嚴(yán)寒地區(qū)民用建筑熱工設(shè)計(jì)二級(jí)分區(qū)指標(biāo)適用性分析

文澤球 劉衍 楊柳 李晨 董宏

摘 要：嚴(yán)寒地區(qū)分布范圍廣、氣候條件復(fù)雜，現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范以基準(zhǔn)溫度18 ℃的采暖度日數(shù)（HDD18）作為分區(qū)指標(biāo)，將嚴(yán)寒地區(qū)劃分為3個(gè)二級(jí)氣候區(qū)。為分析該指標(biāo)的適用性，通過EnergyPlus軟件模擬并地較典型建筑在嚴(yán)寒地區(qū)61個(gè)城市的年累計(jì)熱負(fù)荷差異，對(duì)比部分城市之間的氣候特征，分析城市的HDD18與建筑年累計(jì)熱負(fù)荷的關(guān)系，探討HDD18分區(qū)指標(biāo)的適用地區(qū)。結(jié)果表明：在HDD18相近的條件下，西部高海拔地區(qū)城市的建筑年累計(jì)熱負(fù)荷顯著低于東部城市;HDD18與建筑年累計(jì)熱負(fù)荷僅在太陽輻射量及夏季溫度差異較小的地區(qū)呈線性關(guān)系;HDD18作為分區(qū)指標(biāo)，適用于太陽輻射及夏季溫度差異小的地區(qū)，嚴(yán)寒地區(qū)宜結(jié)合太陽輻射等因素劃分二級(jí)分區(qū)。

關(guān)鍵詞：建筑熱工設(shè)計(jì)分區(qū);嚴(yán)寒地區(qū);建筑負(fù)荷;太陽輻射;度日數(shù)

中圖分類號(hào)：TU119.6 ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A ? 文章編號(hào)：2096-6717（2019）05-0183-08

Abstract：The severe cold climate zone in China has a wide distribution range with complex climate conditions， which was divided into 3 subzones according to heating degree days based on 18 ℃ （HDD18）. In order to investigate the rationality of the current second level index for dividing climate region for building thermal design， the annual cumulative heating loads of typical buildings in 61 cities in severe cold climate zone were simulated by EnergyPlus software. The climatic characteristics of several cities were compared and the relationship between HDD18 and annual cumulative building heating load were explored. The results show that the annual cumulative building heating load in low-altitude region is much higher than that in high-altitude region with similar HDD18. The annual cumulative building heating load is linearly correlated with HDD18 only in the regions with small differences in solar radiation intensity and summer temperature. Therefore， HDD18 is suitable for zoning in areas with small differences in solar radiation and summer temperature， which should be combined with the solar radiation to divide climate region in severe cold climate zone.

Keywords：dividing climate region for building thermal design; severe cold climate zone; building load; solar radiation; degree days

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(jìn)而制定不同的建筑設(shè)計(jì)原則來指導(dǎo)建筑設(shè)計(jì)[1]。中國建筑熱工設(shè)計(jì)分區(qū)主要適用于建筑熱工設(shè)計(jì)，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(jì)分區(qū)逐漸開始應(yīng)用于建筑節(jié)能環(huán)保領(lǐng)域[2-3]?！睹裼媒ㄖ峁ぴO(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50176—2016）[4]采用度日數(shù)作為二級(jí)指標(biāo)，對(duì)原有的一級(jí)分區(qū)細(xì)分和完善，提高了分區(qū)的準(zhǔn)確性;節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)根據(jù)各個(gè)二級(jí)區(qū)的氣候特點(diǎn)，規(guī)定了圍護(hù)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(shí)，方便了建筑師及工程師在節(jié)能工作中的應(yīng)用：不需借助復(fù)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(duì)建筑熱工設(shè)計(jì)和提高建筑節(jié)能水平具有重要意義。

文獻(xiàn)[5-7]指出，在建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)確定的條件下，度日數(shù)能表征建筑累計(jì)負(fù)荷，溫度是對(duì)建筑累計(jì)負(fù)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(biāo)。但是，對(duì)某些氣候條件復(fù)雜的地區(qū)，僅采用這兩個(gè)指標(biāo)難以準(zhǔn)確反映氣候?qū)ㄖ挠绊?。例如，文獻(xiàn)[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(biāo);文獻(xiàn)[9]指出，太陽輻射是中國青藏高原地區(qū)能耗計(jì)算方法、節(jié)能設(shè)計(jì)策略區(qū)別于其他地區(qū)的關(guān)鍵因素;文獻(xiàn)[10]指出，西藏地區(qū)外表面對(duì)流換熱系數(shù)低、太陽輻射強(qiáng)，因此，單一的溫度或度日數(shù)作為分區(qū)指標(biāo)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(xiàn)[11]在建筑節(jié)能氣候分區(qū)方面進(jìn)行探討，但對(duì)分區(qū)指標(biāo)HDD18與建筑累計(jì)熱負(fù)荷關(guān)系的分析較少。中國嚴(yán)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(jì)要求應(yīng)區(qū)別于其他地區(qū)。本文主要分析僅以HDD18作為二級(jí)分區(qū)指標(biāo)是否能較好地反映嚴(yán)寒地區(qū)氣候?qū)ㄖ塾?jì)負(fù)荷的影響。

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(fù)荷主要與圍護(hù)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(jì)分區(qū)，采用建筑累計(jì)負(fù)荷進(jìn)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(jì)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(xiàn)[15]中對(duì)嚴(yán)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(jiǎn)化后，材料熱物理性質(zhì)參數(shù)及圍護(hù)結(jié)構(gòu)構(gòu)造參考相應(yīng)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(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)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(shí)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(shí)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(yīng)的節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)置[19]。

2 結(jié)果與分析

2.1 各城市建筑累計(jì)熱負(fù)荷的差異

圖2為3種典型建筑在嚴(yán)寒地區(qū)61個(gè)城市的年累計(jì)熱負(fù)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(jí)分區(qū)內(nèi)的城市，建筑的年累計(jì)熱負(fù)荷差異仍然顯著，例如，同屬于嚴(yán)寒A區(qū)的漠河，多層辦公建筑年累計(jì)熱負(fù)荷是曲麻萊的4倍以上;不同氣候區(qū)之間建筑年累計(jì)熱負(fù)荷的差異并不明顯，例如，屬于嚴(yán)寒A區(qū)的剛察等城市，建筑年累計(jì)熱負(fù)荷與嚴(yán)寒C區(qū)的沈陽等城市相差較小。建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)確定的條件下，HDD18是反映一個(gè)地區(qū)建筑累計(jì)熱負(fù)荷的氣候指標(biāo)，而在嚴(yán)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(jì)熱負(fù)荷顯著低于東部城市。因此，有必要進(jìn)一步分析HDD18與建筑累計(jì)熱負(fù)荷之間的關(guān)系及其他氣象要素對(duì)建筑累計(jì)熱負(fù)荷的影響。

2.2 城市間的氣候特征對(duì)比

影響建筑累計(jì)負(fù)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(duì)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(fēng)速。本文主要從溫度、太陽輻射及風(fēng)速3個(gè)方面對(duì)比城市間氣候特征，分析度日數(shù)相近條件下年累計(jì)熱負(fù)荷差異較大的原因。選取度日數(shù)相差較小，且建筑年累計(jì)熱負(fù)荷相差較大的城市作對(duì)比，分析城市間的氣候特征見表3。圖3為對(duì)比組中各城市的月平均溫度、高層住宅建筑月累計(jì)熱負(fù)荷、月平均風(fēng)速以及水平面太陽輻射量。

? 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(fēng)速低于沈陽。綜合來看，盡管兩個(gè)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(fēng)速和太陽輻射的影響，酒泉的建筑累計(jì)熱負(fù)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(yuǎn)小于嫩江。即使是7、8月份，烏鞘嶺的建筑月累計(jì)熱負(fù)荷為零，但月平均溫度低于18 ℃，計(jì)算HDD18時(shí)也被計(jì)入累加值。因此，盡管兩個(gè)地區(qū)HDD18僅相差23 ℃·d，但各月平均溫度和建筑累計(jì)熱負(fù)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(fēng)速和太陽輻射均大于嫩江，而建筑累計(jì)熱負(fù)荷低于嫩江，說明太陽輻射也是建筑累計(jì)負(fù)荷產(chǎn)生差異的原因，而風(fēng)速影響相對(duì)較小。

綜上，HDD18相近的條件下，各城市典型建筑的年累計(jì)熱負(fù)荷差異較大，一方面，與采暖度日數(shù)的統(tǒng)計(jì)方式有關(guān)，因部分地區(qū)夏季并沒有熱負(fù)荷，但平均溫度低于18 ℃，在計(jì)算HDD18時(shí)也被計(jì)入累加值;另一方面，因各個(gè)地區(qū)的太陽輻射差異較大，導(dǎo)致部分溫度相差較小的城市建筑累計(jì)熱負(fù)荷卻相差較大。對(duì)于風(fēng)速，雖然同樣影響建筑熱負(fù)荷，但不是導(dǎo)致差異的主要原因。基于以上兩個(gè)原因，可推測(cè)在建筑圍護(hù)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(zhǔn)確表征建筑累計(jì)熱負(fù)荷。

2.3 建筑累計(jì)熱負(fù)荷與HDD18的相關(guān)性分析

為驗(yàn)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(jì)熱負(fù)荷之間的關(guān)系。參考中國太陽能資源分區(qū)[21]，將61個(gè)城市大致劃分為3類，見表4。分別分析每個(gè)區(qū)域城市的HDD18與建筑累計(jì)熱負(fù)荷的關(guān)系。

? ? ?

圖4為HDD18與單位面積年累計(jì)熱負(fù)荷的散點(diǎn)圖，縱坐標(biāo)表示所在城市建筑單位面積年累計(jì)熱負(fù)荷，橫坐標(biāo)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(jì)熱負(fù)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(jì)熱負(fù)荷與HDD18散點(diǎn)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(jì)熱負(fù)荷的增加比太陽輻射總量低的Ⅲ類地區(qū)緩慢。整個(gè)嚴(yán)寒地區(qū)，多層住宅單位面積年累計(jì)熱負(fù)荷與HDD18的線性關(guān)系較弱，按照太陽輻射將嚴(yán)寒地區(qū)所參照的61個(gè)城市進(jìn)行劃分，分別對(duì)分類后的城市進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)HDD18與單位面積年累計(jì)熱負(fù)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(duì)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(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)確定的條件下，HDD18能準(zhǔn)確表征建筑累計(jì)熱負(fù)荷。

3 采暖度日數(shù)在不同地區(qū)分區(qū)結(jié)果的評(píng)價(jià)

3.1 分區(qū)結(jié)果評(píng)價(jià)指標(biāo)

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(biāo)評(píng)價(jià)建筑氣候分區(qū)的合理性。圖6為該指標(biāo)計(jì)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(gè)區(qū)間，統(tǒng)計(jì)每個(gè)單位面積年累計(jì)熱負(fù)荷區(qū)間段的城市個(gè)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(gè)單位面積年累計(jì)熱負(fù)荷區(qū)間的城市個(gè)數(shù)。同一負(fù)荷區(qū)間內(nèi)，兩個(gè)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(duì)更合理。

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(duì)更合理。對(duì)于整個(gè)嚴(yán)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(jì)熱負(fù)荷之間的相關(guān)系數(shù)越高，則按照HDD18劃分的分區(qū)更準(zhǔn)確。因此，HDD18作為分區(qū)指標(biāo)，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?fù)荷影響的角度對(duì)嚴(yán)寒地區(qū)現(xiàn)行的二級(jí)分區(qū)指標(biāo)進(jìn)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(jì)熱負(fù)荷顯著低于中國東部城市。

2）對(duì)整個(gè)嚴(yán)寒地區(qū)而言，HDD18與建筑年累計(jì)熱負(fù)荷線性相關(guān)性較弱，因而，在圍護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)確定條件下，難以準(zhǔn)確表征建筑年累計(jì)熱負(fù)荷;而對(duì)于嚴(yán)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(jì)熱負(fù)荷之間則呈現(xiàn)明顯的線性相關(guān)。

3）從氣候?qū)ㄖ?fù)荷影響的角度分析，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(biāo)，而中國嚴(yán)寒地區(qū)東西部太陽輻射量差異較大，嚴(yán)寒地區(qū)宜結(jié)合太陽輻射等因素劃分二級(jí)分區(qū)。

嚴(yán)寒地區(qū)地形地貌較復(fù)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(qiáng)、日照時(shí)數(shù)長(zhǎng)、夏季溫度低、溫度年較差小，因而，僅采用HDD18作為指標(biāo)難以區(qū)分氣候差異對(duì)建筑年累計(jì)熱負(fù)荷的影響。在完善嚴(yán)寒地區(qū)二級(jí)分區(qū)時(shí)，增設(shè)劃分高寒地區(qū)指標(biāo)（如太陽輻射、7月平均溫度等），將高海拔地區(qū)單獨(dú)劃為一個(gè)二級(jí)分區(qū)，進(jìn)而制定更符合氣候特點(diǎn)的設(shè)計(jì)策略。

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（編輯 鄧云）