建筑节能性能对室内环境影响评估

■ 高喜红 Gao Xihong

建筑能耗的一大部分是用来改善和维持室内热舒适状况，人平均90% 的时间在室内度过[1]，室内舒适状况对人体的身心健康、舒适感和工作效率都会产生显著影响。目前，建筑节能性能会影响到建筑的能耗已经受到普遍的认可，但建筑节能性能对室内环境的影响极少被关注。本文借助HEED（Home Energy Efficient Design）软件建造计算机模型及数据，探究节能性能对建筑室内环境的影响。

以我国南方某城市一个建筑面积为120m2的未达到节能标准的三室一厅住宅为例，位于6层单元楼的中间某层（选取处于建筑的底层或顶层的住宅，因有热量从建筑的地板或屋顶流失，对计算的影响更多,故选择中间层），无外露的屋顶及地板，正南北向，不使用太阳能。若将其改造为以下3种建筑：刚达到节能标准的建筑、达到高节能标准的建筑以及达到高节能标准且利用太阳能的建筑，现比较其改造后室内环境质量有何变化。

1 概念介绍

1.1 HEED

HEED（Home Energy Efficient Design）家庭节能设计,是一个房屋设计节能软件。HEED使用程序最初称为太阳能5,是一种热分析计算内核。它使用1h热平衡方法，使用标准ASHRAE（American Society of Heating, Refrigerating and Air Conditioning Engineers）算法计算在1年内的8 760h每小时的热平衡：麦基和赖特延时和衰减因子法计算通过不透明的墙壁热量,热流的导纳因子法计算内部热量,加州能源委员会的ACM法来计算地下室的性能。为发现每小时热平衡，使用逐次逼近法来计算室内空气温度。HEED100%通过了可运行、可用于测量加热和冷却的案例测试，是一个可以信任和应用的软件[2]。

1.2 LEED

LEED是leadership in Energy Environmental Design 的简称，由美国于2000年提出，是一个关于绿色建筑认证和评估的标准。LEED引起了全球范围的绿色建筑运动，它关注建筑设计、建造、维护和运营全过程，如今它已经成为全球公认的绿色建筑评价体系，每天都有140 000m2的建筑注册LEED[3]。

LEED分为5个范畴，室内环境质量（Indoor Environmental Quality）为其中一类，其目的在于为建筑提供健康舒适的工作和生活环境。室内空气质量、室内热舒适、室内采光质量为室内环境质量中的前三点。

本文以该未达到节能标准的建筑为基础，统计、测量及运用计算机建造模型，得出其年平均数值，并比较若将其进行节能改造，会对室内环境质量产生哪些影响。

2 室内温度

这里所研究的室内温度，其前提条件为自然条件下的室内空气温度，即不使用加热或制冷设备。通过测量及数据统计，得出该城市的年平均温度。为在本模型更好体现温度的细微变化，采用华氏度（℉）为单位。该地理位置的年平均温度为：最高温度88.01℉，最低气温45.01℉，年平均温差为43℉。最高气温出现于6～10月的中午～下午。高温持续时间最长的月份为7月份，时间段为10∶00～18∶00。最低气温出现于11月～次年4月初及4～5月、10～11月的部分时间，时间段主要为22∶00～10∶00。夏季最高气温持续时间较冬季最低气温持续时间短。而人体的最舒适温度在夏季低于冬季(图1)。

通过测量、数据统计及使用HEED软件，得出该未达到节能标准建筑的室内年平均温度，其年最高温度为75℉，最低温度为60.70℉，温差为14.3℉。7～9月的时间，最高气温为75℉，最低69.28℉。最低气温出现于11月～次年4月，为60.7℉，时间段为4∶00～8∶00。

通过HEED得知，如将其改造为刚达到节能标准的建筑，其年最高温度为75℉，最低温度为67.60℉，温差为7.4℉。最低气温出现于11月～次年3月，为67.60℉，时间段为5∶00～8∶00，年最低气温持续时间少于未达到节能标准的建筑。

如将其改造为高节能标准的建筑，其年最高温度为74.87℉，出现于冬季；最低温度为69.90℉，出现于夏季，温差为4.97℉。7～9月的夏季时间，最高气温为73.88℉，最低69.90℉并为年最低气温，热舒适性优良。最高气温出现于10月～次年6月，为74.87℉并为年最高温度。在10月～次年6月这几个月份内，最低气温为71.89℉，但只有非常短租的时间，大多数时间的温度为72.88～74.87℉。

高节能标准的建筑与以上两个建筑室内温度的显著不同之处为其年最低气温出现于夏季，年最高气温出现于冬季，表现为冬暖夏凉。此外，高节能标准建筑其室内温度的年平均温差较前两者建筑小，室内年平均温度稳定，热舒适性优良。

利用太阳能的高节能标准的建筑其室内平均温度与高节能标准的建筑相近，其年最低气温出现于夏季，年最高气温出现于冬季，亦表现为冬暖夏凉。其最大差别为其12月～次年6月的高温时间较不利用太阳能的高节能标准的建筑短。据分析应为相同的节能性能，不利用太阳能的建筑使用煤气比利用太阳能的建筑多，而煤气的使用会产生热量，从而产生了不利用太阳能的建筑12月～次年6月的高温时间比利用太阳能的建筑时间长的现象。

由模型及以上分析亦可知，节能性能好的建筑，其室内热舒适性并不绝对在任何情况下优于节能性能不好的建筑。在6～7月天气刚开始炎热的时候，未到达节能标准的建筑，其室内热舒适性反而优于刚达到节能标准的建筑。据分析，该情况的出现是由于未到达节能标准的建筑因其在冬季及春季室内气温一直较低，在天气刚开始转热的时候，室内的寒冷会抵消一部分热气，因此室内热舒适性在这段时间反而优于刚达到节能标准的建筑。但未到达节能标准的建筑其冬季室内最低气温低于刚达到节能标准的建筑，并表现为低温时间长，所以其冬季的室内热舒适性低于刚达到节能标准的建筑。高节能标准的建筑其室内热舒适性明显优于刚达到节能标准的建筑。夏季没有最高气温的出现，并具有相当长的低温时间；冬季也没有最低气温的出现，并表现为稳定的室内温度状态。此外，其年平均温差仅为未达到节能标准的建筑的年平均温差的1/3左右。

3 空气交换速度

空气交换速度指的是一个空间每小时换空气的次数。为了集中研究4种建筑的空气渗透大小，采用比较其通过渗透的空气交换速度的方法。空气渗透是指非设计的室外空气进入室内，主要是通过建筑缝隙或开关门。空气渗透是影响建筑能耗的重要因素之一。空气渗透越严重，建筑的能量损失越多，能耗越高。一个典型的美国住宅，约有1/3的暖通空调能量由空气渗透造成[4]。由于空气渗透对建筑不利，所以一般在设计中会将空气渗透降低到最小。除了增加建能耗外，空气渗透也会使人产生不舒适感，影响室内环境质量。灰尘的倾入，夏季热气的倾入和冬季冷风的灌入均会降低室内的环境质量。

文中的室内空气交换条件为：所有的窗户和门都处于关闭状态，所以没有自然通风；且没有热舒适的风扇或空调，只有通过从缝隙（如们、窗缝隙）或其它原因的空气渗透。因此，在此条件下，空气交换速度越快，说明空气渗透越严重，对室内温度、舒适度、空气质量的影响也越大；相反，空气交换速度越慢，说明空气渗透越微弱，对室内温度、舒适度、空气质量的影响也越小。

事实上，该未达到节能标准建筑当其改造为刚达到节能标准建筑后，其室内空气交换速度只有微小差异(图2)。在6月中下旬～8月中下旬的12∶00～17∶00，空气交换速度为整年中最大值，说明热气从室外渗透至室内达到最大值。从5月中下旬～11月早11∶00～19∶00，空气交换速度为整年中第二大值，说明亦有大量热气从室外渗入。11月～次年2月的冬季，空气交换速度为整年中第二大值，说明大量的冷气从室外渗透至室内，此时的冷气渗透值为全年最大。而从5～8月的早6∶00～10∶00，8～9月中旬的凌晨12∶00～10∶00，空气渗透为全年最小值。

高节能建筑的室内空气交换速度与利用太阳能的高节能建筑室内空气交换速度相同。几乎全年空气渗透速度为稳定的最小值，只有在6～10月的18∶00～0∶00增大，并于7～9月的20∶00～22∶00达到最大值，在这段时间内大量热气从室外渗入，空气渗透为全年最大值。相比未达到节能标准及刚达到节能标准的建筑，其空气渗透速度明显减小。

由模型及以上分析可知，建筑节能性能不仅会影响建筑的能源消耗，亦会对建筑室内空气交换产生影响。相同节能性能的建筑室内空气渗透速度相同，节能性能好的建筑其室内空气渗透速度远低于节能性能差的建筑。

4 室内采光质量

为衡量建筑的室内采光质量，采用衡量其室内用电量大小的方法。为了达到相同的照明质量，室内用电量越大而室内采光质量越低；室内用电量越小而室内采光质量越高；室内用电量相同而说明室内采光质量相同。

建立模型得出分析图片（图3）。图中数据为该未达到节能标准的建筑及若将其改造为3种不同节能性能的建筑后，为达到采光质量的平均用电量。从模型得出的分析图可以看出，未达到节能标准建筑、刚达到节能标准建筑及高节能标准建筑的照明需求图只有微小差异，几乎可以忽略；高节能建筑和利用太阳能的高节能建筑的室内照明需求图相同。即不用节能性能的建筑室内采光质量只有微小差别，甚至可以忽略；相同节能性能的建筑，其室内采光质量相同。

这些照明需求图像一个个“峡谷”,“峡谷”的底部在夏季更宽在冬季更窄，这是因为夏季日照时间较冬季长，所以用电量相对冬季较小。同时由图可以看出，该住宅一天之内，从0∶00～6∶00，用电量为最小；7∶00用电量达到第一个高峰；8∶00以后用电量趋于平缓并维持稳定直到16∶00；从16∶00～18∶00用电需求又急剧上升并于19∶00达到稳定；19∶00～23∶00用电需求达到第二个高峰，并为持续高峰状态，23∶00～0∶00时用电需求又急剧下降。

由图可知， 这4种建筑的采光质量会在一年内随着季节和一天内随着时间改变，但4种建筑的室内采光质量几乎无差异。建筑节能性能并不影响室内采光质量。

5 结语

随着人们生活水平的提高，对室内环境质量的要求也在提高。节能性能好的建筑其室内热舒适性，总体来讲高于节能性能差的建筑，但并不是在任何情况下都优于节能性能差的建筑。

建筑室内环境是一个复杂的体系，建筑节能性能不仅会影响建筑的能耗，而且对室内环境也会产生影响，但节能性能的优劣并不与室内环境成正比，在进行室内环境设计时应将其与建筑整体联系起来，综合设计。

[1]GREENGUARD CERTIFICATION.Overview of Indoor Air Quality [EB/OL].[2013,07,11]. http://www.greenguard.org/en/indoorAirQuality.aspx.

[2] UCLA Department of Architecture and Urban Design. HEED Validation Reports[R]. UCLA Department of Architecture and Urban Design.2012.

[3] U. S. Green Building Council. LEED [EB/OL]. [2013,07,16]. http://www.usgbc.org/leed.

[4] WIKIPEDIA. Infiltration(HVAC)[EB/OL]. [2013,07,09]. http://en.wikipedia.org/wiki/Air_infiltration.