劉加平， 何知衡，楊 柳

(1.西部綠色建筑國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,陜西 西安 710055; 2.西安建筑科技大學(xué) 建筑學(xué)院,陜西 西安 710055)

1 建筑熱工設(shè)計(jì)分區(qū)

氣候區(qū)劃是依據(jù)社會(huì)經(jīng)濟(jì)活動(dòng)中不同行業(yè)受氣候變化影響的程度和對(duì)氣候參數(shù)的需求，將累年氣象參數(shù)分布相近的區(qū)域劃為同一個(gè)區(qū),將一個(gè)國(guó)家或地區(qū)劃為若干個(gè)氣候分區(qū)的活動(dòng).氣候?qū)r(nóng)業(yè)、建筑業(yè)、交通運(yùn)輸業(yè)等的作用和影響不同，因此，各個(gè)行業(yè)相對(duì)應(yīng)的氣候分區(qū)也有較大不同.

建筑氣候區(qū)劃，是依據(jù)氣候要素對(duì)建筑的影響和作用，將多個(gè)氣候參數(shù)均相近的區(qū)域劃分為同一個(gè)氣候區(qū)，以利于建筑在設(shè)計(jì)、建造和運(yùn)行使用中適應(yīng)氣候.我國(guó)幅員遼闊，地形復(fù)雜，各地氣候差異懸殊，為了適應(yīng)不同的氣候條件，建筑應(yīng)該反映出不同的特點(diǎn)和要求.為此，我國(guó)在上世紀(jì)50年代就開(kāi)展了建筑氣候區(qū)劃的研究，在1964年提出了《全國(guó)建筑氣候分區(qū)草案(修訂稿)》，并在1993年頒布了全國(guó)統(tǒng)一的《建筑氣候區(qū)劃標(biāo)準(zhǔn)》(GB 50178-93)[1]，同時(shí)，兩部國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《民用建筑熱工設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50176-93)[2]和《采暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GBJ 19-87)[3]的氣候分區(qū)也與之協(xié)調(diào)一致.依據(jù)建筑氣候區(qū)劃標(biāo)準(zhǔn)確定的一級(jí)和二級(jí)區(qū)劃指標(biāo)，將我國(guó)陸地國(guó)土劃分為7個(gè)主氣候區(qū)、20個(gè)子氣候區(qū)，每個(gè)子氣候區(qū)的建筑設(shè)計(jì)都提出了具體的要求.這些條文和設(shè)計(jì)要求已反映在《民用建筑設(shè)計(jì)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)》(GB 50352-2019)[4]之中.

建筑熱工設(shè)計(jì)分區(qū)與我國(guó)建筑氣候區(qū)劃工作同時(shí)進(jìn)行，其結(jié)果最早反映在1986年版的《民用建筑熱工設(shè)計(jì)規(guī)程(試行)》(JGJ 24-86)[5]之中.后經(jīng)過(guò)試用和修改完善，最終成為《民用建筑熱工設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50176-93)[2]的正式條文，為提升我國(guó)民用建筑的熱性能和室內(nèi)熱環(huán)境質(zhì)量，推動(dòng)建筑節(jié)能事業(yè)發(fā)展起到了重要的技術(shù)支撐作用.

建筑熱工設(shè)計(jì)分區(qū)的目的是服務(wù)于建筑適應(yīng)氣候以保證基本的室內(nèi)熱環(huán)境.建筑熱工設(shè)計(jì)主要包括建筑物及其圍護(hù)結(jié)構(gòu)的保溫、防熱和防潮設(shè)計(jì).所以，建筑熱工設(shè)計(jì)分區(qū)是依據(jù)氣候要素對(duì)建筑的熱作用將建筑設(shè)計(jì)中可采用相同設(shè)計(jì)對(duì)策和技術(shù)措施的區(qū)域劃為同一個(gè)區(qū).從“被動(dòng)式”建筑節(jié)能設(shè)計(jì)，甚至綠色建筑設(shè)計(jì)發(fā)展角度來(lái)看，我國(guó)現(xiàn)行的建筑熱工設(shè)計(jì)分區(qū)已經(jīng)不能滿足綠色建筑和建筑節(jié)能發(fā)展的需求，主要問(wèn)題表現(xiàn)在設(shè)計(jì)分區(qū)過(guò)大，設(shè)計(jì)要求過(guò)于原則性等方面.本文將就嚴(yán)寒和寒冷氣候區(qū)的進(jìn)一步區(qū)劃和設(shè)計(jì)對(duì)策展開(kāi)討論.

2 寒冷氣候分區(qū)與區(qū)劃指標(biāo)

我國(guó)陸地面積60%以上地區(qū)屬于建筑熱工設(shè)計(jì)分區(qū)中的嚴(yán)寒氣候區(qū)和寒冷氣候區(qū)，這兩類氣候區(qū)也常被稱為“采暖區(qū)“.按我國(guó)現(xiàn)行《民用建筑供暖通風(fēng)與空調(diào)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50736-2012)[6]中的5.1條規(guī)定：累年日平均溫度穩(wěn)定低于或等于5℃的日數(shù)大于或等于90 d的地區(qū)，應(yīng)設(shè)置供暖設(shè)施，并宜采用集中供暖，這與《建筑氣候區(qū)劃標(biāo)準(zhǔn)》(GB 50178-93)[1]和《民用建筑熱工設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50176-2016)[7]依照室外氣溫最冷月平均值，分別區(qū)劃得到的建筑氣候分區(qū)和建筑熱工設(shè)計(jì)分區(qū)一致，其中嚴(yán)寒和寒冷氣候分區(qū)指標(biāo)見(jiàn)表1.

表1 嚴(yán)寒和寒冷氣候分區(qū)指標(biāo)和設(shè)計(jì)要求

從表1中可以看出，嚴(yán)寒和寒冷氣候區(qū)的分區(qū)主要指標(biāo)為最冷月平均溫度(tmin·m)，輔助指標(biāo)為日平均溫度小于等于5℃的天數(shù)(d≤5)，但沒(méi)有涉及到室外空氣的含濕量或濕度指標(biāo).也就是說(shuō)，現(xiàn)行的建筑熱工設(shè)計(jì)分區(qū)，沒(méi)有將年均相對(duì)濕度較低的大陸性氣候區(qū)與相對(duì)濕度較高的海洋性氣候區(qū)區(qū)分開(kāi)來(lái).《民用建筑熱工設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50176-2016)[7]中給出的原則性設(shè)計(jì)要求，既包括了大陸性嚴(yán)寒與寒冷氣候區(qū)，也包含了海洋性嚴(yán)寒與寒冷氣候區(qū)，例如，同屬寒冷地區(qū)的新疆自治區(qū)吐魯番地區(qū)與遼寧省丹東地區(qū)，其建筑熱工設(shè)計(jì)要求和原則是一致的.長(zhǎng)期從事建筑節(jié)能設(shè)計(jì)的業(yè)內(nèi)人士都明白，這種高度原則性的規(guī)定對(duì)于實(shí)際建筑設(shè)計(jì)、建筑節(jié)能設(shè)計(jì)幾乎沒(méi)有指導(dǎo)意義.由于兩地的室外氣溫年較差、冬季室外氣溫日較差和太陽(yáng)總輻射條件差異巨大，年降水量和時(shí)域分布差異巨大，夏季室外氣象參數(shù)的均值和波動(dòng)值也差異巨大，故在建筑防寒(保溫)設(shè)計(jì)、太陽(yáng)能利用以及建筑防熱設(shè)計(jì)對(duì)策上差異巨大.這兩個(gè)地區(qū)的傳統(tǒng)建筑在形體、空間和構(gòu)造上的巨大差異就是鐵證.

造成這種結(jié)果的原因，是區(qū)劃指標(biāo)中沒(méi)有考慮氣候參數(shù)的重要指標(biāo)——空氣相對(duì)濕度的地域性差異.業(yè)內(nèi)專業(yè)人士的普遍常識(shí)是，對(duì)于嚴(yán)寒地區(qū)的采暖建筑來(lái)說(shuō)，只要在建筑設(shè)計(jì)中考慮了建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的防潮設(shè)計(jì)，確保不會(huì)出現(xiàn)圍護(hù)結(jié)構(gòu)表面結(jié)露和內(nèi)部冷凝，建筑設(shè)計(jì)中就不再考慮室外空氣的濕度，包括絕對(duì)濕度和相對(duì)濕度，對(duì)建筑的影響.對(duì)于熱帶氣候區(qū)，建筑設(shè)計(jì)應(yīng)該主要考慮的，一是防水，二是防霉.而對(duì)于室外空氣濕度對(duì)建筑熱環(huán)境的影響，考慮較少，至少在相關(guān)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)的條文中，沒(méi)有明確反映.

一個(gè)地區(qū)室外空氣相對(duì)濕度的時(shí)空分布，與空氣溫度的時(shí)空分布是一對(duì)偶關(guān)系，同時(shí)存在，周期性波動(dòng)的相位相反.空氣相對(duì)濕度直接表達(dá)的是空氣中含濕量的多寡，而間接表達(dá)的則是降水量、大氣下墊面(地表)的性質(zhì)與蒸發(fā)量的時(shí)空分布.所以，室外空氣溫度周期性波動(dòng)的幅度也可以間接描述一個(gè)地區(qū)室外空氣相對(duì)濕度的變化，最常用的指標(biāo)是空氣溫度的日較差，即一天中室外空氣溫度最高值與最低值之差.氣溫日較差的大小與所處地理緯度、海拔、季節(jié)、地表性質(zhì)等自然因素相關(guān).基于“十三五”國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目“建筑節(jié)能設(shè)計(jì)基礎(chǔ)參數(shù)研究”和國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目“中國(guó)建筑氣候分區(qū)理論、方法與區(qū)劃”研究成果，我國(guó)嚴(yán)寒氣候區(qū)和寒冷氣候區(qū)典型城市的月平均日較差見(jiàn)表2.

表2 嚴(yán)寒和寒冷氣候區(qū)典型城市月平均氣溫日較差(1970-2017)

表2中的日較差數(shù)據(jù)表明，青島、大連、沈陽(yáng)等城市，全年各月平均氣溫日較差均較小，具備海洋性氣候特征.而拉薩、玉樹(shù)、哈密等城市，雖然也被劃分在嚴(yán)寒和寒冷氣候區(qū)，但其全年月平均氣溫日較差都在15℃左右，是大陸性氣候的典型代表城市，而且，這些城市所在地域各個(gè)月份的太陽(yáng)輻射資源豐富.

3 寒冷氣候區(qū)細(xì)化與新氣候區(qū)類型

如何將空氣濕度納入建筑熱工設(shè)計(jì)分區(qū)指標(biāo)之中,或采用哪個(gè)氣象參數(shù)作為表征空氣濕度的指標(biāo)，需要做深入的分析.我們知道，空氣絕對(duì)濕度相同時(shí)，由于溫度的差異，此刻空氣的相對(duì)濕度可能不同；而空氣相對(duì)濕度相同時(shí)，其絕對(duì)濕度的差異可能會(huì)很大.因此，直接使用絕對(duì)濕度或相對(duì)濕度作為分區(qū)指標(biāo)，是較為困難的.

然而，空氣濕度的變化，不論是絕對(duì)濕度還是相對(duì)濕度，都會(huì)影響空氣溫度周期性波動(dòng)的幅度，即一個(gè)地區(qū)的空氣濕度平均值的高低與空氣溫度的周期性波幅成正比關(guān)系.所以，將空氣溫度的日較差作為氣候分區(qū)的區(qū)劃指標(biāo)，可間接反映一個(gè)地區(qū)氣候的濕度狀況.對(duì)于嚴(yán)寒和寒冷氣候區(qū)，將氣溫日較差作為二級(jí)區(qū)劃指標(biāo)，則會(huì)將嚴(yán)寒和寒冷氣候區(qū)的地域性特征區(qū)分開(kāi)來(lái)，得到如下不同的寒冷氣候類型：

(1)低海拔海洋性寒冷氣候，特征是：室外氣溫的年較差大，日較差小，氣候濕潤(rùn)，冬季太陽(yáng)輻射資源條件較差.這類氣候區(qū)又包括《民用建筑熱工設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50176-2016)[7]中的嚴(yán)寒和寒冷氣候區(qū)，哈爾濱和天津分別為其代表性城市，長(zhǎng)城大致為其分界線.

(2)低海拔大陸性寒冷氣候，特征是：室外氣溫的年較差、日較差都很大，氣候干燥，冬季嚴(yán)寒，夏季酷熱，全年太陽(yáng)輻射資源豐富.吐魯番、敦煌、銀川、哈密等是典型代表，“早穿棉襖午穿紗，圍著火爐吃西瓜“是其形象寫(xiě)照.

(3)高海拔大陸性寒冷氣候，特征是：全年室外氣溫的日較差大，氣候干燥，冬季寒冷，夏季涼爽，全年太陽(yáng)輻射條件較好.其中在高緯度地區(qū)的內(nèi)陸城市，如蘭州、西寧、延安、榆林等，氣溫的年較差也較大.而在低緯度地區(qū)的內(nèi)陸城市，如拉薩，昆明，日喀則等，氣溫的年較差較小.

這三類寒冷氣候類型是對(duì)原有熱工設(shè)計(jì)分區(qū)的嚴(yán)寒、寒冷氣候的深化，《民用建筑熱工設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50176-2016)[7]中對(duì)嚴(yán)寒和寒冷氣候區(qū)的熱工設(shè)計(jì)原則、保溫設(shè)計(jì)規(guī)定，也適應(yīng)于這三類寒冷氣候類型，但很顯然，從建筑適應(yīng)氣候和建筑節(jié)能角度，已有的條文規(guī)定遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足設(shè)計(jì)上的要求.

4 寒冷氣候熱工設(shè)計(jì)對(duì)策

《民用建筑熱工設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50176-93)[2]的第三章給出了嚴(yán)寒和寒冷氣候區(qū)建筑保溫設(shè)計(jì)的原則性規(guī)定，見(jiàn)表3.

《民用建筑熱工設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50176-2016)[7]版對(duì)增加了熱工設(shè)計(jì)分區(qū)二級(jí)區(qū)劃，見(jiàn)表4.

表3 建筑保溫設(shè)計(jì)要求

表4 建筑熱工設(shè)計(jì)二級(jí)區(qū)劃指標(biāo)及設(shè)計(jì)要求

表4中的二級(jí)區(qū)劃，主要是按寒冷的程度(寒冷地區(qū)也參考了CDD26，即夏季的炎熱程度)，將嚴(yán)寒和寒冷氣候區(qū)做了進(jìn)一步的區(qū)劃.但由于熱工設(shè)計(jì)分區(qū)指標(biāo)依然沒(méi)有考慮氣溫的年較差、日較差和太陽(yáng)總輻射的季節(jié)性分布等指標(biāo)，所以，設(shè)計(jì)原則亦無(wú)根本性改變.

嚴(yán)寒和寒冷氣候區(qū)冬季普遍需要采暖，部分地區(qū)夏季需要空調(diào).室外氣溫全年平均值、年較差、冬夏季日平均值、日較差、太陽(yáng)總輻射等條件不同，熱工設(shè)計(jì)的原則和對(duì)策差異亦較大.綜合考慮以上要素的影響，給出三個(gè)寒冷氣候類型的熱工設(shè)計(jì)對(duì)策.

4.1 低海拔海洋性寒冷氣候區(qū)及熱工設(shè)計(jì)對(duì)策

(1)氣候參數(shù)分布特征：冬季日平均溫度低(≤5 ℃的天數(shù)大于90 d)、室外氣溫日較差小、連續(xù)陰寒和降雪頻率高，元月份太陽(yáng)總輻射值很??；夏季最熱月平均氣溫較低.

(2)代表性地域：包括我國(guó)東北大部分區(qū)域和華北的東部區(qū)域等，典型城市哈爾濱的基本氣候情況見(jiàn)表5.

表5 哈爾濱基本氣候情況(1971-2000年資料統(tǒng)計(jì))

(3)建筑熱工設(shè)計(jì)對(duì)策：屋頂、外墻和外門窗應(yīng)盡可能提高保溫性能，傳熱系數(shù)越小越好，門窗氣密性應(yīng)盡可能高，具體取值至少應(yīng)滿足建筑和節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定值[8-9].其中在華北東部地區(qū)應(yīng)兼顧夏季防熱設(shè)計(jì)要求.但這一區(qū)域冬季太陽(yáng)輻射資源差，既不適宜于冬季太陽(yáng)能采暖，不論是所謂被動(dòng)式還是主動(dòng)式系統(tǒng)，夏季也不適宜于使用太陽(yáng)能作為降溫動(dòng)力.但可安裝春、夏、秋季使用的太陽(yáng)能熱水系統(tǒng).

(4)在低海拔海洋性寒冷氣候區(qū)，冬季經(jīng)常出現(xiàn)連續(xù)陰寒天氣(曇天日數(shù)大)，冬季室內(nèi)外會(huì)出現(xiàn)大于40℃的溫差，被動(dòng)式太陽(yáng)能采暖的貢獻(xiàn)率很小，所以，四個(gè)朝向的外墻須采取均衡的保溫設(shè)計(jì)對(duì)策，即外墻的熱阻、傳熱系數(shù)和熱惰性指標(biāo)值相同，可稱其為“均衡性保溫設(shè)計(jì)”，也是現(xiàn)行建筑熱工設(shè)計(jì)規(guī)范推薦的方法.

4.2 低海拔大陸性寒冷氣候區(qū)(俗稱冬季嚴(yán)寒、夏季酷熱氣候區(qū))及熱工設(shè)計(jì)對(duì)策

(1)氣候參數(shù)分布特征：冬季嚴(yán)寒、夏季酷熱、溫度日較差大、全年曇天日數(shù)少，降水(降雪)概率低.

(2)代表性地域：新疆大部，甘肅和寧夏局部.

(3)熱工設(shè)計(jì)對(duì)策：冬季宜采用被動(dòng)式太陽(yáng)能，在滿足高保溫性能的同時(shí)，應(yīng)采用厚重型圍護(hù)結(jié)構(gòu)，以削弱室外溫度波動(dòng)對(duì)室內(nèi)熱環(huán)境的影響；夏季適宜采用蒸發(fā)冷卻空調(diào)技術(shù)，應(yīng)注重建筑遮陽(yáng)、夜間通風(fēng).

(4)作為低海拔大陸性寒冷氣候區(qū)的典型代表，吐魯番室外氣溫的平均值的年較差為51.7℃，而極端氣溫的年較差達(dá)到了72.1℃(見(jiàn)表6).這種典型的低海拔地區(qū)大陸性“夏熱冬冷型“氣候，與長(zhǎng)江流域的“夏熱冬冷氣候區(qū)“的主要差異是：室外氣溫的日較差(晝夜溫差)大(15℃左右)，日平均相對(duì)濕度低[10].針對(duì)這類氣候特征，傳統(tǒng)民居建筑采取的是按照季節(jié)變化轉(zhuǎn)換臥室和起居室，這與徽派民居、江浙民居的夏季防熱措施(變化室內(nèi)空間大小)有異曲同工之處.

表6 吐魯番基本氣候情況(1971-2000年資料統(tǒng)計(jì))

4.3 高海拔大陸性寒冷氣候區(qū)及熱工設(shè)計(jì)對(duì)策

(1)氣候參數(shù)分布特征：冬季漫長(zhǎng)、冬季日平均溫度偏高(≥-5℃)、溫度日較差大、連續(xù)陰寒及降雪頻率低；夏季涼爽.

(2)代表性地域：青藏高原和黃土高原的大部分區(qū)域，云貴高原局部等.

(3)熱工設(shè)計(jì)對(duì)策：這部分地區(qū)太陽(yáng)能資源豐富，且冬季平均溫度不是很低，是太陽(yáng)能采暖的最佳地區(qū)；建筑應(yīng)具備良好的蓄熱性能；因四個(gè)朝向太陽(yáng)輻射的差異，外墻應(yīng)采取非平衡保溫設(shè)計(jì)對(duì)策(保溫性能各向異性)；不考慮夏季防熱.

表7 拉薩基本氣候情況(1971-2000年資料統(tǒng)計(jì))

(4)太陽(yáng)能采暖最佳地區(qū)：累年氣象參數(shù)統(tǒng)計(jì)表明，在西藏高原等高海拔大陸性寒冷氣候區(qū)：①冬季經(jīng)常出現(xiàn)連續(xù)陰寒天氣少(曇天日數(shù)≤5%)；②冬季室內(nèi)外溫差較小(≤18℃)；③冬季太陽(yáng)總輻射強(qiáng)度較高，即被動(dòng)式太陽(yáng)能采暖的貢獻(xiàn)率可以很高.所以，圍護(hù)結(jié)構(gòu)保溫設(shè)計(jì)應(yīng)該采用“非平衡保溫設(shè)計(jì)“方法，即依據(jù)室外氣溫和太陽(yáng)輻射共同熱作用確定不同朝向圍護(hù)結(jié)構(gòu)保溫性能的原則，各朝向熱阻Rj與南向熱阻Rs的關(guān)系式,即

qs=qn=qe=qw

=Rs+ΔRj

式中，qs、qn、qe、qw為建筑南向、北向、東向、西向外墻單位面積傳熱失熱量，W/m2；Rj為其它朝向外墻熱阻，m2·K/W；Rs為南向外墻熱阻；m2·K/W；ti、to為室內(nèi)、室外溫度，℃；tjsun為太陽(yáng)輻射當(dāng)量溫度，℃.

在高海拔大陸性氣候區(qū)，北向墻體保溫性能應(yīng)最好，其間差值取決于室內(nèi)外設(shè)計(jì)計(jì)算溫度和各朝向的太陽(yáng)輻射當(dāng)量溫度.

5 結(jié)語(yǔ)

建筑熱工設(shè)計(jì)分區(qū)研究是建筑節(jié)能和綠色建筑發(fā)展的基礎(chǔ)性工作.既有的熱工設(shè)計(jì)分區(qū)指標(biāo)太粗，致使單一分區(qū)面積過(guò)大，分區(qū)指導(dǎo)原則過(guò)于籠統(tǒng)，不利于建筑的被動(dòng)式太陽(yáng)能利用和氣候適應(yīng)性設(shè)計(jì).我國(guó)的建筑熱工設(shè)計(jì)分區(qū)應(yīng)該開(kāi)展三級(jí)區(qū)劃，區(qū)劃指標(biāo)宜采用室外空氣溫度的日較差，可反映空氣濕度的地區(qū)性差異.

在進(jìn)一步分區(qū)的基礎(chǔ)上，可給出合理的氣候適應(yīng)性設(shè)計(jì)對(duì)策.每一個(gè)三級(jí)分區(qū)宜采用哪種熱工設(shè)計(jì)措施，應(yīng)該向傳統(tǒng)地域建筑學(xué)習(xí)，因?yàn)槠溟g蘊(yùn)含著豐富的應(yīng)對(duì)地域氣候的經(jīng)驗(yàn)和做法.