文澤球，劉 衍，楊 柳，李 晨，董 宏

(1.西安建筑科技大學 西部綠色建筑國家重點實驗室;建筑學院，西安 710055；2.中國建筑科學研究院有限公司，北京 100013)

為創(chuàng)造舒適的居住空間，在氣候多樣化地區(qū)劃分不同的氣候區(qū)，研究建筑熱環(huán)境和氣候的關(guān)系，進而制定不同的建筑設(shè)計原則來指導建筑設(shè)計[1]。中國建筑熱工設(shè)計分區(qū)主要適用于建筑熱工設(shè)計，隨著綠色建筑理念的不斷深入和建筑節(jié)能環(huán)保研究的不斷創(chuàng)新，建筑熱工設(shè)計分區(qū)逐漸開始應用于建筑節(jié)能環(huán)保領(lǐng)域[2-3]?！睹裼媒ㄖ峁ぴO(shè)計規(guī)范》(GB 50176—2016)[4]采用度日數(shù)作為二級指標，對原有的一級分區(qū)細分和完善，提高了分區(qū)的準確性；節(jié)能標準根據(jù)各個二級區(qū)的氣候特點，規(guī)定了圍護結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)、窗墻面積比等，提高了中國建筑節(jié)能水平；同時，方便了建筑師及工程師在節(jié)能工作中的應用：不需借助復雜難懂的模擬軟件就能使建筑能耗控制在合理的范圍內(nèi)。因此，合理的劃分氣候區(qū)對建筑熱工設(shè)計和提高建筑節(jié)能水平具有重要意義。

文獻[5-7]指出，在建筑圍護結(jié)構(gòu)參數(shù)確定的條件下，度日數(shù)能表征建筑累計負荷，溫度是對建筑累計負荷影響顯著的因素。因此，各國建筑法規(guī)通常以溫度或度日數(shù)作為建筑氣候分區(qū)指標。但是，對某些氣候條件復雜的地區(qū)，僅采用這兩個指標難以準確反映氣候?qū)ㄖ挠绊?。例如，文獻[8]指出，在赤道附近的厄瓜多爾，濕度、太陽輻射等因素是分區(qū)的重要影響指標；文獻[9]指出，太陽輻射是中國青藏高原地區(qū)能耗計算方法、節(jié)能設(shè)計策略區(qū)別于其他地區(qū)的關(guān)鍵因素；文獻[10]指出，西藏地區(qū)外表面對流換熱系數(shù)低、太陽輻射強，因此，單一的溫度或度日數(shù)作為分區(qū)指標并不適用于所有地區(qū)，尤其是太陽輻射、濕度等差異較大的地區(qū)；文獻[11]在建筑節(jié)能氣候分區(qū)方面進行探討，但對分區(qū)指標HDD18與建筑累計熱負荷關(guān)系的分析較少。中國嚴寒地區(qū)分布較廣，主要包括東北三省、內(nèi)蒙古、青海、西藏北部、新疆北部、甘肅西部等地區(qū)，其中，青藏地區(qū)具有明顯的高原氣候特征，建筑設(shè)計要求應區(qū)別于其他地區(qū)。本文主要分析僅以HDD18作為二級分區(qū)指標是否能較好地反映嚴寒地區(qū)氣候?qū)ㄖ塾嬝摵傻挠绊憽?/p>

1 典型建筑模型及參數(shù)設(shè)置

室外氣象參數(shù)是影響建筑能耗的因素之一，相同建筑在不同地區(qū)的建筑能耗高低一定程度上反映了區(qū)域的氣候差異[12]。建筑負荷主要與圍護結(jié)構(gòu)熱工性能和室外氣候條件相關(guān)，而建筑能耗除此之外還與空調(diào)采暖系統(tǒng)有關(guān)[13]。本文討論建筑熱工設(shè)計分區(qū)，采用建筑累計負荷進行分析更能反映氣候?qū)ㄖ倔w的影響。

1.1 建筑模型

居住建筑參考《建筑設(shè)計資料集》[14]中北方地區(qū)常見的建筑戶型，多層辦公建筑參考文獻[15]中對嚴寒地區(qū)辦公建筑的調(diào)研結(jié)果，建筑的朝向均為南向，建筑模型簡化后，材料熱物理性質(zhì)參數(shù)及圍護結(jié)構(gòu)構(gòu)造參考相應構(gòu)造圖集設(shè)置[16-17]，見表1、表2。高層居住建筑和多層居住建筑的標準層平面如圖1(a)、(b)所示，建筑面積分別為7 985.88、1 152.90 m2，層高均為2.90 m，其中，高層住宅18層，多層住宅6層；多層辦公建筑的標準層平面圖如圖1(c)所示，建筑面積為4 536.00 m2，首層層高均為4.20 m，其余層高為3.60 m，共6層。

1.2 參數(shù)設(shè)置

采用EnergyPlus建筑能耗模擬軟件，模擬和分析所選取的氣象數(shù)據(jù)源于該軟件官方網(wǎng)站的典型氣象年數(shù)據(jù)，模擬時間為1月1日至12月31日。內(nèi)外表面換熱系數(shù)分別采用TARP算法、DOE-2算法。居住建筑室內(nèi)熱源設(shè)為3.8 W/m2，換氣次數(shù)為0.5次/h[18]；辦公建筑換氣次數(shù)、人員逐時在室率、照明功率密度情況及電器設(shè)備功率密度情況等均按照相應的節(jié)能設(shè)計標準設(shè)置[19]。

2 結(jié)果與分析

2.1 各城市建筑累計熱負荷的差異

圖2為3種典型建筑在嚴寒地區(qū)61個城市的年累計熱負荷，城市按照采暖度日數(shù)從高到低排列。結(jié)果表明：即使是同一二級分區(qū)內(nèi)的城市，建筑的年累計熱負荷差異仍然顯著，例如，同屬于嚴寒A區(qū)的漠河，多層辦公建筑年累計熱負荷是曲麻萊的4倍以上；不同氣候區(qū)之間建筑年累計熱負荷的差異并不明顯，例如，屬于嚴寒A區(qū)的剛察等城市，建筑年累計熱負荷與嚴寒C區(qū)的沈陽等城市相差較小。建筑圍護結(jié)構(gòu)參數(shù)確定的條件下，HDD18是反映一個地區(qū)建筑累計熱負荷的氣候指標，而在嚴寒地區(qū)，度日數(shù)相近條件下，西部高海拔地區(qū)的建筑累計熱負荷顯著低于東部城市。因此，有必要進一步分析HDD18與建筑累計熱負荷之間的關(guān)系及其他氣象要素對建筑累計熱負荷的影響。

2.2 城市間的氣候特征對比

影響建筑累計負荷的氣象要素較多[20]，劉大龍等[6]通過敏感性分析法得出：對建筑采暖能耗影響較大的氣象要素主要有溫度、太陽輻射以及風速。本文主要從溫度、太陽輻射及風速3個方面對比城市間氣候特征，分析度日數(shù)相近條件下年累計熱負荷差異較大的原因。選取度日數(shù)相差較小，且建筑年累計熱負荷相差較大的城市作對比，分析城市間的氣候特征見表3。圖3為對比組中各城市的月平均溫度、高層住宅建筑月累計熱負荷、月平均風速以及水平面太陽輻射量。

對比組對比城市海拔/mHDD18/(℃·d)建筑單位面積年累計熱負荷/(kWh·m-2)多層住宅高層住宅多層辦公a沈陽1 1433 929054.3546.5828.19酒泉1 4783 971038.5432.9717.12b嫩江0 2436 352106.9291.5367.23烏鞘嶺3 0446 329061.7549.9121.85

圖3 城市間氣候特征對比Fig.3 Climate characteristics of comparison group

表3中a組，沈陽與酒泉月平均溫度基本一致，而酒泉各月的太陽輻射總量高于沈陽，風速低于沈陽。綜合來看，盡管兩個地區(qū)HDD18僅相差42 ℃·d，各月的平均溫度也相差較小，而由于風速和太陽輻射的影響，酒泉的建筑累計熱負荷低于沈陽。b組中，嫩江與烏鞘嶺各月平均溫度存在較大差異，由于烏鞘嶺地處3 000 m以上的高海拔地區(qū)，夏季溫度低，氣溫年較差遠小于嫩江。即使是7、8月份，烏鞘嶺的建筑月累計熱負荷為零，但月平均溫度低于18 ℃，計算HDD18時也被計入累加值。因此，盡管兩個地區(qū)HDD18僅相差23 ℃·d，但各月平均溫度和建筑累計熱負荷存在明顯差異。此外，在3、10月份，兩地平均氣溫相差較小，烏鞘嶺風速和太陽輻射均大于嫩江，而建筑累計熱負荷低于嫩江，說明太陽輻射也是建筑累計負荷產(chǎn)生差異的原因，而風速影響相對較小。

綜上，HDD18相近的條件下，各城市典型建筑的年累計熱負荷差異較大，一方面，與采暖度日數(shù)的統(tǒng)計方式有關(guān)，因部分地區(qū)夏季并沒有熱負荷，但平均溫度低于18 ℃，在計算HDD18時也被計入累加值；另一方面，因各個地區(qū)的太陽輻射差異較大，導致部分溫度相差較小的城市建筑累計熱負荷卻相差較大。對于風速，雖然同樣影響建筑熱負荷，但不是導致差異的主要原因?；谝陨蟽蓚€原因，可推測在建筑圍護結(jié)構(gòu)參數(shù)確定的條件下，HDD18在太陽輻射量和夏季溫度差異較小的地區(qū)能準確表征建筑累計熱負荷。

2.3 建筑累計熱負荷與HDD18的相關(guān)性分析

為驗證以上結(jié)論，選擇太陽輻射量和夏季溫度差異較小的城市，分別分析HDD18與建筑累計熱負荷之間的關(guān)系。參考中國太陽能資源分區(qū)[21]，將61個城市大致劃分為3類，見表4。分別分析每個區(qū)域城市的HDD18與建筑累計熱負荷的關(guān)系。

表4 嚴寒地區(qū)太陽能資源分區(qū)Table 4 Solar energy distribution in severe cold climate zone

圖4為HDD18與單位面積年累計熱負荷的散點圖，縱坐標表示所在城市建筑單位面積年累計熱負荷，橫坐標表示所在城市的HDD18。由圖4可知，部分采暖度日數(shù)相近的城市，建筑年累計熱負荷差異較大。

圖5為各地區(qū)多層住宅建筑單位面積年累計熱負荷與HDD18散點圖，隨著度日數(shù)的增加，太陽輻射總量高的Ⅰ類地區(qū)，建筑累計熱負荷的增加比太陽輻射總量低的Ⅲ類地區(qū)緩慢。整個嚴寒地區(qū)，多層住宅單位面積年累計熱負荷與HDD18的線性關(guān)系較弱，按照太陽輻射將嚴寒地區(qū)所參照的61個城市進行劃分，分別對分類后的城市進行分析，發(fā)現(xiàn)HDD18與單位面積年累計熱負荷之間呈現(xiàn)明顯的線性關(guān)系。決定系數(shù)R2在3類地區(qū)分別為0.81、0.91、0.98。

對高層住宅和多層辦公建筑的模擬結(jié)果，也有類似的規(guī)律。通過以上分析得出，在夏季溫度和太陽輻射量差異較小的地區(qū)，建筑圍護結(jié)構(gòu)參數(shù)確定的條件下，HDD18能準確表征建筑累計熱負荷。

圖4 建筑單位面積年累計熱負荷與HDD18的關(guān)系Fig.4 Relationship between annual cumulative building heating load per unit area and

圖5 多層住宅單位面積年累計熱負荷與HDD18的關(guān)系Fig.5 Relationship between annual cumulative building heating load of multi-storey residential and

3 采暖度日數(shù)在不同地區(qū)分區(qū)結(jié)果的評價

3.1 分區(qū)結(jié)果評價指標

Walsh等[22]提出了“誤分類區(qū)平均百分比”(MPMA)的概念，并通過該指標評價建筑氣候分區(qū)的合理性。圖6為該指標計算的示例圖，典型建筑在不同城市得到的不同模擬結(jié)果，以5 kWh/m2為一個區(qū)間，統(tǒng)計每個單位面積年累計熱負荷區(qū)間段的城市個數(shù)，深色條形和淺色條形分別表示在A氣候區(qū)和B氣候區(qū)，處于各個單位面積年累計熱負荷區(qū)間的城市個數(shù)。同一負荷區(qū)間內(nèi)，兩個氣候區(qū)重疊部分的城市數(shù)量與總城市數(shù)量的比值為PMA，多種建筑類型模擬結(jié)果得到的PMA值的平均值為MPMA。MPMA值越低，則說明分區(qū)結(jié)果相對更合理。

圖6 各負荷區(qū)間的城市個數(shù)Fig.6 Number of cities in each building heating load

PMA值的計算公式為

(1)

式中：I為城市總數(shù)量；n為負荷區(qū)間個數(shù)；Ii為單位面積年累計熱負荷處于(5i-5，5i)內(nèi)的城市數(shù)量；bi為單位面積年累計熱負荷處于(5i-5，5i)內(nèi)屬于A氣候區(qū)的城市數(shù)量；ci為單位面積年累計熱負荷處于(5i-5，5i)內(nèi)屬于B氣候區(qū)的城市數(shù)量。

3.2 采暖度日數(shù)在不同地區(qū)分區(qū)結(jié)果的MPMA值

在Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ類地區(qū)，各城市HDD18與建筑單位面積年累計熱負荷之間的相關(guān)系數(shù)不同，以下主要評價這3類地區(qū)及現(xiàn)行分區(qū)指標和方法得到的分區(qū)結(jié)果。如圖7所示，分別計算Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ類地區(qū)分區(qū)結(jié)果的MPMA值。

圖7 各地區(qū)MPMA值Fig.7 MPMA values in different

由圖7可知，Ⅲ類地區(qū)的MPMA值最低，因此，分區(qū)結(jié)果相對更合理。對于整個嚴寒地區(qū)，MPMA值為21.80 %，高于3類地區(qū)中的任何一類，該結(jié)果也說明HDD18與建筑年累計熱負荷之間的相關(guān)系數(shù)越高，則按照HDD18劃分的分區(qū)更準確。因此，HDD18作為分區(qū)指標,更適合于太陽輻射量以及夏季溫度差異較小的地區(qū)。

4 結(jié)論

從氣候?qū)ㄖ摵捎绊懙慕嵌葘篮貐^(qū)現(xiàn)行的二級分區(qū)指標進行了分析，主要得出以下結(jié)論：

1)中國西部高海拔地區(qū)太陽輻射量大，夏季平均溫度低。采暖度日數(shù)相近的條件下，中國西部高海拔地區(qū)城市的建筑年累計熱負荷顯著低于中國東部城市。

2)對整個嚴寒地區(qū)而言，HDD18與建筑年累計熱負荷線性相關(guān)性較弱，因而，在圍護結(jié)構(gòu)參數(shù)確定條件下，難以準確表征建筑年累計熱負荷；而對于嚴寒地區(qū)中太陽輻射量差異較小的地區(qū)，HDD18與建筑年累計熱負荷之間則呈現(xiàn)明顯的線性相關(guān)。

3)從氣候?qū)ㄖ摵捎绊懙慕嵌确治?，HDD18適合在太陽輻射量和夏季溫度差異較小的地區(qū)作為分區(qū)指標，而中國嚴寒地區(qū)東西部太陽輻射量差異較大，嚴寒地區(qū)宜結(jié)合太陽輻射等因素劃分二級分區(qū)。

嚴寒地區(qū)地形地貌較復雜，青藏高原地區(qū)氣候特征與其他地區(qū)有顯著差異，主要體現(xiàn)在太陽輻射強、日照時數(shù)長、夏季溫度低、溫度年較差小，因而，僅采用HDD18作為指標難以區(qū)分氣候差異對建筑年累計熱負荷的影響。在完善嚴寒地區(qū)二級分區(qū)時，增設(shè)劃分高寒地區(qū)指標(如太陽輻射、7月平均溫度等)，將高海拔地區(qū)單獨劃為一個二級分區(qū)，進而制定更符合氣候特點的設(shè)計策略。