门窗气密性与农村住宅能耗及经济性关系模拟分析

张晗，聂金哲，庞宇馨

（北京建筑大学，供热、供燃气、通风及空调工程北京市重点实验室，北京 100044）

0 引言

建筑气密性是影响建筑整体能耗的重要因素之一。室内外的空气通过建筑物门窗的缝隙可以直接进行交换。在采暖季节或空调季节，由于室内外存在一定的温度和湿度差，空气渗透将会增加采暖负荷或空调负荷。在冬季，室外空气通过渗透进入室内，会带来冷风渗透负荷，从而显著增加采暖能耗，并影响室内热舒适度。而在夏热冬暖地区的夏季室外空气的渗透会增加制冷能耗。据统计数据表明[1]，我国寒冷地区住宅建筑的冬季采暖总能耗大约有73%～77%是由围护结构引起的，建筑节能优化应注重围护结构保温隔热以及气密性的提升。建筑门窗是围护结构空气渗透的重点部位，我国既有建筑尤其是农村住宅中的门窗因为质量或安装规范问题存在气密性不够好，从而导致室内热舒适度差，维持同等的室内热舒适度则需要较高的能耗。近几年，我国已经对北方地区既有居住建筑进行了大量的节能改造，建筑外墙、门窗、屋面等围护结构的保温性能逐步提高，已经有效地降低了建筑外围护结构传热引起的能耗。聂金哲等[2]研究表明，针对我国北方地区，采用不同的围护结构保温隔热性能改造方案后，可降低建筑累积热负荷31.7%～58.7%，降低建筑累积冷负荷3.2%～30.2%，并显著减少CO2、SO2、NOx和烟尘的排放量，从而提升建筑的节能减排效果。但是在节能改造过程中，我国建筑尤其是农村住宅建筑围护结构气密性水平较发达国家或地区还不够高，建筑的气密性改造往往容易被忽视。在建筑的总热负荷中由空气渗透引起的热损失可占到25%～50%[3]。可见，因空气渗透引起的能耗在建筑供暖和空调能耗中所占比例较高，提高建筑整体气密性能够有效减少冷热损失，降低供暖空调能耗并提升室内热舒适度，对建筑节能和居民生活环境改善有重要意义。

1 国内外对气密性影响的研究

Jokisalo 等[4]根据数值模拟测算，在严寒气候情况下，典型的芬兰独立式住宅中冷风渗透所形成的采暖能耗占了建筑采暖能耗的15%～30%。汪静等[5]的研究表明，在我国夏热冬冷地区，当建筑换气次数从3.5 次/h 降低到0.5 次/h 时，建筑的能耗降低了72.7%，节能效果非常显著，提高建筑整体气密性是降低建筑能耗的有效手段之一。付衡等[6]对南京地区住宅建筑的围护结构能耗占比进行了研究，结果表明，通风渗透是影响全年采暖空调能耗的主要因素，能耗比例达到39.48%～41.00%，而通风渗透主要是由外窗带来的。王梦伟等[7]的研究指出，严寒、寒冷和夏热冬冷地区同类型建筑的空调和采暖能耗都会随着换气次数的增加而增加，对严寒地区的采暖能耗影响更大。通过围护结构进入建筑的空气渗透除了会对建筑的冷热负荷产生影响外，也会影响建筑围护结构中的水分聚集和建筑室内的空气质量[8]。潘振等[9]对围护结构气密性与建筑能耗关系进行了理论分析，并针对实际建筑外窗冷风渗透所带来的能耗研究了相应的测试方法和开发了测试设备。

随着我国对建筑节能的逐渐重视，建筑整体的气密性也在不断提高。但我国住宅目前以自然通风为主，需要平衡建筑气密性所产生的节能和室内空气品质之间的关系，达到降低建筑能耗提升室内空气品质的最优化目标[10]。在满足室内最小新风量需求的前提下，适当地提高建筑门窗气密性并采用自然通风的方式，比追求最高的气密性且采用机械通风加热回收的通风方式更节能，建筑门窗采用刚好满足通风需求的气密性等级并采用自然通风时，亦可实现相对较低的空调采暖能耗[11]。沈帆[12]选取武汉地区的一栋政府办公大楼作为研究的基准建筑，研究窗户特性对建筑空调负荷及经济性的影响表明，窗户的气密性等级增大1 级，相应的建筑空调负荷约减小2%。

在以上建筑气密性与建筑能耗关系的文献调研基础上，本文以正在进行“煤改清洁能源”改造的华北农村地区住宅建筑为研究对象，通过建筑能耗模拟软件DeST-h 模拟分析了不同外窗气密性能对建筑能耗的影响，并结合经济分析，给出了适用于我国华北农村地区住宅节能优化的外窗类型。

2 能耗分析模型建立与设置

实际影响建筑能耗的因素非常复杂，采用实验的方法对于测量某一时刻或某一段时间的建筑能耗较为准确，但是对于分析某一因素对建筑能耗的影响则受到其它因素的干扰而变得不易控制，实验需要的时间也过长。为分析外窗气密性对建筑能耗的影响，采用软件模拟的方式可以定量地分析某一因素对结果产生的影响。本文采用DeST-h 软件对北京农村地区住宅建筑气密性与建筑能耗的关系进行模拟。

2.1 居住建筑模型的建立

本文首先选取了一栋典型的北京某农村住宅作为研究对象，并建立能耗分析模型，该典型农村住宅的一二层平面如图1所示，一层和二层的DeST 图如图2所示。该住宅朝向为正南，建筑层高3 m，围护结构热工参数参照GB/T 50824—2013《农村居住建筑节能设计标准》的各项要求确定，具体参数见表1 和表2。

图1 农村住宅一层和二层平面

图2 农村住宅一层和二层DeST 模型平面

表1 围护结构不透明部分的做法及传热系数

表2 围护结构透明部分的做法及传热系数

2.2 模拟工况

根据GB/T 7106—2008《建筑外门窗气密、水密、抗风压性能分级及检测方法》，气密性能采用了在标准状态下压力差为10 Pa 时的单位开启缝长空气渗透量q1和单位面积空气渗透量q2作为分级指标。分级指标q1和q2的值如表3所示。

表3 单位开启缝长空气渗透量q1 和单位面积空气渗透量q2 分级指标

空气渗透量分级指标可通过式（1）、式（2）换算为门窗所在房间的换气次数：

式中：N——换气次数，次/h；

q1——外窗单位开启缝长空气渗透量，m3/（m·h）；

q2——外窗单位面积空气渗透量，m3/（m2·h）；

L——外窗缝隙长度，m；

S——外窗面积，m2；

V——室内空间体积，m3。

本文主要通过模拟计算所选取农村住宅全年累计热负荷、累计冷负荷这2 个结果指标来研究气密性对建筑能耗的影响，并分别对采暖季和空调季2 个时间段进行分析。同时对比了室内有无内热扰（散热量）的情况下气密性对建筑能耗的影响规律。值得指出的是，提高建筑的气密性会影响室内的新风渗透量，为了改善这一问题而加入机械通风势必会增加风机能耗。但农村住宅建筑通常对室内换气次数或室内二氧化碳浓度没有实时控制的需求，所以本次模拟过程中仅研究改变围护结构气密性对农村地区住宅能耗的影响，不考虑由于建筑气密性提高导致的室内通风换气量变化带来的额外机械通风的能耗。而在经济性分析上，则选取1 级气密等级的外窗作为基准，以其它气密等级外窗的投资增量和节能量计算投资回收期的形式进行分析。

3 试验结果与分析

3.1 气密性与换气次数的关系

根据单位面积外窗空气渗透量q2分级指标即式（2）计算出每个房间的换气次数，得出各个房间的换气次数随气密性等级的变化如表4所示。

表4 各个房间不同气密性下的换气次数

3.2 建筑累计冷热负荷随气密性的变化

在建筑中，室外冷（热）空气渗透量会随着气密性的升高而减少，其带来的能源消耗也随之减少，这样就降低了建筑在采暖季的热负荷和在空调季的冷负荷。图3 为不同气密等级情况下建筑的全年累计冷热负荷。

图3 门窗不同气密性等级下建筑的累计冷热负荷

由图3 可以看出，空调季和采暖季的累计冷（热）负荷都随着气密性的提升而减小。由于采暖季的室内外温差明显高于空调季的室内外温差，随着气密性等级的增加，建筑累计热负荷的下降幅度较累计冷负荷相比明显要大。当气密性等级从1 级增加到8 级时，采暖季的累计热负荷从10611.47 kW·h 降低到5352.19 kW·h，建筑的采暖热负荷减少了49.6%，空调季的累计冷负荷从8227.82 kW·h 降低到7726.73 kW·h，建筑的冷负荷减少了6.1%。窗户的气密性提高到了5 级以后，全年的累计冷负荷已经超过了全年的累计热负荷。因此可知，提高建筑的气密性后，建筑的整体冷热负荷都有所降低，对建筑采暖季的节能效果更明显。

3.3 室内热扰对门窗气密性与建筑能耗关系的影响

图3 所分析的计算结果是在考虑室内人员、灯光、设备等室内热扰的情况下进行模拟分析的，该部分室内热扰在冬季热负荷计算过程中通常会被考虑为有利因素。而在住宅建筑实际使用过程中下，无以上热扰时也会将建筑室内温度控制在舒适范围。因此，在图3 的基础上，对在建筑室内在有无内热扰工况下累计冷热负荷随气密等级的变化情况进行了模拟分析。图4、图5 分别给出了不同气密性等级下、室内有无热扰（室内人员、灯光、设备所散发的热量）情况下的累计冷热负荷的变化。

图4 门窗不同气密性等级下建筑有无内热扰时的累计热负荷

图5 门窗不同气密性等级下建筑有无内热扰时的累计冷负荷

由图4、图5 可见，在采暖季工况下，围护结构气密性从1级提高到8 级时，无热扰情况下，采暖季累计热负荷从13528.45 kW·h 降低到8199.12 kW·h，建筑的采暖能耗减少了39.4%，随气密等级升高的降低幅度较有内热扰时稍低。空调季的累计冷负荷从5571.98 kW·h 降低到3720.96 kW·h，建筑的能耗减少了33.2%，相比有热扰时的降低幅度要明显升高。室内热扰会带来一定的热量，在冬季为有利因素，而在夏季则形成冷负荷，所以在无热扰时，建筑的累计热负荷增加，累计冷负荷减小。

全年累计总负荷随门窗气密性的变化如图6所示。

图6 有内热扰工况下全年累计负荷与气密性的关系

由图6 可以看出，随着围护结构的气密性从1 级增加到8 级时，全年累计负荷随之降低，从18839.49 kW·h 降低到12692.85 kW·h，能耗减少了32.6%。与图3 相同的是，随门窗气密等级的提升，热负荷降低的幅度要明显高于冷负荷的降低幅度。

提高建筑气密性可减小室内外的空气渗透量，有效地降低空气渗透引起的供暖或空调负荷。但增大建筑围护结构的气密性的同时，会影响建筑的新风渗透量。根据计算结果显示，当气密性增加到8 级时，各个房间的换气次数仅为0.08～0.20 次/h，参考欧洲国家的标准，室内的换气次数下限一般为0.50 次/h。此时的自然渗透新风量不能够达到健康需求的换气次数。而室内新风量不足时，会对人体健康产生不利影响。所以为了保证人体健康，当建筑的空气渗透量无法达到室内的新风需求时，就需要采用开窗自然通风或者机械通风的形式引入新风。此时，尽管减小了空气渗透带来的热损失，但是同时建筑室内又增加了通风需求，带来了通风的能耗。在本文所分析的典型建筑中，由于各房间的体积和门窗面积不同，换气次数在同一门窗气密等级下亦有所不同，若实现建筑整体在门窗渗透工况下的0.50 次/h，则门窗的气密性应在5 级。

4 经济性分析

在对围护结构进行节能改造的过程中，可以采用节能隔热性能更优的材料。而在针对围护结构气密性方面，可以对窗户做出相应的窗框更换、密封材料优化、施工工艺提高等措施。经济性上则从围护结构的初始投资，节能量的多少以及回收期的长短等一些数据来评价气密性等级优化的优劣。本文通过引入投资增量、节能量、冷热价与静态投资回收期的概念来对围护结构气密性的改造进行经济性分析。

4.1 冷热价的计算方法

冷价即为在空调期由空调系统所产生的每千瓦时冷负荷所花费的电费。热价即为在采暖期由采暖系统所产生的每千瓦时热负荷所花费的电费。根据相关的调研，北京农村地区采用峰谷电价政策，峰段（07：00～21：00）的电价为0.4883 元/kW·h，谷段（21：00～次日07：00）的电价为0.30 元/kW·h。北京农村地区多数现已实施煤改电项目，本文以采用空气源热泵作为热源，分体空调作为冷源进行分析。取空气源热泵机组冬季供暖工况下的COP为2.1。空调系统在夏季供冷情况下的COP为3.1。

在采暖季时，采暖系统的热价计算如式（3）、式（4）、式（5）所示[12]。

式中：COP1——制热性能系数；

Q1——采暖季累计总热负荷，kW·h；

F1——采暖季所用的电费，元；

X——采暖季所耗电量，kW·h；

A——电价，元/kW·h；

P1——采暖季热价，元/kW·h。

在供冷季时，空调系统的冷价计算如式（6）、式（7）、式（8）所示。

式中：COP2——制冷性能系数；

Q2——供冷季累计总冷负荷，kW·h；

F2——供冷季所用的电费，元；

Y——供冷季所耗电量，kW·h；

P2——供冷季冷价，元/（kW·h）。

4.2 节能量的计算方法

外窗的节能量是对建筑的窗户进行不同气密等级优化后全年累计冷热负荷相比窗户改造前所减少的差值。在本文中采用不同气密等级外窗情况下的建筑全年累计冷热负荷相比1 级气密性外窗情况下所减少的量值作为冷热节能量。全年节省的电费按式（9）计算。不同气密性围护结构全年累计节省电费见表5。

式中：F3——全年累计节省的电费，元；

Q3——建筑全年累计节省的热负荷，kW·h；

Q4——建筑全年累计节省的冷负荷，kW·h。

表5 不同气密性围护结构全年累计节省电费

4.3 静态回收投资期的计算方法

为了更好地分析出哪一种气密等级外窗在经济性上更适用于节能优化，引入了静态投资回收期的概念。分别比较不同气密性窗户静态投资回收期时间的长短。投资增量越小且节能量越多，静态投资回收期越短的窗户越经济。

静态投资回收期的经济含义为以项目的净收益，回收其全部投资增量所需要的时间（一般从项目建设开始算起）。对窗户进行改造的静态投资回收期的简化公式计算如式（10）。同等级气密性窗户的投资增量回收期见表6。

式中：Tr——投资回收期，年；

K——投资金额增量，元；

F3——全年节省的电费，元。

表6 不同等级气密性窗户的投资增量回收期

4.4 不同气密性外窗经济性分析

在只考虑围护结构气密性的情况下，比较各个气密等级外窗的节能量和投资回收期，回收期越短的气密性等级围护结构越经济。从表5、表6 可以得出：

（1）随着建筑外窗的气密性等级的增加，建筑全年节省的电费也逐渐增多，在不考虑建筑加装机械通风装置，并且经济条件较好的住宅中，对建筑的外窗采用气密性等级越高的外窗进行改造，越可降低由建筑的围护结构带来的能耗。

（2）投资增量回收期在外窗气密等级1～5 级范围内随着气密性的提升而降低，而投资增量回收期在外窗气密等级5～8 级范围内随着气密性的提升有所增加。在只考虑围护结构气密性的情况下，5～6 级气密性的围护结构静态投资回收期最短，最经济。由以上的计算结果，并结合室内自然渗透换气次数0.50 次/h 的需求，建议将门窗气密等级控制在5 级。

5 结论

（1）通过建筑围护结构进入建筑内部的空气渗透对建筑的总能耗有很大的影响。提高建筑门窗的整体气密性，可减小室内外的空气渗透量，有效地降低空气渗透引起的供暖或空调负荷，降低建筑能耗，对建筑节能有重要意义。但同时增大建筑围护结构的气密性，会影响建筑的新风渗透量。

（2）当外窗气密性等级从1 级增加到8 级时，采暖季建筑的采暖能耗减少了49.6%，空调季建筑的能耗减少了6.1%。在只考虑围护结构气密性的情况下，提高建筑的气密性对采暖季的节能效果更明显。

（3）综合考虑建筑节能、室内自然渗透通风换气次数以及经济性的情况下，建议将门窗气密等级控制在5 级。而以建筑节能为重，室内换气次数可通过其他方式保证且经济条件较好的情况下，可考虑采用最高气密等级8 级的门窗。