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为什么要对建筑物进行气密性测试?了解鼓风门测试系统

 发布时间:2022-09-07 点击量:756

为什么要对建筑物进行气密性测试?


一般来说,关于气密性的信息特别是定量信息有用的原因有几个:

1、当调节替换空气时,从外壳泄漏的空气会消耗能量。通过气密性测试的信息,您可以估计在寒冷天气和温暖天气下会泄漏多少空气,或者相对于平静天气,多风天气会导致建筑物泄漏多少空气。然后,可以针对天气条件的任何组合来估计由此产生的能量影响,并且可以通知设备尺寸计算和运行能量消耗的计算机模型预测。

2、你也许能够确定你不知道的特定大洞的存在。气密性测试无法显示泄漏的位置,但有时会显示您的建筑比预期的泄漏严重得多。在这种情况下,可能会有一个或两个大洞导致大量空气泄漏。在气密性测试期间,经验丰富的空气泄漏顾问通常可以使用红外摄像机和剧院烟雾追踪重要的泄漏路径。

3、通过建筑物外壳泄漏的空气会导致组件内隐藏的冷凝,并导致性能问题。虽然冷凝仅部分与通过组件的空气量有关,但它是一个重要的因素,有助于理解。

4、空气泄漏会将受污染的室外空气从停车场、垃圾箱或排气口带入建筑物。了解有多少空气通过建筑物外壳将有助于确定引入室外污染物的风险。一旦你知道了,你就可以设定目标来最小化风险。

空气泄漏的能源成本是大型建筑物气密性研究最少的方面。有时假设较大的建筑物,特别是商业建筑物,通常已经足够气密,因此改进不会带来什么好处。然而,现有的有限数据不支持这一假设。例如,Emmerich、McDowell和Anis(2005年)使用建筑能源模拟程序预测潜在的年供暖和能源成本节约2%至36%,其中最大的节约发生在办公和零售建筑中以供暖为主的气候中(与四层多单元住宅建筑相比)。在夏季潮湿的气候中,空气泄漏会给空调设备增加非常大的潜在负荷,既增加能源使用,又导致室内环境不太舒适。

考虑到节能潜力、对暖通空调设备负荷的更好理解以及室内空气质量和冷凝风险的管理,测试各种尺寸的建筑物的气密性并采取措施解决任何空气泄漏问题越来越有意义。

气密性测试101

气密性测试是一项完整的建筑测试,用于测量空气通过建筑外壳或“表皮"泄漏的容易程度。一种常见的方法是使用大型风扇或“鼓风机"从建筑中抽取空气或向建筑提供空气(见图1)。该风扇插入安装在外门开口中的气密护罩中。这就是为什么在住宅建筑中,气密性测试通常被称为“风机门测试"。测试设备测量气流(多少空气流入或流出建筑物)和作用于建筑物外壳的相应压差。

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                                                                       DG1000建筑气密性测系统安装在门框上

对于较大的建筑物,即建筑面积超过约10000平方英尺(929m2),该测试方法通常需要同时运行多个协调的风机门。在某些情况下,使用了需要拖车和外部电源的大型移动风扇。在所有情况下,无论大小,建筑物都必须事先准备好进行测试,方法是堵塞HVAC进排气格栅、厨房和浴室排气扇、减压阀等有意开口(图2)。密封有意开口通常是测试中花费最多时间和精力的部分。

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                                                                            在测试设置期间密封建筑物屋顶

原始形式的气密性测试结果是整个外壳的压差、总气流和气流方向(进出)。在测试期间,使用一系列压差和流动方向收集大量(通常为5至10)气流测量值。然后绘制该数据,以量化气流和压差之间的关系(见图3)。

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                                                           初始加压试验结果示例

经验表明,结果往往形成一条曲线,因此通常以对数格式绘制数据,以数学方式迫使结果变成一条直线。数据可以以该格式呈现给有知识的用户;然而,从曲线中报告单个压力下的流量并报告该数值是非常有用和方便的。在商业建筑中,用于报告的单一测试压力几乎总是75帕,而对于住宅建筑,50帕的压力是标准压力。美国有时使用英制气压单位,即英寸水柱。气流的报告单位为立方英尺/分钟(cfm)、升/秒(lps或L/s)、立方米/秒(m3/s),或者在欧洲为立方米/小时。

测量的气流将随着建筑物的大小而增加,这是有道理的。为了便于不同建筑物之间的比较,使用了两种方法来规范与建筑物尺寸相关的气流:

1、将气流除以建筑物的体积,或

2、将气流除以被测建筑围护结构的面积。

在单户住宅建筑中,通常按建筑体积进行规范化。在50Pa的压差下测得的气流速率被转换为每小时空气变化(ACH)。每小时换气量就是每小时泄漏的空气量除以建筑物的体积。然后将测试数据报告为“中的数字"ACH@50".

每小时换气次数有时也用于报告商业和大型建筑的空气泄漏。由于这些建筑物的不同几何结构的表面积与体积比更为多变,因此在特定压力下提供单位面积流量的泄漏率更为常见,且在技术上更为优越;换言之,以每平方英尺每分钟立方英尺(cfm/ft2)或每平方米建筑围护面积每秒升(lps/m2)表示。这里的“面积"是指立方体六个侧面的总面积,即四面墙、屋顶和楼板,因此暴露在室外的所有侧面都是该等式的一部分。测试结果在“lps"中报告/m2@75Pa“或"cfm/ft2@0.3在wc中"。

与每小时换气量一样,该报告方法考虑了建筑物的大小,因此可以更好地进行建筑物之间的比较。这种将结果标准化的封闭面积方法也越来越受到住宅社区的青睐,因为它将实际建造的空气屏障的测量质量与设计期间的选择(即表面积:体积比)区分开来。

用于报告商业建筑泄漏的测试压力通常为75 Pa(0.3英寸wc),而不是用于住宅建筑的几乎通用的50 Pa。原因主要是历史原因,但在所有情况下,更高的压力通常是首先选择的,因为在现场测试期间,不受控制的压力的假效应(例如阵风、烟囱效应)导致读数误差的可能性较小。然而,更高的压力会导致更高的流量,从而导致更大的设备,因此超过75 Pa的压力通常用于测试较小规模的建筑构件(如窗户、门或墙壁样本)。

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                                                     DG1000建筑气密性测试系统、三风机


气密性目标

气密性目标或最大气密性水平是评估建筑性能的一个相对较新的指标。为了设定目标,必须了解建筑气密性测试测量整个建筑围护结构(屋顶、墙壁、楼板、窗户、门、通风口等)的空气泄漏。从历史看,气密性首先规定用于商业建筑的建筑构件,如窗户、幕墙、预制墙等。到20世纪80年代末,加拿大建筑研究所/加拿大国家研究委员会(IRC/NRCC)和加拿大抵押和住房公司(CMHC)制定了空气屏障材料的推荐目标(0.02 l/s/m2@75 Pa),随后成为1995年加拿大国家建筑规范的一部分。对破坏性寒冷气候冷凝的可能性的研究(Ojanen和Kumaran,1996年)导致建议将建筑构件的最大泄漏限制在0.2 l/s/m2@75该目标已载入《加拿大建筑材料中心(CCMC)低层建筑外墙空气屏障系统技术指南》(Di Lenardo,1996)。材料气密性和空气屏障系统气密性之间的不同目标值已演变为10倍(即,材料为0.02,空气屏障组件为0.20)。这一巨大差异是由于使用材料创建组件时所需的接头和接缝处的泄漏影响。

了解实验室测试仅产生材料和系统潜在气密性的数据是至关重要的:在现场组装建筑外壳总是导致更多泄漏,只能在现场进行测试。Lstiburek(2005)建议可接受的整个建筑物(外壳)气密性为最大空气屏障值0.20的十倍,即:

空气屏障材料:0.02升/(平方米)@75帕,0.004立方英尺/平方英尺@0.3“w.c。

空气屏障组件0.2 l/(s m2)@75 Pa 0.04 cfm/ft2@0.3“w.c。

建筑围护结构2.0 l/(s m2)@75 Pa 0.4 cfm/ft2@0.3“w.c。

这项建议很快被建筑业采纳;在美国,总务管理局现在要求所有新建筑达到这些目标。对于高性能建筑,美国工程兵团的目标是在0.3英寸水柱处达到约0.25立方英尺/平方英尺,在75帕时达到约1.3立方英尺/平米。高性能建筑有时在75帕下使用低于1立方英尺/m2的目标(这是20世纪90年代末加拿大C-2000建筑计划的目标),但这并不总是容易达到。

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   在大型建筑中,通常无法达到2 lps/m2@75Pa的目标。就在2011年,美国国家标准与技术研究所的数据显示,228座商业和机构建筑样本的平均气密性约为6.9 lps/m2@75Pa(Emmerich和Persily 2011)。这一平均泄漏率远远高于“良好"水平,而且许多建筑物的气流控制较差。最近对16座非住宅建筑(大部分为高性能建筑)进行的一项研究发现,75Pa时测得的泄漏量为0.30至3.80 lps/m2(Brennan等人,2013年),证明了作者的经验,即可以实现非常好的气密性,但往往无法实现。

对文献的调查表明,由不同机构测试的大型建筑报告的数字在75 Pa时从0.09 lps/m2到30 lps/m~2不等。在该范围的高点,可以肯定地说,您的建筑漏水太多,其性能将因此受到影响;当你接近2或1时,你知道你的建筑很紧凑。最近的经验表明,从设计开始到施工期间的早期测试,经过深思熟虑的计划通常可以交付价值低于2 lps的建筑/m2@75.

气密性不仅仅是墙壁、门和窗户。在现代建筑中,通过机械系统、格栅和开口的空气泄漏通常很大。通过机械系统的总泄漏量的一半并不罕见,这意味着我们必须更加担心实际用作防回流阀的防回流阀。也就是说,它们在关闭状态下应密封,因为这将影响在役建筑物的整体密封性。在一次测试中,在系统地移除机械系统的覆盖物的同时,保持-75 Pa的恒定压力。回风口一打开,流量就发生了41%的变化。当所有设备打开时,流速为5.46 m3/s(11575 cfm),比基本流速增加了67%。这告诉我们,对于已经相当气密的建筑物,如果很难通过改变外壳进行进一步改进,则仍然可以通过修复这些机械泄漏来改善气密性,例如,通过使用更好的垫圈、更紧的执行器和适当的阻尼器调整,确保HVAC系统中的供应通风口在非循环时间内实际密封。

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                                                     通风口和格栅需要注意空气泄漏

气密性和通风

随着气密性的增加,对设计良好的机械通风的需求也增加。无论是住宅还是商业/机构,人们都需要新鲜空气。同时,过多的通风可能会抵消气密性在节能方面的价值,并且根据气候区域、天气条件和建筑物的特殊特性,还可能导致其他问题。

在设计中,应确保外壳上几乎没有机械诱导的空气压力。这是通过平衡系统来实现的,使得供应的空气量与排出的空气量几乎相同。在一些情况下,可以使用压力的有意控制来控制气流方向。在冬季稍微减压的建筑物将降低其空气泄漏冷凝问题的风险,稍微加压的建筑物可能会有更多的冬季冷凝问题(因为气流通过剩余的外壳泄漏),但会更有效地排除来自例如停车场的污染。

在上一段中,“轻微"一词用于表示只有几到5 Pa的压差。在通常情况下,加压不是通过控制压力实现的,而是通过选择和设计一个系统以供应比排出的更多的空气来实现的。随着现代建筑变得气密,这种设计方法可能会导致重大问题:估计仅使建筑增压3或5 Pa所需的过量气流量实际上是不可能的,因为所需的气流量非常小。不幸的是,通过猜测所需的过量气流,机械工程师通常会对气密建筑造成严重过压,迫使空气泄漏,即使建筑相对气密。其结果是一种非常常见的情况,即设计和建造的建筑非常气密,但仍然存在过度的能量损失和冷凝问题,因为机械系统的设计旨在将一定量的过量空气从建筑表皮中挤出,而不管其气密程度如何。在许多情况下,这导致门被过度的压力吹开和保持打开,空气被迫通过时,幕墙接缝处发出呼啸声,即使有很小的空气泄漏,外墙也会形成冰柱。

上述问题的解决方案只是通过测量操作建筑物机械系统所产生的压差来调试建筑物。如果建筑物基本完工,这可以作为气密性测试的一部分轻松完成,但也可以在占用后轻松完成。在低风、中性温度条件下,修改供气、排气或两种气流以达到小于5 Pa的压力通常很容易实现(通过调整VFD、阻尼器、风扇电机滑轮等)。

向建筑物业主提供教育也很重要,以便在建筑物被占用后正确使用和维护通风系统。供暖、通风和空调(HVAC)行业的专业人士经常使用“建造气密和通风良好"的座右铭。“通风权"部分应视为一项持续活动,而非一次性设计决策。这可能需要每年测量通风流量和压差,以帮助识别过滤器堵塞、风门卡住和格栅堵塞等问题。

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                                                                          鼓风门气密性测试系统、三风扇

气密性试验的实用性

趋势是明确的:建筑行业将被要求达到气密性目标,要么是因为这些目标被添加到建筑规范或能源计划中,要么是由于业主正在寻找更好的建筑——能耗更低、舒适度更高、室内空气质量更好、水分损害风险更低的建筑。建筑师使用气密性测试的方法之一是向业主和规范官员证明,承包商和设计师共同交付了良好的气密建筑外壳。它提供了所用方法成功的定量验证,就像压碎混凝土圆柱体表明达到了所需的混凝土强度。

气密性目标在新建筑和改造的设计过程中非常有用。它们为建筑围护结构性能的一个非常重要的方面建立了定量预期,并为机械设计师的负荷和能量计算提供了关键输入。因此,气密性测试应是施工过程的一个重要部分。气密性试验可确认气密性目标已达到,如果时间安排得当,则可在为时已晚之前解决问题。

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                                                             从设计到施工对建筑物要求注意细节


气密性测试也可用于诊断。对于新建筑,通常应在施工过程中尽早进行测试,以便在建筑出现故障时,可以进行补救工作,找出原因并修复。同样,如果您即将进行重大的节能改造-更换窗户、添加隔热层或采取其他实质性步骤,通常建议在深入设计改造之前进行测试。测试应作为现有建筑物评估的一部分进行,以了解建筑物的泄漏程度,以便您可以决定应在气密方面花费多少精力,而在隔热或新窗户等方面应花费多少精力。

通过定期进行气密性测试,建筑师和承包商可以随着时间的推移了解什么是有效的,什么是无效的,以及一个良好的气密性建筑与一个漏水的建筑相比表现如何;它们在预测性能方面会越来越好,因此可以舒适地设计更真实的气密性能。此外,一旦目标到位,并且已知某个目标是可以实现的,则可以向机械系统设计者提供输入。当我们搬到越来越紧凑的建筑时,机械工程师常常在猜测在计算空气泄漏的能量时应该假设什么,因此他们倾向于将目标放在安全的一边。如果您选择了气密性目标,并在施工过程中制定了测试方法,那么机械工程师可以更好地确定加热、冷却和除湿机械设备的尺寸,并设计补充空气系统,以最大限度地减少增压。如上所述,气密建筑中的一个日益严重的问题是机械工程师对其加压过度。正如制造商测试隔热层的R值,这样你就可以知道你在墙里放了什么,并可以设计它一样,测量建筑物的气密性给机械工程师提供了一些用于系统设计的值。

减少建筑围护结构的空气泄漏是高性能建筑的基础,即低能耗、舒适、健康和耐用的建筑。最后,气密性测试基本上是一种定量质量控制工具,其额外好处是确保您知道机械系统的设计用途。

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                                                         DG1000建筑气密性测试系统设备现场测试

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