岳泓辰 魏鵬 王笙

西安建筑科技大學(xué)建筑設(shè)備科學(xué)與工程學(xué)院

0 引言

川西藏區(qū)地處青藏高原東部的橫斷山區(qū)，地形多樣，氣候特征復(fù)雜。傳統(tǒng)化石燃料運(yùn)輸成本高，不宜設(shè)置集中供暖系統(tǒng)，該地區(qū)水電資源豐富，電驅(qū)動(dòng)空氣源熱泵應(yīng)用前景廣闊。

因該地區(qū)低溫、高濕的特點(diǎn)，低溫和結(jié)霜共同制約著空氣源熱泵的應(yīng)用。低溫環(huán)境下機(jī)組會(huì)出現(xiàn)制熱量下降，不能啟動(dòng)或不能穩(wěn)定供熱等問題。霜層會(huì)堵塞翅片間的空氣流動(dòng)通道，增大空氣流動(dòng)阻力，導(dǎo)致熱阻增大，傳熱系數(shù)減小，系統(tǒng)COP 減小[1-3]。學(xué)者對(duì)于低溫與高濕的問題已分別提出了新系統(tǒng)、新技術(shù)，但當(dāng)?shù)蜏嘏c高濕并存時(shí)，應(yīng)優(yōu)先解決負(fù)荷需求還是控霜需求缺乏明確認(rèn)知。

因此，本文對(duì)川西藏區(qū)的氣候做出了區(qū)劃，給出了各縣市負(fù)荷需求與控霜需求的關(guān)系，為解決低溫、高濕并存的問題提供研究基礎(chǔ)。

1 結(jié)霜圖譜簡(jiǎn)介

結(jié)霜是一個(gè)復(fù)雜的傳熱傳質(zhì)過程，結(jié)霜圖譜以二維坐標(biāo)圖的方式直接、簡(jiǎn)單的展現(xiàn)了結(jié)霜狀況。圖1 為劉優(yōu)優(yōu)根據(jù)王偉等人的研究成果改進(jìn)的分區(qū)域結(jié)霜圖譜，臨界結(jié)霜線和臨界結(jié)露線將圖譜分為三個(gè)區(qū)域：結(jié)露區(qū)，非結(jié)霜區(qū)和結(jié)霜區(qū)[4]。等結(jié)霜速率線1.3 mm/h，0.9 mm/h，0.5 mm/h 和0.2 mm/h 將結(jié)霜區(qū)分為重結(jié)霜區(qū)，一般結(jié)霜區(qū)Ⅰ，一般結(jié)霜區(qū)Ⅱ，輕結(jié)霜區(qū)Ⅰ和輕結(jié)霜區(qū)Ⅱ[5]。

圖1 分區(qū)域結(jié)霜圖譜

2 氣候區(qū)劃方法

2.1 確定聚類指標(biāo)

傳統(tǒng)氣候區(qū)劃是以供暖耗熱量為目標(biāo)，采用HDD18 采暖度日數(shù)、HWD5.75 濕日數(shù)、CDD26 空調(diào)度日數(shù)等為指標(biāo)，對(duì)建筑節(jié)能設(shè)計(jì)做出指導(dǎo)?？諝庠礋岜迷诖ㄎ鞑貐^(qū)應(yīng)用面臨低溫與結(jié)霜的問題，傳統(tǒng)區(qū)劃方式不能反應(yīng)結(jié)霜特征，該區(qū)域的氣候區(qū)劃目標(biāo)從供暖耗熱量變?yōu)榻Y(jié)霜分布情況，結(jié)霜圖譜是探究結(jié)霜分布情況的有力工具。

對(duì)于逐時(shí)氣象數(shù)據(jù)，結(jié)霜圖譜中點(diǎn)的數(shù)量體現(xiàn)結(jié)霜和供暖時(shí)間長(zhǎng)短，位置反映負(fù)荷需求和結(jié)霜速率的大小。采用負(fù)荷和結(jié)霜速率為聚類指標(biāo)，對(duì)川西藏區(qū)進(jìn)行氣候區(qū)劃。

2.2 聚類指標(biāo)計(jì)算

2.2.1 負(fù)荷計(jì)算

目標(biāo)建筑為川西藏區(qū)常駐居民牧民的住宅，牧民新居。建筑形式為單層獨(dú)棟住宅，磚混結(jié)構(gòu)，無(wú)外保溫，建筑平面圖如圖2 所示。該建筑總面積121.125 m2，層高3.5 m，客廳，臥室及佛堂為供暖區(qū)域，供暖面積65.875 m2。

圖2 建筑模型平面圖

各朝向窗墻比見表1，圍護(hù)結(jié)構(gòu)根據(jù)牧民新居實(shí)際情況確定，參數(shù)見表2。

表1 各朝向窗墻比

表2 圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工參數(shù)

供暖時(shí)間采用五日滑動(dòng)平均法計(jì)算得出，氣象數(shù)據(jù)來(lái)源為瑞士Meteonorm 研究所統(tǒng)計(jì)的1991 年至2010 年典型氣象年逐時(shí)數(shù)據(jù)，使用TRNSYS 軟件對(duì)川西藏區(qū)30 個(gè)供暖縣市逐時(shí)供暖季負(fù)荷進(jìn)行計(jì)算。

2.2.2 結(jié)霜速率

使用1991 年至2010 年典型氣象年逐時(shí)數(shù)據(jù)中的空氣溫度和相對(duì)濕度，將其繪制到結(jié)霜圖譜中，利用四條等結(jié)霜速率線插值計(jì)算，獲得30 個(gè)供暖縣市對(duì)應(yīng)溫濕度條件下的逐時(shí)結(jié)霜速率。根據(jù)等結(jié)霜速率曲線間的分布頻率聚類，將結(jié)霜圖譜分布相似的縣市聚為一類。

2.3 聚類方法

聚類是將對(duì)象或樣本分類，使得同一類中的對(duì)象之間的相似性比其他類的對(duì)象的相似性更強(qiáng)。聚類的目的是類內(nèi)對(duì)象的同質(zhì)性最大，類間對(duì)象的異質(zhì)性最大。聚類分析經(jīng)過長(zhǎng)年的發(fā)展已形成了成熟的聚類方法，常用的三種方法為k-means 聚類，層次聚類和兩步聚類。

k-means 聚類是使用最廣泛的聚類方法，適用于樣本聚類。層次聚類是傳統(tǒng)的聚類方法，聚類結(jié)果的不同類別間存在層次關(guān)系，適用于變量聚類。兩步聚類適用于大數(shù)據(jù)，聚類指標(biāo)復(fù)雜，連續(xù)型和離散型數(shù)據(jù)混合出現(xiàn)的情況。各縣市逐時(shí)室外空氣溫濕度在結(jié)束圖譜中代表的點(diǎn)為分類樣本，不存在連續(xù)型數(shù)據(jù)和離散數(shù)據(jù)同時(shí)出現(xiàn)的情況，選取k-means 聚類的方法。

3 川西藏區(qū)氣候區(qū)劃

結(jié)霜速率和負(fù)荷是決定區(qū)劃結(jié)果的兩個(gè)指標(biāo)，首先分別探討在單一指標(biāo)作用下的結(jié)霜分布和負(fù)荷分布，分析對(duì)比其差異，再綜合兩個(gè)指標(biāo)獲得氣候區(qū)劃。

3.1 單指標(biāo)氣候區(qū)劃

3.1.1 結(jié)霜速率為指標(biāo)的氣候區(qū)劃

以結(jié)霜速率為單一指標(biāo)，計(jì)算等結(jié)霜速率曲線間的分布頻率，當(dāng)聚類數(shù)為四時(shí)，準(zhǔn)確率P值均小于0.001，說明聚類的5 個(gè)頻數(shù)對(duì)聚類均有突出顯著性，結(jié)果有效，具體聚類結(jié)果見圖3，I～I(xiàn)V 類結(jié)霜地區(qū)代表縣市用記號(hào)“▲、▉、★、●”在圖中標(biāo)出。

圖3 供暖季結(jié)霜程度空間分布

從圖3 可知，結(jié)霜速率空間分布總體特征為：東部至東北部至西南部結(jié)霜強(qiáng)度逐漸減弱，由弱到強(qiáng)分為以下四類：弱結(jié)霜區(qū)（Ⅰ類），次弱結(jié)霜區(qū)（Ⅱ類），次強(qiáng)結(jié)霜區(qū)（Ⅲ類），強(qiáng)結(jié)霜區(qū)（Ⅳ類），結(jié)霜強(qiáng)度弱則控霜需求小，結(jié)霜強(qiáng)度大控霜需求大。弱結(jié)霜區(qū)主要位于川西藏區(qū)西南部，次弱結(jié)霜區(qū)主要位于中部和西北部，次強(qiáng)結(jié)霜區(qū)主要位于東北部和中部，強(qiáng)結(jié)霜區(qū)主要位于川西藏區(qū)東部。

3.1.2 負(fù)荷為指標(biāo)的氣候區(qū)劃

對(duì)川西藏區(qū)30 個(gè)供暖縣市進(jìn)行供暖季動(dòng)態(tài)負(fù)荷模擬，得到各縣市供暖季逐時(shí)熱負(fù)荷并計(jì)算均值和方差，均值表征逐時(shí)負(fù)荷的數(shù)值大小，方差刻畫負(fù)荷的離散程度，使用這兩個(gè)參數(shù)對(duì)各供暖縣市的負(fù)荷進(jìn)行聚類。聚為四類時(shí)準(zhǔn)確率P值小于0.001，聚類有效，川西藏區(qū)供暖季負(fù)荷空間分布情況如圖4 和表3 所示，I～I(xiàn)V 類負(fù)荷需求地區(qū)代表縣市用記號(hào)“▲、▉、★、●”在圖中標(biāo)示。

圖4 供暖季負(fù)荷空間分布

表3 負(fù)荷需求空間分布

從圖4 可知，負(fù)荷空間分布總體特征為：西部至東部至南部負(fù)荷逐漸減小，負(fù)荷需求由小到大分為四類：小負(fù)荷區(qū)（Ⅰ類），較小區(qū)（Ⅱ類），較大負(fù)荷區(qū)（Ⅲ類），大負(fù)荷區(qū)（Ⅳ類）。小負(fù)荷區(qū)主要位于川西藏區(qū)東部和少數(shù)中部縣市，較小區(qū)位于中部大半和少數(shù)西南部縣市，較大負(fù)荷區(qū)位于北部大半和南部少數(shù)地區(qū)，大負(fù)荷區(qū)位于西部少數(shù)縣市。

3.1.3 結(jié)霜速率與負(fù)荷分布對(duì)比

對(duì)比表4 中單一指標(biāo)氣候區(qū)劃的結(jié)果，發(fā)現(xiàn)川西藏區(qū)部分縣市冬季控霜需求大而負(fù)荷需求小，部分縣市兩者需求均較大，應(yīng)綜合兩個(gè)指標(biāo)對(duì)川西藏區(qū)各供暖縣市進(jìn)行區(qū)劃得出供暖季主要矛盾。

表4 兩種聚類指標(biāo)聚類中心對(duì)比

3.2 雙指標(biāo)氣候區(qū)劃

上一小節(jié)利用結(jié)霜速率和負(fù)荷分別對(duì)川西藏區(qū)進(jìn)行區(qū)劃，本節(jié)綜合考慮結(jié)霜速率和負(fù)荷對(duì)研究區(qū)域聚類，得到最終的氣候區(qū)劃結(jié)果。聚類數(shù)為四時(shí)，準(zhǔn)確率P 小于0.001，聚類有效，聚類結(jié)果見圖5，用“▲、▉、★、●”將四類地區(qū)典型城市在圖中標(biāo)示。聚類結(jié)果按照結(jié)霜嚴(yán)重程度和負(fù)荷需求大小分為I～I(xiàn)V 類地區(qū)，較大負(fù)荷弱結(jié)霜區(qū)（Ⅰ類），較小負(fù)荷次弱結(jié)霜區(qū)（Ⅱ類），大負(fù)荷次強(qiáng)結(jié)霜區(qū)（Ⅲ類），小負(fù)荷強(qiáng)結(jié)霜區(qū)（Ⅳ類）。Ⅰ區(qū)位于川西藏區(qū)西南部，Ⅱ區(qū)位于東北部和少數(shù)中部區(qū)域，Ⅲ區(qū)位于西北和大半中部區(qū)域，Ⅳ區(qū)位于東南部。

圖5 雙指標(biāo)氣候區(qū)劃結(jié)果

圖6 給出了各代表縣市的結(jié)霜速率，Ⅰ類地區(qū)代表城市鄉(xiāng)城結(jié)霜速率集中在0.9 mm/h 以下，頻率為0.97，無(wú)大于1.3 mm/h 的時(shí)刻。Ⅱ類地區(qū)代表城市九寨溝結(jié)霜速率集中在0.5 mm/h～1.3 mm/h，大于1.3 mm/h 和小于0.2 mm/h 的數(shù)據(jù)點(diǎn)較少，頻率均為0.07。Ⅲ類地區(qū)代表城市爐霍在結(jié)霜速率小于1.3 mm/h 的區(qū)間分布密集較為平均，頻率在0.25 左右，沒有大于1.3 mm/h 數(shù)據(jù)點(diǎn)。Ⅳ類地區(qū)代表城市康定結(jié)霜速率集中分布在大于0.9 mm/h 的區(qū)間內(nèi)，頻率為0.80，小于0.2 mm/h 的時(shí)刻略少，頻率為0.02。

圖6 雙指標(biāo)區(qū)劃四類典型城市結(jié)霜速率分布

為便于比較四類地區(qū)控霜需求和負(fù)荷需求的大小，定義相對(duì)結(jié)霜速率：

式中：RS—相對(duì)結(jié)霜速率，%；vi—某縣市供暖季逐時(shí)結(jié)霜速率mm/h；vimax—該縣市供暖季逐時(shí)結(jié)霜速率最大值，mm/h。

將四類地區(qū)的相對(duì)結(jié)霜速率與負(fù)荷率繪制為頻率分布直方圖，如圖7、8 所示。相對(duì)結(jié)霜速率曲線呈上凹型和單峰型兩種，負(fù)荷分布曲線與正態(tài)分布曲線接近。從圖中可知，隨著四類地區(qū)結(jié)霜程度的增加，相對(duì)結(jié)霜速率小的地區(qū)負(fù)荷增大的現(xiàn)象不斷弱化。Ⅰ類地區(qū)負(fù)荷需求大，控霜需求弱，滿足負(fù)荷需求為其主要問題。Ⅱ類地區(qū)負(fù)荷需求小、控霜需求小，兩者對(duì)機(jī)組性能影響均較小。Ⅲ類地區(qū)負(fù)荷需求和控霜需求均較大，應(yīng)兼顧負(fù)荷與結(jié)霜兩個(gè)問題，滿足負(fù)荷需求的同時(shí)制定抑霜、控霜策略。Ⅳ類地區(qū)負(fù)荷需求小，控霜需求大，結(jié)霜為主要問題，重點(diǎn)解決結(jié)霜問題。

圖7 代表城市相對(duì)結(jié)霜速率

圖8 代表城市負(fù)荷率分布特征

4 結(jié)論

①單指標(biāo)區(qū)劃下，川西藏區(qū)結(jié)霜速率空間分布特征為東部至東北部至西南部結(jié)霜強(qiáng)度逐漸減弱，負(fù)荷分布空間特征為西部至東部至南部負(fù)荷逐漸減小。

②雙指標(biāo)區(qū)劃下，將川西藏區(qū)分為I～I(xiàn)V 類，Ⅰ類地區(qū)負(fù)荷問題突出，著重解決低溫問題，Ⅱ類地區(qū)負(fù)荷和結(jié)霜問題均較弱，Ⅲ類地區(qū)負(fù)荷和結(jié)霜問題均較為突出，需同時(shí)解決低溫與結(jié)霜的問題，Ⅳ類地區(qū)代表城市康定結(jié)霜問題突出，應(yīng)關(guān)注結(jié)霜問題。