093 提高建筑气密性适应性研究.docx

提高建筑气密性适应性研究彭琛 燕达 周欣 胡姗(清华大学 建筑技术科学系，北京 100084)摘要：本文采用模拟与理论分析的方法，分析了提高建筑围护结构气密性的适应性。结合通风设计与节能要求，研究发现在北方寒冷地区，提高建筑门窗气密性能有效的减少渗风带来的采暖能耗，当气密性提高到一定程度，需要采用机械通风保证室内通风设计要求，风机能耗随着通风量增加而增大；而在上海地区，为保障1次/小时的通风需求，提高气密性同时需要采用机械通风，增加了风机能耗，不利于节能。采用热回收能够降低能耗，达到节能的目的。在应用过程中，需要结合设计要求与经济性合理确定建筑气密性。关键词：气密性 采暖能耗 机械通风 热回收1. 前言建筑物的空气渗透主要来自底层大门、外门窗和外围护结构中不严密的孔洞。从我国目前大多数建筑的特点来看，建筑墙体气密性好，而外窗气密性很差，尤其是普通住宅建筑外窗质量更差，大量采用钢窗和木窗，空气渗透耗能量大大超过了外窗传热耗热量。我国东北地区，广泛使用的木外窗气密性能很差，缝隙宽度达1.52.0mm以上很常见，其渗风量是气密性好的外窗渗风量的数倍甚至数十倍，其耗能量也成倍增加1。对需要采暖的地区，冬季室内外温差大，冷风渗透造成热量损失，增加了采暖能耗需求。提高气密性能够减少热量散失，降低采暖需要的能耗，对于建筑节能有重要的意义；而夏季室内外温差小，渗风带来的空调负荷所占总负荷比例很小，提高气密性对于减少空调能耗作用不大；过渡季可以利用自然通风调节室内环境时，高气密性反而不利于通风，采用自然通风更有利于节能。因此，这里主要分析提高气密性对冬季采暖负荷的影响。提高围护结构气密性，冬季可以减少冷空气渗透到室内，减少热损失，能够有效的降低采暖能耗。因此，有人认为提高建筑气密性即可降低能耗，应该大力推广高气密性能材料和构造。越来越多的提高气密性的措施投入到新建建筑的应用中。然而，提高气密性将会影响进入室内的新风渗透量，不利于室内空气品质。为了保证室内通风换气量要求，加入机械通风成为解决的一种技术方法，而这种做法势必增加风机能耗。提高气密性的做法是否有利于节能，成为一个十分重要的问题。2. 相关研究调研2.1 提高气密性的节能作用有研究认为在风压和热压的作用下，气密性是保证建筑外窗保温性能稳定的重要控制性指标2：外窗的气密性能直接关系到外窗的冷风渗透热损失，气密性能等级越高，热损失越小。一般窗缝渗透量约为4.5m3/(m·h)，属于1级3；若采用3级窗，可减少房间冷风渗透热损失的40；若采用4级窗，可减少这项能耗的6070%：若采用5级窗，则可减少能耗的80之多。若施工时窗框和窗洞之间密封良好，冷风渗透热损失决定于窗的气密性等级。在华北地区，典型多层住宅通过门窗缝隙的空气渗透热损失约占23%，加强窗户的气密性是节约采暖能源的关键环节4。有研究还建议将外门窗的传热系数与空气渗透导致的热损失综合考虑，评价门窗的实际保温效能5 。有研究分析了宁波地区提高气密性对建筑全年能耗的影响，模型建筑换气次数从1次·h-1 减小到0.1次·h-1，即外窗气密性从2级增大到5级，全年空调能耗不变，全年采暖能耗减小77，全年耗电量减小15。提高外窗气密性对减少居住建筑全年耗电量效果较显著，因此减少建筑物空气渗透量能耗是建筑节能的一个重要方面6。Potter等研究英国办公建筑，发现减少63%的空气渗透量，每年可以降低300MJ/采暖能耗7。Steven J Emmerich等研究美国的办公建筑，提高气密性，使得渗风量从0.17次·h-10.26次·h-1减少到0.02次·h-10.05次·h-1时，可以节约40%的燃气和25%的用电量8。提高外门窗气密性对减少冬季采暖，节约采暖能耗有明显的效果。2.2 提高气密性与机械通风近年来随着建筑技术的发展，住宅的气密性能有了较大的提高。随着人们生活方式的改变，空调的日益普及，门窗的密闭性能的提高，以及装修建材的大量应用，单靠自然通风方法远不能满足人们对空气品质的要求，尤其是对空调季节门窗紧闭的住宅。采用有组织的通风换气来维持良好的室内空气品质显得越来越必要9。芬兰国家技术研究中心VTT建筑技术研究所进行的一项低能耗建筑物研发项目10，认为气密性好的外围护结构是确保通风系统和热回收装置运行并进行有效控制的必要条件，通过提高建筑的气密性和利用热回收装置，较大幅度地降低了采暖能耗，从而降低了建筑运行的总能耗。Carey Simonson研究了芬兰住宅建筑，采用机械通风与热回收效率对节能影响，发现节能量与热回收效率有密切关系，当热回收效率为70%，50%和0%时，每增加0.1次·h-1的通风量时，能耗将分别增加2.7，4.5和9.2 kWh/( a)；而0.5次·h-1的换气次数下，每提高10%的热回收效率减少3.3 kWh/( a)能耗11。本文主要关注的两个问题是：提高建筑门窗的气密性的节能效果；保证室内换气量使用机械通风时，进行热回收节能效果。3. 提高气密性的影响及解决措施3.1 提高气密性的影响针对目前我国建筑特点，提高气密性主要加强外门、外窗的气密措施。新的国标 5将建筑外门、外窗性能分级及检测方法标准合一，将压力差为10 Pa时的单位开启缝长空气渗透量q1，和单位面积空气渗透量q2作为分级指标值，分级级别越高，建筑外门窗气密性能指标值越低，即气密性能越好，分级指标见表1。表1 国标GB/T 7106-2008建筑外门窗气密性能分级分级q1/m³·（m·h）-1q2/m³·（·h）-114.0q13.512.0q210.523.5q13.010.5q29.033.0q12.59.0q27.542.5q12.07.5q26.052.0q11.56.0q24.561.5q11.04.5q23.071.0q10.53.0q21.58q10.5q21.5分级指标q1和q2分别反映了气密性等级与外门窗开启缝长及面积的关系，不同等级的气密性能的空气渗透量可以根据标准规定的指标值进行理论计算。下面选用一个示例对不同的气密性能条件下，渗风量大小的差异进行分析。图1 居住建筑该层平面共有4户居民，每户居民外窗窗墙比约为0.31。根据图中所示的窗户大小，采用分级指标q2对每户通过外窗的渗风量进行计算，得到每户渗风的换气次数与气密性等级的关系如下图：图2 气密性等级与换气次数关系图中各个等级开始点为该等级分级上界，即等级1渗风换气次数计算采用q2的值为12(m³·（·h）-1)。从图中看出，当气密性达到5级是，通过外窗渗风的换气次数已不足0.5次/h。提高气密性能，对减少渗风量作用是很明显的，但这也带来了一个很明显的问题进入室内的新风减小，不能满足室内通风要求。室内空气经过空调系统的处理可以保证室内人员对热舒适要求，但如果没有新风的保证，人长期处于密闭的环境中，缺少足够的氧气，容易产生胸闷、头晕、头痛等一系列病状，形成“病态建筑综合症”。通风能在一定程度上利用较干净的室外新风排除室内污染物，有利于室内空气品质的改善。为实现通风要求，各国对建筑的最小通风换气量都有明确的要求。夏热冬冷地区居住建筑节能设计标准中要求住宅换气次数至少为 1 次/ h，北京地区住宅换气次数为0.5次/h，日本对新建住宅的通风换气次数强制达到0.5次/h以上，美国ASHRAE1191998也有相关的标准。提高气密性减少了通风换气，影响室内空气品质，需要采取有效措施，以满足换气次数要求。3.2解决措施为了保证室内空气质量，建筑通风从机理上可分为两种：自然通风和机械通风。自然通风是指利用自然的手段（热压、风压等）来促使空气流动而进行的通风换气方式。通过围护结构的渗风是自然通风的一部分，气密性差的建筑，渗风量大，其自然通风条件相对较好。机械通风是指利用机械手段（风机、风扇等）产生压力差来实现空气流动的方式。与自然通风相比，可控制性强，可以通过调整风口大小、风量等因素来调节室内的气流分布，从而达到比较满意的效果。高气密性建筑在采用机械通风的同时，可以采用热回收装置，对新风进行预冷或预热，但机械通风需要耗费风机能耗。从前面的示例看，气密性差的建筑，通过围护结构的渗风基本可以满足人们对新风的需求，一般无需采用机械通风，不需要消耗动力。而建筑为了保持其高气密性，围护结构特别是外窗往往采用很好的密封材料，甚至限制其开启，难以实现自然通风。因此，高气密性建筑往往需要采用机械通风作为改善室内空气品质的手段。气密性高的建筑，减少了渗风带来的负荷，对于采暖需求高的地区，节能效果十分明显。而为了保证通风要求，此类建筑需要采用机械通风，增加了风机能耗。实际能否产生节能的作用，需要进行具体分析。4. 提高气密性对建筑节能的效果分析提高建筑气密性，能够减少由渗风带入的冷量或热量，节省处理这部分负荷的能量。由于温差明显，渗风对冬季采暖能耗造成的影响十分明显；而对夏季影响要小得多。这里主要分析提高气密性后，冬季能耗的变化情况。4.1 提高气密性的节能效果新标准将外门窗气密性能分为8个等级，随着气密性等级的提高，渗风量逐渐减小。下面将通过模拟计算的手段，分析提高气密性对哈尔滨、北京、上海三个城市的住宅建筑冬季采暖能耗的影响。得到在不同气密性等级情况下不同城市的耗热量如下图：图3 提高气密性的节能效果由上图可以看出，提高气密性对节能有明显的影响。哈尔滨地区节能量最大，气密性从1级提高到8级，即换气次数从0.94次/h减少到0.12次/h时，每年每户节能近3500kWh。上海地区的节能量也非常明显，节能率超过80%。实际建筑不能单从节能简单考虑，为了保证换气次数的要求，在提高气密性的同时，需要加入机械通风，下面分析采用机械通风的情况。4.2 考虑机械通风的节能效果为了保证室内空气品质，及人员对新风的要求，哈尔滨和北京地区建筑最小换气次数为0.5次/h，上海地区建筑最小换气次数为1次/h。当换气次数低于最小值时，需要采取机械通风，此时，需要加入风机电耗。模型采用图1所示的住宅建筑，分析其中一户典型居民冬季能耗随气密性变化情况，得到三个地区的计算结果如下：图4 哈尔滨住宅建筑户居民冬季能耗图5 北京住宅建筑户居民冬季能耗图6 上海住宅建筑某户居民冬季能耗随着气密性提高，哈尔滨地区采暖能耗降低。当达到5级时，由于渗风量最低换气次数要求，不足的部分通过机械通风补充，需要处理的新风量不能再减少，采暖能耗不再随气密性提高而降低。此时需要风机进行机械通风，且随着气密性提高，风机能耗增加。哈尔滨地区采暖季长，采暖需求大，风机能耗远小于采暖能耗，其增加对整体能耗的影响不大。北京地区较哈尔滨冬季采暖能耗小很多，随着气密性提高，采暖能耗减小，为了保证0.5次/h换气次数，在气密性到5级时，需要加入机械通风。与哈尔滨相比，机械通风的增加对能耗增加影响比较明显。北京地区更需要合理的选择气密性等级，并采取一定的节能措施以降低能耗。上海地区规定最低换气次数为1次/h，门窗气密性1级时，渗风换气次数已低于此值，需要采取机械通风。随着气密性的提高，能耗逐渐增大。如果不采取热回收措施，对于上海地区而言，提高气密性反而增加了风机能耗，不能达到节能的目的。综上，为了保证最小换气次数，采取机械通风会不同程度的增加能耗。而由于其可控制性，采取热回收能够节省一定能耗，需要进一步分析机械通风时进行热回收节能效果。4.3 加入热回收的节能效果采用热回收需要增加相应的设备，增大初投资，有研究6专门分析了不同地区采用热回收装置的节能效果和经济性，指出冬、夏和过渡季节的运行时间直接影响整个系统的节能效果，北方地区冬季漫长且室内外温差较大，过渡季节相对较短，风机能耗较小，热回收系统更适用于冬季较长的北方地区。考虑到经济性方面，从整体上看，热回收装置的投资回收期随纬度的增加呈减少趋势，北方地区较为合适。这里主要分析采用热回收后，不同气密性建筑的能耗情况。根据文献提供的全年静态热回收率计算，得到哈尔滨、北京和上海住宅建筑采用热回收后，能耗分布情况，现总结如下：图7 哈尔滨住宅采用热回收后冬季能耗图8 北京住宅采用热回收后的冬季能耗图9 上海住宅采用热回收后的冬季能耗在热回收效率为60%情况下，哈尔滨住宅采用热回收后冬季能耗明显下降。风机能耗在总能耗中所占比例很小，即风机产生的能耗增加对总能耗影响很小；在北京，建筑采用高气密性等级的围护结构的同时对机械通风加以热回收处理，可以大幅度降低采暖能耗，同时风机能耗在总体能耗中所占比例也处于较为合理的水平；上海地区建筑有所下降，而风机能耗在总能耗中的比重很大。随着气密性等级的增大，风机能耗占总能耗的比重上升，当气密性为4级时，总能耗不降反而增加。随着气密性等级的增大，总能耗下降的幅度降低，而设备投资、建筑投资却随着气密性等级的增大而增大。工程运用中，应该根据实际情况进一步进行经济性分析，得出最优的方案，从节能和经济性角度，综合考虑提高气密性的适用性。5. 结论本文探讨了建筑气密性的适用性问题，以哈尔滨、北京、上海三个城市为例，研究了采用不同气密性等级对建筑能耗的影响情况。得到以下结论：1. 满足换气次数要求情况下，在哈尔滨、北京等冬季室外温度较低的北方城市，采用气密性等级较高的围护结构对节约建筑冬季采暖能耗有较好的影响。当气密性过高，为保证最小换气次数，额外增加了风机能耗。2. 对于上海地区，为了保证最小换气次数，提高围护结构的气密性等级后需要增大机械通风量，增加了风机能耗，使冬季总体建筑能耗增加。3. 采用热回收后，北方地区建筑冬季能耗显著下降，风机能耗在总能耗中所占比例很小，提高气密性有很好的节能效果；在上海地区，建筑能耗随着围护结构气密性等级升高而下降，风机能耗明显增大，占总能耗比例可超过50%，节能效果不如北方地区建筑明显。4. 在设计围护结构的气密性等级时，应从材料投资、设备投资、建筑能耗等多方面综合分析考虑，得到最优的选择方案。参考文献1 高甫生，李立群. 外窗密闭性对寒冷地区建筑能耗的影响J. 暖通空调，1998，4（28）：11-132 班广生. 大型公共建筑围护结构节能改造的几项关键技术J. 建筑技术， 2009，4（40）：294-3003 GB/T 71072002，建筑外窗气密性能分级及检测方法S.4 张金玲. 北方采暖地区既有居住建筑窗体节能改造措施J. 山西建筑，2009，30（35）：238-239 5 刘正权，刘海波，董人文，王娜. 建筑外门窗气密性及空气渗透热损失对实际保温效果的影响J.门窗，2009，5：25-286 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