建筑節(jié)能性能對(duì)室內(nèi)環(huán)境影響評(píng)估

■ 高喜紅 Gao Xihong

建筑能耗的一大部分是用來改善和維持室內(nèi)熱舒適狀況，人平均90% 的時(shí)間在室內(nèi)度過[1]，室內(nèi)舒適狀況對(duì)人體的身心健康、舒適感和工作效率都會(huì)產(chǎn)生顯著影響。目前，建筑節(jié)能性能會(huì)影響到建筑的能耗已經(jīng)受到普遍的認(rèn)可，但建筑節(jié)能性能對(duì)室內(nèi)環(huán)境的影響極少被關(guān)注。本文借助HEED（Home Energy Efficient Design）軟件建造計(jì)算機(jī)模型及數(shù)據(jù)，探究節(jié)能性能對(duì)建筑室內(nèi)環(huán)境的影響。

以我國(guó)南方某城市一個(gè)建筑面積為120m2的未達(dá)到節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)的三室一廳住宅為例，位于6層單元樓的中間某層（選取處于建筑的底層或頂層的住宅，因有熱量從建筑的地板或屋頂流失，對(duì)計(jì)算的影響更多,故選擇中間層），無(wú)外露的屋頂及地板，正南北向，不使用太陽(yáng)能。若將其改造為以下3種建筑：剛達(dá)到節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)的建筑、達(dá)到高節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)的建筑以及達(dá)到高節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)且利用太陽(yáng)能的建筑，現(xiàn)比較其改造后室內(nèi)環(huán)境質(zhì)量有何變化。

1 概念介紹

1.1 HEED

HEED（Home Energy Efficient Design）家庭節(jié)能設(shè)計(jì),是一個(gè)房屋設(shè)計(jì)節(jié)能軟件。HEED使用程序最初稱為太陽(yáng)能5,是一種熱分析計(jì)算內(nèi)核。它使用1h熱平衡方法，使用標(biāo)準(zhǔn)ASHRAE（American Society of Heating, Refrigerating and Air Conditioning Engineers）算法計(jì)算在1年內(nèi)的8 760h每小時(shí)的熱平衡：麥基和賴特延時(shí)和衰減因子法計(jì)算通過不透明的墻壁熱量,熱流的導(dǎo)納因子法計(jì)算內(nèi)部熱量,加州能源委員會(huì)的ACM法來計(jì)算地下室的性能。為發(fā)現(xiàn)每小時(shí)熱平衡，使用逐次逼近法來計(jì)算室內(nèi)空氣溫度。HEED100%通過了可運(yùn)行、可用于測(cè)量加熱和冷卻的案例測(cè)試，是一個(gè)可以信任和應(yīng)用的軟件[2]。

1.2 LEED

LEED是leadership in Energy Environmental Design 的簡(jiǎn)稱，由美國(guó)于2000年提出，是一個(gè)關(guān)于綠色建筑認(rèn)證和評(píng)估的標(biāo)準(zhǔn)。LEED引起了全球范圍的綠色建筑運(yùn)動(dòng)，它關(guān)注建筑設(shè)計(jì)、建造、維護(hù)和運(yùn)營(yíng)全過程，如今它已經(jīng)成為全球公認(rèn)的綠色建筑評(píng)價(jià)體系，每天都有140 000m2的建筑注冊(cè)LEED[3]。

LEED分為5個(gè)范疇，室內(nèi)環(huán)境質(zhì)量（Indoor Environmental Quality）為其中一類，其目的在于為建筑提供健康舒適的工作和生活環(huán)境。室內(nèi)空氣質(zhì)量、室內(nèi)熱舒適、室內(nèi)采光質(zhì)量為室內(nèi)環(huán)境質(zhì)量中的前三點(diǎn)。

本文以該未達(dá)到節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)的建筑為基礎(chǔ)，統(tǒng)計(jì)、測(cè)量及運(yùn)用計(jì)算機(jī)建造模型，得出其年平均數(shù)值，并比較若將其進(jìn)行節(jié)能改造，會(huì)對(duì)室內(nèi)環(huán)境質(zhì)量產(chǎn)生哪些影響。

2 室內(nèi)溫度

這里所研究的室內(nèi)溫度，其前提條件為自然條件下的室內(nèi)空氣溫度，即不使用加熱或制冷設(shè)備。通過測(cè)量及數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，得出該城市的年平均溫度。為在本模型更好體現(xiàn)溫度的細(xì)微變化，采用華氏度（℉）為單位。該地理位置的年平均溫度為：最高溫度88.01℉，最低氣溫45.01℉，年平均溫差為43℉。最高氣溫出現(xiàn)于6～10月的中午～下午。高溫持續(xù)時(shí)間最長(zhǎng)的月份為7月份，時(shí)間段為10∶00～18∶00。最低氣溫出現(xiàn)于11月～次年4月初及4～5月、10～11月的部分時(shí)間，時(shí)間段主要為22∶00～10∶00。夏季最高氣溫持續(xù)時(shí)間較冬季最低氣溫持續(xù)時(shí)間短。而人體的最舒適溫度在夏季低于冬季(圖1)。

通過測(cè)量、數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)及使用HEED軟件，得出該未達(dá)到節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)建筑的室內(nèi)年平均溫度，其年最高溫度為75℉，最低溫度為60.70℉，溫差為14.3℉。7～9月的時(shí)間，最高氣溫為75℉，最低69.28℉。最低氣溫出現(xiàn)于11月～次年4月，為60.7℉，時(shí)間段為4∶00～8∶00。

通過HEED得知，如將其改造為剛達(dá)到節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)的建筑，其年最高溫度為75℉，最低溫度為67.60℉，溫差為7.4℉。最低氣溫出現(xiàn)于11月～次年3月，為67.60℉，時(shí)間段為5∶00～8∶00，年最低氣溫持續(xù)時(shí)間少于未達(dá)到節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)的建筑。

如將其改造為高節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)的建筑，其年最高溫度為74.87℉，出現(xiàn)于冬季；最低溫度為69.90℉，出現(xiàn)于夏季，溫差為4.97℉。7～9月的夏季時(shí)間，最高氣溫為73.88℉，最低69.90℉并為年最低氣溫，熱舒適性優(yōu)良。最高氣溫出現(xiàn)于10月～次年6月，為74.87℉并為年最高溫度。在10月～次年6月這幾個(gè)月份內(nèi)，最低氣溫為71.89℉，但只有非常短租的時(shí)間，大多數(shù)時(shí)間的溫度為72.88～74.87℉。

高節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)的建筑與以上兩個(gè)建筑室內(nèi)溫度的顯著不同之處為其年最低氣溫出現(xiàn)于夏季，年最高氣溫出現(xiàn)于冬季，表現(xiàn)為冬暖夏涼。此外，高節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)建筑其室內(nèi)溫度的年平均溫差較前兩者建筑小，室內(nèi)年平均溫度穩(wěn)定，熱舒適性優(yōu)良。

利用太陽(yáng)能的高節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)的建筑其室內(nèi)平均溫度與高節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)的建筑相近，其年最低氣溫出現(xiàn)于夏季，年最高氣溫出現(xiàn)于冬季，亦表現(xiàn)為冬暖夏涼。其最大差別為其12月～次年6月的高溫時(shí)間較不利用太陽(yáng)能的高節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)的建筑短。據(jù)分析應(yīng)為相同的節(jié)能性能，不利用太陽(yáng)能的建筑使用煤氣比利用太陽(yáng)能的建筑多，而煤氣的使用會(huì)產(chǎn)生熱量，從而產(chǎn)生了不利用太陽(yáng)能的建筑12月～次年6月的高溫時(shí)間比利用太陽(yáng)能的建筑時(shí)間長(zhǎng)的現(xiàn)象。

由模型及以上分析亦可知，節(jié)能性能好的建筑，其室內(nèi)熱舒適性并不絕對(duì)在任何情況下優(yōu)于節(jié)能性能不好的建筑。在6～7月天氣剛開始炎熱的時(shí)候，未到達(dá)節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)的建筑，其室內(nèi)熱舒適性反而優(yōu)于剛達(dá)到節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)的建筑。據(jù)分析，該情況的出現(xiàn)是由于未到達(dá)節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)的建筑因其在冬季及春季室內(nèi)氣溫一直較低，在天氣剛開始轉(zhuǎn)熱的時(shí)候，室內(nèi)的寒冷會(huì)抵消一部分熱氣，因此室內(nèi)熱舒適性在這段時(shí)間反而優(yōu)于剛達(dá)到節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)的建筑。但未到達(dá)節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)的建筑其冬季室內(nèi)最低氣溫低于剛達(dá)到節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)的建筑，并表現(xiàn)為低溫時(shí)間長(zhǎng)，所以其冬季的室內(nèi)熱舒適性低于剛達(dá)到節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)的建筑。高節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)的建筑其室內(nèi)熱舒適性明顯優(yōu)于剛達(dá)到節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)的建筑。夏季沒有最高氣溫的出現(xiàn)，并具有相當(dāng)長(zhǎng)的低溫時(shí)間；冬季也沒有最低氣溫的出現(xiàn)，并表現(xiàn)為穩(wěn)定的室內(nèi)溫度狀態(tài)。此外，其年平均溫差僅為未達(dá)到節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)的建筑的年平均溫差的1/3左右。

3 空氣交換速度

空氣交換速度指的是一個(gè)空間每小時(shí)換空氣的次數(shù)。為了集中研究4種建筑的空氣滲透大小，采用比較其通過滲透的空氣交換速度的方法。空氣滲透是指非設(shè)計(jì)的室外空氣進(jìn)入室內(nèi)，主要是通過建筑縫隙或開關(guān)門。空氣滲透是影響建筑能耗的重要因素之一。空氣滲透越嚴(yán)重，建筑的能量損失越多，能耗越高。一個(gè)典型的美國(guó)住宅，約有1/3的暖通空調(diào)能量由空氣滲透造成[4]。由于空氣滲透對(duì)建筑不利，所以一般在設(shè)計(jì)中會(huì)將空氣滲透降低到最小。除了增加建能耗外，空氣滲透也會(huì)使人產(chǎn)生不舒適感，影響室內(nèi)環(huán)境質(zhì)量。灰塵的傾入，夏季熱氣的傾入和冬季冷風(fēng)的灌入均會(huì)降低室內(nèi)的環(huán)境質(zhì)量。

文中的室內(nèi)空氣交換條件為：所有的窗戶和門都處于關(guān)閉狀態(tài)，所以沒有自然通風(fēng)；且沒有熱舒適的風(fēng)扇或空調(diào)，只有通過從縫隙（如們、窗縫隙）或其它原因的空氣滲透。因此，在此條件下，空氣交換速度越快，說明空氣滲透越嚴(yán)重，對(duì)室內(nèi)溫度、舒適度、空氣質(zhì)量的影響也越大；相反，空氣交換速度越慢，說明空氣滲透越微弱，對(duì)室內(nèi)溫度、舒適度、空氣質(zhì)量的影響也越小。

事實(shí)上，該未達(dá)到節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)建筑當(dāng)其改造為剛達(dá)到節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)建筑后，其室內(nèi)空氣交換速度只有微小差異(圖2)。在6月中下旬～8月中下旬的12∶00～17∶00，空氣交換速度為整年中最大值，說明熱氣從室外滲透至室內(nèi)達(dá)到最大值。從5月中下旬～11月早11∶00～19∶00，空氣交換速度為整年中第二大值，說明亦有大量熱氣從室外滲入。11月～次年2月的冬季，空氣交換速度為整年中第二大值，說明大量的冷氣從室外滲透至室內(nèi)，此時(shí)的冷氣滲透值為全年最大。而從5～8月的早6∶00～10∶00，8～9月中旬的凌晨12∶00～10∶00，空氣滲透為全年最小值。

高節(jié)能建筑的室內(nèi)空氣交換速度與利用太陽(yáng)能的高節(jié)能建筑室內(nèi)空氣交換速度相同。幾乎全年空氣滲透速度為穩(wěn)定的最小值，只有在6～10月的18∶00～0∶00增大，并于7～9月的20∶00～22∶00達(dá)到最大值，在這段時(shí)間內(nèi)大量熱氣從室外滲入，空氣滲透為全年最大值。相比未達(dá)到節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)及剛達(dá)到節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)的建筑，其空氣滲透速度明顯減小。

由模型及以上分析可知，建筑節(jié)能性能不僅會(huì)影響建筑的能源消耗，亦會(huì)對(duì)建筑室內(nèi)空氣交換產(chǎn)生影響。相同節(jié)能性能的建筑室內(nèi)空氣滲透速度相同，節(jié)能性能好的建筑其室內(nèi)空氣滲透速度遠(yuǎn)低于節(jié)能性能差的建筑。

4 室內(nèi)采光質(zhì)量

為衡量建筑的室內(nèi)采光質(zhì)量，采用衡量其室內(nèi)用電量大小的方法。為了達(dá)到相同的照明質(zhì)量，室內(nèi)用電量越大而室內(nèi)采光質(zhì)量越低；室內(nèi)用電量越小而室內(nèi)采光質(zhì)量越高；室內(nèi)用電量相同而說明室內(nèi)采光質(zhì)量相同。

建立模型得出分析圖片（圖3）。圖中數(shù)據(jù)為該未達(dá)到節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)的建筑及若將其改造為3種不同節(jié)能性能的建筑后，為達(dá)到采光質(zhì)量的平均用電量。從模型得出的分析圖可以看出，未達(dá)到節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)建筑、剛達(dá)到節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)建筑及高節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)建筑的照明需求圖只有微小差異，幾乎可以忽略；高節(jié)能建筑和利用太陽(yáng)能的高節(jié)能建筑的室內(nèi)照明需求圖相同。即不用節(jié)能性能的建筑室內(nèi)采光質(zhì)量只有微小差別，甚至可以忽略；相同節(jié)能性能的建筑，其室內(nèi)采光質(zhì)量相同。

這些照明需求圖像一個(gè)個(gè)“峽谷”,“峽谷”的底部在夏季更寬在冬季更窄，這是因?yàn)橄募救照諘r(shí)間較冬季長(zhǎng)，所以用電量相對(duì)冬季較小。同時(shí)由圖可以看出，該住宅一天之內(nèi)，從0∶00～6∶00，用電量為最小；7∶00用電量達(dá)到第一個(gè)高峰；8∶00以后用電量趨于平緩并維持穩(wěn)定直到16∶00；從16∶00～18∶00用電需求又急劇上升并于19∶00達(dá)到穩(wěn)定；19∶00～23∶00用電需求達(dá)到第二個(gè)高峰，并為持續(xù)高峰狀態(tài)，23∶00～0∶00時(shí)用電需求又急劇下降。

由圖可知， 這4種建筑的采光質(zhì)量會(huì)在一年內(nèi)隨著季節(jié)和一天內(nèi)隨著時(shí)間改變，但4種建筑的室內(nèi)采光質(zhì)量幾乎無(wú)差異。建筑節(jié)能性能并不影響室內(nèi)采光質(zhì)量。

5 結(jié)語(yǔ)

隨著人們生活水平的提高，對(duì)室內(nèi)環(huán)境質(zhì)量的要求也在提高。節(jié)能性能好的建筑其室內(nèi)熱舒適性，總體來講高于節(jié)能性能差的建筑，但并不是在任何情況下都優(yōu)于節(jié)能性能差的建筑。

建筑室內(nèi)環(huán)境是一個(gè)復(fù)雜的體系，建筑節(jié)能性能不僅會(huì)影響建筑的能耗，而且對(duì)室內(nèi)環(huán)境也會(huì)產(chǎn)生影響，但節(jié)能性能的優(yōu)劣并不與室內(nèi)環(huán)境成正比，在進(jìn)行室內(nèi)環(huán)境設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)將其與建筑整體聯(lián)系起來，綜合設(shè)計(jì)。

[1]GREENGUARD CERTIFICATION.Overview of Indoor Air Quality [EB/OL].[2013,07,11]. http://www.greenguard.org/en/indoorAirQuality.aspx.

[2] UCLA Department of Architecture and Urban Design. HEED Validation Reports[R]. UCLA Department of Architecture and Urban Design.2012.

[3] U. S. Green Building Council. LEED [EB/OL]. [2013,07,16]. http://www.usgbc.org/leed.

[4] WIKIPEDIA. Infiltration(HVAC)[EB/OL]. [2013,07,09]. http://en.wikipedia.org/wiki/Air_infiltration.