夏热冬冷地区宿舍气密性提升效果研究

2021-07-04王和琪柯茂林唐鸣霄喻伟

建筑热能通风空调 2021年5期

王和琪柯茂林唐鸣霄喻伟

重庆大学土木工程学院

0 引言

随着绿色建筑的不断推进，人们正在追求更加舒适的环境，而如何保证建筑舒适性的基础上实现建筑的节能是一个重要的问题[1-2]。研究表明，门窗损失的能耗在建筑能耗中占比较大[3-4]。夏热冬冷地区往往对于建筑气密性要求不是太高，门缝不严等漏风问题比较普遍，例如盛子沣指出了上海某高校宿舍门受工艺限制，有较大的门缝间隙，室内外空气对流，造成了热量损失[5]。

研究表明[6]冬季供暖时，住宅气密性降低一个等级供暖能耗增加2%～7%。而且，良好的气密性有助于提高室内舒适度[7]。目前，国内外大多研究方向均是研究门窗材料及窗户漏风[8-11]来减少这部分能耗，而很少有对门缝漏风的研究。但对于夏热冬冷地区来说，例如重庆地区，门缝处的漏风量也会对房间能耗有一定的影响。

因此，本文以重庆某宿舍为例，首先通过测量二氧化碳变化情况得出宿舍气密性现状，其次通过对比实验得到房间舒适性和能耗差异，得出提升房间气密性后能有效降低能耗并改善房间热舒适的结论，为宿舍节能改造提供依据。

1 研究方法

1.1 实验方法及测点布置

研究对象为重庆某宿舍两个朝向相同，周围房间参数一致的寝室，实验房间尺寸均为4.46 m×3.6 m×3.2 m。房间前墙为外墙，后墙及左右墙为内墙。外墙安装有一扇尺寸为2 m×0.66 m 的阳台门，空调安装在前墙3 m 高处。天花板正中间上安装有1 支荧光灯。本实验中房间平均温度，根据《公共建筑室内温度控制管理办法》[12]。当室内面积不足16 m2，在室内活动区域中央布测点1 个，由HOBO 温湿度自记仪测量初始温度和终止温度，房间初始二氧化碳浓度和终止二氧化碳浓度由二氧化碳测试仪测量。另外，由于风速衰减较快，为探究门缝处漏风风速造成局部不舒适问题，分别在地面距门缝0 m、0.2 m、0.4 m、0.6 m、0.8 m、1.0 m、1.2 m、1.4 m、1.6 m 处布置五个测点，并用风速仪测量风速。仪器信息见表1，门缝尺寸情况见图1。

表1 测量仪器信息

图1 门缝情况

1.2 实验工况

根据现行《民用建筑供暖通风与空气调节设计规范》[13]，冬季长期逗留区域室内空气热舒适等级Ⅱ级为18～21 ℃，因此本实验设定温度为18～21 ℃，满足Ⅱ级标准要求。为确保实验的准确，限制夜间时段的人员进出，且测试过程中二氧化碳浓度四小时积累量会达到一限值，因此测试时间设定为四小时。由于两个房间自身气密性也存在差异，设置对比工况，工况1 和工况2 测量两个房间均不加挡板情况下房间四小时前后温度、二氧化碳浓度，以确定两房间气密性的差异。实验工况为工况3 和工况4，通过两次实验的对比可得出房间气密性及挡板对其影响，见表2。

表2 工况表

1.3 数据分析方法

将所测数据代入方程可得出房间换气次数，室内换气次数计算方法如下：

式中：CCO2终为室内二氧化碳终止浓度，kg/m3；CCO2初为室内二氧化碳初始浓度，kg/m3；Q 为门缝出渗入风量，m3；V 为房间体积，m3；τ 为测试时间，h；m 为室内二氧化碳散发量，根据经验公式[14]，一成年男子二氧化碳散发速率为0.02 m3/h；Cs为室外二氧化碳浓度，kg/m3。

计算漏风能耗方法如下：

式中：Q 为每小时漏风能耗，kJ/h；ρ 为空气密度，kg/m3；V 为每小时进入房间空气体积，m3；i室内为室内空气比焓，kJ/kg；i室外为室外空气比焓，kJ/kg。

根据《民用建筑室内热湿环境评价标准》[15]，冷吹风感的局部不满意率（LPD1）应按式（3）计算：

式中：LPD1为局部不满意率，%；tal为局部空气温度，℃；val为局部平均空气流速，m/s，若局部平均空气流速小于0.05 m/s，取0.05 m/s；Tu为局部紊流强度，%。

根据《民用建筑室内热湿环境评价标准》[15]，当头和踝部垂直高度之间的空气温度差小于8 ℃时，局部不满意率（LPD2）应按式（4）所示：

式中：LPD2为局部不满意率，%；Δta，v为头和踝部之间的垂直空气温度差，℃。

为了使实验结果更加科学，采用Energyplus 对房间能耗进行模拟，并与实测值比较，以确保实测值的可靠性。

2 结果分析

2.1 换气次数

由于房间本身气密性存在差异，会对实验造成一定的影响。因此，首先在两房间均不加挡板情况下（即工况1 和工况2）测试两房间气密性。之后为进一步确定门缝处漏风的实际情况，进行对比实验（即工况3 和工况4）。得出数据如表3 所示。

表3 四工况对比情况

据测试数据计算可得，房间1 漏风量为24 m3，换气次数为0.47 h-1。房间2 漏风量为20 m3，换气次数为0.39 h-1。在房间1 加装挡板改造后，房间气密性显著提升，通过实测数据可以看出房间1 漏风量从原来的24 m3下降至15 m3，换气次数为0.29 h-1。而在相同的测试时间段里，房间2 的漏风量基本未变，仍然为20 m3，换气次数为0.39 h-1。由此可见，加装挡板对宿舍气密性改善起到了良好的效果。

2.2 热损失

根据表3 中所测数据，未加挡板情况下，可计算出每小时换气量，进而计算出每小时渗透风负荷。提升房间气密性后，可计算每小时进入门缝的冷风能耗及提升气密性前后节约渗透风带来的热损失，见表4。

表4 房间加挡板前后热损失变化

2.3 舒适度

门缝处漏风不仅会导致靠近门缝处一定范围内存在吹风感问题，还会影响地面温度，进而影响头足温差为了探究门缝漏风造成的吹风感，影响选取了一次有代表性的测量数据。风速如图2 所示，温度如表5所示。根据风速和温度可计算出各测点局部不满意率，见表6。

图2 房间各测点距门缝距离与风速关系

表5 房间1 室内中央温度

表6 不同距离下不满意率

由表6 比较各测点数据看出，在门缝较大情况下，距离门缝越远，不满意率越低。在门缝出添加挡板提升气密性后，局部不满意率降低。因此，气密性的提升不仅降低房间热损失，且有助于降低局部不满意率，对房间舒适度提升有较大作用。

门缝处的漏风会降低地面温度，提高室内工作区处的头足温差，进而引起不舒适。在未加挡板时，四小时后房间头足温差Δta，v为6.88 ℃，而加挡板四小时后头足温差变为5.1 ℃，头足温差显著下降。经过计算，未加挡板房间头足温差不满意率为53.23%，加挡板后房间头足温差不满意率为19.87%。

由此，在门缝处添加挡板能有效减少头足温差，提高室内舒适度。

2.4 Energyplus 模拟验证

由于实测存在一定局限性，通过模拟分析也得出了相应结果。实验研究为房间阳台门，模拟时认为房间大门处于无风无阳光环境，除去两扇门所在的墙，其余四面墙均假设与之相临房间无人。计算时运用阴影计算，内表面对流传热，外表面对流传热及热平衡算法，限定空调开启为1 月1 日至1 月25 日每天18：00-24：00，设定换气次数为0.4 h-1，无新风引入。实验所测时间为1 月17 和1 月18 两日，测量时间为20：00-24：00，实验与模拟结果对比如表7 所示。