沈阳地区住宅建筑气密性与通风方案分析★

张雪萍 王中华 刘贵军, 黄凯良 宋嘉森 孙 文

(1.中国建筑东北设计研究院有限公司，辽宁 沈阳 110166; 2.沈阳建筑大学市政与环境工程学院，辽宁 沈阳 110168)

1 概述

建筑和人体每天会产生大量的污染物，包括可吸入颗粒物、甲醛、VOCs、氡等，尤其在大量使用劣质装修材料之后，污染物就会超过国家标准的限制，影响室内居民的健康，造成“建筑病态综合征”“建筑相关疾病”等问题。室内污染物的浓度与建筑气密性、通风换气量有重要的关系，在建筑气密性好并且没有通风的情况下，室内污染物质就得不到有效的去除[1]。研究表明，每年全世界有数千万人的死亡，15%～36%的呼吸道疾病、慢性肺病、气管炎、支气管炎与室内污染超标有关[2]。在国际范围内，建筑的实际的换气次数往往都不能达到0.5 h-1～1 h-1的新风标准[3-5]。新风的引入主要通过自然渗透和通风两种形式来实现，对于严寒地区而言，受室外条件的影响，开窗通风的频次很低，建筑气密性以及其决定的自然渗透通风量对室内空气品质的影响较大，决定了室内人员潜在的健康威胁程度。

住宅建筑的通风方式主要可以分为通过自然力利用开窗后的风压和热压的自然通风，以及通过人工方式利用新风系统的机械通风。严寒地区冬季寒冷，受到安装条件与经济成本的限制，大部分住宅没有安装新风系统，且开窗时长较短，建筑气密性对于自然换气次数以及居民健康具有重要影响。随着经济社会的发展，部分研究开始尝试研究和使用太阳能新风系统，一些新建住宅开始安装热回收新风系统，改善室内空气品质。热回收新风系统通过送、排风之间的热交换实现节能。研究人员通过改进热回收新风系统的换热材料，优化流道几何尺寸，改变流速与流向等方法提升热回收性能[6-8]，但在噪声和耗电量控制方面还有一定的提升空间。

为了解不同类型居住建筑外窗的气密性现状并分析得到合适的通风方案，本文采用压差法对沈阳地区代表性建筑的气密性进行了测试，将测试结果进行综合分析，在此基础上比较了两种新风系统的经济性，为新风系统能耗的计算与关键参数的选择提供参考。

2 住宅气密性测试

2.1 住宅建筑概况

选择气密性测试的住宅建筑位于沈阳市，沈阳处于严寒C区，冬季平均温度是-5 ℃～-6 ℃。测试数量一共为5户，包括了不同建筑年代的建筑类型，如表1所示。其中，老旧建筑进行了保温处理，所有窗户均为双层玻璃窗。进行住宅建筑气密性测试的目的是推算自然情况下的通风换气量，为开窗通风或机械新风系统提供数据参考。

表1 所测试建筑的基本信息

2.2 气密性测试方法

现阶段国内外最常用的检测建筑整体气密性的方法分为气压法和示踪气体浓度衰减法，本文使用气压法进行测试，又称为“鼓风门”法，通过鼓风形成室内外压差并测试对应的漏风量。建筑气密性测试系统型号为DG-700，压力和流量的测量精度满足标准要求(±3%)。入户门框中间的框架用于挂起风扇，密封布将对安装风扇的门进行密封，风扇可以控制进风口气流，不同的风速可以通过不同尺寸的流量环来调控；测试主机有2个通道，可根据正压与负压测试时的连接方式检测建筑物的压力值和风扇的压力值。测试主机与鼓风机和测试软件相连，测出当气压从高到低的变化时的一系列数据，计算得到综合压差指数n与流量系数C，得出回归方程，进而总结出测试结果。利用气压法进行建筑气密性测试时，各个国家均采用压差±50 Pa给出气密性评价指标，使用ISO9972与EN13829的定义总结气密性指标及计算公式如下：

(1)

其中，ACH50为50 Pa压差时建筑的换气次数；Q50为单位时间内室内外空气交换量；V为住宅内部体积。

根据式(2)以及压差50 Pa时换气次数可以计算自然条件下的换气次数。

(2)

其中，n为关联系数，与地域和气候有关，需要考虑室外风速、室内外温差、建筑类型、结构材料等相关，但在实际中这些影响因素并不能完全被考虑到经验换算系数的确定中，本文取值为17[5]。

在测试过程中，使用密封胶带保证住宅的风口、地漏等与外部联通的地方保持基本密闭的状态。测试过程如图1所示。

2.3 测试结果分析

住宅建筑气密性测试的ACH50值以及推算的自然换气次数如表2所示。可以看出，最新的建筑比最老旧的建筑气密性得到了10倍的提升，但是其他建筑的建筑气密性与建筑年代没有直接关系，与施工质量的相关性可能更高一些。在所测试建筑中，性能最好的一栋楼在施工中比较重视窗户安装、穿墙电线管等，建筑整体气密性得到了较好的加强。除开性能较好和性能较差的住宅之外，其他3户代表性住宅的气密性自然换气次数为0.11～0.28。

表2 气密性测试结果

将测试结果与以往报道的测试结果[9]比较可知，所测试的严寒地区住宅的气密性好于寒冷地区的住宅。测试5户住 宅自然换气次数的平均值为0.14 h-1，其中3户代表性的住宅自然换气次数的平均值为0.18 h-1。在没有安装机械新风系统且不开窗的情况下，仅靠自然渗透很难满足0.5 h-1～1 h-1的新风标准。这种情况在严寒地区的冬季比较容易出现，对居民健康存在潜在的威胁。对于测试的住宅而言，冬季应该适当增加开窗时间或者在条件允许的情况下安装新风系统。

3 新风系统的经济性分析

新风系统主要通过风机强制送排风将污浊空气排除，将室外的新风有组织的送入室内，从而保证室内的空气质量，改善居住环境。新风系统在住宅中的设计应用不仅广泛，而且种类也较多，可以按照有无管道、有无热回收、全热/显热回收、单向流/双向流等进行划分。其中，室内不使用管道的太阳能新风系统具有结构简单、维护方便、节能的优点，但在没有太阳辐射的情况下就无法加热室外新风，相对舒适性较差，而双向流的热回收新风系统较为节能，应用相对成熟，但成本偏高。太阳能新风系统和热回收新风系统的原理如图2，图3所示。考虑到新风系统主要用于改善室内空气品质，属于“改善型”系统，即有好于无，本文忽略新风系统的保证率，主要从初投资与节能角度分析太阳能新风系统和热回收新风系统的经济性，经济性比较在同样的全年室内外条件下进行。通过与电辅助加热新风系统比较，计算太阳能新风系统和热回收新风系统的投资回收期。

在经济性分析时，太阳能新风系统的集热器平均热效率分别为60%，太阳能新风系统的投资为500元/10 m2；热回收新风系统的全热回收效率为60%，投资为1 600元/10 m2。

与电辅助加热新风系统相比，太阳能新风系统和热回收新风系统的寿命期总节能费用计算公式如下：

S=P(QeffC-AD)-A

(3)

其中，S为总节能费用；P为折现系数；A为与参照相比增加的投资；D为每年维修费占增加投资的比例。

折现系数P的计算公式为：

(4)

(5)

其中，d，e分别为市场折现率和燃料价格上涨率；取计算年限n=15。

增加的投资与15年运行节能的费用之间相等时，存在以下关系式：

PI(ΔQeffCc-AdDJ)=Ad

(6)

(7)

Ne=PI(1+d) (d=e)

(8)

经济性分析的计算结果如表3所示(新风1表示太阳能新风系统，新风2表示热回收新风系统)，可见太阳能新风系统的回收期为4.9年～8.0年，热回收新风系统的回收期为8.3年～10.6年，从经济性角度来看太阳能新风系统占优。

表3 典型城市的节能量与投资回收期结果

需要指出的是，新风系统的目标是改善室内空气品质，太阳能新风系统在阴天无法工作，在晴天加热室外新风也存在温度波动的问题，而热回收新风系统可以稳定运行，保障室内空气品质的效果更好。

4 结语

为了解严寒地区的住宅建筑气密性并分析合适的新风系统方案，实测了5户沈阳市住宅的气密性，发现测试住宅气密性整体良好，自然换气次数的平均值为0.14 h-1，新建住宅的气密性基本上好于老旧住宅。与电辅助加热新风系统相比，太阳能新风系统的回收期为4.9年～8.0年，热回收新风系统的回收期为8.3年～10.6年，从经济性角度来看太阳能新风系统占优。