沈陽地區(qū)住宅建筑氣密性與通風(fēng)方案分析★

張雪萍 王中華 劉貴軍, 黃凱良 宋嘉森 孫 文

(1.中國建筑東北設(shè)計(jì)研究院有限公司，遼寧 沈陽 110166; 2.沈陽建筑大學(xué)市政與環(huán)境工程學(xué)院，遼寧 沈陽 110168)

1 概述

建筑和人體每天會(huì)產(chǎn)生大量的污染物，包括可吸入顆粒物、甲醛、VOCs、氡等，尤其在大量使用劣質(zhì)裝修材料之后，污染物就會(huì)超過國家標(biāo)準(zhǔn)的限制，影響室內(nèi)居民的健康，造成“建筑病態(tài)綜合征”“建筑相關(guān)疾病”等問題。室內(nèi)污染物的濃度與建筑氣密性、通風(fēng)換氣量有重要的關(guān)系，在建筑氣密性好并且沒有通風(fēng)的情況下，室內(nèi)污染物質(zhì)就得不到有效的去除[1]。研究表明，每年全世界有數(shù)千萬人的死亡，15%～36%的呼吸道疾病、慢性肺病、氣管炎、支氣管炎與室內(nèi)污染超標(biāo)有關(guān)[2]。在國際范圍內(nèi)，建筑的實(shí)際的換氣次數(shù)往往都不能達(dá)到0.5 h-1～1 h-1的新風(fēng)標(biāo)準(zhǔn)[3-5]。新風(fēng)的引入主要通過自然滲透和通風(fēng)兩種形式來實(shí)現(xiàn)，對于嚴(yán)寒地區(qū)而言，受室外條件的影響，開窗通風(fēng)的頻次很低，建筑氣密性以及其決定的自然滲透通風(fēng)量對室內(nèi)空氣品質(zhì)的影響較大，決定了室內(nèi)人員潛在的健康威脅程度。

住宅建筑的通風(fēng)方式主要可以分為通過自然力利用開窗后的風(fēng)壓和熱壓的自然通風(fēng)，以及通過人工方式利用新風(fēng)系統(tǒng)的機(jī)械通風(fēng)。嚴(yán)寒地區(qū)冬季寒冷，受到安裝條件與經(jīng)濟(jì)成本的限制，大部分住宅沒有安裝新風(fēng)系統(tǒng)，且開窗時(shí)長較短，建筑氣密性對于自然換氣次數(shù)以及居民健康具有重要影響。隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展，部分研究開始嘗試研究和使用太陽能新風(fēng)系統(tǒng)，一些新建住宅開始安裝熱回收新風(fēng)系統(tǒng)，改善室內(nèi)空氣品質(zhì)。熱回收新風(fēng)系統(tǒng)通過送、排風(fēng)之間的熱交換實(shí)現(xiàn)節(jié)能。研究人員通過改進(jìn)熱回收新風(fēng)系統(tǒng)的換熱材料，優(yōu)化流道幾何尺寸，改變流速與流向等方法提升熱回收性能[6-8]，但在噪聲和耗電量控制方面還有一定的提升空間。

為了解不同類型居住建筑外窗的氣密性現(xiàn)狀并分析得到合適的通風(fēng)方案，本文采用壓差法對沈陽地區(qū)代表性建筑的氣密性進(jìn)行了測試，將測試結(jié)果進(jìn)行綜合分析，在此基礎(chǔ)上比較了兩種新風(fēng)系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性，為新風(fēng)系統(tǒng)能耗的計(jì)算與關(guān)鍵參數(shù)的選擇提供參考。

2 住宅氣密性測試

2.1 住宅建筑概況

選擇氣密性測試的住宅建筑位于沈陽市，沈陽處于嚴(yán)寒C區(qū)，冬季平均溫度是-5 ℃～-6 ℃。測試數(shù)量一共為5戶，包括了不同建筑年代的建筑類型，如表1所示。其中，老舊建筑進(jìn)行了保溫處理，所有窗戶均為雙層玻璃窗。進(jìn)行住宅建筑氣密性測試的目的是推算自然情況下的通風(fēng)換氣量，為開窗通風(fēng)或機(jī)械新風(fēng)系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)參考。

表1 所測試建筑的基本信息

2.2 氣密性測試方法

現(xiàn)階段國內(nèi)外最常用的檢測建筑整體氣密性的方法分為氣壓法和示蹤氣體濃度衰減法，本文使用氣壓法進(jìn)行測試，又稱為“鼓風(fēng)門”法，通過鼓風(fēng)形成室內(nèi)外壓差并測試對應(yīng)的漏風(fēng)量。建筑氣密性測試系統(tǒng)型號為DG-700，壓力和流量的測量精度滿足標(biāo)準(zhǔn)要求(±3%)。入戶門框中間的框架用于掛起風(fēng)扇，密封布將對安裝風(fēng)扇的門進(jìn)行密封，風(fēng)扇可以控制進(jìn)風(fēng)口氣流，不同的風(fēng)速可以通過不同尺寸的流量環(huán)來調(diào)控；測試主機(jī)有2個(gè)通道，可根據(jù)正壓與負(fù)壓測試時(shí)的連接方式檢測建筑物的壓力值和風(fēng)扇的壓力值。測試主機(jī)與鼓風(fēng)機(jī)和測試軟件相連，測出當(dāng)氣壓從高到低的變化時(shí)的一系列數(shù)據(jù)，計(jì)算得到綜合壓差指數(shù)n與流量系數(shù)C，得出回歸方程，進(jìn)而總結(jié)出測試結(jié)果。利用氣壓法進(jìn)行建筑氣密性測試時(shí)，各個(gè)國家均采用壓差±50 Pa給出氣密性評價(jià)指標(biāo)，使用ISO9972與EN13829的定義總結(jié)氣密性指標(biāo)及計(jì)算公式如下：

(1)

其中，ACH50為50 Pa壓差時(shí)建筑的換氣次數(shù)；Q50為單位時(shí)間內(nèi)室內(nèi)外空氣交換量；V為住宅內(nèi)部體積。

根據(jù)式(2)以及壓差50 Pa時(shí)換氣次數(shù)可以計(jì)算自然條件下的換氣次數(shù)。

(2)

其中，n為關(guān)聯(lián)系數(shù)，與地域和氣候有關(guān)，需要考慮室外風(fēng)速、室內(nèi)外溫差、建筑類型、結(jié)構(gòu)材料等相關(guān)，但在實(shí)際中這些影響因素并不能完全被考慮到經(jīng)驗(yàn)換算系數(shù)的確定中，本文取值為17[5]。

在測試過程中，使用密封膠帶保證住宅的風(fēng)口、地漏等與外部聯(lián)通的地方保持基本密閉的狀態(tài)。測試過程如圖1所示。

2.3 測試結(jié)果分析

住宅建筑氣密性測試的ACH50值以及推算的自然換氣次數(shù)如表2所示?？梢钥闯觯钚碌慕ㄖ茸罾吓f的建筑氣密性得到了10倍的提升，但是其他建筑的建筑氣密性與建筑年代沒有直接關(guān)系，與施工質(zhì)量的相關(guān)性可能更高一些。在所測試建筑中，性能最好的一棟樓在施工中比較重視窗戶安裝、穿墻電線管等，建筑整體氣密性得到了較好的加強(qiáng)。除開性能較好和性能較差的住宅之外，其他3戶代表性住宅的氣密性自然換氣次數(shù)為0.11～0.28。

表2 氣密性測試結(jié)果

將測試結(jié)果與以往報(bào)道的測試結(jié)果[9]比較可知，所測試的嚴(yán)寒地區(qū)住宅的氣密性好于寒冷地區(qū)的住宅。測試5戶住 宅自然換氣次數(shù)的平均值為0.14 h-1，其中3戶代表性的住宅自然換氣次數(shù)的平均值為0.18 h-1。在沒有安裝機(jī)械新風(fēng)系統(tǒng)且不開窗的情況下，僅靠自然滲透很難滿足0.5 h-1～1 h-1的新風(fēng)標(biāo)準(zhǔn)。這種情況在嚴(yán)寒地區(qū)的冬季比較容易出現(xiàn)，對居民健康存在潛在的威脅。對于測試的住宅而言，冬季應(yīng)該適當(dāng)增加開窗時(shí)間或者在條件允許的情況下安裝新風(fēng)系統(tǒng)。

3 新風(fēng)系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性分析

新風(fēng)系統(tǒng)主要通過風(fēng)機(jī)強(qiáng)制送排風(fēng)將污濁空氣排除，將室外的新風(fēng)有組織的送入室內(nèi)，從而保證室內(nèi)的空氣質(zhì)量，改善居住環(huán)境。新風(fēng)系統(tǒng)在住宅中的設(shè)計(jì)應(yīng)用不僅廣泛，而且種類也較多，可以按照有無管道、有無熱回收、全熱/顯熱回收、單向流/雙向流等進(jìn)行劃分。其中，室內(nèi)不使用管道的太陽能新風(fēng)系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡單、維護(hù)方便、節(jié)能的優(yōu)點(diǎn)，但在沒有太陽輻射的情況下就無法加熱室外新風(fēng)，相對舒適性較差，而雙向流的熱回收新風(fēng)系統(tǒng)較為節(jié)能，應(yīng)用相對成熟，但成本偏高。太陽能新風(fēng)系統(tǒng)和熱回收新風(fēng)系統(tǒng)的原理如圖2，圖3所示。考慮到新風(fēng)系統(tǒng)主要用于改善室內(nèi)空氣品質(zhì)，屬于“改善型”系統(tǒng)，即有好于無，本文忽略新風(fēng)系統(tǒng)的保證率，主要從初投資與節(jié)能角度分析太陽能新風(fēng)系統(tǒng)和熱回收新風(fēng)系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性，經(jīng)濟(jì)性比較在同樣的全年室內(nèi)外條件下進(jìn)行。通過與電輔助加熱新風(fēng)系統(tǒng)比較，計(jì)算太陽能新風(fēng)系統(tǒng)和熱回收新風(fēng)系統(tǒng)的投資回收期。

在經(jīng)濟(jì)性分析時(shí)，太陽能新風(fēng)系統(tǒng)的集熱器平均熱效率分別為60%，太陽能新風(fēng)系統(tǒng)的投資為500元/10 m2；熱回收新風(fēng)系統(tǒng)的全熱回收效率為60%，投資為1 600元/10 m2。

與電輔助加熱新風(fēng)系統(tǒng)相比，太陽能新風(fēng)系統(tǒng)和熱回收新風(fēng)系統(tǒng)的壽命期總節(jié)能費(fèi)用計(jì)算公式如下：

S=P(QeffC-AD)-A

(3)

其中，S為總節(jié)能費(fèi)用；P為折現(xiàn)系數(shù)；A為與參照相比增加的投資；D為每年維修費(fèi)占增加投資的比例。

折現(xiàn)系數(shù)P的計(jì)算公式為：

(4)

(5)

其中，d，e分別為市場折現(xiàn)率和燃料價(jià)格上漲率；取計(jì)算年限n=15。

增加的投資與15年運(yùn)行節(jié)能的費(fèi)用之間相等時(shí)，存在以下關(guān)系式：

PI(ΔQeffCc-AdDJ)=Ad

(6)

(7)

Ne=PI(1+d) (d=e)

(8)

經(jīng)濟(jì)性分析的計(jì)算結(jié)果如表3所示(新風(fēng)1表示太陽能新風(fēng)系統(tǒng)，新風(fēng)2表示熱回收新風(fēng)系統(tǒng))，可見太陽能新風(fēng)系統(tǒng)的回收期為4.9年～8.0年，熱回收新風(fēng)系統(tǒng)的回收期為8.3年～10.6年，從經(jīng)濟(jì)性角度來看太陽能新風(fēng)系統(tǒng)占優(yōu)。

表3 典型城市的節(jié)能量與投資回收期結(jié)果

需要指出的是，新風(fēng)系統(tǒng)的目標(biāo)是改善室內(nèi)空氣品質(zhì)，太陽能新風(fēng)系統(tǒng)在陰天無法工作，在晴天加熱室外新風(fēng)也存在溫度波動(dòng)的問題，而熱回收新風(fēng)系統(tǒng)可以穩(wěn)定運(yùn)行，保障室內(nèi)空氣品質(zhì)的效果更好。

4 結(jié)語

為了解嚴(yán)寒地區(qū)的住宅建筑氣密性并分析合適的新風(fēng)系統(tǒng)方案，實(shí)測了5戶沈陽市住宅的氣密性，發(fā)現(xiàn)測試住宅氣密性整體良好，自然換氣次數(shù)的平均值為0.14 h-1，新建住宅的氣密性基本上好于老舊住宅。與電輔助加熱新風(fēng)系統(tǒng)相比，太陽能新風(fēng)系統(tǒng)的回收期為4.9年～8.0年，熱回收新風(fēng)系統(tǒng)的回收期為8.3年～10.6年，從經(jīng)濟(jì)性角度來看太陽能新風(fēng)系統(tǒng)占優(yōu)。