫度控制管理辦法》[12]。當室內面積不足16 m2，在室內活動區域中央布測點1 個，由HOBO 溫濕度自記儀測量初始溫度和終止溫度，房間初始二氧化碳濃度和終止二氧化碳濃度由二氧化碳測試儀測量。另外，由于風速衰減較快，為探究門縫處漏風風速造成局部不舒適問題，分別在地面距門縫0 m、0.2 m、0.4 m、0.6 m、0.8 m、1.0 m、1.2 m、1.4 m、1.6 m 處布置五個測點，并用風速儀測量風速。儀器信息見表1，門縫尺寸情況見圖1。

表1 測量儀器信息

圖1 門縫情況

1.2 實驗工況

根據現行《民用建筑供暖通風與空氣調節設計規范》[13]，冬季長期逗留區域室內空氣熱舒適等級Ⅱ級為18～21 ℃，因此本實驗設定溫度為18～21 ℃，滿足Ⅱ級標準要求。為確保實驗的準確，限制夜間時段的人員進出，且測試過程中二氧化碳濃度四小時積累量會達到一限值，因此測試時間設定為四小時。由于兩個房間自身氣密性也存在差異，設置對比工況，工況1 和工況2 測量兩個房間均不加擋板情況下房間四小時前后溫度、二氧化碳濃度，以確定兩房間氣密性的差異。實驗工況為工況3 和工況4，通過兩次實驗的對比可得出房間氣密性及擋板對其影響，見表2。

表2 工況表

1.3 數據分析方法

將所測數據代入方程可得出房間換氣次數，室內換氣次數計算方法如下：

式中：CCO2終為室內二氧化碳終止濃度，kg/m3；CCO2初為室內二氧化碳初始濃度，kg/m3；Q 為門縫出滲入風量，m3；V 為房間體積，m3；τ 為測試時間，h；m 為室內二氧化碳散發量，根據經驗公式[14]，一成年男子二氧化碳散發速率為0.02 m3/h；Cs為室外二氧化碳濃度，kg/m3。

計算漏風能耗方法如下：

式中：Q 為每小時漏風能耗，kJ/h；ρ 為空氣密度，kg/m3；V 為每小時進入房間空氣體積，m3；i室內為室內空氣比焓，kJ/kg；i室外為室外空氣比焓，kJ/kg。

根據《民用建筑室內熱濕環境評價標準》[15]，冷吹風感的局部不滿意率（LPD1）應按式（3）計算：

式中：LPD1為局部不滿意率，%；tal為局部空氣溫度，℃；val為局部平均空氣流速，m/s，若局部平均空氣流速小于0.05 m/s，取0.05 m/s；Tu為局部紊流強度，%。

根據《民用建筑室內熱濕環境評價標準》[15]，當頭和踝部垂直高度之間的空氣溫度差小于8 ℃時，局部不滿意率（LPD2）應按式（4）所示：

式中：LPD2為局部不滿意率，%；Δta，v為頭和踝部之間的垂直空氣溫度差，℃。

為了使實驗結果更加科學，采用Energyplus 對房間能耗進行模擬，并與實測值比較，以確保實測值的可靠性。

2 結果分析

2.1 換氣次數

由于房間本身氣密性存在差異，會對實驗造成一定的影響。因此，首先在兩房間均不加擋板情況下（即工況1 和工況2）測試兩房間氣密性。之后為進一步確定門縫處漏風的實際情況，進行對比實驗（即工況3 和工況4）。得出數據如表3 所示。

表3 四工況對比情況

據測試數據計算可得，房間1 漏風量為24 m3，換氣次數為0.47 h-1。房間2 漏風量為20 m3，換氣次數為0.39 h-1。在房間1 加裝擋板改造后，房間氣密性顯著提升，通過實測數據可以看出房間1 漏風量從原來的24 m3下降至15 m3，換氣次數為0.29 h-1。而在相同的測試時間段里，房間2 的漏風量基本未變，仍然為20 m3，換氣次數為0.39 h-1。由此可見，加裝擋板對宿舍氣密性改善起到了良好的效果。

2.2 熱損失

根據表3 中所測數據，未加擋板情況下，可計算出每小時換氣量，進而計算出每小時滲透風負荷。提升房間氣密性后，可計算每小時進入門縫的冷風能耗及提升氣密性前后節約滲透風帶來的熱損失，見表4。

表4 房間加擋板前后熱損失變化

2.3 舒適度

門縫處漏風不僅會導致靠近門縫處一定范圍內存在吹風感問題，還會影響地面溫度，進而影響頭足溫差為了探究門縫漏風造成的吹風感，影響選取了一次有代表性的測量數據。風速如圖2 所示，溫度如表5所示。根據風速和溫度可計算出各測點局部不滿意率，見表6。

圖2 房間各測點距門縫距離與風速關系

表5 房間1 室內中央溫度

表6 不同距離下不滿意率

由表6 比較各測點數據看出，在門縫較大情況下，距離門縫越遠，不滿意率越低。在門縫出添加擋板提升氣密性后，局部不滿意率降低。因此，氣密性的提升不僅降低房間熱損失，且有助于降低局部不滿意率，對房間舒適度提升有較大作用。

門縫處的漏風會降低地面溫度，提高室內工作區處的頭足溫差，進而引起不舒適。在未加擋板時，四小時后房間頭足溫差Δta，v為6.88 ℃，而加擋板四小時后頭足溫差變為5.1 ℃，頭足溫差顯著下降。經過計算，未加擋板房間頭足溫差不滿意率為53.23%，加擋板后房間頭足溫差不滿意率為19.87%。

由此，在門縫處添加擋板能有效減少頭足溫差，提高室內舒適度。

2.4 Energyplus 模擬驗證

由于實測存在一定局限性，通過模擬分析也得出了相應結果。實驗研究為房間陽臺門，模擬時認為房間大門處于無風無陽光環境，除去兩扇門所在的墻，其余四面墻均假設與之相臨房間無人。計算時運用陰影計算，內表面對流傳熱，外表面對流傳熱及熱平衡算法，限定空調開啟為1 月1 日至1 月25 日每天18：00-24：00，設定換氣次數為0.4 h-1，無新風引入。實驗所測時間為1 月17 和1 月18 兩日，測量時間為20：00-24：00，實驗與模擬結果對比如表7 所示。

表7 空調功耗模擬值與實測值比較

由模擬結果與實測計算可得，實驗工況計算空調節約的耗熱量與模擬計算空調能耗趨勢一致，但由于實驗工況下計算得到的熱損與模擬計算得到的能耗之間本身存在差異，且宿舍空調使用時間較久，效率會大大降低，導致實際情況與模擬結果差值較大。

3 結論與展望

本文研究的宿舍是20 世紀90 年代建筑，氣密性等級較低，加擋板使氣密性等級提升，降低房間熱損失，節約能耗，有效改善宿舍熱環境，為宿舍節能改造提供了可行的策略。

由于測試時間和設備的局限性，測試數據不夠精確，導致實驗本身存在一定的局限。而且，門縫處添加擋板會導致房間氣密性降低，可能會使室內新風量不足，使得室內空氣不新鮮，影響舒適度。因此，在今后的研究中，需合理的引入新風，彌補新風不足的問題。