超低能耗建筑气密性研究

曹依蕾 任 玮 刘 寅 李 欢

（1.中原工学院，河南 郑州 450007；2.郑州华润燃气股份有限公司，河南 郑州 450000；3.郑州海格经纬信息技术有限公司，河南 郑州 450000）

0 引言

发展被动式超低能耗建筑已成为全球建筑节能领域的趋势， 并且大多数国家即将以法令强制推动。中国已经累积了十分丰富的被动式超低能耗建筑技术经验， 国内整个被动式超低能耗建筑已覆盖到14个省、 自治区、 直辖市， 也编制了国标GB/T 51350-2019《近零能耗建筑技术标准》[1]，标准中规定严寒和寒冷地区的公共建筑，气密性指标规定在室内外压差为50 Pa 时，换气次数为N50≤1.0 次h-1，夏热冬冷及夏热冬暖地区及温和地区甚至无要求，不同地区被动式超低能耗建筑的气密性还有待进一步考证和研究。

本文立足于寒冷地区的气候条件，以被动式超低能耗建筑指标为限制依据，对被动式公共建筑气密性指标进行研究， 证明气密性对被动式建筑的重要性，为寒冷地区建造被动式超低能耗建筑提供理论参考。

1 国内外气密性研究现状

普通建筑的热损失一方面是通过围护结构保温性能不足向外散失，另一方面是通过建筑门窗洞口等气密性不足的缝隙造成损失，有研究表明，这部分通过空气渗透所引起的热量损失占建筑热负荷的25%～50%[2]。

Caffey[3]通过研究提出建筑40%的冷热负荷由空气渗透引起，而Persily[4]提出这一比例应为33%，气密性差将导致建筑冷热负荷增大。

Ernmerich 等[5]研究了换气次数对能耗的影响，将某一办公建筑的换气次数从0.17～0.26 次h-1降低至0.02～0.05 次h-1，发现燃气耗量减少了40%，耗电量降低25%。

路菲[6]研究得出夏热冬暖地区提高建筑的气密性，室内绝对湿度降低，温度升高，墙体结露发霉的风险降低的结论。 建议自然通风策略下建筑气密性N50≤3.0 次h-1； 机械通风策略下建筑气密性N50≤1.0次h-1。

张孝鼎[7]用DeST 软件对夏热冬冷地区进行分析，结果表明，气密性从1 级提高到8 级时，采暖季累计负荷降低51.5%；过渡季热负荷降低但冷负荷却呈现升高的趋势；气密性每提高一级，年累计负荷降幅7%左右。

通过分析国内外对于建筑气密性的研究成果，可以看出我国针对气密性对建筑能耗影响研究以夏热冬暖及夏热冬冷地区居多，而对于寒冷地区超低能耗建筑气密性的研究较少。

2 研究方法及对象

本文采用理论分析、模拟分析相结合的方法，针对寒冷地区被动式超低能耗建筑气密性进行研究， 选取寒冷地区某被动式超低能耗建筑，使用Energy Plus 能耗模拟分析软件按照被动式各项参数建立数字模型，分析气密性对自然室温和冷热负荷的影响， 以便对寒冷地区建超低能耗建筑指标选择上做到有的放矢。

研究对象为寒冷地区某超低能耗办公建筑，该建筑共三层，建筑面积约为1 515 m2。 该建筑按照《河南省公共建筑节能设计标准》DBJ41/T 075—2016 进行节能设计，建筑内部功能主要有会议、办公、住宿和餐饮等。

3 建筑模型建构

采用三维建模软件SketchUp 进行物理三维建模，用插件Open Studio 赋予热工属性。 本次模拟室外气象参数选用中国气象局采集的实测数据。 外墙保温采用150 mm 厚的石墨聚苯板，综合传热系数为0.21 W/（m2·K）； 内墙综合传热系数为0.84 W/（m2·K）；上人屋面综合传热系数为0.211 W/（m2·K），非上人屋面综合传热系数为0.213 W/（m2·K）；本建筑地面无保温措施，综合传热系数为4.15 W/（m2·K）。本建筑外门窗均采用铝包木Low-e（6+12A+6+12A+6）三层玻璃两层中空玻璃窗，中空玻璃露点为-40℃，气密性为8 级，传热系数为0.8 W/（m2·K）。

4 模拟结果

4.1 气密性对自然室温、相对湿度的影响

4.1.1 采暖季

从图中可以看出，N50≤1.0h-1时，建筑气密性改变时导致自然室温变化显著。 当换气次数从1.0 次h-1降低至0.2 次h-1，室内平均自然室温从12.7℃增加到20.4℃，N50=0.2 次h-1平均室温就可达到规范要求冬季室内温度≥20℃，处于热舒适范围内。 室内相对湿度与人员在室率有关，以12 月14 日工作日为例，1.2次h-1＜N50≤0.6 次h-1时，提高建筑气密性对室内湿度的影响较小；N50≤0.6 次h-1时， 提高建筑气密性对室内湿度的影响较大。此种影响对于采暖季使得室内热舒适性有所提高，通过提升建筑气密性可以减少部分主动采暖与加湿。

图1 12 月份室内温度

图2 12 月份室内相对湿度

4.1.2 制冷季

当换气次数从1.2 次h-1降低至1.0 次h-1， 室内无人员时，室内相对湿度降低了3.6%；当换气次数从0.6 次h-1降低至0.4 次h-1， 室内相对湿度降低了8.3%。对于自然室温，由于室内热扰的存在，提高建筑气密性会导致人员、照明、设备散热无法向室外散失，因此夏季在不采取空调通风措施的情况下，温度要高于室外温度。 因此在制冷季，过度强调建筑气密性在一定程度上对室内热舒适度反而不利。

图3 7 月份室内温度

4.1.3 过渡季

气密性从1.2 次h-1提升至0.2 次h-1， 室外平均温度为15.7℃的情况下， 室内平均自然室温分别为21.9℃、22.7℃、25.0℃、26.8℃、29.6℃。 当换气次数为0.4 次h-1时，室内平均自然温度为26.8℃，已超过了被动式住宅舒适度区间的温度上限26℃。 N50=0.2 次h-1时，不开窗通风的情况下，室内相对湿度超出了被动式超低能耗建筑相对湿度指标60%。 因此，在过渡性的季节，我们在强调气密性的同时，也要充分利用自然通风创造一种更好的室内热湿环境。

图4 7 月份室内相对湿度

4.2 气密性对冷热负荷的影响

4.2.1 过渡季

对建筑模型在不同气密性条件下的建筑能耗进行模拟计算，结果如图7 所示，单位年能耗为负代表能耗降低量，为正则代表能耗增加量。

图5 10 月份室内温度

由图可知，建筑气密性室内耗热量虽然降低，但降低幅度小于耗冷量的增大幅度， 总能耗随气密性的提升增大。 当换气次数由1.2 次h-1提高到1.0 次h-1时，累计耗冷量的增加量为2.0 kW·h/m2，累计总能耗的增加量为0.3 kW·h/m2， 当换气次数由0.8 次h-1提高到0.6 次h-1时，累计耗冷量的增加量为2.49 kW·h/m2， 累计总能耗的增加量为0.93 kW·h/m2，气次数由0.6 次h-1提高到0.4 次h-1时，累计耗冷量的增加量为2.6 kW·h/m2， 累计总能耗的增加量为1.3 kW·h/m2，说明建筑的气密性越高，在过渡季所损失的能耗越多。

图6 10 月份室内相对湿度

图7 过渡季能耗变化图

4.2.2 冬夏季

供暖季单位年耗热量、空调季单位年耗冷量变化情况如图8 所示。

由图可知， 当建筑换气次数由1.2 次h-1提高到1.0 次h-1时，累计耗热量降低了2.7 kW·h/m2，累计耗冷量降低了0.3 kW·h/m2，总能耗降低了6.1%。 换气次数由1.2 次h-1提高到0.8 次h-1时， 总能耗降低了11.9%； 换气次数由1.2 次h-1提高到0.6 次h-1时，总能耗降低了17.4%； 换气次数由1.2 次h-1提高到0.4次h-1时，总能耗降低了22.6%；换气次数由1.2 次h-1提高到0.2 次h-1时，总能耗降低了27.9%。 因此从节能角度看， 对于采暖季和制冷季建筑气密性越高越好。但通常提高建筑气密性会造成建筑增量成本的增高，因此认为气密性能使建筑能耗达到超低能耗建筑能耗指标就认为该气密性是合理的。

图8 冬夏季能耗变化图

5 结语

（1）对采暖季而言，气密性高有助于达到室内温湿度要求，换气次数从1.2 次h-1降低至0.6 次h-1，自然室温大幅度升高；而对于制冷季，建筑气密性提升对于室内舒适度反而不利；对于过渡季，当换气次数降低为0.4 次h-1时， 室内平均自然温度已超过了被动式住宅舒适度区间的温度上限26℃。

（2）建筑气密性的提升，对于过渡季节的累计耗热量会越小，而累计耗冷量会越来越大，总能耗增大；对于冬夏季累计耗热量、耗冷量均有所减小，总能耗减小。 因此对于过渡季不应过多强调气密性，而对于采暖季和制冷季建筑气密性越高越好。