建筑气密性对低能耗办公建筑能耗影响的分析

清华大学  路菲 杨旭东  中国建筑科学研究院  邹瑜

       【摘  要】气密性是影响建筑能耗的重要因素，提高建筑气密性对建筑节能具有重要意义。然而，提高建筑气密性会减少进入室内的新风渗透量，增加室内空气品质恶化的危险，人们追求更好的室内空气品质需要采用通风策略。本文针对某低能耗办公建筑进行了模拟计算，分析了不同气候区、不同通风策略下，建筑气密性对建筑采暖空调和总能耗的影响，并对该低能耗建筑外窗气密性和通风模式进行了优化。

       【关键词】 低能耗办公建筑 建筑气密性 建筑能耗 

Abstract:Air tightness is an important factor affecting the building energy consumption. Improving building air tightness is of great importance to building energy efficiency. However, improving the airtightness will reduce the infiltration of air entering the room, increasing the risk of deterioration of IAQ. The pursuit of a better indoor environment will result in more energy consumption. There is a coupling relationship among air tightness, IAQ and the energy consumption. In this paper, we simulated the energy consumption of a low energy office building. We analyzed the effects of air tightness on building heating, air conditioning and total energy consumption under different climate zones and different ventilation strategies. We also optimized the airtightness and ventilation mode of the external windows.
Keywords:Low-energy office buildings, air tightness, energy consumption

0 前言

       建筑能耗作为能源消耗的重要部分,对于节能减排有重要影响，发展低能耗建筑是建筑节能的必然趋势。当前低能耗建筑主要通过增强围护结构性能、提高建筑气密性等手段来满足相关节能要求。建筑气密性是影响建筑能耗的重要因素，是指建筑围护结构抵抗空气从自然缝隙渗入、渗出的能力，通常以特定压差下通过建筑围护结构自然缝隙的空气量表示。建筑的空气渗透主要来自门窗、外围护结构不严密的洞口及缝隙，渗透进入室内的新风在一定程度上会满足室内的卫生要求，但由于室内外温差，空气渗透将增加采暖或空调能耗^[1]。提高气密性将会减少进入室内的新风渗透量，降低采暖和空调能耗，但不利于过渡季通风散热，甚至会增加过渡季空调需求。过高的气密性会造成污染物在室内积聚,增加了室内空气品质恶化的危险,对人体健康和工作效率带来不利影响^[2]。为了保证室内通风换气量要求，需要采用自然通风或机械通风等通风策略，通风策略的选择对建筑能耗有很大影响^[3]。通风策略是否合理，不断提高建筑气密性是否节能，成为十分重要的问题。

       有学者针对居住建筑气密性对建筑采暖空调能耗的影响进行了研究。周燕等人分析了外窗气密性对宁波某居住建筑全年能耗的影响，但是没有考虑建筑通风需求^[4]。彭琛等人结合建筑通风需求，研究了气密性对建筑采暖能耗的影响，但是未模拟空调能耗的变化^[5]。丰晓航等人在不同气密性条件不同通风模式下，分析了某居住建筑供暖空调能耗，得到了适用于该模型的气密性和通风模式的优化解^[6]。王梦伟等人模拟了某办公建筑在不同气候区，气密性对采暖空调能耗的影响，但没有考虑建筑的通风需求^[7]。国内外缺乏结合建筑通风需求分析气密性对办公建筑采暖空调能耗的影响。此外，建筑气密性对采暖空调能耗的影响因地区、通风策略、建筑类型、建筑体形、门窗墙比等因素而异，有必要研究气密性对低能耗办公建筑采暖空调能耗的影响。本文针对某低能耗办公建筑进行了模拟计算，分析了不同气候区、不同通风策略下，建筑气密性对建筑采暖空调能耗的影响，并对该低能耗建筑外窗气密性和通风模式进行了优化。

1 气密性要求及渗风换气次数

       1.1 国内建筑气密性要求

       GB/T7106-2008《建筑外门窗气密、水密、抗风压性能分级及检测方法》对外门窗的气密性等级进行了划分,将外窗气密性等级分为8级。该标准采用压力差为l0Pa时单位缝长渗透量与单位面积渗透量作为分级指标^[8]，分级指标如下表。

       为了减少建筑冷风渗透耗热量，我国先后颁布的多项建筑节能标准中均对外门窗的气密性等级进行了要求。GB500189-2015《公共建筑节能设计标准》中规定：10层及以上建筑外窗气密性不应低于7级；10层及以下建筑外窗气密性不应低于6级；严寒和寒冷地区外门的气密性不应低于4级^[9]。
我国尚没有针对建筑整体气密性的标准。室内换气次数影响人体健康，在满足健康需求、没有其它通风措施的前提下，0.5h-1通常被作为换气次数的下限^[10]。

       1.2 渗风换气次数

       低能耗建筑会进行建筑气密性设计，外墙等进行了密封处理，建筑外门窗是主要渗透部位。GB/T7106-2008《建筑外门窗气密、水密、抗风压性能分级机检测方法》给出了不同气密性等级外门窗渗透风量，将不同气密性等级的外门窗渗透风量折合成相应的换气次数，渗风换气次数按如下公式计算：

       n=(q₂S)/V

       式中：n—换气次数，次/ h； q₂—窗户单位面积渗透风量，m³/(m²∙h)；S—窗户面积，m²； V—房间体积，m³。

2 模型及工况设计

       2.1 模型及参数

       本文以北京某近零能耗办公建筑作为基准建筑建模，分析门窗气密性对办公建筑采暖空调能耗的影响。该建筑南北朝向、共4层、面积为4025 m²，。一层主要是门厅、会议室、办公室；二层主要为会议室、办公室；三层为办公室；四层为会议室、办公室。本文利用DeST对该低能耗办公建筑进行动态能耗模拟，建筑模型建模如图1所示。

       该建筑基本信息汇总见表2，围护结构的热工参数见表3。

       北京地区采暖季为11月15日~3月15日，空调季为6月1日~8月30日。哈尔滨地区采暖季为10月15日~4月15日，空调季为6月1日~8月30日。冷源热源为太阳能集热系统和地源热泵系统，制冷COP为5.38，采暖COP为4.18。其它参数设置见表4：

       2.2 渗透换气次数

       GB/T7106-2008《建筑外门窗气密、水密、抗风压性能分级机检测方法》给出了不同气密性等级外门窗渗透风量，将不同气密性等级的外门窗渗透风量折合成相应的换气次数。渗透换气次数计算结果见下表：

       室内换气次数影响人体健康，在满足健康需求、没有其它通风措施的前提下，0.5h^-1通常被作为换气次数的下限。由上表得出，该模型外窗气密性等级大于1级时，由于门窗渗透引起的换气次数小于0.5h^-1。当门窗气密性等级大于1级时需要采用其它通风措施。

       2.3 工况设计

       办公建筑室内人员需要一定新风量。建筑气密性较差时，通过空气渗透即可满足新风需求，但空气渗透会引起冷热负荷；建筑气密性高时，只依靠空气渗透不能满足新风需求，这时需要适当开窗通风或引入机械通风。为了模拟该低能耗建筑在不同气候区、不同通风模式下，气密性对采暖空调负荷的影响。本文考虑严寒、寒冷2个气候区，以哈尔滨、北京为代表城市，利用当地气象参数进行计算。通风模式设置如下表6所示。

       其中工况3全年自然通风，通风换气次数在一定波动范围内取值使得室内温度适宜。最小值按外窗关闭时的空气渗漏量确定(根据外窗气密性换算得到)，最大值为窗户全开时通风换气次数(设为10次/h)。工况4采暖季机械通风+其他季节自然通风，冬季门窗渗透无法满足新风需求时采用机械通风，夏季和过渡季充分利用自然通风，换气次数取值方法同工况3。

3 模拟结果分析

       全年空气自然渗透、全年采用机械通风、充分利用自然通风、采暖季机械通风+其他季节自然通风四种通风模式下，该低能耗建筑在北京、哈尔滨地区的采暖空调能耗和总能耗随门窗气密性变化情况见图2、图3。 

       （注：各气密性等级下，每列柱状图从左到右通风模式依次是：全年空气自然渗透、全年采用机械通风、充分利用自然通风、采暖季机械通风+其他季节自然通风）

       （注：各气密性等级下，每列柱状图从左到右通风模式依次是：全年空气自然渗透、全年采用机械通风、充分利用自然通风、采暖季机械通风+其他季节自然通风）

       北京地区四种通风模式下，气密性对建筑采暖空调能耗影响的模拟结果如下。（1）全年空气渗透：随着气密性增加，采暖能耗逐渐降低、空调能耗逐渐增加、总能耗先降低再增加。气密性大于1级后，渗透换气次数小于0.5次/h。空调能耗的增加是由于气密性增加，该低能耗办公建筑内热无法散出，增大了夏季和过渡季节供冷需求。外窗气密性为5级时总能耗最小，外窗气密性大于5级后，空调能耗的增加量大于采暖能耗的降低量，总能耗反而增加。（2）全年机械通风：气密性大于1级时采用机械通风，随着气密性的增加，采暖能耗、空调能耗逐渐降低，风机能耗增加，总能耗增加。气密性等于2级时，渗透换气次数为0.466h^-1，机械通风风机能耗低，总能耗最低。（3）全年自然通风：随着气密性增加，采暖能耗、空调能耗、总能耗逐渐降低。因此，外窗气密性增加至最大等级8级，充分利用自然通风更利于节能，但当室外环境不宜自然通风时无法保证室内空气环境。（4）采暖季机械通风+其他季节自然通风：随着气密性增加，采暖能耗、空调能耗逐渐降低，风机能耗逐渐增大，总能耗先降低后增加，气密性等级为6级时总能耗最低。综上， 冬季采用机械通风（有热回收）+其他季节充分利用自然通风模式既能保证室内换气次数要求又有利于节能，但要根据建筑选择合理的气密性。

       哈尔滨地区四种通风模式下，气密性对建筑采暖空调能耗影响的模拟结果如下。（1）全年空气渗透：随着气密性增加，采暖能耗逐渐降低、空调能耗逐渐增加、总能耗逐渐降低。空调能耗的增加是由于气密性增加，该低能耗办公建筑内部热量积聚，增大了夏季和过渡季节供冷需求。（2）全年机械通风：气密性大于1级采用机械通风，随着气密性的增加，采暖能耗、空调能耗逐渐降低，风机能耗增加，总能耗逐渐降低。全年采用机械通风时，外窗气密性应增加到8级，此时总能耗最低。（3）全年自然通风：随着气密性增加，采暖能耗、空调能耗、总能耗逐渐降低。外窗气密性增加至最大值，并充分利用自然通风更利于节能。（4）采暖季机械通风+其他季节自然通风：随着气密性增加，采暖能耗、空调能耗和总能耗逐渐降低。综上，四种通风模式下，随着气密性增加建筑采暖空调总能耗均降低，而采暖季机械通风+其他季节自然通风的模式能保证室内换气次数。因此外窗气密性为8级，采暖季机械通风（有热回收）+其他季节自然通风的模式最有利。

       北京和哈尔滨地区模拟结果得到：（1）四种工况的总能耗：全年机械通风>全年空气渗透>从采暖季机械通风+其他季节自然通风>全年自然通风。（2）全年机械通风工况与全年空气自然渗透工况相比，采暖能耗高，空调能耗低（换气次数增加降低了夏季、过渡季供冷需求），风机能耗高，总能耗高。（3）全年充分利用自然通风工况，采暖、空调、总能耗均最低。但冬季室外环境不适宜自然通风时，仅靠空气渗透无法满足室内新风需求。（4）冬季机械通风+其他季节自然通风的工况，采暖、空调、风机和总能耗比较低，且能保证室内新风需求，是该低能耗办公建筑在北京和哈尔滨地区通风模式的最优选择。

4 总结

       北京和哈尔滨地区，四种工况总能耗：全年机械通风>全年空气渗透>采暖季机械通风+其他季节自然通风>全年自然通风。而全年空气渗透和全年自然通风模式，存在无法满足室内新风需求量的情况。因此在北京和哈尔滨地区最佳通风模式为：采暖季机械通风+其他季节自然通风，该策略下既能满足室内人员新风需求又有利于节能。

       随着气密性增加，该低能耗办公建筑采暖空调能耗变化趋势因气候区、通风模式而异。北京、哈尔滨地区，不同通风策略下采暖空调能耗随气密性增加的变化规律及总能耗最低值对应气密性等级整理如表7、表8。

       该低能耗建筑在北京、哈尔滨地区最佳通风策略是：采暖季机械通风（有热回收）+其它季节在自然通风，既保证建筑新风需求又节能。该通风模式下，北京地区最优外门窗气密性等级为6级，哈尔滨地区最优外门窗气密性等级为8级，此时总能耗最低。 

参考文献

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       [7] 王梦伟, 秦堃, 龙恩深等. 围护结构的气密性对办公建筑能耗影响的分析[J]. 制冷与空调：四川, 2016, 30(3):345-349
       [8] 中国建筑科学研究院.GB/T7106-2008.建筑外门窗、水密、抗风压性能及检测方法[S].北京:中国标准出版社2009
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       [10] Dimitroulopoulou C. Ventilation in European dwellings: A review [J]. Building & Environment, 2012, 47(1):109-125

       备注：本文收录于第21届暖通空调制冷学术年会（2018年10月23～27日，中国·三门峡）论文集。版权归论文作者所有,任何形式转载请联系作者。