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

(1.西安建筑科技大學(xué) 西部綠色建筑國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室;建筑學(xué)院，西安 710055；2.中國(guó)建筑科學(xué)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(jìn)而制定不同的建筑設(shè)計(jì)原則來(lái)指導(dǎo)建筑設(shè)計(jì)[1]。中國(guó)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(guó)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(guó)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挠绊憽＠?，文獻(xiàn)[8]指出，在赤道附近的厄瓜多爾，濕度、太陽(yáng)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(yáng)輻射是中國(guó)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(yáng)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(yáng)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(guó)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(yáng)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(guò)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(yáng)輻射以及風(fēng)速。本文主要從溫度、太陽(yáng)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(yáng)輻射量。

對(duì)比組對(duì)比城市海拔/mHDD18/(℃·d)建筑單位面積年累計(jì)熱負(fù)荷/(kWh·m-2)多層住宅高層住宅多層辦公a沈陽(yáng)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(duì)比Fig.3 Climate characteristics of comparison group

表3中a組，沈陽(yáng)與酒泉月平均溫度基本一致，而酒泉各月的太陽(yáng)輻射總量高于沈陽(yáng)，風(fēng)速低于沈陽(yáng)。綜合來(lái)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(yáng)輻射的影響，酒泉的建筑累計(jì)熱負(fù)荷低于沈陽(yáng)。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(yáng)輻射均大于嫩江，而建筑累計(jì)熱負(fù)荷低于嫩江，說(shuō)明太陽(yáng)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(yáng)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?；谝陨蟽蓚€(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(yáng)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(yáng)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(guó)太陽(yáng)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。

表4 嚴(yán)寒地區(qū)太陽(yáng)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(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(yáng)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(yáng)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(yáng)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(guò)以上分析得出，在夏季溫度和太陽(yáng)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。

圖4 建筑單位面積年累計(jì)熱負(fù)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(jì)熱負(fù)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(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(guò)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(shuō)明分區(qū)結(jié)果相對(duì)更合理。

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

PMA值的計(jì)算公式為

(1)

式中：I為城市總數(shù)量；n為負(fù)荷區(qū)間個(gè)數(shù)；Ii為單位面積年累計(jì)熱負(fù)荷處于(5i-5，5i)內(nèi)的城市數(shù)量；bi為單位面積年累計(jì)熱負(fù)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(jì)熱負(fù)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(jì)熱負(fù)荷之間的相關(guān)系數(shù)不同，以下主要評(píng)價(jià)這3類地區(qū)及現(xiàn)行分區(qū)指標(biāo)和方法得到的分區(qū)結(jié)果。如圖7所示，分別計(jì)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(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(shuō)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(yáng)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(guó)西部高海拔地區(qū)太陽(yáng)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(guó)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(guó)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(yáng)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(yáng)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(guó)嚴(yán)寒地區(qū)東西部太陽(yáng)輻射量差異較大，嚴(yán)寒地區(qū)宜結(jié)合太陽(yáng)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(yáng)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(yáng)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。