寒冷氣候類型與建筑熱工設(shè)計對策

劉加平， 何知衡，楊 柳

(1.西部綠色建筑國家重點實驗室,陜西 西安 710055; 2.西安建筑科技大學 建筑學院,陜西 西安 710055)

1 建筑熱工設(shè)計分區(qū)

氣候區(qū)劃是依據(jù)社會經(jīng)濟活動中不同行業(yè)受氣候變化影響的程度和對氣候參數(shù)的需求，將累年氣象參數(shù)分布相近的區(qū)域劃為同一個區(qū),將一個國家或地區(qū)劃為若干個氣候分區(qū)的活動.氣候?qū)r(nóng)業(yè)、建筑業(yè)、交通運輸業(yè)等的作用和影響不同，因此，各個行業(yè)相對應的氣候分區(qū)也有較大不同.

建筑氣候區(qū)劃，是依據(jù)氣候要素對建筑的影響和作用，將多個氣候參數(shù)均相近的區(qū)域劃分為同一個氣候區(qū)，以利于建筑在設(shè)計、建造和運行使用中適應氣候.我國幅員遼闊，地形復雜，各地氣候差異懸殊，為了適應不同的氣候條件，建筑應該反映出不同的特點和要求.為此，我國在上世紀50年代就開展了建筑氣候區(qū)劃的研究，在1964年提出了《全國建筑氣候分區(qū)草案(修訂稿)》，并在1993年頒布了全國統(tǒng)一的《建筑氣候區(qū)劃標準》(GB 50178-93)[1]，同時，兩部國家標準《民用建筑熱工設(shè)計規(guī)范》(GB 50176-93)[2]和《采暖通風與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計規(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)劃標準確定的一級和二級區(qū)劃指標，將我國陸地國土劃分為7個主氣候區(qū)、20個子氣候區(qū)，每個子氣候區(qū)的建筑設(shè)計都提出了具體的要求.這些條文和設(shè)計要求已反映在《民用建筑設(shè)計統(tǒng)一標準》(GB 50352-2019)[4]之中.

建筑熱工設(shè)計分區(qū)與我國建筑氣候區(qū)劃工作同時進行，其結(jié)果最早反映在1986年版的《民用建筑熱工設(shè)計規(guī)程(試行)》(JGJ 24-86)[5]之中.后經(jīng)過試用和修改完善，最終成為《民用建筑熱工設(shè)計規(guī)范》(GB 50176-93)[2]的正式條文，為提升我國民用建筑的熱性能和室內(nèi)熱環(huán)境質(zhì)量，推動建筑節(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)計分區(qū)的目的是服務(wù)于建筑適應氣候以保證基本的室內(nèi)熱環(huán)境.建筑熱工設(shè)計主要包括建筑物及其圍護結(jié)構(gòu)的保溫、防熱和防潮設(shè)計.所以，建筑熱工設(shè)計分區(qū)是依據(jù)氣候要素對建筑的熱作用將建筑設(shè)計中可采用相同設(shè)計對策和技術(shù)措施的區(qū)域劃為同一個區(qū).從“被動式”建筑節(jié)能設(shè)計，甚至綠色建筑設(shè)計發(fā)展角度來看，我國現(xiàn)行的建筑熱工設(shè)計分區(qū)已經(jīng)不能滿足綠色建筑和建筑節(jié)能發(fā)展的需求，主要問題表現(xiàn)在設(shè)計分區(qū)過大，設(shè)計要求過于原則性等方面.本文將就嚴寒和寒冷氣候區(qū)的進一步區(qū)劃和設(shè)計對策展開討論.

2 寒冷氣候分區(qū)與區(qū)劃指標

我國陸地面積60%以上地區(qū)屬于建筑熱工設(shè)計分區(qū)中的嚴寒氣候區(qū)和寒冷氣候區(qū)，這兩類氣候區(qū)也常被稱為“采暖區(qū)“.按我國現(xiàn)行《民用建筑供暖通風與空調(diào)設(shè)計規(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)劃標準》(GB 50178-93)[1]和《民用建筑熱工設(shè)計規(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)計分區(qū)一致，其中嚴寒和寒冷氣候分區(qū)指標見表1.

表1 嚴寒和寒冷氣候分區(qū)指標和設(shè)計要求

從表1中可以看出，嚴寒和寒冷氣候區(qū)的分區(qū)主要指標為最冷月平均溫度(tmin·m)，輔助指標為日平均溫度小于等于5℃的天數(shù)(d≤5)，但沒有涉及到室外空氣的含濕量或濕度指標.也就是說，現(xiàn)行的建筑熱工設(shè)計分區(qū)，沒有將年均相對濕度較低的大陸性氣候區(qū)與相對濕度較高的海洋性氣候區(qū)區(qū)分開來.《民用建筑熱工設(shè)計規(guī)范》(GB 50176-2016)[7]中給出的原則性設(shè)計要求，既包括了大陸性嚴寒與寒冷氣候區(qū)，也包含了海洋性嚴寒與寒冷氣候區(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)計要求和原則是一致的.長期從事建筑節(jié)能設(shè)計的業(yè)內(nèi)人士都明白，這種高度原則性的規(guī)定對于實際建筑設(shè)計、建筑節(jié)能設(shè)計幾乎沒有指導意義.由于兩地的室外氣溫年較差、冬季室外氣溫日較差和太陽總輻射條件差異巨大，年降水量和時域分布差異巨大，夏季室外氣象參數(shù)的均值和波動值也差異巨大，故在建筑防寒(保溫)設(shè)計、太陽能利用以及建筑防熱設(shè)計對策上差異巨大.這兩個地區(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)劃指標中沒有考慮氣候參數(shù)的重要指標——空氣相對濕度的地域性差異.業(yè)內(nèi)專業(yè)人士的普遍常識是，對于嚴寒地區(qū)的采暖建筑來說，只要在建筑設(shè)計中考慮了建筑圍護結(jié)構(gòu)的防潮設(shè)計，確保不會出現(xiàn)圍護結(jié)構(gòu)表面結(jié)露和內(nèi)部冷凝，建筑設(shè)計中就不再考慮室外空氣的濕度，包括絕對濕度和相對濕度，對建筑的影響.對于熱帶氣候區(qū)，建筑設(shè)計應該主要考慮的，一是防水，二是防霉.而對于室外空氣濕度對建筑熱環(huán)境的影響，考慮較少，至少在相關(guān)規(guī)范和標準的條文中，沒有明確反映.

一個地區(qū)室外空氣相對濕度的時空分布，與空氣溫度的時空分布是一對偶關(guān)系，同時存在，周期性波動的相位相反.空氣相對濕度直接表達的是空氣中含濕量的多寡，而間接表達的則是降水量、大氣下墊面(地表)的性質(zhì)與蒸發(fā)量的時空分布.所以，室外空氣溫度周期性波動的幅度也可以間接描述一個地區(qū)室外空氣相對濕度的變化，最常用的指標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”國家重點研發(fā)計劃項目“建筑節(jié)能設(shè)計基礎(chǔ)參數(shù)研究”和國家自然科學基金重點項目“中國建筑氣候分區(qū)理論、方法與區(qū)劃”研究成果，我國嚴寒氣候區(qū)和寒冷氣候區(qū)典型城市的月平均日較差見表2.

表2 嚴寒和寒冷氣候區(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、哈密等城市，雖然也被劃分在嚴寒和寒冷氣候區(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月份的太陽輻射資源豐富.

3 寒冷氣候區(qū)細化與新氣候區(qū)類型

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

然而，空氣濕度的變化，不論是絕對濕度還是相對濕度，都會影響空氣溫度周期性波動的幅度，即一個地區(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，可間接反映一個地區(qū)氣候的濕度狀況.對于嚴寒和寒冷氣候區(qū)，將氣溫日較差作為二級區(qū)劃指標，則會將嚴寒和寒冷氣候區(qū)的地域性特征區(qū)分開來，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，冬季太陽輻射資源條件較差.這類氣候區(qū)又包括《民用建筑熱工設(shè)計規(guī)范》(GB 50176-2016)[7]中的嚴寒和寒冷氣候區(qū)，哈爾濱和天津分別為其代表性城市，長城大致為其分界線.

(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，冬季嚴寒，夏季酷熱，全年太陽輻射資源豐富.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原有熱工設(shè)計分區(qū)的嚴寒、寒冷氣候的深化，《民用建筑熱工設(shè)計規(guī)范》(GB 50176-2016)[7]中對嚴寒和寒冷氣候區(qū)的熱工設(shè)計原則、保溫設(shè)計規(guī)定，也適應于這三類寒冷氣候類型，但很顯然，從建筑適應氣候和建筑節(jié)能角度，已有的條文規(guī)定遠遠不能滿足設(shè)計上的要求.

4 寒冷氣候熱工設(shè)計對策

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

《民用建筑熱工設(shè)計規(guī)范》(GB 50176-2016)[7]版對增加了熱工設(shè)計分區(qū)二級區(qū)劃，見表4.

表3 建筑保溫設(shè)計要求

表4 建筑熱工設(shè)計二級區(qū)劃指標及設(shè)計要求

表4中的二級區(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)，將嚴寒和寒冷氣候區(qū)做了進一步的區(qū)劃.但由于熱工設(shè)計分區(qū)指標依然沒有考慮氣溫的年較差、日較差和太陽總輻射的季節(jié)性分布等指標，所以，設(shè)計原則亦無根本性改變.

嚴寒和寒冷氣候區(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、太陽總輻射等條件不同，熱工設(shè)計的原則和對策差異亦較大.綜合考慮以上要素的影響，給出三個寒冷氣候類型的熱工設(shè)計對策.

4.1 低海拔海洋性寒冷氣候區(qū)及熱工設(shè)計對策

(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，元月份太陽總輻射值很?。幌募咀顭嵩缕骄鶜鉁剌^低.

(2)代表性地域：包括我國東北大部分區(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表5.

表5 哈爾濱基本氣候情況(1971-2000年資料統(tǒng)計)

(3)建筑熱工設(shè)計對策：屋頂、外墻和外門窗應盡可能提高保溫性能，傳熱系數(shù)越小越好，門窗氣密性應盡可能高，具體取值至少應滿足建筑和節(jié)能設(shè)計標準的規(guī)定值[8-9].其中在華北東部地區(qū)應兼顧夏季防熱設(shè)計要求.但這一區(qū)域冬季太陽輻射資源差，既不適宜于冬季太陽能采暖，不論是所謂被動式還是主動式系統(tǒng)，夏季也不適宜于使用太陽能作為降溫動力.但可安裝春、夏、秋季使用的太陽能熱水系統(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)外會出現(xiàn)大于40℃的溫差，被動式太陽能采暖的貢獻率很小，所以，四個朝向的外墻須采取均衡的保溫設(shè)計對策，即外墻的熱阻、傳熱系數(shù)和熱惰性指標值相同，可稱其為“均衡性保溫設(shè)計”，也是現(xiàn)行建筑熱工設(shè)計規(guī)范推薦的方法.

4.2 低海拔大陸性寒冷氣候區(qū)(俗稱冬季嚴寒、夏季酷熱氣候區(qū))及熱工設(shè)計對策

(1)氣候參數(shù)分布特征：冬季嚴寒、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)計對策：冬季宜采用被動式太陽能，在滿足高保溫性能的同時，應采用厚重型圍護結(jié)構(gòu)，以削弱室外溫度波動對室內(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)，應注重建筑遮陽、夜間通風.

(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到了72.1℃(見表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)，日平均相對濕度低[10].針對這類氣候特征，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)

4.3 高海拔大陸性寒冷氣候區(qū)及熱工設(shè)計對策

(1)氣候參數(shù)分布特征：冬季漫長、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)計對策：這部分地區(qū)太陽能資源豐富，且冬季平均溫度不是很低，是太陽能采暖的最佳地區(qū)；建筑應具備良好的蓄熱性能；因四個朝向太陽輻射的差異，外墻應采取非平衡保溫設(shè)計對策(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)

(4)太陽能采暖最佳地區(qū)：累年氣象參數(shù)統(tǒng)計表明，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冬季太陽總輻射強度較高，即被動式太陽能采暖的貢獻率可以很高.所以，圍護結(jié)構(gòu)保溫設(shè)計應該采用“非平衡保溫設(shè)計“方法，即依據(jù)室外氣溫和太陽輻射共同熱作用確定不同朝向圍護結(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為太陽輻射當量溫度，℃.

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

5 結(jié)語

建筑熱工設(shè)計分區(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)計分區(qū)指標太粗，致使單一分區(qū)面積過大，分區(qū)指導原則過于籠統(tǒng)，不利于建筑的被動式太陽能利用和氣候適應性設(shè)計.我國的建筑熱工設(shè)計分區(qū)應該開展三級區(qū)劃，區(qū)劃指標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.

在進一步分區(qū)的基礎(chǔ)上，可給出合理的氣候適應性設(shè)計對策.每一個三級分區(qū)宜采用哪種熱工設(shè)計措施，應該向傳統(tǒng)地域建筑學習，因為其間蘊含著豐富的應對地域氣候的經(jīng)驗和做法.