高海拔地区,在此泛指海拔高度在1000m以上地区,主要包括西藏和青海的全部,四川西部,新疆南部以及甘肃、云南的一部分,总面积大致在250万km2,占我国陆地面积约26.8%。该类地区地理位置较高、空气稀薄、空气温度低、气候环境恶劣,随着国家对民生工程的大力推进,为营造良好的室内环境,建筑采暖空调项目应运而生,该类地区建筑能耗将进一步攀升。而建筑节能是实现我国节能减排重大战略决策的主要任务之一,其重要性不言而喻。

建筑节能标准制定及实施是实现建筑节能的主要手段。我国建筑节能工作是从20世纪80年代初伴随着改革开放政策的实行开始的,由易到难,从点到面,稳步推进。建筑节能标准完成了节能率30%、节能率50%到节能率65%三步走的跨越[1]。建筑节能率本身是一个相对量,其大小是以建筑采取节能措施前的能耗为基础得到的。建筑节能领域常常以实际建筑节能率的大小来评价建筑是否节能。目前,我国相应建筑节能领域规范[2,3]在制定中主要参考《民用建筑热工设计规范》(GB50176—2016)[4]的建筑分区情况,该标准中未对高海拔地区作出明显划分,相应分级指标规定更多考虑空气体积,很少考虑高海拔地区空气稀薄、空气密度比其他地区显著降低的特点,针对该地区的研究很少从建筑本身的传热特性展开[5,6,7,8],因此对于该类地区的建筑节能而言,上述相关理论的参考价值较小。

建筑能耗主要分为两大部分,其中由外门窗缝隙引起并需在一定时段内从室内除去的冷(热)量占总能耗较大部分[9,10]。本文针对高海拔地区外门窗缝隙对建筑能耗的影响规律进行相关研究,提出高海拔地区外门窗气密性等级问题在节能标准中的制定方法。

1、研究对象与方法

1.1研究对象

本文选取某居住建筑作为研究对象,分析不同工况下建筑外门窗气密性对建筑能耗的影响。建筑平面如图1所示,房间功能主要为卧室、书房等,每层2户,共6层,首层层高为3.5m,顶层3.3m,其余楼层3.1m,建筑总高度为19.35m,建筑总面积为2103.56m2,建筑体积为6064.98m3,建筑体形系数为0.50,建筑四面装窗。建筑外窗、外墙面积汇总结果见表1。

图1建筑平面

表1全楼外窗、外墙面积汇总

1.2研究条件

能耗模拟时,主要采用气象数据库中不同城镇的室外气温、当地大气压力、水平面总辐射、直射辐射、逐时风速等。通过现有气象数据库中不同城镇的分析,参考《建筑节能气象参数标准》(JGJ/T346—2014)[11],对数据库中城镇进行比较,选取了成都(海拔506m)、雷波(海拔1256m)、松潘(海拔2852m)、若尔盖(海拔3441m)、色达(海拔3896m)等5个城镇作为建筑不同工程地点。建筑负荷计算过程中,考虑分析对象不同工程地点实际气候条件及节能设计标准相关限制,取外墙传热系数为0.3W/(m2·K),外窗传热系数为1.6W/(m2·K),屋面传热系数为0.3W/(m2·K),忽略高海拔地区空气稀薄对各围护结构传热系数的影响,不考虑室内人员、照明,不考虑设备等稳定内热源,不考虑新风。假定全年无论是工作日还是休息日,供暖设定温度为18℃,空调设定温度为26℃。换气次数设定按照气密性的单位面积分级指标,具体分级情况参考《建筑外门窗气密、水密、抗风压性能分级及检测方法》(GB/T7106—2008)[12],根据建筑物外门窗面积,计算得出不同外门窗气密性等级下的建筑换气次数。其中,每个等级的单位面积分级指标对应范围上下限的平均值,具体计算结果见表2。

图2给出了5个城镇室外日平均温度、太阳年日均辐照量及当地大气压力(mbar)的对比图。从图中可以看出,随着海拔的增加,大气压力明显降低,室外平均温度整体呈下降趋势,而太阳年日均辐照量明显增加。

表2分析模型在不同外门窗气密性条件下的换气次数n′k

图2不同城镇气象参数对比

1.3研究方法

表2中数据是在标准状态下,压力差为10Pa时的单位面积空气渗透量下计算得到的换气次数,在非标准状态下《建筑外门窗气密、水密、抗风压性能分级及检测方法》(GB/T7106—2008)给出了相应的换算关系,见式(1)。

式中:q′为标准状态下通过试件的空气渗透量,m3/h;qt为试件渗透量的测定值,m3/h;P为测试地气压值,kPa;T为测试地空气温度值,K。

根据道尔顿分压定律,湿空气的总压力P(简称湿空气压力)等于湿空气中干空气的分压力Pd与湿空气中水蒸气的分压力Pv之和,即

湿空气的密度ρ是湿空气中干空气的密度ρd与湿空气中水蒸气的密度ρv之和,即

由于Pv相比于Pd而言数值较小,因此湿空气的密度比干空气的密度小,在实际计算时Pd≈P,

由上式可知空气密度大小与室外干球温度Tout(K)成负相关,而与室外大气压力P(Pa)成正相关。

建筑负荷采用特征温度法(CTM法)[13]计算,其特征温度物理意义是,当房间传热过程达到稳定状态时,外界传入房间空气总热量与室内空气传出热量的能力之比,其负荷计算主要通过下式得到:

式中:Q0为单位时间冷热负荷,W;±表示房间需供热或制冷;tin为房间内空气设定温度,℃;tshut∞为空调设备停机状态的特征温度,℃;Ki为不同围护结构的传热系数,W/(m2·K);Fi为围护结构面积,m2;nk为房间换气次数,次/h;ρ为室外空气密度,kg/m3;c为室外空气比热,kJ/(kg·℃);V为房间体积,m3。

该负荷计算方法已被大量试验验证了其可靠性,并已用于各种情形的建筑能耗研究[14,15],计算所得建筑耗热量及耗冷量按家用空气源热泵空调器进行转化,空调额定能效比为3.3,供暖额定能效比取3.0[16]。

图3不同地区通风换气次数比较

2、计算结果与分析

对式(1)两边除以建筑换气体积V,从而得到实际情况下通风换气次数nk与标准工况下n′k的换算关系。从而可知,在n′k相同时,实际工况下计算得到的nk将与室外大气压力P成反比,与室外干球温度Tout成正比。图3为利用上述换算关系取气密性等级为1级时的窗户计算得到的对应通风换气次数在成都、色达两地全年8760h逐时动态分布情况。从图中可以看出:同一地点,同种型号窗户受室外大气压力、环境温度的变化影响而出现差异性,其中窗户在最热月明显高于最冷月时的换气次数;与标准值作对比,两地全年窗户的通风换气次数均大于标准值0.93次/h,对全年求平均从而得到低海拔地区成都与高海拔地区色达窗户气密性等级1级换气次数均值,可知成都地区对应均值高出标准值4%,色达高出53%,说明该种型号窗户用在高海拔地区色达时,室内外空气交换量将远高出低海拔地区成都;对比两地换气次数计算值分布可以看出,温度引起窗户换气量的变化远弱于气压值,温度引起变化的最大值在成都为17%,而由气压引起的变化两地最大相差56%。

通过式(4)对成都、色达两地全年空气密度进行计算,从而得出两地相应空气密度逐时分布,如图4所示。从图中可以看出:两地全年空气密度均呈现中间小、两头大趋势,即冬季空气密度明显大于夏季;两地区对比,色达空气密度全年均值为0.75kg/m3,明显小于成都空气密度1.15kg/m3,全年逐时分布,成都相比色达最大相差56%,而由地区室外温度引起的空气密度变化两地最大相差17%,即空气密度受气压变化的影响明显高于地区室外环境温度变化的影响。规范中关于空气密度的计算仍统一采用供暖期室外平均温度计算下的空气密度[2]。表3给出了成都、色达两地在空气密度取值中两种不同方法的计算结果对比,计算时间段均采用冬季3个月。从表中数据可看出,仅考虑供暖期室外平均温度时,成都、色达两地计算结果均大于同时考虑室外环境温度Tout和P的值,两种不同方法计算结果中,成都相差5%,色达相差65%,且出现高海拔地区色达高于低海拔地区成都的情况,偏离实际情况,因此可知,针对高海拔地区,在建筑负荷计算中空气密度应同时考虑当地大气压力及温度影响。

图4不同地区空气密度比较

表3不同计算方法下的空气密度比较

图5建筑能耗随外门窗气密性的变化(成都)

利用上述负荷计算方法,考虑非标准工况下由外门窗渗透的通风换气次数实际值,进行全年8760h动态模拟计算。将外门窗气密性变化前后建筑采暖及空调能耗进行对比,得出建筑在气密性增加1级后的节能率。图5为建筑处在成都时,建筑空调能耗、采暖能耗以及相应节能率随外门窗气密性的变化。从图中可看出:外门窗气密性增加,建筑空调能耗降低,但能耗绝对值变化较小,相应部分的节能率均处在5%以内;对于建筑采暖能耗,随着外门窗气密性增加,能耗明显降低;建筑总能耗也逐级降低,气密性等级由7级提升至8级,建筑采暖部分节能率达到16%以上。分析出现此类情况的原因主要与这两种能耗计算中的换热温差Δt有关,采暖温度为18℃,空调温度为26℃,研究中的5个工程地点(5个城镇)全年室外日均温度均在18℃以下,建筑能耗以采暖能耗为主,因此可知,就此类地区而言,改善外门窗气密性状况,将较大程度降低建筑采暖部分能耗。

图6为建筑处在色达时,建筑能耗随外门窗气密性的变化。由于色达地理位置较高,全年室外日平均温度已处于4℃以下,气候属严寒地区,因此全年无空调时段,建筑能耗以采暖能耗为主。如图所示,随着外门窗气密性等级提高,建筑能耗明显降低,相应节能率均在8%以上。对比图5中成都的采暖节能率变化,两地节能率变化趋势几乎吻合,相应节能率大小相近。由此可知,就建筑采暖节能率而言,提高外门窗气密性等级,对高海拔地区和低海拔地区来说,建筑采暖部分能耗减少的相对变化差别不大。

图6建筑能耗随外门窗气密性的变化(色达)

将上述5个不同海拔高度城镇下得到的建筑节能率随外门窗气密性的变化进行对比,节能率均以建筑在当地外门窗气密性取1级时为基准,如图7所示。从图中可知:①提高外门窗气密性,建筑位于不同海拔高度时,节能率均明显上升,节能效果显著;②除成都外,建筑处在其他海拔高度下节能率几乎保持一致,差异性大致在3%以内,而建筑在成都与其他城镇出现的节能率差异最大在11%,差异十分明显。图5、6两地采暖部分节能率是相近的,高海拔地区由于气温较低,空调能耗几乎接近于0,外门窗气密性提高,空调部分的节能效果远低于采暖部分,因此可知,由于建筑在成都时的空调部分能耗占比远高于其他城镇,从而导致总能耗的节能率随气密性的变化趋势相比其他较缓。

图7节能率随外门窗气密性等级的变化

为进一步说明高海拔地区外门窗气密性对建筑能耗的影响,下文就能耗形成来进一步研究。

由建筑能耗形成原理可知,建筑能耗主要包括空气渗透部分及围护结构传热部分。改善外门窗气密性,建筑换气次数减少,如表2所示,在建筑体积不变的条件下,相同时间里室内外空气换热体积减小,则对应空气渗透部分的能耗降低。随着建筑所处位置海拔高度的增加,大气压力降低,如图2所示,空气密度减小(式(4)),而空气渗透部分能耗与空气密度成正相关,因此该部分能耗将降低。图8为建筑不同部分能耗随外门窗气密性的变化。由图可知:建筑处于色达时,随着外门窗气密性等级增加,建筑能耗中空气渗透部分明显降低,外门窗气密性由1级提升至8级,空气渗透部分节能率达到69.04%;外门窗气密性增加,由外门窗缝隙渗透进入采暖房间内的空气体积减小,室内热环境相同时段受室外环境的扰动较小,建筑需由室内空气中除去的由于受室外扰动所带入的冷量减少,对应表征室内受室外环境因素扰动的特征温度降低,则围护结构传热部分的能耗将有所减小,但该部分总体变化较小,节能率最大值仅为1.96%。因此,外门窗气密性对建筑空气渗透能耗的影响是对应建筑总能耗变化的关键。

图8建筑不同部分能耗随外门窗气密性的变化

由上文可知,海拔越高,大气压力越低,在外门窗气密性等级相同时,由外门窗缝隙渗透空气所计算得到的换气次数将相应增加,进而影响建筑能耗,而图7中建筑在不同海拔高度下节能率却十分接近。对式(1)分析可知,非标准工况下的qt∝TPqt∝ΤΡ,而关于高海拔地区下空气密度的计算,若同时考虑大气压力的影响,则ρ∝PT(Tρ∝ΡΤ(Τ与Tout均为室外空气温度),在负荷计算中Q0∝qt·ρ。因此可知,在计算高海拔地区建筑负荷时,由于室外大气压力降低,换气次数增加,单位时间室内外交换空气体积增加,但由于空气密度减小,单位时间空气交换的质量将不受海拔高度影响,建筑负荷计算中空气渗透部分的负荷将为建筑单位时间内空气换热温差的单一函数,外门窗气密性对建筑空气渗透能耗的影响是对应建筑总能耗变化的关键。因此可知,在高海拔地区,若以建筑节能率的大小来划分气密性下限指标,其划分结果与低海拔地区应无差异。

3、讨论

上文第2部分已经给出,提高高海拔地区建筑外门窗气密性,其建筑能耗对应节能率大小与低海拔地区差异不大,而节能率本身是个相对量,不能定量表现建筑实际节能大小。图9给出了气密性等级由1级提高到8级,对应面积建筑能耗逐级变化平均值的对比情况。从图中可知,建筑在色达、若尔盖两地时,提高外门窗气密性,单位面积年能耗量减少量较为接近,明显高于其他城镇,均在5kW·h/(m2·a),成都最少,仅为1kW·h/(m2·a)。

图9不同城镇单位面积年能耗对比

结合前文研究结果可知,造成上述差异性的主要原因为:

1)外门窗气密性等级提高,由于采暖负荷计算过程中空气温差较大,建筑能耗变化表现为以采暖能耗降低为主,空调部分能耗的变化相比较小;

2)外门窗气密性等级提高,建筑能耗形成机理中,空气渗透耗热量的变化最为明显,大小与空气密度、换气次数、换气体积、换热温差有关,对于海拔不同的城镇,若同时对空气密度、换气次数进行修正,则对于同一建筑,其大小将取决于室内外空气温差,从图2可知,若尔盖、色达两地全年日均温度接近,均明显低于其他3个城镇,因此导致对应单位面积年能耗量变化绝对值最大。

4、结论

本文通过对5个海拔高度逐渐增加的城镇进行全年能耗计算来研究高海拔地区外门窗气密性对建筑能耗的影响,并对计算结果进行了深层次剖析,可以得出:

1)建筑节能指标划分中,换气次数实际多少受海拔高度影响,其划分并不能作为外门窗气密性的规定;

2)针对高海拔地区,空气密度计算应同时考虑室外大气压力及室外环境温度的影响;

3)改善建筑外门窗气密性,将使得建筑能耗降低,气密性每提高1级,节能率均在8%以上,其中建筑采暖部分的能耗降低最为明显;

4)就实现建筑节能而言,考虑建筑所处位置室外温度从而来制定不同海拔地区外门窗气密性的分级依据较为合理。

建筑使用过程中,需考虑室内一部分新风卫生需求,本研究对该部分进行了相应假设,其对于高海拔地区建筑的影响将在后续研究中进一步深入。

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