第二讲 关于中国建筑节能气候分区的探讨

关于“中国建筑节能气候分区”的探讨高理福一、建立“中国建筑节能气候分区”的意义建筑节能是一个复杂的综合问题。建筑节能的效果，关键在于所采用的建筑节能技术对当地气候的适应性。建筑节能技术涉及到建筑热工、设备、材料诸方面，各个方面与气候要素的适应关系不同。构建各地的建筑节能体系，加强各地及国内外的交流，都不能忽视气候差异性的影响。合理地利用当地气候资源，构建适宜不同建筑节能气候的建筑节能技术路线和关键技术，需要按建筑节能体系和建筑节能气候要素进行分区。一、建立“中国建筑节能气候分区”的意义中国现有关于建筑的气候分区主要有《建筑气候区划标准》（GB50178-93）中的建筑气候区划和《民用建筑热工设计标准》（GB50176-93）中提出的建筑热工设计分区。一、建立“中国建筑节能气候分区”的意义建筑气候区划反映的是建筑与气候的关系，主要体现在各个气象基本要素的时空分布特点及其对建筑的直接作用，显示的是建筑与气候的密切关系。建筑气候区划以累年一月和七月平均气温、七月平均相对湿度等作为主要指标，以年降水量、年日平均气温≤5℃和≥25℃的天数等作为辅助指标，将全国划分成七个一级区。一、建立“中国建筑节能气候分区”的意义建筑热工分区反映的是建筑热工设计与气候的关系，主要体现在气象基本要素对建筑物及围护结构的保温隔热设计的影响。建筑热工设计分区用累年最冷月（即一月）和最热月（即七月）平均温度作为分区主要指标，累年日平均温度≤5℃和≥25℃的天数作为辅助指标，将全国划分成五个区，即严寒、寒冷、夏热冬冷、夏热冬暖和温和地区，并提出相应的设计要求[2]。寒冷严寒夏热冬冷夏热冬暖温和《建筑热工设计气候分区图》寒冷寒冷严寒严寒建筑热工各气候区（新）特征气候分区分区依据严寒地区（Ⅰ区）严寒A区5500≤HDD18＜8000严寒B区严寒C区5000≤HDD18＜55003800≤HDD18＜5000寒冷地区(Ⅱ区)寒冷A区2000≤HDD18＜3800，CDD26≤100寒冷B区2000≤HDD18＜3800，100＜CDD26≤200夏热冬冷地区(Ⅲ区)夏热冬冷A区1000≤HDD18＜2000，50＜CDD26≤150夏热冬冷B区夏热冬冷C区1000≤HDD18＜2000，150＜CDD26≤300600≤HDD18＜1000，100＜CDD26≤300夏热冬暖地区(Ⅳ区)夏热冬暖地区HDD18＜600，CDD26＞200温和地区（Ⅴ区）温和A区600≤HDD18＜2000，CDD26≤50温和B区HDD18＜600，CDD26≤50一、建立“中国建筑节能气候分区”的意义建筑节能除了要求建筑尤其是热工的气候适应性外，还要求采暖空调技术的气候适应性。建筑气候分区和民用建筑热工分区所涉及的要素与建筑节能技术不完全一致，建筑节能体系的建设不能简单地按建筑气候分区和民用建筑热工分区来确定。建筑节能气候分区以考虑降低建筑冷热耗量，提高采暖空调能源利用效率为主，为合理构建建筑节能技术提供指导，从而实现降低建筑能耗的目的。二、建筑节能气候分区的气候要素2.1初选气候要素集建筑节能气候分区主要考虑以下气候要素：影响建筑热环境质量的气候要素；影响建筑冷热耗量的气候要素；影响采暖空调技术应用与性能的气候要素。其中，重点是影响建筑冷热耗量和暖通空调能效比的气候要素。二、建筑节能气候分区的气候要素（1）与冷热耗量有关的气候要素：★冬季太阳辐射：太阳辐射影响建筑物得热量，从而影响冬季采暖能耗★夏季气温：直接影响夏季空调能耗的大小★冬季气温：直接影响冬季采暖能耗的大小★夏季相对湿度：影响夏季湿负荷大小★空调天数：反映高温持续时间★采暖天数：反映低温持续时间二、建筑节能气候分区的气候要素（2）与暖通空调能效有关的气候要素：★冬季太阳辐射：影响太阳能采暖的使用★最冷月平均温度：影响空气源热泵的使用★夏季相对湿度：影响蒸发冷却技术的使用★冬夏累积温度的差异：影响地源热泵的使用二、建筑节能气候分区的气候要素根据上述7个气候要素，确定了12个气候指标作为初始指标集（表1）供进一步处理。表1初选指标集初选指标集HDD18年极端最低温度（℃）CDD26年极端最高温度（℃）冬季（最冷3月）太阳辐射（MJ/m2）夏季（最热3月）平均温度（℃）最冷月太阳辐射（MJ/m2）最热月平均温度（℃）冬季（最冷3月）平均温度（℃）夏季（最热3月）相对湿度（％）最冷月平均温度（℃）最热月相对湿度（％）二、建筑节能气候分区的气候要素2.2指标的筛选（1）指标地域差异分析首先对初选指标进行空间变异，以确保指标具有地域差异，地域差异明显的指标对于区域的划分具有鲜明的分辨率，用各因子的空间变异系数（Cv）来区分指标空间分辨率的强弱：二、建筑节能气候分区的气候要素100%vsCx211()1niisxxn11niixxn其中，s为标准差，x为均值，n为样本个数，区域分布明显的指标，则变异系数大。通过计算336个城市的变异系数，舍去20％的指标。二、建筑节能气候分区的气候要素（2）指标间相关分析初始指标中，如果两指标之间相关显著，则取其中之一即可。总体相关系数的定义式是：其中，Cov（Xi，Xj）是指标Xi和Xj的协方差；Var(Xi)和Var(Xj)分别为指标Xi和Xj的方差。总体相关系数是反映两指标之间相关程度的一种特征值，表现为一个常数。并进行统计假设t检验，判断其显著性。(,)()()ijijCovXXVarXVarX二、建筑节能气候分区的气候要素（3）指标的确定经指标间的相关分析，选取HDD18，CDD26，最冷月平均温度，冬季太阳辐射和夏季相对湿度作为本气候区划的指标。三、分区的指标体系气候分区原则有三种：主导因素原则、综合性原则、综合性原则和主导因素原则相结合的原则。主导因素原则强调进行某一级区分时，必须采用统一的指标，适合于对某一重要气候因素进行分区；综合性原则强调分区气候的相似性，而不必用统一的指标去划分分区，主要用于多因素影响的气候分区。本文考虑将上述两者相结合的第三种原则，既强调某一重要因素的影响，又需要协调考虑其他因素。各地进行区划指标分析后，已提出了一些建筑节能意义较明确、分区层次性较符合客观实际和普适性强的区划指标体系。三、分区的指标体系建筑节能气候分区指标体系主要有以下几方面：HDD18，CDD26表明冷热累积时间与全年累积冷热耗量，建筑节能的经济效益与回报；HDD18与CDD26之间的相对差影响地源热泵的适用；最冷月平均温度表现冬季环境条件，影响气源热泵的应用；冬季太阳辐射影响太阳能的利用；夏季相对湿度的大小决定蒸发冷却技术的应用。因此本气候分区根据主导性原则将HDD18、CDD26作为一级分区指标；根据综合性原则将最冷月平均温度，冬季太阳辐射和夏季相对湿度作为二级分区指标。三、分区的指标体系3.1HDD18和CDD26目前，对建筑能耗按气候条件进行修正的方法都基于这样的假设：建筑能耗可以分为两个部分，一部分是与气候条件息息相关的（如空调能耗、采暖能耗），并认为这部分能耗与气候参数（主要是室外空气温度、空调天数/采暖天数）成线性关系，另一部分能耗与气候条件无关，终年几乎不变（如用于照明、办公设备等系统的能量）。基于这样的假设，国际上通用的方法首先是度日法（DD法，DEGREE-DAYMETHOD）。它是根据稳态传热的理论发展起来、最初用于估计建筑的全年采暖能耗的一种方法。对于居住建筑，通常用采暖度日数HDD18和空调度日数CDD26衡量当地寒冷和炎热的程度。三、分区的指标体系采暖度日数（HDD18）：一年中，当某天的室外日平均温度低于18℃时，将低于18℃的摄氏温度数乘以1天并将此乘积累加，单位为℃•d，其公式为，℃•d365118(18)iiHDDtD三、分区的指标体系空调度日数（CDD26）：一年中，当某天的室外日平均温度高于26℃时，将高于26℃的摄氏温度数乘以1天并将此乘积累加，单位为℃•d，其公式为，℃•d式中，ti为典型年第i天的日平均温度；D为1天。计算中，当（18－ti）或（ti－26）为负值时，取（18－ti）＝0或（ti－26）＝0。365126(26)iiCDDtD三、分区的指标体系建筑节能的着眼点在于控制采暖和空调降温的能耗，而采暖和空调降温的需求除了温度的高低因素外，还与低温和高温持续的时间长短有着密切的关系。空调度日数和采暖度日数指标包含了冷热的程度和冷热持续的时间长度两个因素，用它作为分区指标更可能反映空调、采暖需求的大小。因此，建筑节能气候分区采用采暖度日数HDD18、空调度日数CDD26作为气候分区的一级指标，图1为全国336个城市HDD18-CDD26分布图。三、分区的指标体系050100150200250300350400450500550600650700010002000300040005000600070008000HDD18CDD26图1全国336个城市HDD18-CDD26分布图Fig.1HDD18-CDD26of336CitiesinChina三、分区的指标体系根据HDD18和CDD26在图1中的散点分布特征，以1000、2000、3800为界：将HDD18划分为4级，分别代表冬季温暖0～1000，冷1000～2000，寒冷2000～3800，严寒3800～8000；以50为界，将CDD26划分为2级，分别代表夏季凉爽0～50，热50～650。三、分区的指标体系3.2夏季相对湿度气候参数中湿度不可忽略，空气湿度决定着蒸发潜力的大小，尤其是夏季的湿度，蒸发冷却技术在干燥和比较干燥的地区，可以替代常规空调实现舒适性，其COP值高，从而可以大大节省空调制冷能耗。文献[3]利用温度和湿度将我国蒸发冷却技术适用区划分为东西两区，其中东区潮湿，西区干燥，西区蒸发冷却技术有很大的应用潜力。图2是CDD26和夏季相对湿度图，根据蒸发冷却技术的气候适应性，确定将夏季相对湿度≤50％，作为夏季的二级区划标准。三、分区的指标体系2030405060708090100050100150200250300350400450500550600650700CDD26夏季相对湿度％图2CDD26与夏季相对湿度图Fig.2CDD26vs.RelativeHumidityinsummer三、分区的指标体系3.3冬季太阳辐射太阳辐射是建筑物得热的重要来源，冬季太阳辐射量直接影响室内获取能量的多少和温度的高低，太阳辐射量是影响冬季太阳能利用的重要因素，冬季太阳辐射是影响建筑能耗的重要指标。我国属于太阳能资源丰富的国家之一，全国总面积2/3以上地区年日照时数大于2000小时，辐射总量高于5000MJ/m2·a。图3所示为HDD18与冬季太阳辐射量图，根据太阳辐射量的大小及冬季可利用程度，将大于1000MJ/m2视为太阳能资源丰富区。因此，本气候分区考虑将最冷3月太阳辐射热≥1000MJ/m2作为冬季的二级区划标准。三、分区的指标体系0500100015002000042881011721416160218612110261630143420385042664587508056756439HDD18冬季太阳辐射量MJ/m2图3HDD18与冬季太阳辐射量图Fig.3HDD18vs.HeatofSolarRadiationinwinter三、分区的指标体系3.4指标体系根据一级指标HDD18和CDD26，二级指标夏季相对湿度，冬季太阳辐射及最冷月平均温度对336个城市进行分析，将全国划分为八个区，即严寒无夏、冬寒夏凉、冬寒夏热、冬冷夏凉、夏热冬冷、夏热冬暖、冬寒夏燥和冬暖夏凉地区。各建筑节能气候分区指标见表2（注：进行分区的气象参数来自中国建筑科学研究院物理研究所）。三、分区的指标体系分区一级指标二级指标HDD18CDD26严寒无夏≥3800＜50冬寒夏凉2000～3800＜50HDD18≥3800，最冷月平均温度≥-10℃，最冷3月太阳辐射热≥1000MJ/m2划入冬寒夏凉地区冬寒夏热2000～3800≥50冬寒夏燥