《Buildings》：A Residential Infiltration Performance Index for Saudi Villa and Apartment Archetypes: Cooling-Season Estimates Across 13 Locations
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沙特住宅能耗模型中通常假定单一恒定的空气渗透率，且沙特住宅缺乏评判渗透性能的基准。本研究提出了住宅渗透性能指数（Residential Infiltration Performance Index，RIPI），这是一个基于对数的0–100分制量表，用于衡量5月
沙特住宅能耗模型中通常假定单一恒定的空气渗透率，且沙特住宅缺乏评判渗透性能的基准。本研究提出了住宅渗透性能指数（Residential Infiltration Performance Index，RIPI），这是一个基于对数的0–100分制量表，用于衡量5月至9月制冷季由风压和热压驱动的自然渗透，并划分为五个等级。该指数应用于13个气象站点的1166个模拟别墅和公寓样本。研究采用基于物理的模型，其渗漏输入依据沙特两栋别墅的气密性测试进行调整，结果按2022年人口普查数据进行加权。在基线假设下，别墅的中位渗透率为0.19次换气/小时（air changes per hour，ACH），公寓为0.06次换气/小时。别墅的渗透量约为公寓的三倍，因其围护结构暴露于室外空气的比例更大。在遮蔽环境中渗透率随室外温度变化，在暴露环境中则随风速变化。自然渗透仅提供了沙特能耗模型中别墅所假定恒定0.8–1.0次换气/小时（ACH）的五分之一至四分之一，对公寓则不足十分之一，其余部分因此必须表示为通风量。该指数为能耗模型提供了基于模型、按类型和地点区分的输入参数，并为比较住宅及气密性要求提供了固定标尺。
一、研究背景与问题
住宅建筑约占沙特阿拉伯电力消耗的一半，其中大部分用于空调制冷。既有围护结构研究集中于保温、玻璃和遮阳，而 uncontrolled 的空气渗透在整个漫长制冷季中持续增加显热和潜热负荷，在潮湿沿海城市还会将湿气和室外污染物带入空调空间。量化这些效应的证据极为有限：沙特缺乏全国性住宅气密性数据库，已发表的现场测试仅涵盖达兰（Dhahran）两栋别墅。沙特建筑规范（SBC 602-2018）将低层住宅在50 Pa压差下的气密性限值设为4次换气/小时（ACH50），按常用除以20的规则约对应0.2 h?1的自然渗透；然而沙特能耗研究却对所有住宅类型假定恒定的0.8–1.0 h?1渗透率。渗透的物理机制决定了单一气密性数值或单一默认渗透率均是不完整的描述：渗透由风和热压驱动并遵循幂律关系；气密性描述的是围护结构而非自然条件下的实际进风量；住宅渗漏近似对数正态分布，跨度超过一个数量级；此外，沙特中央空调别墅在系统运行期间风机诱导增压会逆转围护结构气流方向。由此产生两大空白：一是缺乏将住宅、区域或整个存量置于固定制冷季自然渗透标尺上的基准；二是缺乏按住宅类型和气象地点区分的制冷季渗透估算值，以替代沙特能耗模型中的单一默认值。
二、研究内容与主要结论
本研究针对沙特制冷季（5–9月）开发了绝对渗透指数——住宅渗透性能指数（RIPI），并将其应用于模拟的别墅和公寓。RIPI将制冷季平均自然渗透率映射到0–100的绝对对数标尺上：1 h?1计0分，0.1 h?1计50分，0.01 h?1及以下计100分，标尺跨越两个数量级，约每减半增加15分，并设定五个以倍增限值划分的等级（A–E）。C/D等级界限设为0.2 h?1，接近自然渗透单独满足ASHRAE 62.2整宅室外空气率所需的速率（别墅0.22 h?1、公寓0.26 h?1），低于此界限需受控通风，高于此界限则渗透超过通风需求并增加可避免的制冷负荷。
研究采用拉丁超立方抽样生成1166个住宅实现（516栋别墅和650套公寓），以DOMVENT3D_KSA物理模型在13个气象地点逐一模拟。渗漏输入依据达兰两栋别墅的风扇加压测试结果进行校准：空气渗透率中位数调整为9.0 m3 h?1 m?2，流量指数向实测均值偏移0.068并限制在0.5–1.0物理范围内。结果按2022年人口普查住宅存量加权。
主要结果如下：
3.1 别墅与公寓：在基线假设（极重遮蔽、城市地形、可渗透分户墙）下，别墅中位制冷季渗透率为0.172 h?1（四分位距0.116–0.245），公寓为0.051 h?1（0.031–0.083），比值为3.3，对应中位RIPI得分38.2和64.5。差异源于暴露程度而非构造更紧密：两者渗透率相近，公寓隐含ACH50（中位7.9）甚至高于别墅（5.2），但别墅全部可渗透围护结构面向室外，公寓仅20%（中间层）、30%（底层）或55%（顶层）与室外交换空气。公寓内部按楼层变化：顶层中位0.094 h?1、底层0.053 h?1、中间层0.039 h?1。
3.2 气象地点差异及其驱动因素：地点间渗透率相差约两倍，别墅中位数从艾卜哈（Abha）的0.114 h?1到达兰（Dhahran）的0.215 h?1，公寓从0.035到0.063 h?1。地点中位数与制冷季平均室外温度高度相关（别墅ρ=0.96，公寓ρ=0.90），与站点风速弱相关（ρ=0.07和0.23），表明在极重遮蔽下流动以热压为主导。凉爽的西南高地（艾卜哈、巴哈）渗透率最低，四个最热站点（麦地那、达兰、麦加、利雅得，平均温度35.1–35.8 °C）最高。
3.3 气密性到渗透的转换：转换因子（ACH50/ACH）存量加权中位数为别墅26（四分位距21–33），地点间从达兰的24到艾卜哈的46；公寓约140（因整户测试包含通向邻户的渗漏），分户墙不可渗透时（对应防护测试）为38。通用除以20规则因此高估所模拟别墅制冷季自然渗透约30%，在凉爽高地最多高估2.3倍。按规范限值4 ACH50建造的别墅约对应0.154 h?1（C级）。
3.4 性能等级：等地点权重下，别墅模拟主要落在C级（43%）和D级（37%），39%超过参考速率；公寓主要落在A级（49%）和B级（34%），仅2%超过。存量加权使两类均向更高速率偏移（别墅中位升至0.192 h?1，公寓0.057 h?1），47%的别墅和3%的公寓超过参考速率。地点间别墅超过参考速率的比例从艾卜哈的8%到达兰的54%。
3.5 热增益与室外空气当量：显热增益逐级增加约2–3倍，别墅从A级0.8 kWh m?2到E级22.6 kWh m?2，中位显热增益别墅5.9 kWh m?2、公寓1.9 kWh m?2。恒定0.8–1.0 h?1默认速率产生的显热增益为模拟值的3.9–4.8倍（别墅）和13–16倍（公寓）。潜热增益在内陆站点较小但在两海岸较大：潮湿的吉赞（Jazan）别墅中位潜热增益20.0 kWh m?2，为显热的2.8倍；达兰为12.6 kWh m?2（1.2倍）。渗透流量数值上相当于ASHRAE 62.2整宅室外空气率的别墅中位77%（31%的模拟达到或超过），公寓仅20%（91%的模拟不足一半）。
3.6 稳健性：秩回归解释别墅渗透方差95%、公寓78%，渗透率、流量指数和温差为主导输入。渗透率×0.5–1.5范围内，别墅中位RIPI从53.3降至29.4，公寓从79.5降至55.7；别墅超过参考速率的比例从2%升至67%。遮蔽程度改变水平和模式：中等遮蔽下别墅中位升至0.206 h?1，地点中位数与温度和风速相关性相近（ρ=0.64和0.63）；无遮蔽时达0.312 h?1且地点中位数随风速（ρ=0.97）。不可渗透分户墙使公寓中位升至0.181 h?1，接近别墅。恒定24 °C室内温度使中位数降至别墅0.161 h?1、公寓0.047 h?1。统一使用TMYx 2011–2025天气文件使中位数变化小于4%。交叉模型检验中，LBL模型给出别墅中位0.241–0.292 h?1（为DOMVENT3D_KSA的1.4–1.7倍），AIM-2模型给出0.150–0.173 h?1（0.87–1.01倍），两者均对模拟和地点排序一致。与达兰现场研究对比：施加实测风机过压（11和9 Pa）后模型给出围护结构气流2.51和2.28 h?1，比现场推导值低10%和12%；无风机加压时自然渗透0.27–0.34 h?1（D级），风机驱动气流为其7–9倍。在所有单因素场景中，自然渗透均不足默认值显热增益的一半；仅最渗漏设置组合（中位0.468和0.647 h?1）使模拟值接近默认值两倍以内。
三、讨论与结论
RIPI指数对单栋住宅与换气率信息等价，其增量价值在于：等步长对应等比（15分即速率减半）；均值对应速率几何均值，适合对数正态分布；标尺绝对化使不同地区、年份、模型或测量的结果可直接比较；有界0–100分和字母等级符合能效标签的熟悉格式。与英国和美国存量模型比较，沙特别墅中位（0.192 h?1）约为美国模拟值的一半，与极重遮蔽基线和低风速（中位1.3 m s?1）一致，而非围护结构更紧密。SBC 602的4 ACH50限值对应约0.154 h?1（C级），低于除以20规则赋予的0.2 h?1；实测达兰别墅（6.6–7.0 ACH50）超过该限值。别墅和公寓在几乎所有结果上均不同，且源于同一原因——公寓围护结构面向室外的比例更小；分户墙不可渗透时差异消失，因此两类住宅需要独立的渗透输入。与默认值的比较是受假设影响最小的发现：自然渗透仅提供默认值显热增益的不到一半，默认值中其余部分应表示为通风或风机驱动气流而非渗透。在潮湿沿海地区应明确考虑潜热增益，并建议采用逐时而非恒定渗透率。在室内环境质量方面，别墅中位渗透流量相当于ASHRAE 62.2室外空气率的77–86%，公寓仅20–22%，但渗透不受控制、随天气变化且分布不均，不能替代设计通风；别墅气密性改善应与受控通风配套，A级和B级仅在提供受控室外空气时才是理想的。
研究结论：本研究开发了住宅渗透性能指数（RIPI），这是一个制冷季自然渗透的固定对数标尺，其C/D界限与通风标准挂钩。该指数应用于13个气象地点基于原型的沙特别墅和公寓模拟，渗漏输入锚定于沙特风扇加压测试。(i) 别墅与公寓：存量加权中位自然渗透为别墅0.192 h?1、公寓0.057 h?1，别墅渗透量约为公寓三倍，原因是更多围护结构面向室外而非公寓更紧密；分户墙不可渗透时差异消失。同一RIPI等级内两类住宅单位面积热增益相似，中位增益差异源于所处等级不同。(ii) 气象地点：在极重城市遮蔽基线条件下，地点中位数随制冷季室外温度变化（别墅ρ=0.96），与热压主导流动一致；遮蔽减少时风权重增加，无遮蔽时风成为主要驱动。(iii) 能耗模型、通风与气密性限值：自然渗透仅提供沙特能耗模型所假定恒定0.8–1.0 h?1的约五分之一至四分之一（别墅）和不足十分之一（公寓），其余部分应表示为通风或风机驱动气流；潮湿海岸潜热增益可超过显热；别墅转换因子约为26而非20，按SBC 602限值4 ACH50建造的别墅约对应0.154 h?1（C级）。(iv) 稳健性：所有单因素场景中自然渗透均不足默认值显热增益的一半；主要结果对统一TMYx天气、恒定24 °C室内温度和AIM-2模型不敏感；等级份额取决于气密性水平和暂定等级界限的位置；住宅类型间的对比取决于户间渗漏。RIPI的价值在于将住宅、地点、规范和存量置于一个固定、基于比值的标尺上，等级与通风标准挂钩，可在相同平均周期内跨研究和跨时间比较和汇总。等级界限为暂定值，RIPI不是室内空气质量指数。估算基于模型且未经实测自然渗透验证；气密性、户间渗漏、遮蔽和自然渗透的测量是验证模拟速率和修订等级界限的优先事项。
