气密性对超低能耗公共建筑能耗的影响规律研究

期刊: 建筑监督检测与造价 DOI: PDF下载

许大龙

中冶京诚工程技术有限公司 北京 102600

摘要

气密性对超低能耗公共建筑的节能效果十分关键。本文以保定市幼儿园建筑为例,利用Energyplus软件分析超低能耗公共建筑中气密性对建筑能耗的影响,并从供热及供冷能耗两方面定量分析不同气密性条件下建筑负荷组成情况。在此基础上,针对我国不同气候条件,研究采用不同气密性等级门窗对各气候区建筑能耗的影响。研究表明,气密性对严寒和寒冷地区的供暖能耗影响较为严重,需在超低能耗建筑设计中严格控制建筑气密性。


关键词

气密性;超低能耗;公共建筑;建筑能耗

正文



1 引言

应对环境问题日益严峻的现状,我国提出2030年碳达峰和2060年碳中和的目标[1]。建筑全过程碳排放总量占全国碳排放的 51.3%;在能源消耗方面,建筑能耗约占社会总能耗的46.7%,且逐年呈增长趋势[2]。建筑作为全社会碳排放和能耗大户,其节能降碳对实现我国双碳目标十分必要[3]。

影响建筑能耗的主要围护结构因素是外墙、屋面和外门窗[4]。门窗作为建筑节能中最薄弱的环节,近年来备受关注[5]。调研可知,门窗的节能研究分为两个方面,一个是门窗本身的传热性能改善,一个是门窗引起的建筑气密性的控制。例如,谢静[6]针对门窗传热系数检测及影响因素进行了详细的研究,并提出了一系列提高检测准zzz确度的方法;徐海华[7]等人针对被动式超低能耗建筑外窗的传热系统进行计算与选择讨论,对相关指标的计算标准和方法进行系列分析,为相关工作开展提供理论参考;牛璞[8]将气凝胶应用于中空玻璃,完成玻璃光热性能测试及其应用展开研究;Zheng H[9]等人针对我国夏热冬冷地区的居住建筑的气密性进行实验研究,研究认为对在施工和安装过程中内门结构间隙的普遍忽视是各区域气密性存在显著差异的最可能原因;王波[10]通过计算分析了建筑门窗的气密性能对保温性能的实际影响,提出提高门窗的节能性能应从提高保温性能和降低气密性能两方面综合考虑。由此可见,建筑气密性是建筑能耗影响因素之一,不可忽略。建筑整体围护结构若气密性差会造成建筑能耗增加,对于超低能耗建筑而言其气密性更为关键[11]。在超低能耗建筑中,气密性不光影响建筑能耗,同时对室内人员的健康和热舒适性具有一定的影响[12],建筑气密性是衡量超低能耗建筑的重要指标之一。

因此,本研究以保定市某幼儿园建筑为例,通过SketchUp构建建筑几何模型,EnergyPlus软件建立物理计算模型。首先,系统分析该幼儿园超低能耗公共真实建筑中建筑气密性、建筑总能耗、热负荷和冷负荷之间的影响关系。其次,针对各气候区典型城市,进一步定量计算气密性对建筑能耗的影响,分析各区域气密性影响的特征及引起的原因。最后,研究给出不同气候区下采用不同气密性等级门窗对应的建筑能耗的情况。

2能耗模拟和气密性指标

2.1 模型设置

 

1建筑模型示意图

本研究选取河北省保定市某幼儿园作为研究对象,通过SketchUp构建建筑模型图,如图1所示。该建筑总面积为6093.59m2,共三层,一层的层高为4.5m,二层和三层的层高均为4.2m。一层主要功能为大厅、活动室、食堂,二楼主要功能为活动室和休息室,三楼主要功能为活动室、会议室和办公室。计算并给出各面墙的窗墙比,南面墙的窗墙比为0.384,东墙的窗墙比为 0.325,北墙的窗墙比为 0.390,西墙的窗墙比为 0.351。

围护结构的构成分为被动区和非被动区,后者主要是食堂等区域。对于非透明围护结构部分,屋顶采用40mm轻集料混凝土、250mm高容重石墨聚苯板、30mm轻集料混凝土和120mm钢筋混凝土板组成,墙体采用35mm水泥砂浆防护层、25mm珍珠岩板、355mm石墨聚苯板、25mm珍珠岩板和35mm水泥砂浆防护内层组成。门窗采用氩气填充的多层玻璃构成,对于被动区其具体组成为5mm普通玻璃、12mm氩气层、5mm low-e玻璃、12mm氩气层、5mm low-e玻璃,对于非被动区具体组成为5mm low-e玻璃、12mm氩气层、5mm 普通玻璃。

幼儿园各类房间的功能不同,各区域房间的室内设计参数要求和内热源组成特点也都存在差异。本研究将目标幼儿园建筑分为6个功能区域,分别是活动室、大厅、办公室、食堂、休息室、会议室。由于该真实幼儿园中食堂为非被动区房间,不做单独的气密层包围,因此食堂的负荷数据不用于研究中关于建筑能耗与气密性规律的分析。参考GB 50189-2015《公共建筑节能设计标准》[13],计算和设置各类型房间的温湿度设定值、新风量、风速、人员密度、照明功率密度、设备功率密度,最终参数选取结果见表1。大厅和食堂的室内温度夏季和冬季设定分别为27℃和18℃,活动室、休息室、办公室和会议室的室内温度夏季和冬季设定分别为26℃和20℃;所有区域的相对湿度夏季和冬季分别设计为60%和30%。对于新风量设计而言,食堂和办公室设计为每人每小时30 m3,会议室为每人每小时25 m3,大厅和休息室为每人每小时20m3,活动室为每人每小时17 m3。风速的设计中活动室、休息室和办公室为≤0.20 m/s,大厅、食堂和会议室为≤0.15 m/s。大厅人员密度最稀,为10 m2/人。灯光功率设置中食堂最大,其数值为13W/m2;设备功率设置中将活动室、休息室、办公室和会议室均设置为15 W/m2

1 室内设计参数和内热源组成


夏季

冬季






热区

温度

相对湿度

%

温度

相对湿度

%

新风量

m3/hp

风速

m/s

人员密度

m2/人

灯光功率

W/m2

设备功率

W/m2

大厅

27

60

18

30

20

≤0.15

10

5

0

活动室

26

60

20

30

17

≤0.20

2.5

11

15

休息室

26

60

20

30

20

≤0.20

2.5

6.5

15

食堂

27

60

18

30

30

≤0.15

4

13

0

办公室

26

60

20

30

30

≤0.20

4

9

15

会议室

26

60

20

30

25

≤0.15

2.5

9

15

研究中的空调系统选用EnergyPlus软件中理想空调系统(The ideal load HVAC system)来调节建筑内部室温,该系统能够100%效率的除去区域内多余的冷量或者热量从而维持区域温度满足要求,其可以反映出建筑的实时建筑负荷特征。结合表1给出的各区域室内参数特点,建筑空调的供热温度点设定为18℃/20℃,制冷温度点设定为26℃/27℃;即区域温度低于18℃/20℃时空调开启供热并维持区域温度,区域温度高于26℃/27℃时空调开启制冷并维持区域温度,而当区域温度在设置温度范围之间时,空调处于待机状态。幼儿园作为具有特殊功能的学校建筑,其使用时间和作息模式与其他类型的公共建筑或居住建筑存在明显差异。调研可得,幼儿园工作日正常上课时间 07:00–16:00使用,周末及法定节假日不使用,冬季寒假1月中旬或1月底至2月中旬、夏季暑假7 月初或中旬至8月下旬均不使用。

本研究目标建筑幼儿园位于河北省保定市,其气候分区属于寒冷地区;在构建好模型后,保定市的气候数据(如太阳辐射、室外干球温度、风速等)将作为建筑模拟的室外气象参数,该城市天气数据可由气象软件获得。此外,由于我国各地气候特征存在很大差异,气密性对建筑能耗的影响也会不同。根据我国建筑暖通空调供能特点的不同,可将各地气候分为5大气候区,分别是严寒地区、寒冷地区、夏热冬冷地区、夏热冬暖地区和温和地区。本研究将选取哈尔滨、北京、上海、广州和昆明五个城市作为五个不同气候区的典型城市,研究气密性在不同气候条件下对超低能耗公共建筑能耗的影响规律。图2给出各气候区代表城市室外日平均温度分布图,并汇总了室外日平均温度的最大值、最小值、年平均值和25%~75%温度分布区间。由图可知,哈尔滨、北京、上海、广州和昆明的全年平均温度分别是4.11℃、12.6℃、16.7℃、22.2℃和15.5℃。哈尔滨和北京属于严寒和寒冷地区,冬季室外温度比较低,其日平均室外空气温度的最低温度分别达到-22.7℃和-10.1℃。广州属于夏热冬暖地区,全年温度偏高,其日平均室外温度在8.22℃以上。上海属于夏热冬冷地区,日平均室外空气温度变化和分布较广州更分散一些,日平均室外温度在-1.74℃以上。昆明属于温和地区,全年温度都比较舒适,日平均室外空气温度全年在0.91℃~22.5℃之间。

 

2各气候区代表城市室外日平均温度

2.2 气密性指标

气密性指标[14]由保持室内外压差在正压50Pa与负压50Pa 时建筑每小时换气次数表示,大小由公式(1)和公式(2)计算得出。其中,N+50 N-50指室内外压差在正、负压 50Pa条件下房间的小时换气次数(h-1);L+50 L-50指室内外压差为正、负压50Pa条件下空气流量的平均值(m3/h);V为被检测建筑的室内换气体积。本研究所采用的自然条件下房屋每小时的换气次数可由公式(3)计算,公式中N50为保持室内外压差50Pa条件下建筑平均每小时换气次数(h-1)。

N+50=L+50/V                             (1)

N-50=L-50/V                             (2)

N50=( N+50+N-50/2                       (3)

3 结果与讨论

3.1 气密性对目标幼儿园能耗的影响

研究通过EnergyPlus软件模拟计算气密性对于目标建筑幼儿园的建筑能耗的影响规律,选择气密性指标N50分别为0、0.1、0.2、0.3、0.4、0.5、0.6、0.7、0.8、0.9、1.0 h-1进行敏感性分析。图3分别给出保定市某幼儿园建筑的年单位面积建筑总能耗、年单位面积建筑供热能耗和年单位面积建筑供冷能耗。从计算结果图中可知,当换气次数从0 h-1提升到0.6 h-1时(本幼儿园被动区设计的气密性要求小于0.6 h-1),该幼儿园建筑的建筑总能耗从56.87 kWh/(m2·a)增加为84.68 kWh/(m2·a),增长49%;其中供热能耗从24.89 kWh/(m2·a)增加到61.12 kWh/(m2·a),增长146%;其中供冷能耗从31.98 kWh/(m2·a)变成23.56 kWh/(m2·a),降低26%。考虑超低能耗建筑对寒冷地区气密性要求小于等于1 h-1要求,由图可知,当换气次数从0 h-1提升到1 h-1时,该幼儿园建筑的建筑总能耗增加为104.12 kWh/(m2·a),增长83%;其中供热能耗增加到82.61 kWh/(m2·a),增长2.32倍;其中供冷能耗变成21.5 kWh/(m2·a),降低33%。目标幼儿园超低能耗建筑的气密性主要通过影响建筑供热能耗而造成建筑总能耗的增加,且影响数值比重很大。由于幼儿园所处城市保定位于寒冷地区,该气候条件下的室外平均空气温度在冬季很低,气密性对供暖能耗的影响较大,即气密性的变化对于冬季供暖能耗相比夏季供冷能耗更为敏感。因此,从节能减碳角度来讲,应尽可能减小该城市超低能耗建筑的气密性,从而降低气密性对建筑能耗的负面影响。

    

a)年单位面积总能耗                           (b)年单位面积供热能耗

 

c)年单位面积供冷能耗

3 单位面积年能耗随换气次数变化规律

为进一步分析气密性造成建筑能耗增加的原因,研究以换气次数为0 h-11 h-1为例,计算并绘制出建筑年单位面积供热和供冷能耗的具体组成及所占比例变化图,如图4所示。首先,对于年单位面积供热能耗,其主要由新风负荷和围护结构造成的负荷组成。由图4a可知,当换气次数增加时各项负荷均增加,但围护结构造成的负荷增长量和增长率都远高于新风负荷的变化。具体而言,当换气次数从0 h-1提升到1 h-1时,该幼儿园建筑的供热新风负荷从11.37 kWh/(m2·a)增加为19.54 kWh/(m2·a),增加72%;围护结构造成的供热负荷从13.52 kWh/(m2·a)增加到63.07 kWh/(m2·a),增加了3.66倍;因此总热负荷受围护结构影响更大,最终增长了2.32倍(图3b)。此外,比较图4c和图4d发现当换气次数增加后,热负荷中围护结构造成的负荷占比也有明显增加,从54.3%增加到76.3%。其次,对于年单位面积供冷能耗,其由人员负荷、灯光负荷、设备负荷、新风负荷和围护结构造成负荷组成。由图4b可知,当换气次数增加时各项负荷均有所减少,但围护结构造成的负荷减少率远低于其他负荷的变化率。具体而言,当换气次数为0 h-1,该幼儿园建筑的供冷人员负荷、灯光负荷、设备负荷、新风负荷和围护结构造成的负荷分别从12.05 kWh/(m2·a)、2.2 kWh/(m2·a)、5.89 kWh/(m2·a)、5.34 kWh/(m2·a)和6.50 kWh/(m2·a);随着换气次数提升到1 h-1,前四项的减少率约为39%,而围护结构造成的负荷仅降低8%;最终使得总冷负荷降低约33%(图3c)。此外,比较图4e和图4f发现当换气次数增加后,冷负荷中各项负荷占变化不明显。总结可知,对于位于寒冷地区的幼儿园超低能耗建筑,建筑气密性对建筑能耗的影响主要由冬季通过围护结构造成的热负荷引起。

 

a)热负荷组成                           (b)冷负荷组成

 

c)0 h-1时建筑热负荷组成比例                   d)1 h-1建筑热负荷组成比例

 

e)0 h-1时建筑冷负荷组成比例                   f)1 h-1建筑冷负荷组成比例

4换气次数为0 h-11 h-1时建筑负荷组成及比例

3.2 各气候区幼儿园门窗等级对建筑能耗的影响

我国目前的建筑墙体气密性普遍较好,而外门窗的气密性相对较差,因此本小节将以幼儿园建筑模型采用不同气密性等级的门窗为例,分析气密性对我国各气候区建筑能耗的影响规律。根据标准GB/T 7106-2019《建筑外门窗气密、水密、抗风压性能分级及检测》[15]和GB/T 31433-2015《建筑幕墙、门窗通用技术条件》[16]可知,以压差为10 Pa时的单位开启缝长空气渗透量(volume of air flow through the unit joint length of the opening part)q1和单位面积空气渗透量(volume of air flow through a unit area)q2作为分级指标值,建筑门窗气密性可以划分为1~8个不同等级,具体分级情况如表2所示。由表可知,建筑门窗气密性能指标值越大,气密性等级越小,气密性能越差。例如,门窗级别为1时,q1q2分别是3.5~4.0m3/(m·h)和10.5~12.0 m3/(m2·h),级别为8时,q1q2分别是0.5 m3/(m·h)和1.5 m3/(m2·h),渗透量降低约85.7%~87.5%。因此,为了提高建筑的气密性,需采用高级别气密性的建筑外门窗。图5a计算并绘制了目标幼儿园建筑采用不同等级门窗时对应的换气次数数据。由图可知,当目标幼儿园建筑采用气密性等级为1的门窗时,换气次数(气密性)为0.753h-1;当采用气密性等级为8的门窗时,换气次数(气密性)减少为0.094h-1;换气次数缩小了87.5%,即采用高等级门窗可有效提高建筑气密性。

2 建筑外门窗气密性分级

分级

q1  m3/(m·h)

q2  m3/(m2·h)

分级

q1  m3/(m·h)

q2  m3/(m2·h)

1

3.5~4.0

10.5~12.0

5

1.5~2.0

4.5~6.0

2

3.0~3.5

9.0~10.5

6

1.0~1.5

3.0~4.5

3

2.5~3.0

7.5~9.0

7

0.5~1.0

1.5~3.0

4

2.0~2.5

6.0~7.5

8

≤0.5

≤1.5

选取气密性等级1的门窗为例,分析气密性等级对我国五大不同气候区的建筑能耗的影响。图5b-d给出了五个代表城市在换气次数为0h-10.753h-1时幼儿园建筑的年单位面积总能耗、供热能耗和供冷能耗。由图5b可知,除昆明外,其它几个气候区的建筑年单位面积总能耗都随着气密性变差而增加。年单位面积总能耗增加比重按哈尔滨、北京、上海、广州的顺序依次降低,分别是48%、38%、21%和12%,而昆明的总能耗降低了25%;也就是说越往北方寒冷的地区,其建筑能耗受气密性影响越大。由图5c和图5d可知,各气候区建筑供热能耗均随气密性变差而呈增加趋势,除广州外其他各气候区建筑供冷能耗随气密性变差均略微有降低;此外,比较图中数据变化率可知,供热负荷受气密性影响的变化率远大于供冷负荷的变化率。

具体而言,气密性对以供暖为主的严寒地区和寒冷地区的两个北方城市哈尔滨和北京的影响最大,采用气密性等级1的门窗会造成该幼儿园建筑能耗增加,尤其供热能耗的增长,两城市的建筑能耗增长量达到90.34 kWh/(m2·a)和44.56kWh/(m2·a)。这是因为严寒地区和寒冷地区的全年室外温度有很长时间的低温天气,由图2中温度数据统计可知在哈尔滨和北京日平均室外温度低于0℃的天数分别达到147天和65天,因此其供热需求时间长,且供热强度远大于其他气候区,所以气密性对该类气候区的建筑供热能耗的数值影响更大,对于该类气候区超低能耗建筑设计时需严格要求气密性的大小。对于夏热冬冷、夏热冬暖和温和地区为代表的城市上海、广州和昆明,气密性对供热能耗数值有一定影响,但由于供热能耗数值低,所以影响变化率比较高,分别达到74.4%、78.9%和78.5%;结合气密性对供冷负荷的影响,最终气密性使上海和广州的建筑总能耗增加,昆明建筑总能耗降低。

 

a)气密性等级和换气次数关系            (b)总能耗                  

 

c)供热能耗                           (d)供冷能耗

5 不同气密性等级/换气次数对五个气候区建筑能耗的影响

最后,研究给出了五个气候区代表城市在不同气密性等级下的年度单位面积总能耗图,供参考使用,见图6。由图可知,采用气密性等级更高的门窗对除昆明外的其他各个气候区的建筑能耗均起到降低的作用,节能效果越往北方的城市越明显。例如在哈尔滨,气密性等级为1~8时,建筑总能耗分别为174.88kWh/(m2·a)、165.18kWh/(m2·a)、155.73kWh/(m2·a)、145.39kWh/(m2·a) 、135.40kWh/(m2·a)、125.37kWh/(m2·a) 、115.08kWh/(m2·a) 和104.31kWh/(m2·a))。当哈尔滨建筑采用等级为8的门窗时,相比于采用等级为1的门窗的建筑可节能高达40.4%。

   

a)哈尔滨                          (b)北京                 

    

c)上海                         (d)广州                

 

e)昆明

6 采用不同气密性等级门窗对五个城市建筑总能耗的影响

4结论

本文以一栋位于保定市的三层幼儿园超低能耗建筑为研究对象,进行气密性对建筑能耗影响的模拟计算分析,主要得出以下结论:

当换气次数从0 h-1提升到1 h-1时,该幼儿园建筑总能耗从56.87 kWh/(m2·a)增加为104.12 kWh/(m2·a),增长了83%;其中供热能耗增加了2.32倍,该增长主要由围护结构造成的热负荷引起;而供冷能耗降低33%,冷负荷中各项负荷的占比变化不明显。

五个代表城市哈尔滨、北京、上海、广州和昆明在采用气密性等级为1级的门窗后,建筑年单位面积总能耗分别增加了48%、38%、21%、12%和-25%,可以看出建筑气密性对以供暖为主的严寒和寒冷地区的建筑能耗影响更加严重。

超低能耗建筑设计时需严格控制气密性大小,尤其是严寒地区和寒冷地区。采用气密性等级高的门窗可有效降低建筑能耗,如哈尔滨采用气密性等级为8的门窗代替等级为1的门窗后,建筑总能耗可从174.88kWh/(m2·a)降低到104.31kWh/(m2·a)),节能率高达40.4%。

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作者简介:许大龙(1981—),男,山东日照,高级工程师,研究方向主要为超高层建筑设计、大型综合体设计、超低能耗建筑技术、装配式建筑技术应用。


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