建筑气密性对被动房室内温度的影响/ 唐培傑 李运江 石茸

South Architecture - - Contents - 1 2 3 唐培傑 李运江 石茸 Tang Peijie Li Yunjiang Shi Rong

Influence of Building Air Tightness on Indoor Temperature of Passive House

摘要 简要介绍了气密性评价方式与被动房标准。从被动房的角度出发,建立了建筑模型,利用TRNSYS 软件分析了在不采取供暖和制冷措施的情况下,3种不同围护结构工况下气密性的改变对室内温度影响。结果表明,在冬季,室内温度的升高趋势随气密性改善而递增;在夏季,不开窗时,气密性性能提高会提升室内温度,降低舒适度;采取夜间通风策略后,气密性对室内温度基本无影响。

关键词 气密性;换气次数;被动房;温度;TRNSYS

ABSTRACT The air tightness evaluation and passive house standard are presented in brief, the influences of building air tightness on indoor temperature are analyzed by TRNSYS under three different envelope thermal conditions without any heating and cooling devices. The results show that the indoor temperature increases in winter and the thermal comfort decreases in summer as the air tightness is improved. However, indoor temperature is rarely influenced by air tightness while natural ventilation strategy is taken in evening.

KEY WORDS air tightness; air change rate; passive house; temperature; TRNSYS

中图分类号 TU111文献标识码 A

DOI 10.3969/j.issn.1000-0232.2017.04.124 文章编号 1000-0232(2017)04-0124-05

作者简介 1三峡大学土木与建筑学院,硕士研究生;2湖北工业大学土木工程与建筑学院,教授,通讯作者,电子邮箱:larrylee8311@163.com;3 宜昌市建筑节能办公室,高级工程师 引言

建筑的气密性是影响室内热环境的重要指标。在中国的传统建筑中,由于人们对自然通风的依赖,建筑的气密性指标往往较低;另一方面,由于室内换气次数影响到人的健康,在没有其他通风措施的情况下,气密性的下限也在国家规范中有所限制 [1-3]。

被动房,作为目前节能建筑形式中的先锋,其兴起与成功一定程度上改变了建筑物相关指标的重要性。在被动房的5条建造标准中,其中一项便是关于气密性的要求。可见气密性的标准在节能建筑中具有重要意义。

1被动房与建筑气密性

1.1 不同国家采用的气密性评价方式区别

不同的国家对于气密性检测的单位不同,评价方式也不同,目前而言主要存在两种方式:

(1)空气渗透量

以我国、英国、加拿大为代表的国家主要采用的方法。根据我国的建筑气密性检测国家标准[4],气密性指标为单位开启缝长空气渗透量或单位面积空气渗透量,即在标准状态下,单位时间通过单位开启缝长或是通过外门窗试件单位面积的空气量,单位为 [m3/m*h] 或 [m3/ m2*h]。此种指标方式反映的是空气渗透的绝对值,与建筑本身面积大小没有直接联系。

(2)换气次数以德国、瑞士等欧洲国家为代表主要采用的方法。规定以建筑物内外压差为50Pa时,单位时间内室内外空气交换量与建筑内部容积的比值作为标准,通常记为n50,单位为 [h-1]。以德国为发源地的被动房便采用了此种方式,由于本次模拟主要针对被动房环境,因此选取换气次数作为气密性的指标。

1.2 被动房及其标准

被动房,即在高性能的围护结构、无热桥的设计构

造以及高效的热回收新风系统下,保持室内的高舒适度,并将房屋使用能耗将至新低。被动房的概念在1988 年由来自瑞典隆德大学的Bo Adamson 教授和来自德国住房和环境研究所的Wolfgang Feist 教授共同发起。1990年,在Darmstadt建立的第一座被动房经过多年监测与使用,证明了其可以长期维持优秀的热舒适性,被动房随后在欧洲得到了广泛应用。1996年,由 Wolfgang Feist 教授牵头创立了被动房研究所(PHI),对被动房的建立标准与实施细则给予了全面指导。

被动房标准包含以下五条: (1)采暖需求:年采暖需求≤ 15 kWh/m2a; (2)制冷需求:年制冷需求≤ 15+ 除湿 kWh/m2a; (3)一次能源需求:年一次能源使用量≤ 120 kWh/ m2a;

-1 (4)气密性:50Pa气压条件下,气密性要求≤ 0.6 h ; (5)热舒适度:建筑内任何区域一年中超过25℃的时间不大于10%。

尽管被动房对气密性的限值定在0.6,但根据数据统计,许多已建被动房的气密性均优于此标准[5]。以我国已建被动房参数为例,湖州长兴布鲁克被动房n50 为 0.42h-1,上海世博会“汉堡之家”n50为0.4h-1,乌鲁木齐“幸福堡”n50为0.2h-1,河北新华幕墙办公楼 n50 为 0.1h-1。与此相对,我国北京和唐山的一般建筑曾经过气密性测试[6],其气密性 n50 分别为 4.08h-1 与 16.66h-1,差异明显。主要原因是由于我国过去的建筑依靠自然通风换气,若气密性越好,则换气次数越低,新鲜空气不易进入室内,容易造成人体健康隐患;另一方面,过去建筑技术的不成熟也成为气密性提高的桎梏。而被动房由于采用了机械通风的系统,新鲜空气得到保障,因此建筑气密性可以不受下限的影响,进一步提高其质量。

我国针对建筑气密性的文献研究总体数量较少,大多集中于近10年时间,其中大部分主题是关于气密性对建筑能耗影响的研究[7-9],参考的标准均为我国传统建筑气密性检测规范,且建筑的围护结构性能不高,没有不同围护结构性能的对比研究。

建筑使用能耗本质上是要保障室内舒适度,而舒适度最主要的指标则是室内环境温度,因此笔者希望就室内温度为着眼点,就3种不同的围护结构性能情况,基于 TRNSYS软件模拟,在不采取供暖和制冷措施的前提下,从室内温度与房间气密性的相互关系来分析不同工况下气密性对建筑热环境的影响。

2模型选取与建立

2.1 软件简介

TRNSYS全称为 Transient System Simulation Program,即瞬时系统模拟程序,由美国威斯康星大学和Solar Energy实验室共同开发,并在欧洲一些研究所的共同努力下逐步完善,是一种模块化的动态仿真软件。TRNSYS可以进行建筑 全年逐时负荷计算,是后续能源系统优化、评估以及运行费用预测的基础。目前TRNSYS在中国已经得到了业内广泛应用,中国建筑科学院的环能院依托TRNSYS软件开展了众多项目,如成都大慈寺项目建筑逐时负荷计算、广东某办公楼动态负荷计算、珑郡国际项目内墙保温的节能性分析等数十个项目,在计算过程中,做到了“建筑热区与暖通空调系统完全对照”。

本次研究中利用到 TRNSYS16 中的两个软件模块: TRNBuild 以及 TRNEdit。其中 TRNBuild用于设置建筑模型以及各项热工参数,TRNEdit则用于编写各项热工参数的变量方程以及最终的运行结果。TRNSYS墙体传热的计算是根据传递函数法,房间负荷的计算是用热平衡法,建筑表面的热辐射在该程序之外建立辐射角系数矩阵进行计算。

2.2 建立模型

此次的建筑模型选用了三峡大学逸夫楼被动式改造建筑概念方案中的两层,其平面如图1、2所示。

建筑的南向墙体均设有大面积落地窗以保障冬季日照辐射进入,且南向窗体外设有移动遮阳装置,在夏季日间开启以降低日照辐射。具体设置方式为,在南向窗户设置界面加入额外的遮阳效果1*SNORD,并在 TRNEdit中对遮阳效果SNORD定义为“夏季日间遮阳系数为原窗体遮阳系数的60%,夜间不加入遮阳效果”。

建筑加入新风系统设计,保障室内换气次数n50 达到4h-1,热回收效率达到90%。在过度季节及夏季,经过笔者过去的研究及模拟[10],在夜间开启窗户采用自然通风会改善室内温度环境,一方面使得夜间相对较低的室外温度得以进入室内,另一方面可降低新风系统的使用能耗,因此本次的夏季模拟分为不开窗与夜间开窗通风两种情况。在TRNSYS软件中,由于没有窗体的开闭选择,开窗通风的设置仅体现在换气次数上。夜间开窗通风的具体设置方式为,将气密性设置为 1*INF_1,INF_1 为气密性变量,在 TRNEdit 中对 INF_1 定义为“在夏季白天气密性为原工况下设定的气密性指标,在夏季夜晚将气密性设定在 n50=3h-1”。

对于建筑内部得热,人均得热按照60W/人,照明散热按照 5W/个,计算机散热按照200W/台进行设定。按照每区域面积与功能不同,ZONE1与 ZONE4设定人数为10人,照明设备为20 个;ZONE2 与 ZONE3设定人数为5人,照明设备为10个,计算机4 台;ZONE5、ZONE6与 ZONE7设定人数为20人,照明设备为30个,计算机8台。每日内部得热时间设定为8:00—22:00 即 14小时,由于该建筑为教学建筑,因此在TRNEdit 中设定内部得热在寒假(2月的前20日)和暑假(7~8月)为0。

以上所有设计均通过参数及公式的形式写入TRNSYS软件中以进一步模拟。

根据现有的被动房气密性标准与项目实际情况,笔者设立了7个气密性指标作为模拟值(表1)。

2.3 工况设计

对于该建筑的围护结构热工性能参数,笔者将分为3种情况进行模拟(表2)。

其中工况1为笔者总结的现有被动房项目所能达到的较好参数水平;工况2参照了被动房节能改造标准EnerPhit,按照此标准的气候区划分,模型所在地宜昌为温和地区,因此选取了温和地区的改造标准值;工况3作为对照组,是依据我国《公共建筑节能设计标准》中夏热冬冷地区的标准,相较工况1与工况2,其性能差距较大,笔者希望以此组作为对照,测试气密性在相对较差的围护结构下的影响力。

2.4 分析时间段选取

为简化起见,本次模拟选取了模型所在地宜昌全年中室外环境冬季最冷一周与夏季最热一周气象参数作为模拟计算条件,该气候参数取自 Meteonorm 软件,为宜昌市 2000~2009年平均水平,其室外环境温度与水平面总辐射如图3、4所示。

3模拟结果及分析

经过 TRNSYS对模型进行整年的室内温度走势模拟后,笔者截出本次分析时间段所需的数据,结合不同工况制成分析图。以下分为冬季最冷周及夏季最热周的模拟结果及分析。

3.1 冬季条件下模拟及分析

3.1.1 工况1

如图 5所示,在工况1下,气密性的改变对于室内温度影响幅度较大,一周温度平均值从8.8℃至 15.2℃,差距达到6.4℃。整体温度曲线较为平稳,且随着换气次数降低,其趋势愈发明显,在第2日至第4日日间辐射较大的情况下,室内温度在日间升高幅度有限,经分析认为,原因是工况1采用了三层 LOW-E 中空玻璃,其传热系数低,但g值(太阳得热系数)相较普通玻璃较低,太阳辐射透过量有限,且具有低传热系数的围护结构由于保温性能好,能在太阳辐射较低或为零时仍然保持房间内气温,因此温度变化不明显。图6为工况1

下气密性为 0.05h-1时的室内温度曲线范围图,灰色区域为室内不同房间的温度区间。分析可知,在具有高质量围护结构的工况1下,不同房间的温度差异较小,平均极值相差2.1℃,其中处于南向且具有大面积窗户的ZONE5 区域以及 ZONE9区域温度最高,平均温度达到16.1℃;处于西北面的 ZONE1房间则最低,平均温度为14.0℃。在此条件下,即使没有主动供暖设备,相较普通建筑,热舒适性也得到了极大改善。

3.1.2 工况2

如图7所示,在工况2下,气密性的影响相较工况1有所降低,温度平均值在8.1℃ ~12.8℃之间。但整体温度走势与工况1相似,仍相对平稳,说明在达到被动房要求的围护结构热工性能条件下,室内温度波动较小。在同一气密性下,不同房间温度差异仍旧较小。在此工况条件下,即使气密性达到0.05h-1,冬季部分时间仍需采取一些供暖措施。

3.1.3 工况3

如图 8所示,在工况3下,气密性对温度影响显著 下降,温度平均值从9.0℃ ~11.2℃,相差仅 2.2℃。温度走势波动较大,在日辐射较强的第二至四日中,日间室内温度上升趋势明显,分析认为是由于工况3采用的窗体虽然传热系数较大,但g值也相应较大,进入室内的日辐射量更多。但由于工况3围护结构整体性能不及工况1与工况2,在夜间及日辐射较小的时间段室内温度下降明显,造成整体曲线出现波动。图9为工况3 下气密性为0.6h-1时的室内温度曲线范围图,可见在工况3下,不同房间的温度差异相对较大,平均极值相差3.3℃。3.1.4 工况 1~3 对比分析

图 10 为 3种工况下不同气密性对最冷一周平均温度的影响趋势对比图。分析可知,首先,工况1下温度曲线走势最高,工况2次之,工况3最为平稳,因此气密性的变化对冬季室内温度的影响随着围护结构性能的提升而增大。这在热工学中较好理解:围护结构传热系数较小,将降低冬季室内热量损失,而良好的气密性水平将进一步阻止室外冷空气流入室内;反之,若围护结构传热系数较大,则冬季室内热量损失较大,室内温度无法保证,此时即使加强建筑的气密性水平也难以提升室内热环境。其次,气密性的改变与温度变化并非线性增长,气密性值越低,温度提升愈明显,因此对于冬季而言,气密性值越低越好。经分析,笔者认为,因气密性而造成的室内外空气热交换是降低冬季室内温度的重要因素,此因素与围护结构传热性能之间具有一定的权重影响变化:当围护结构传热性能较差时,如工况3所示,此时较差的围护结构将散失较多的热能,因此气密性权重较低,对温度的影响近于线性;当围护结构传热性能良好时,如工况1和工况2所示,此时良好的围护结构热能损失较小,因此气密性权重较高,对温度的影响呈曲线。最后,3种工况下的温度高低排列随气密性值的变化而变化,在气密性值较高的环境中,围护结构传热性较差的工况3反而室内温度较高,经分析,是由于此次模拟对象中,南向开窗面积大,而工况3的窗体g值较高,日辐射接收量大,抬高了平均温度;随着气密性的提升,该影响逐渐降低。因此,在被动房建设中,气密性与围护结构的性能提升是相辅相成的。

3.2 夏季情况模拟

3.2.1 不开窗情况

经过模拟,图11~13为3种工况下最热周室内温度图,图 14为最热周3种工况下气密性改变对温度影响趋势图。对比冬季情况,在夏季不开窗时,气密性的影响力十分相似:气密性对围护结构保温性能较好的建筑影响更大,提高气密性会使室内温度显著上升。但在夏季,此种影响却使得室内舒适性降低。对比图11~13可以看到,在不采取制冷措施的情况下,若不采取夜间开窗通风,无论哪种工况,在最热周室内温度都不甚理想,甚至大部分时间室内温度要高于室外温度。因此对于被动房而言,在夏季高温环境下,若不开窗通风,则必须要采取制冷措施。

3.2.2 夜间开窗通风

经过模拟,在三种工况下,加入了夜间开窗通风之后,气密性改变对室内温度影响基本可忽略不计。图15 为 3种工况的室内温度对比图。分析可知,在采取夜间开窗通风策略后,3种工况室内温度显著下降,此时温度受窗体g值影响较大。工况1与工况2的玻璃g值相差无几,因此温度曲线几乎重合。工况3窗体玻璃g值较高,在冬季时对室内温度有益,但夏季则会使日间温度显著上升。但综合来看,尽管采取了夜间开窗通风策略,但在最热周日间温度仍不理想,此时需要额外的制冷措施辅助。

4 结论

通过对模拟对象在冬季最冷周和夏季最热周的室内温度模拟与分析,得到以下结论:

在冬季,气密性对室内温度影响显著,室内温度的升高趋势随气密性改善而递增。因此在被动房的设计中,针对冬季保温,气密性做的越好,被动供暖效果越发显著。在气密性为0.05h-1,围护结构的保温性能达到工况 1 的情况下最冷周室内平均温度可达15℃以上,相较普通建筑,舒适度得到明显提升。对于围护结构的保温性能一般的建筑,气密性影响较小。

在夏季,在夏季不开窗情况下,气密性影响与冬季相似,此时气密性与围护结构的保温性能提升进一步升高了室内温度,反而使得舒适度下降;而在采取夜间开窗通风的措施下,室内温度显著下降,此时气密性对室内温度基本无影响,这时的影响因素主要存在于窗户玻璃的g值。但总的来说,在夏季若不采取主动制冷措施,室内舒适度难以保障。

此次模拟条件注重在不采取制冷与供暖情况下的温度情况,因此针对夏季主动制冷的情况还需进一步研究。 图、表来源

文中图、表均由作者绘制。

参考文献

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图 11 工况1最热周室内温度图图 12 工况2最热周室内温度图图 13 工况3最热周室内温度图图 14 最热周3种工况下气密性改变对温度影响趋势图

图 15 最热周3种工况下温度走势对比图(夜间开窗通风)

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