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北京地区采暖冷风渗透耗热量计算方法的分析

采暖热负荷的设计计算中，对加热由门窗缝隙渗入室内的冷空气耗热量一项，《采暖与空气调节设计规范》（GB 50019－2003）（以下简称《规范》），推荐了计算门窗单位长度缝隙渗入室内的冷空气量的计算公式，并介绍了多层建筑“无相关数据时”，按房间换气次数确定渗透冷空气量的计算数据。上述2中方法中，前者（缝隙法）涉及因素很多，计算烦杂，且计算结果有可能不满足卫生要求；工程中常简单地采用后者（换气法）进行估算，但估算数值与计算数值相差较大。因此，在编制《北京市建筑设计技术细则》（以下简称《细则》）时，我们对2种方法进行分析，对冷空气渗入耗热量的计算，试图做出即简便又符合工程实际的规定。
1 缝隙法
房间渗入室内的冷空气量，为各朝向门窗缝隙渗入室内的冷空气量之和，其中某朝向门窗单位长度缝隙渗入室内的冷空气量Li由下式确定：
 〔m3/（h·m）〕             （1.1）
式（1.1）中，L0 为每米门窗缝隙渗入的理论冷空气量 〔m3/（h·m）〕，与外窗的气密性能、冬季室外计算温度和最多风向的平均风速有关。北京市《居住建筑节能设计标准》（DBJ 01－602－2004）和《公共建筑节能设计标准》（GB50189－2005）均要求外窗气密性不应低于《建筑外窗气密性能分级及其监测方法》（GB7107）规定的4级，且根据北京地区的气象参数，外窗的L0应为定值，此数值比节能标准实施前采用的普通钢窗数值小很多。
式（1.1）中，mi 为各朝向冷风渗透综合修正系数，由下式确定：
                     （1.2）
式（1.2）中 Cr ——热压系数，与建筑物的内部隔断情况有关；
△Cf——风压差系数，可取△Cf＝0.7；
n ——单纯风压作用下，冷空气渗透量的朝向修正系数，各地区的n值见《规范》附录E；
C ——作用于门窗上的有效热压差与有效风压差之比，与建筑物高度、房间门窗距室外地面高度、楼梯间温度、冬季室外温度和风速等因素有关；
Ch——高度修正系数，与房间门窗距室外地面高度有关。
可以看出，综合修正系数mi的确定涉及各地区的气象参数和建筑物本身的诸多因素，设计计算较复杂。
《细则》根据北京市的气象参数，编制了高度在18m及其以下建筑各朝向门窗冷空气渗透量表，其Li是不考虑热压，只考虑风压的简化计算结果，计算条件是采用热压系数Cr＝0.5（适应于有楼梯间和走道的非敞开空间）。另编制了高层住宅各朝向、各层外窗冷空气渗透量表，适用于7层及其以上的住宅，计算条件是采用热压系数Cr＝0.5、建筑层高均为2.8m，分为楼梯间采暖和不采暖2种情况。
当北京地区的建筑与编制条件相符或相似时，可直接查表采用；其他地区（主要是朝向修正n值和当地最多风向的平均风速与北京地区显著不同的地区）或建筑本身与编制条件显著不同时，可采用《规范》推荐的缝隙法进行详细计算。
但即使是高层住宅能够直接查表计算，高层建筑由于受热压影响较大，各标准层的冷风渗透耗热量不相同，需逐层计算。即各层围护结构完全相同的房间，其耗热量和散热器数量也不相同，设计和施工都很繁琐。
2 换气法
2.1 规范介绍的房间换气次数
《规范》介绍的多层建筑房间的换气次数，一面有外窗房间为0.5次/h，两面以上有外窗房间为0.5～1.5次/h，门厅高达2次/h。
例：某实际工程为单层展览馆，高大空间的展厅面积11000m2，平均净高12m，上部为实体墙面或玻璃幕墙，下部除卫生间等占据部分外墙面外，4面都有可开启外门和外窗。经计算展厅外围护结构值班采暖的基本耗热量（包括高度附加）为203359kW。按2种计算方法计算冷空气渗透耗热量，其中门窗缝隙渗入空气量均按气密性最差的1级窗计算，其计算结果相差之大如下表： 
渗入冷空气量计算方法
冷空气渗入量
（m3/h）
冷空气耗热量
(kW)
占基本耗热量的比例
（％）
备注
按1次/h换气量(规范介绍的下限值)估算
132000
740520
364
为缝隙渗透量的33倍
按各朝向门窗缝隙渗入的冷空气量之和计算（1级窗，采用热压系数Cr＝1）
4020
22440
11
相当于0.03次/h换气量
上例即使减少换气次数（例如取0.5或1/3次/h），数值仍然很大，显然估算是不合理的。虽然高大空间的上例情况较特殊，但对于一般工程，冷空气渗透量也仅与房间的门窗缝隙长度和单位长度的冷空气渗透量成正比，与房间体积无直接关系。因此，《细则》未采用规范介绍的冷风渗透量按换气次数估算的方法。
2.2 卫生要求所需的房间换气次数
根据《规范》3.1.9条的条文说明表2，人员长期停留的住宅、办公、客房等房间，每人所需最小新风量推荐值为30m3/h。北京市《居住建筑节能设计标准》3.0.4条规定北京地区普通住宅冬季采暖室内热环境应达到的指标之一为“通风换气次数，不低于0.5次/h”。当房间外窗的气密性很好，或热压影响较大、渗透量较少的高层房间，通过窗缝渗入的冷空气量可能不能满足上述要求，此时应通过开窗缝或设小换气窗等手段达到一定的换气量。
例如房间使用面积为70m2的普通住宅，居住人数平均为3人，卫生要求最小总新风量为90m3/h。普通住宅房间净高一般为2.6m，90m3/h的新风量约为0.5次/h换气。实际卫生要求的新风量与房间体积（即高度）无关，为计算简便，以2.6m净高房间为标准，折合单位面积换气量为1.3 m3/（h·m2），拟将此数据作为住宅冬季采暖冷风渗入量的最低标准，但对于居住人数较少、面积较大的户型，每人保证的新风量将在30 m3/h以上。
对于办公等房间，按房间净高3.0m计算，0.5次/h换气次数的新风量约合单位面积新风量为1.5 m3/（h·m2），如达到每人30 m3/h的新风量要求，折合每人占办公面积为20m2，可见0.5次小时换气次数的新风量标准并不高。
但人员不长期停留或无人房间等不考虑开窗满足卫生要求的情况，不需考虑换气量，仅按缝隙法确定冷风渗透量，例如本文2.1节中展览厅的值班采暖等。
《细则》根据以上分析推荐以下做法：“当考虑卫生要求，需自然通风换气，或不设机械补风且每天运行不超过两小时的机械排风房间，其冷空气渗入总量L，不宜小于按房间净面积计算出的数值：住宅1.3 m3/（h·m2），办公、单宿等1.5 m3/（h·m2）。”
3 住宅门窗缝隙渗透量和单位面积换气量的比较和分析
3.1 问题的提出
工程中，普通住宅冬季采用散热器等采暖设施，需计算冷风渗透耗热量，不仅要如前所述各房间每层按缝隙法进行计算，还需校核是否达到1.3 m3/（h·m2）的单位面积换气量。根据多项工程的计算结果，一般多层住宅的门窗缝隙渗透量远小于按面积计算出的换气量，因此不必重复计算比较。但由此产生以下疑问：
1）1.3 m3/（h·m2）的换气量规定是否偏大，是否比节能标准实施前采用气密性较差的普通钢窗的冷风渗透量还要大，以至与节能标准相违背。
2）高层住宅是否需每层、每个房间均按缝隙渗透量和单位面积换气量2种方法进行计算，比较后取其大值；能否测算出高层住宅中2者谁为较大值的楼层数，以简化计算。 
因此，我们选取某工程进行计算比较，以得出参考性结论。
3.2 工程实例和计算内容
3.2.1工程基本情况：
1) 30层板式南北向普通住宅楼，共3个楼门（单元），层高2.9m，建筑面积约4万m2；
2) 主卧、起居室等主要房间面积较大，窗墙比较大，但可开启外窗面积不大；
3) 外围护结构K值符合北京市《居住建筑节能设计标准》；
4) 室温：卫生间25℃、厨房16℃、一般房间18℃。
3.2.2  用以下三种方法计算冷风渗透负荷和房间负荷：
1) 按1.3 m3/（h·m2）换气量计算（简称换气法）；
2) 按缝隙渗透量计算，采用4级窗，阳台门按相应朝向外窗的2倍渗透量计算（简称缝隙法）；
3) 按缝隙渗透量计算，采用《采暖与空气调节设计规范》（GBJ19－87）的旧计算公式推算出的普通钢窗和阳台门的渗透量数据（简称原缝隙法）。
热负荷量包括10W/m2分户计量要求的邻室传热量，计算结果从略。
3.3  计算结果的比较：
3.3.1 各房间热负荷量比较
1）换气法和缝隙法之差比较（以缝隙法为比较标准），大多数楼层房间换气法计算结果偏大：
l   同位置房间楼层越高，因受热压影响冷风渗透量减小，其差距越大；
l   南向房间因渗透量小，比北向差距大；
l   房间面积大的房间因换气量大，差距大；
l   差距最大为南向15层以上35m2的主卧室，达52％；其他房间约为10～40％，其中起居室虽然面积更大，但南北均有窗，其缝隙法计算数值较大，因此差距相对较小。
2）换气法和原缝隙法之差比较（以原缝隙法为比较标准）
l   北向、较低层和窗开启面积较大的房间，原缝隙法计算结果较大，北向底层次卧室最大差距为－24％；
l   南向大房间换气法计算结果较大，南向15层以上35m2主卧最大差距为52％（新、老缝隙法南向15层以上渗透量均为0，因此与缝隙法的差距数值一样）。
3.3.2  各户热负荷量比较
1）换气法和缝隙法之差比较，换气法计算结果总体偏大，楼层越高差距越大，差额百分比约在10～30％之间
2）换气法和原缝隙法比较，有的户型换气法大，有的原缝隙法大，有的持平，差距最大不超过±13％。
3.3.3  全楼热负荷量比较
1）换气法和缝隙法之差比较，换气法计算结果总体偏大24％；
2）换气法和原缝隙法之差比较，总负荷量基本持平；
3）热负荷指标（扣除邻室传热量）：缝隙法为26W/m2，换气法为35W/m2。
3.3.4  不同层数的房间热负荷量比较
一般情况换气法均比缝隙法大。但个别缝隙法比换气法渗透量大的情况，发生在层数较多的高层建筑中，面积较小的低层房间（例如厨房、有外窗的卫生间）。以下假设住宅的总层数，用2种方法计算面积最小的有外窗的北向和东向卫生间冷风渗透量，计算结果汇总如下：
东向卫生间：
住宅总层数
24及以下
25
26
27
28
29
30
缝隙法＞换气法的层数
无
1
1
1、2
1、2
1～3
1～3
北向卫生间：
住宅总层数
20及以下
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
缝隙法＞换气法的层数
无
1
1、2
1～3
1～4
1～5
1～6
1～7
1～7
1～8
1～9
计算结果还显示，缝隙法比换气法渗透量大的最不利情况发生在最高建筑物（30层）的北向1层卫生间，房间热负荷量相差约7％。如按换气法计算房间负荷，室温将比设计温度略有下降，一般卫生间室内外温差按34℃计（室温25℃），厨房室内外温差按25℃计（室温16℃），如按下降7％计算，卫生间室温约为22.6℃，厨房约为14.2℃。
但即使是最底层，户内总热负荷量换气法仍比缝隙法大10％左右，卫生间等在户内其他房间不开窗时，受邻室较高温度影响，温度下降可能更少。
3.4   分析和结论
1）高层建筑的非低层房间采用换气法的计算结果虽然比缝隙法大，有的房间差距较大，但每户差距（约大10～30％左右）和全楼总体差距（约大24％）相对较小，对于房间面积较小的普通住宅，其差距会更小。居住建筑即要考虑人员的卫生需要，又应力求节能，采用换气法全楼热负荷指标达到35W/m2，超过北京市《居住建筑节能设计标准》推荐的32W/m2，因此应更加挖掘围护结构的节能潜力；例如本例和目前北京市的许多工程均大量采用落地窗和几面透明的凸窗，窗墙比均大大超过了北京市《居住建筑节能设计标准》的推荐值，建筑设计应予以改进。
2）各层每个房间和每户，换气法与原缝隙法计算结果差距各有正负，但总体持平，且围护结构K值符合北京市《居住建筑节能设计标准》，其总体热负荷量比执行该节能标准前仍然有所降低。
3）对20层及其以下高层住宅，各房间换气法的计算一般均比缝隙法大，设计中可简化为按换气法计算。即使以20层分界不十分准确，对计算结果的准确度影响也甚微。
4）对于超过20层的住宅，也只有底下几层面积较小的厨房、卫生间等（尤其是渗透量较大的朝向），缝隙渗透量比换气量大，原则上应从底层进行2种方法的计算和比较。如直接按换气法计算，该房间在设计参数下温度将略有降低。
5）较高楼层和南向房间实际渗透量较小，但按换气法计算布置的散热器较多，如散热器采用温控阀，各房间不会出现过热。当换气量不足时，可人为增加开窗次数和面积，且可多开南向房间窗，使户内温度均衡和达到换气量。因此采用换气法后，高度和朝向不同的房间冷风渗透热负荷计算值趋于一致，也可认为是合理的。

参考文献
〔1〕《采暖通风与空气调节设计规范》(GB50019－2003) 
〔2〕《居住建筑节能设计标准》（DBJ 01－602－2004）
〔3〕《公共建筑节能设计标准》（GB50189－2005）
〔4〕《建筑外窗气密性能分级及其监测方法》（GB7107）