利用实测与估算围护结构气密性对比研究改造历史砌体校舍的热能需求强度与峰值功率强度案例研究

《Results in Engineering》：Case Study Comparing Thermal Energy Demand Intensity and Peak Power Intensity in a Renovated Historic Masonry School Using Measured and Estimated Enclosure Airtightness

　　

准确估算建筑渗透风对于供暖通风与空调(HVAC)设备选型至关重要，然而许多设计采用单一统一的气密性数值，可能导致系统过大或过小选型。这一问题在历史保护与自适应再利用背景下尤为重要，加拿大大量砌体学校及公共建筑的完整性维护是优先事项。本案例研究量化了一栋中型历史砌体与幕墙公共建筑的气密性，测得整体建筑在75 Pa下空气渗漏量为2.18 L/m2/s，其中历史砌体部分为3.47 L/m2/s，现代部分为1.17 L/m2/s。双胞胎教室立面层面测量显示，砌体抹灰墙为5.67 L/m2/s，裸露砌体墙为8.59 L/m2/s，突显了局部渗漏的显著变异性。采用经验推导气密性值的模拟显示，仅砌体外立面的供暖热能需求强度(TEDI)为26.1 kWh/m2/a，抹灰外立面为20.4 kWh/m2/a，整体建筑气密性下为10.5 kWh/m2/a；而供暖通风与空调(HVAC)系统的峰值供暖功率在砌体情况下比实测整体建筑气密性高出60%，抹灰砌体情况下高出29%。供冷需求对立面气密性基本不敏感，主要由高人员负荷驱动。这些结果表明，立面特异性气密性显著影响热性能、能耗与人员舒适度，强调在加拿大历史及现代砌体建筑设计、运营与自适应再利用中需考虑局部空气渗漏。

论文发表在《Results in Engineering》。研究背景方面，空气渗透被一致认为是热能需求的关键驱动因素，尤其在供暖负荷占主导的寒冷气候中，住宅建筑渗透热损失可达总供暖能耗的30%，办公建筑虽低于20%但仍不可忽视。现有文献分析多局限于显热能耗，且针对中型建筑修复与自适应再利用时，既有围护结构因老化往往渗漏更高。加拿大拥有大量历史砌体校舍及公共机构建筑，其气密性长期堪忧，自愿性标准推荐75 Pa下1.52 L/s/m²，但实际大型砌体建筑平均达4.58 L/s/m²。尽管外部覆层等改造策略存在，但受历史保护条例限制常难以实施，内部抹灰等替代方案显示出潜力。然而现有研究多聚焦住宅、实验室试件或整体建筑气密性，缺乏对加拿大中型教育及公共机构设施的关注，且能源模拟中气密性多源于假设而非实测，导致裸露与抹灰砌体等对热性能的影响理解不足，本研究旨在填补此空白。

研究人员开展了一项中型历史公共机构建筑的综合研究，结合整体建筑、防护区及立面尺度的气密性测试与校准能源模拟。研究建筑包含历史砌体与当代幕墙加建部分，通过对第三层两间几何相似但内饰分别为原始抹灰与裸露砖墙的教室进行无防护、半防护及全防护测试，获取实测气密性数据并输入OpenStudio软件模拟。结果显示历史砌体部分气密性远低于现代部分，立面层面裸露砌体渗漏率高达8.59 L/m²/s，抹灰为5.67 L/m²/s。模拟表明暴露砌体外立面供暖热能需求强度(TEDI)达26.1 kWh/m²/a，较整体建筑假设的10.5 kWh/m²/a高出149%，抹灰立面为20.4 kWh/m²/a高出72%；峰值供暖功率强度在裸露砌体下达34.2 W/m²，若按整体建筑气密性选型将低估60%。供冷需求及峰值功率对气密性变化不敏感，主要受内部人员负荷影响。研究表明立面特异性气密性显著影响性能，内部抹灰可作为有效空气屏障，单一统一气密性假设会导致估算偏差与舒适性问题，强调在历史建筑自适应再利用中需考量局部渗漏。

主要关键技术方法包括：采用USACE Version 3协议与ASTM E3158测试方法，对整体建筑（E0）、当代加建（E1）、历史砌体（E2）及单体教室装配（S3抹灰、S4裸露）进行单区与双区多点回归鼓风门测试以获取气密性参数；基于竣工图纸建立几何模型，利用TECLOG 4软件分析数据；将实测气密性值（75 Pa及50 Pa下归一化渗漏率NLR）代入OpenStudio进行季节性能量模拟，设定VAV系统与周边水暖加热，依据建筑自动化系统(BAS)历史数据设定内部得热与温湿度设定点，评估五种气密性情景下的供暖供冷需求强度(TEDI)与峰值功率。

研究结果部分保留小标题说明如下。5.1. Leakage Rates at Facades：通过整体与防护测试得出E0平均NLR_75Pa为2.18 L/s/m²，E1为1.17 L/s/m²，E2为3.47 L/s/m²；S3立面防护测试为5.67 L/s/m²，S4为8.59 L/s/m²。历史部分换气次数ACH₅₀为2.57 h^-1，当代为0.53 h^-1。等效渗漏面积(NLA₁₀)显示当代孔洞大小仅为砌体的四分之一。防护测试揭示地板隔断渗漏差异达46%，证明局部装配气密性变异性远大于整体均值。4.2. Facades Leakage, Thermal Energy Demand and Peak Power：模拟显示年供暖需求随气密性提升显著下降，S4为26.1 kWh/m²/a，S3为20.4 kWh/m²/a，E2为10.5 kWh/m²/a，VBBL最佳实践为6.9 kWh/m²/a；方差分析(ANOVA)表明月份贡献59%变异，气密性贡献32%且显著。供冷需求在31.7至35.7 kWh/m²/a间波动，96%变异来自月份，仅4%来自气密性，但对峰值供冷功率影响显著。供暖峰值功率强度从S4的25.4 W/m²降至VBBL的12.6 W/m²，分布左偏；供冷峰值功率微降且分布集中。使用整体建筑气密性计算会低估裸露砌体区峰值供暖60%、抹灰区29%，且仅有整体或VBBL水平能达到TEDI≤15 kWh/m²/a标准，峰值≤10 W/m²均无法达到。

讨论部分总结：研究人员指出单一均匀气密性值导致HVAC选型简化误差，立面特异性渗漏引发压力驱动气流差异，造成冷热分布不均与舒适度下降。实测立面气密性较整体值高2至4倍，印证抹灰层显著降低空气渗透率。模拟证实暴露砖墙TEDI高估149%，峰值供暖功率低估60%将导致区域过冷。高人员负荷使供冷需求对气密性不敏感，内部得热主导能耗。未来需纳入潜热负荷、室内空气质量监测及更精细VAV交互，并扩展至多建筑样本与季节性重复测试以提升统计稳健性。

结论部分翻译：本研究评估了一栋包含历史砌体与当代幕墙结构的中型指定历史公共机构建筑的气密性。在整体建筑、防护区及立面尺度进行气密性测试以量化围护结构组成对实测空气渗漏及模拟热性能的影响。整体建筑在75 Pa下测得空气渗漏量为2.18 L/m²/s，当代与历史部分分别为1.17 L/m²/s与3.47 L/m²/s。立面层面，砌体抹灰教室在75 Pa下表现为5.67 L/m²/s，裸露砌体教室为8.59 L/m²/s，证明了内部抹灰对气密性性能的重要贡献。融入经验测量气密性的能源模拟显示空气渗漏与供暖需求强相关。裸露砌体外立面产生26.1 kWh/m²/a的TEDI，抹灰砌体外立面为20.4 kWh/m²/a，而采用实测整体建筑气密性模拟结果为10.5 kWh/m²/a。峰值供暖功率强度呈现相似趋势，表明立面特异性气密性假设会实质影响HVAC选型计算。相反，供冷能量需求与峰值供冷功率强度对气密性变化相对不敏感，主要受人员相关内部得热影响。结果表明，通用气密性假设可能导致砌体公共机构建筑供暖能量需求与供暖系统容量估算的重大误差。结论还表明内部抹灰可作为有效空气屏障，在历史保护限制外部干预的自适应再利用与修复项目中提供实用策略。设计人员在评估热性能与HVAC系统需求时，应考量局部围护结构特性而非仅依赖整体建筑气密性假设。作为单栋公共机构建筑案例研究，结果为该类建筑实测气密性与热性能关系提供详实见解，为加拿大砌体教育建筑贡献新经验数据，并论证了在寒冷气候自适应再利用策略评估中结合整体、防护区及立面测试与能源模拟的价值。