热湿气候教育建筑空气渗透的热量与能源影响：基于现场评估EnergyPlus模型的敏感性分析

《Buildings》：Quantifying the Thermal and Energy Impacts of Air Infiltration in a Hot-Humid Educational Building: A Sensitivity Analysis Using a Field-Evaluated EnergyPlus Model

　　

空气渗透（air infiltration）是建筑能耗模拟中高度不确定的输入，但其对以制冷为主的教育建筑的影响仍缺乏定量研究。本研究利用配套现场研究开发的EnergyPlus模型，量化了沙特阿拉伯吉赞（Jazan）热湿气候下一栋34,168 m²大学建筑的渗透敏感性。在全年模拟中，将所有31个分区的渗透率从0到1.0次每小时换气（air changes per hour, ACH）变化，分别在受控工况（理想负荷空气系统（Ideal Loads Air System），22.5 °C，60%相对湿度）和自由运行工况下进行。每增加0.1 ACH，年热制冷需求增加1766 MWh，其中72%为潜热（latent heat）。在通常假设的0.8 ACH下，渗透占年制冷需求的84%。在性能系数（coefficient of performance, COP）为3.0时，将渗透率从0.8 ACH降至0.3 ACH，每年可节省约2950 MWh电力、251,000美元和1670吨CO₂。将设定温度提高至24 °C，可使预测平均投票（predicted mean vote, PMV）保持在ISO 7730的I–II类范围内，并降低10–12%的制冷需求，但渗透惩罚仍为每0.1 ACH增加1540 MWh。在自由运行工况下，渗透使室内空气温度降低4.2–6.6 °C，但操作温度（operative temperature）仍超过适应性舒适限值。因此，对于热湿气候下的教育建筑，气密性（airtightness）结合受控除湿通风应被视为主要的设计和改造参数。

论文解读：热湿气候教育建筑空气渗透的量化影响研究

研究背景：建筑部门是全球能耗的重要贡献者，沙特阿拉伯2020年建筑能耗约占全国总能耗的29%。空气渗透（air infiltration）是建筑能耗模拟中高度不确定的输入，它通过围护结构裂缝、缝隙等路径引入室外空气，显著影响室内空气温度、热舒适、室内环境质量和能耗。在热湿气候地区，如沙特南部红海沿岸的吉赞，室外暖湿空气的进入会同时增加显热和潜热负荷。然而，已有研究多集中于住宅建筑和冷/温带气候，对热湿气候下教育建筑的渗透影响量化严重不足。沙特教育建筑数量庞大，但模拟研究中通常采用固定的0.8 ACH（air changes per hour，每小时换气次数）作为渗透率，这一假设源自住宅研究，缺乏现场数据支持。此外，现有研究较少区分自由运行与受控模式下渗透效应方向的差异，也较少采用操作温度（operative temperature）、PMV/PPD（预测平均投票/预测不满意百分率）等综合舒适指标。因此，该研究旨在基于现场评估的EnergyPlus模型，系统量化渗透率不确定性对吉赞大学教育建筑室内热环境、热制冷需求、电力成本及碳排放的影响。

研究内容与意义：研究人员以吉赞大学工程与计算机科学学院（CECS）建筑为对象，该建筑三层，总建筑面积34,168 m²，体积204,907 m³，由31个热区组成。利用配套现场研究开发并经过实测室内温度评估的EnergyPlus模型，将名义渗透率从0到1.0 ACH以0.1步长扰动，在受控（Ideal Loads Air System，22.5 °C，60%相对湿度）和自由运行两种模式下进行全年模拟。结果表明，每0.1 ACH使年热制冷需求增加1766 MWh，其中72%为潜热；在常用假设0.8 ACH下，渗透占年需求的84%。在性能系数（coefficient of performance, COP）为3.0时，将渗透从0.8降至0.3 ACH每年可节省约2950 MWh电力、251,000美元和1670吨CO₂。该研究首次为沙特教育建筑提供了渗透敏感性系数，揭示了自由运行下渗透的降温效应不足以满足适应性热舒适，并强调了气密性（airtightness）结合受控除湿通风作为设计改造关键参数的必要性。

方法概述：研究使用EnergyPlus 23.2.0模型，渗透通过ZoneInfiltration:DesignFlowRate对象设定为恒定换气率。室内空气温度于2024年4月1、9、11日使用两台HOBO U12-012记录仪测量（精度±0.5 °C），用于评估模型，模拟与实测的日RMSE为0.108、0.087和0.118 °C，MBE为-0.08至-0.04 °C，R²为0.82-0.89。采用单因素扰动法计算每0.1 ACH的敏感性系数；热舒适以操作温度、PMV/PPD（ISO 7730）和ASHRAE 55适应性模型评价；电力、成本与碳排放分别按COP=3.0、电价0.32 SAR/kWh和电网排放因子0.568 kg CO₂/kWh转换。

研究结果：

3.1 室内热响应：受控工况下，理想负荷空气系统将各分区空气温度稳定在22.5 °C，但因平均辐射温度较高，操作温度为23.3-23.9 °C。自由运行下，无渗透时室内空气温度高达36.5-38.7 °C；渗透增至1.0 ACH后降至30.0-34.0 °C，温度敏感性为-0.42至-0.66 °C/0.1 ACH。全年90%小时的室外温度低于室内，渗透主要起散热作用。

3.2 室内热环境与热舒适：受控基线（0.8 ACH）下，平均辐射温度为24.0-25.3 °C，操作温度高于设定点0.8-1.4 °C。夏季服装（0.5 clo）下PMV为-0.39至-0.22，属于ISO 7730 II类；0.6 clo时属于I类。自由运行下，即使渗透为1.0 ACH，操作温度仍超过适应性舒适限值，全年86%小时超标。

3.3 墙体表面温度：外墙外表面温度日较差为8.0-8.5 °C，内表面仅0.6-0.7 °C，振幅衰减约92%。渗透使内表面平均温度降低4.0-4.3 °C，但衰减和时滞（1-2 h）几乎不变，表明墙体阻尼是构造属性，渗透仅改变温度水平。

3.4 日、小时和年热制冷需求：热制冷需求随渗透率线性增加，每0.1 ACH增加4585 kWh/天，年敏感性为1766 MWh/0.1 ACH，其中潜热占72%。0.8 ACH时渗透占年需求的84%。年峰值冷却负荷从0 ACH的527 kW增至1.0 ACH的4816 kW，每0.1 ACH约增加430 kW。

3.5 电力、成本和碳排放：在COP=3.0下，每0.1 ACH对应约589 MWh电力、50,200美元和334 t CO₂/年；从0.8降至0.3 ACH每年可节省约2946 MWh电力、251,000美元和1673 t CO₂。

3.6 冷却设定点敏感性：将设定点从22.5 °C升至24 °C，年热制冷需求降低10-12%，PMV保持在ISO 7730 I-II类；26 °C时PMV超过II类上限。渗透惩罚在24 °C和26 °C分别为1540和1224 MWh/0.1 ACH，仍为正值。

3.7 敏感性系数总结：自由运行温度系数约为模型温度误差（0.015 °C/0.1 ACH）的28-44倍。归一化后，每0.1 ACH对应51.7 kWh/m²年热制冷需求，峰值负荷增加12.6 W/m²。

讨论与结论：讨论指出，自由运行与受控模式下渗透效应方向相反，由室外-室内温度差决定。本研究的渗透惩罚占比显著高于文献中办公建筑（3-4%）和住宅（4-14%）的数值，原因是吉赞气候全年热湿、建筑围护结构保温性能好且未计入内部得热。操作温度高于空气温度设定点，表明舒适评价必须考虑辐射换热。24 °C设定点可提供独立于气密性的额外节能。研究局限性包括：单一建筑与气候、渗透率未实测、模型仅由短期温度数据评估、未验证能耗输出，以及未建模内部得热和机械通风等。结论强调，在热湿气候教育建筑中，气密性应作为设计和改造的首选参数；减小渗透需结合满足ASHRAE 62.1的除湿或能量回收通风系统，并采用风机加压测试验证气密性。翻译研究结论的要点如下：（1）受控工况下渗透是制冷需求的主要驱动因素，每0.1 ACH增加1766 MWh/年（496 MWh显热、1270 MWh潜热），0.8 ACH时占年需求84%；（2）渗透惩罚在24 °C和26 °C设定点下仍为正（1540和1224 MWh/0.1 ACH），24 °C可使PMV处于I-II类并节能10-12%；（3）自由运行下渗透降低室温4.2-6.6 °C，但不能满足适应性舒适限值；（4）受控基线操作温度23.3-23.9 °C，PMV为-0.39至-0.22，属II类偏凉；（5）COP=3.0时每0.1 ACH对应589 MWh电力、50,200美元和334 t CO₂/年，0.8降至0.3 ACH可节省2946 MWh、251,000美元和1673 t CO₂；（6）归一化后每0.1 ACH增加51.7 kWh/m²年热制冷需求和约430 kW（12.6 W/m²）峰值负荷。