曹依蕾 任 瑋 劉 寅 李 歡

（1.中原工學(xué)院，河南 鄭州 450007；2.鄭州華潤(rùn)燃?xì)夤煞萦邢薰荆幽?鄭州 450000；3.鄭州海格經(jīng)緯信息技術(shù)有限公司，河南 鄭州 450000）

0 引言

發(fā)展被動(dòng)式超低能耗建筑已成為全球建筑節(jié)能領(lǐng)域的趨勢(shì)， 并且大多數(shù)國(guó)家即將以法令強(qiáng)制推動(dòng)。中國(guó)已經(jīng)累積了十分豐富的被動(dòng)式超低能耗建筑技術(shù)經(jīng)驗(yàn)， 國(guó)內(nèi)整個(gè)被動(dòng)式超低能耗建筑已覆蓋到14個(gè)省、 自治區(qū)、 直轄市， 也編制了國(guó)標(biāo)GB/T 51350-2019《近零能耗建筑技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》[1]，標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定嚴(yán)寒和寒冷地區(qū)的公共建筑，氣密性指標(biāo)規(guī)定在室內(nèi)外壓差為50 Pa 時(shí)，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(wú)要求，不同地區(qū)被動(dòng)式超低能耗建筑的氣密性還有待進(jìn)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(dòng)式超低能耗建筑指標(biāo)為限制依據(jù)，對(duì)被動(dòng)式公共建筑氣密性指標(biāo)進(jìn)行研究， 證明氣密性對(duì)被動(dòng)式建筑的重要性，為寒冷地區(qū)建造被動(dòng)式超低能耗建筑提供理論參考。

1 國(guó)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(hù)結(jié)構(gòu)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(fù)荷的25%～50%[2]。

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

Ernmerich 等[5]研究了換氣次數(shù)對(duì)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?xì)夂牧繙p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(duì)濕度降低，溫度升高，墻體結(jié)露發(fā)霉的風(fēng)險(xiǎn)降低的結(jié)論。 建議自然通風(fēng)策略下建筑氣密性N50≤3.0 次h-1； 機(jī)械通風(fēng)策略下建筑氣密性N50≤1.0次h-1。

張孝鼎[7]用DeST 軟件對(duì)夏熱冬冷地區(qū)進(jìn)行分析，結(jié)果表明，氣密性從1 級(jí)提高到8 級(jí)時(shí)，采暖季累計(jì)負(fù)荷降低51.5%；過渡季熱負(fù)荷降低但冷負(fù)荷卻呈現(xiàn)升高的趨勢(shì)；氣密性每提高一級(jí)，年累計(jì)負(fù)荷降幅7%左右。

通過分析國(guó)內(nèi)外對(duì)于建筑氣密性的研究成果，可以看出我國(guó)針對(duì)氣密性對(duì)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(duì)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(duì)象

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

研究對(duì)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(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》DBJ41/T 075—2016 進(jìn)行節(jié)能設(shè)計(jì)，建筑內(nèi)部功能主要有會(huì)議、辦公、住宿和餐飲等。

3 建筑模型建構(gòu)

采用三維建模軟件SketchUp 進(jìn)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(guó)氣象局采集的實(shí)測(cè)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(wú)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(diǎn)為-40℃，氣密性為8 級(jí)，傳熱系數(shù)為0.8 W/（m2·K）。

4 模擬結(jié)果

4.1 氣密性對(duì)自然室溫、相對(duì)濕度的影響

4.1.1 采暖季

從圖中可以看出，N50≤1.0h-1時(shí)，建筑氣密性改變時(shí)導(dǎo)致自然室溫變化顯著。 當(dāng)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(dá)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(duì)濕度與人員在室率有關(guān)，以12 月14 日工作日為例，1.2次h-1＜N50≤0.6 次h-1時(shí)，提高建筑氣密性對(duì)室內(nèi)濕度的影響較??；N50≤0.6 次h-1時(shí)， 提高建筑氣密性對(duì)室內(nèi)濕度的影響較大。此種影響對(duì)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(dòng)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(duì)濕度

4.1.2 制冷季

當(dāng)換氣次數(shù)從1.2 次h-1降低至1.0 次h-1， 室內(nèi)無(wú)人員時(shí)，室內(nèi)相對(duì)濕度降低了3.6%；當(dāng)換氣次數(shù)從0.6 次h-1降低至0.4 次h-1， 室內(nèi)相對(duì)濕度降低了8.3%。對(duì)于自然室溫，由于室內(nèi)熱擾的存在，提高建筑氣密性會(huì)導(dǎo)致人員、照明、設(shè)備散熱無(wú)法向室外散失，因此夏季在不采取空調(diào)通風(fēng)措施的情況下，溫度要高于室外溫度。 因此在制冷季，過度強(qiáng)調(diào)建筑氣密性在一定程度上對(duì)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(dāng)換氣次數(shù)為0.4 次h-1時(shí)，室內(nèi)平均自然溫度為26.8℃，已超過了被動(dòng)式住宅舒適度區(qū)間的溫度上限26℃。 N50=0.2 次h-1時(shí)，不開窗通風(fēng)的情況下，室內(nèi)相對(duì)濕度超出了被動(dòng)式超低能耗建筑相對(duì)濕度指標(biāo)60%。 因此，在過渡性的季節(jié)，我們?cè)趶?qiáng)調(diào)氣密性的同時(shí)，也要充分利用自然通風(fēng)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(duì)濕度

4.2 氣密性對(duì)冷熱負(fù)荷的影響

4.2.1 過渡季

對(duì)建筑模型在不同氣密性條件下的建筑能耗進(jìn)行模擬計(jì)算，結(jié)果如圖7 所示，單位年能耗為負(fù)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(dāng)換氣次數(shù)由1.2 次h-1提高到1.0 次h-1時(shí)，累計(jì)耗冷量的增加量為2.0 kW·h/m2，累計(jì)總能耗的增加量為0.3 kW·h/m2， 當(dāng)換氣次數(shù)由0.8 次h-1提高到0.6 次h-1時(shí)，累計(jì)耗冷量的增加量為2.49 kW·h/m2， 累計(jì)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(shí)，累計(jì)耗冷量的增加量為2.6 kW·h/m2， 累計(jì)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(duì)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(dāng)建筑換氣次數(shù)由1.2 次h-1提高到1.0 次h-1時(shí)，累計(jì)耗熱量降低了2.7 kW·h/m2，累計(jì)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(shí)， 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(shí)，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(shí)，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(shí)，總能耗降低了27.9%。 因此從節(jié)能角度看， 對(duì)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(huì)造成建筑增量成本的增高，因此認(rèn)為氣密性能使建筑能耗達(dá)到超低能耗建筑能耗指標(biāo)就認(rèn)為該氣密性是合理的。

圖8 冬夏季能耗變化圖

5 結(jié)語(yǔ)

（1）對(duì)采暖季而言，氣密性高有助于達(dá)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(duì)于制冷季，建筑氣密性提升對(duì)于室內(nèi)舒適度反而不利；對(duì)于過渡季，當(dāng)換氣次數(shù)降低為0.4 次h-1時(shí)， 室內(nèi)平均自然溫度已超過了被動(dòng)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(duì)于過渡季節(jié)的累計(jì)耗熱量會(huì)越小，而累計(jì)耗冷量會(huì)越來(lái)越大，總能耗增大；對(duì)于冬夏季累計(jì)耗熱量、耗冷量均有所減小，總能耗減小。 因此對(duì)于過渡季不應(yīng)過多強(qiáng)調(diào)氣密性，而對(duì)于采暖季和制冷季建筑氣密性越高越好。