建筑气密性对超低能耗建筑冷热负荷的影响分析

袁守涛，商怀帅,2,*，刘孝华，祝英杰，柴 鑫

(1.青岛理工大学 土木工程学院，青岛 266525；2.西部绿色建筑国家重点实验室，西安 710055；3. 青岛市黄岛区建设工程质量监督站，青岛 266555)

建筑气密性是指外门窗正常关闭状态下建筑外围护结构阻止空气在风压、热压等作用下渗入/渗出的能力，是保证建筑外围护结构保温性能稳定的重要控制指标。在室内外热压及室外风压的作用下，空气可通过建筑外围护结构缝隙进行渗透交换，在采暖季冷风渗透导致热损失，在制冷季热风渗透导致热量堆积，空气渗透将增加建筑供热、供冷负荷[1]。有研究统计表明常规建筑由空气渗透引起的热负荷损失可达25%～50%[2]，刘东等[3]认为北京地区典型多层建筑热损失中23%由空气渗透引起，而在哈尔滨地区这一数字更是达到29%。可见空气渗透引起建筑冷热损失较大，而建筑气密性越好，空气渗透交换越少，热损失越少，即建筑气密性的提高更利于降低建筑热损失。超低能耗建筑起源于德国，因其良好的性能和实用性在国内得以广泛推广。

在此契机下，我国建筑节能技术有序推进，在建筑外保温、建筑外遮阳、新风热回收、建筑热桥处理技术方面发展迅速[4]，反而在建筑气密性方面发展较为缓慢。主要原因在于德国等高纬度、高寒国家地区建筑以采暖需求为主，通过提高建筑气密性可显著降低采暖需求，但在我国地域辽阔，大部分地区通常在采暖季需要较高的建筑气密性以减少空气渗透引起的热损失而在制冷季却可冷负荷增加。同时建筑整体气密性不同于建筑外保温、外遮阳等仅依靠特殊部品部件即可实现，而是需要综合考虑、综合措施。实际上寒冷地区和严寒地区居民到冬季采用报纸护窗、挂挡风门帘等就是加强气密性的做法，但实际针对建筑气密性的研究较少，并没有针对不同地区的超低能耗建筑气密性综合研究分析。本文通过相关研究调研，建立了典型建筑模型，模拟分析了不同气密性条件下寒冷地区、严寒地区模型建筑的制冷采暖能耗，针对不同气候区提出了建议的建筑气密性要求和通风策略。

1 超低能耗建筑气密性研究

1.1 建筑气密性评价标准

建筑气密性对建筑节能起着极大影响，目前各国均早已认可其重要程度，逐渐形成了完善的技术体系和规范标准。欧洲各国对气密性进行了更严格的规定，控制指标逐步从外窗气密性转变到建筑整体气密性。经调研发现，各国目前常用的建筑气密性评价方法主要有以下两种：

1) 换气次数法[5]。以建筑物内外压差为50 Pa时，单位时间室内外空气交换量与建筑体积的比值作为标准。主要控制指标为建筑物换气次数指标(N50或ACH50，m3/(m3·h))。

2) 空气渗透率法[6]。以建筑物内外压差为50 Pa时，单位时间室内外空气交换量与外维护结构面积的比值作为标准。主要控制指标为建筑物漏风量指标(Q50，m3/(m2·h))。

表1为采用上述方法的部分国家超低能耗建筑气密性标准要求[7-8]。

表1 部分国家标准建筑气密性要求

与国外不同，我国建筑气密性研究起步较晚，《室内空气质量标准》(GB/T 18883—2002)[9]给出了我国寒冷地区及严寒地区通风换气次数要求为0.5 h-1、夏热冬冷地区1.0 h-1，但该换气次数要求目的在于保证室内舒适度，并非气密性要求。《近零能耗建筑技术标准》(GB/T 51350—2019)[10]给出了超低能耗建筑及近零能耗建筑气密性要求，但并未交代检测方法。同时《建筑外门窗气密、水密、抗风压性能检测方法》(GB/T 7106—2019)新版标准删除了原标准对气密性评价的分级指标[11]，分级指标部分引用了《建筑幕墙、门窗通用技术条件》(GB/T 31433—2015)[12]中相关内容。但该标准基于门窗等构件级别的气密性表述建筑整体气密性，不能反映其他外围护结构空气渗透及建筑缺陷等对建筑整体气密性的影响。

1.2 自然条件下渗透换气次数

自然条件下的通风换气次数在概念、数值上显然不等同于50 Pa压差下渗透换气次数，但自然条件下渗透换气次数与50 Pa压差下渗透换气次数却存在相互转换关系。目前我国还未有明确的自然条件下渗透换气量与50 Pa压差下检测值转换的客观方式载入规范，针对此，本节整理了相关研究给出的建筑气密性与自然条件下换气次数的转换方法。在许多其他研究中，对换气次数指标描述形式不同，为了使本研究内容方便与其他研究结果比较以及参数化模拟分析，下文统一使用如下指标：ACH50，ACH分别为50 Pa压差下渗透换气次数和自然条件下渗透换气次数，用以反映建筑气密性；N为自然条件下通风换气次数，包含渗透换风和自然通风，单位上与ACH相同但不描述气密性。

北京《民用建筑节能现场检验标准》(DB11/T 555—2015)[13]介绍了ACH与ACH50的转换关系，见式(1)，且给出换算系数为17。CHEN等[14]对我国寒冷地区北京和唐山一般建筑进行气密检测，得出ACH指标同时按上式转换为ACH50，所测建筑换气次数为ACH50=4.08，16.66 h-1；而JOKISALO等[15]得出芬兰170栋一般建筑平均气密性指标ACH50=3.7 h-1；KALAMEES[16]认为爱沙尼亚32栋一般建筑平均气密性指标ACH50=4.9 h-1。从数据看，我国同期一般建筑经上式转换气密性与欧洲各国建筑气密性相近，对此可以认为上式转化方法具有一定准确性。

(1)

式中：H为自然条件下渗透换气次数(ACH)；H50为50 Pa压差下渗透换气次数(ACH50)；n为换算系数，与气候、烟囱效应、风与遮挡、渗透类型等有关，我国建筑可取n=17。

路菲等[17]参考德国DIN EN 832的方法给出了ACH与ACH50的转换关系，见式(2)，当建筑不考虑机械通风时，平均自然渗透率可按式(3)计算。对比发现，式(1)提供的换算系数介于式(3)给出的中度遮挡情况与高度遮挡情况之间。我国建筑多为单体建筑，遮挡情况多介于两者之间，或可认为式(1)更贴合我国实情。

(2)

H=H50e

(3)

式中：H为自然条件下渗透换气次数(ACH)；H50为50 Pa压差下渗透换气次数(ACH50)；e，f为遮挡系数，对于多面暴露中度遮挡建筑可取e=0.07，f=15，对于多面暴露高度遮挡建筑可取e=0.04，f=15；nd为机械通风装置送风和排风换气次数差，1/h。

此外，余镇雨等[18]根据11栋典型建筑的实测数据通过线性分析，得到了ACH与ACH50的近似线性关系，见式(4)，但实测数据较少，离散性较大。丰晓航等[19]以单位面积空气渗透量q2结合建筑窗墙比、面积等换算了平均自然渗透率ACH，此方法未考虑除外门窗外其他外围护结构处有渗透引起的空气交换。

(4)

式中：H5为5 Pa压差下渗透换气次数(ACH5)；H50为50 Pa压差下渗透换气次数(ACH50)。

2 模拟分析方法

建筑中影响能耗的因素多而杂，特别是在渗透换气、通风换气等方面，如采用实验的方法，即使采取严密措施也很难达到理想效果，而且容易受所监测周期内气候条件影响，很难反映建筑全生命周期能耗情况。为此，本文基于DeST以青岛某超低能耗建筑为模型基础，模拟计算寒冷地区及严寒地区气密性和制冷季夜间通风策略对超低能耗建筑冷热负荷的影响。

依据GB/T 14167-2013 《汽车安全带安装固定点、ISOFIX固定点及上固定点系统》中对于座椅翻转装置的试验要求，需沿平行于车辆纵向中心平面并与水平线成向上10°±5°的方向施加载荷[1]。

2.1 超低能耗建筑物理模型

典型建筑位于青岛地区，该建筑高23.1 m，共5层，建筑面积7862.28 m2，各层主要功能区包括展览室、办公室、实验室、会议室，建筑模型如图1所示。模型建筑维护结构热工参数和建筑内部热扰按原设计进行，均符合《近零能耗建筑技术标准》(GB/T 51350—2019)对寒冷地区及严寒地区的参数要求。建筑主要房间室内湿热环境要求对本分析影响明显，参考GB/T 51350—2019，对主要房间室内热湿环境参数设置见表2。

图1 建筑模型

表2 主要房间室内热湿环境

寒冷地区及严寒地区超低能耗居住建筑气密性应满足ACH50≤0.6 h-1，超低能耗公共建筑气密性应满足ACH50≤1.0 h-1。基于DeST的模拟分析需要输入自然条件下的渗透换风量ACH，根据上述调查研究，本文在模拟分析时ACH50与ACH的转换使用式(1)。鉴于已有研究成果，结合式(1)共分设7个气密性等级，见表3。

表3 气密性分级设置

2.2 气密性及通风工况设计

考虑到超低能耗建筑气密性较高，不能依靠空气渗透交换满足新风需求，且随着气密性提高，外门窗密闭性能增加，要同时满足外窗的高气密性和可开启性十分困难，因而需要引进机械通风以补充额外所需新风。机械通风导致风机能耗增加，但同时可通过高效的新风热回收系统减少新风负荷，文献[17]认为在高气密性状态下，新风热回收系统减少的新风处理能耗足以抵消系统本身运行增加的能耗。因此本文在针对性研究建筑气密性对超低能耗建筑冷热负荷的影响时，认为机械通风增加的风机能耗与热回收装置节约的制冷供暖能耗相抵消，不做风机能耗讨论。

基于以上认识，寒冷地区(青岛)及严寒地区(哈尔滨)模型建筑模拟计算的工况设计见表4。

表4 模拟计算的工况

工况1：考虑同时满足外窗高气密性和可开启性十分困难，模型建筑不进行开窗通风，新风需求由机械通风完成；通过比较该通风状况下不同气密性等级建筑冷热负荷需求，给出建议的气密性等级。

工况2：寒冷地区和严寒地区制冷季夜间室外适宜，可显著改善室内湿热环境，在气密性ACH50=0.6 h-1的基础上增加制冷季夜间自然通风，探讨高气密性下制冷季夜间通风模式对建筑冷热负荷的影响；参考已有研究成果[20-21]，制冷季夜间通风换气次数分为5个等级，通风换气次数N分别为1，2，3，5，10 h-1。

工况3：在工况1的基础上增加制冷季夜间自然通风，分析不同气密性及不同夜间通风换气次数耦合作用下，模型建筑冷热负荷变化情况，划定不同气密性状况下制冷季夜间通风有效节能换气次数范围，同时给出更为合理的气密性及夜间通风状况建议。

3 模拟结果与分析

3.1 气密性对建筑负荷的影响

研究了模型建筑在不同气密性状态下建筑单位面积能耗(包括制冷能耗和供暖能耗)的变化情况，以气密性ACH50=0.6 h-1为基准工况计算了不同气密性等级下建筑能耗增长率，并以模型建筑单位面积制冷、采暖能耗量作为底图分别绘制了制冷能耗增长率、采暖能耗增长率和制冷采暖能耗增长率与气密性的关系曲线，如图2—5所示。

1)寒冷地区。如图2所示，随着气密性降低，建筑采暖能耗先是缓慢增长而后迅速增长，建筑制冷能耗则先是缓慢降低而后趋于稳定，总体降幅远低于采暖能耗增幅。与之对应的是图3曲线反映了制冷采暖综合能耗的变化，总体呈上升趋势，且增速明显增加，例如气密性ACH50分别为1，2和3 h-1时，制冷采暖能耗分别增加0.92%，5.6%和19.65%。对比来看，建筑气密性对建筑热负荷的影响效果远大于建筑冷负荷。结合模型建筑采暖能耗变化情况，同时考虑增强建筑气密性的成本问题，建议寒冷地区超低能耗建筑气密性ACH50≤1.0 h-1，在此基础上再提高气密性对建筑制冷采暖需求影响不大。

2) 严寒地区。如图4所示，随着气密性降低，建筑采暖能耗先经历缓慢增长而后加速直至呈线性增长，建筑制冷能耗则先缓慢降低而后下降速率变大，总体降幅小于采暖能耗增幅。对比图2，严寒地区采暖能耗增幅低于寒冷地区，分析认为高气密性下模型建筑在哈尔滨采暖能耗明显高于青岛，导致以此为基准的采暖能耗增长率低于青岛，并不能说明严寒地区采暖能耗对建筑气密性的敏感度低于寒冷地区。从图5可以看出，随着气密性降低，建筑制冷采暖能耗总体呈上升趋势，且增速明显增加，表明严寒地区建筑气密性仍主要影响建筑热负荷，且严寒地区采暖能耗对建筑气密性的敏感度高于寒冷地区。基于以上分析，建议严寒地区超低能耗建筑气密性ACH50≤1.0 h-1，同时条件允许下可继续提升建筑气密性至ACH50≤0.6 h-1。

3.2 夜间通风对建筑负荷的影响

寒冷地区及严寒地区制冷季夜间室外空气温度湿度多数情况下可改善室内湿热环境，为此，研究了在建筑气密性ACH50=0.6 h-1状况下，模型建筑采暖制冷能耗随制冷季夜间通风量增加的变化情况。同时以制冷季夜间通风换气次数N=0.035 h-1为基准工况分析了建筑能耗变化情况，并以模型建筑单位面积制冷、采暖能耗量为底图分别绘制了制冷能耗增长率、采暖能耗增长率和制冷采暖能耗增长率与制冷季夜间通风量的关系曲线，如图6—9所示。

1) 寒冷地区。寒冷地区制冷季夜间通风量显著影响建筑的冷热负荷状况。从图6可以看出，采暖能耗随夜间通风量的增加而增加，且增速增加；制冷能耗随夜间通风量增加呈先降低再增加趋势，但整体低于未通风工况。从图7可以看出，寒冷地区模型建筑制冷采暖能耗随制冷季夜间通风换气量增加呈先降低后增加的趋势。综合来看，该通风策略能显著降低模型建筑冷负荷，同时增加建筑热负荷；当夜间通风换气次数N≤5 h-1时，有节能效果，且以N=2 h-1时节能效果最佳，节能率达到10.21%；但随着通风换气次数增加，建筑热负荷增量超过冷负荷减少量，继续增加夜间通风不能节省用能。

2) 严寒地区。与寒冷地区不同，从图8可以看出，随制冷季夜间通风换气次数增加，模型建筑采暖能耗先降低再增加，总体幅度较小；同时，制冷能耗一直下降，但降低速度逐渐变缓，降幅较大。结合图9，严寒地区在该通风策略下，减少的制冷能耗始终大于增加的采暖能耗，模型建筑在N≤10 h-1下均具有节能效果。综合来看，制冷采暖能耗变化趋势与寒冷地区相近，在制冷季夜间通风次数N=2 h-1时达到最大，节能效果可达17.55%。

3.3 耦合作用下建筑负荷分析

自然通风及空气渗漏本质上均通过室内外空气交换显著影响建筑室内热环境。为此，分析了气密性和制冷季夜间通风耦合作用对建筑用能的影响，图10、图11以ACH50=0.6 h-1且N=0.035 h-1为基准工况，分别给出了青岛、哈尔滨两座城市模型建筑不同气密性状况、不同夜间通风策略的制冷采暖能耗变化情况。其中图左侧反映建筑用能变化趋势，图右侧为局部放大，表现主要节能工况。

1) 寒冷地区。如图10所示，与工况1相同，不同夜间通风策略下模型建筑用能随建筑气密性降低而增加；而在气密性状况相同时，不同夜间通风策略对建筑用能影响存在差异，具体为N≤5 h-1时较工况1有所降低，N=10 h-1时明显增加建筑能耗。整体而言，当建筑气密性ACH50≤1.0 h-1，1.0 h-1≤夜间通风换气次数N≤5.0 h-1时具有一定节能性，其中以ACH50=0.6 h-1，N=2.0 h-1工况效果最佳。从节能、成本角度考虑，建议寒冷地区建筑气密性ACH50≤1.0 h-1，同时制冷季夜间开启部分外窗，维持2～3 h-1的自然通风量。

2) 严寒地区。严寒地区不同夜间通风策略下模型建筑用能仍随建筑气密性降低而增加，但模型建筑在不同气密性状况下所采用的夜间通风策略均可减少建筑能耗。如图11所示，当建筑气密性ACH50≤1.7 h-1，1.0 h-1≤夜间通风换气次数N≤5.0 h-1时模型建筑用能明显降低，其中ACH50=0.6 h-1，N=2.0 h-1和ACH50=0.6 h-1，N=3.0 h-1工况建筑用能更低。基于此，建议严寒地区建筑气密性ACH50≤0.6 h-1，同时制冷季夜间开启部分外窗，维持2～3 h-1的自然通风量。

4 结论

1) 不采取其他自然通风策略下，建筑气密性降低，导致建筑采暖能耗增加、制冷能耗降低。但采暖能耗变化幅度明显大于制冷能耗，因而建筑整体用能显著增加。同时考虑提升建筑气密性成本，建议寒冷地区超低能耗建筑气密性ACH50≤1.0 h-1；严寒地区超低能耗建筑气密性ACH50≤1.0 h-1，同时条件允许下可继续提升气密性至ACH50≤0.6 h-1。

2) 制冷季夜间自然通风可显著降低建筑制冷能耗，同时伴随着采暖能耗的增加。从节能角度考虑，建议ACH50=0.6 h-1工况下寒冷地区及严寒地区超低能耗建筑制冷季夜间开窗风量宜维持在2 h-1左右。

3) 制冷季夜间通风策略下，寒冷地区及严寒地区建筑用能显著降低的区间为建筑气密性ACH50≤1.0 h-1、制冷季夜间开窗风量介于1～5 h-1。从成本和节能角度考虑，建议寒冷地区及严寒地区超低能耗建筑气密性ACH50≤1.0 h-1，制冷季夜间开窗风量保持在2～3 h-1，如有需要严寒地区可继续提升建筑气密性。