采暖設計室外計算溫度統計方法探討

王昭+劉衛斌

摘要：《采暖通風與空氣調節設計規范》（GB50019-2003）中規定，采暖室外計算溫度，應采用歷年平均不保證5天的日平均溫度。本文將采暖系統分成舒適性采暖和工藝性采暖.對于舒適性采暖可采用規范中的統計方法；對于工藝性采暖，由于不同設備材料及工藝的特殊要求，有的采暖室外計算溫度應采用一定年限內累年年最低溫度平均值，有的采暖室外計算溫度卻應采用一定年限內累年極端最低溫度值。結合分析國內氣象數據，根據實際案例，給出采暖系統的最佳解決方案。

關鍵詞：采暖設計；計算溫度；舒適性采暖；工藝性采暖

前言

采暖系統的溫度設計參數包含采暖設計室內計算溫度和室外計算溫度。其中，采暖室內設計計算溫度由所處室內環境的人及工藝環境的要求確定；采暖設計室外計算溫度是計算采暖熱負荷的重要參數，它的正確選擇是設計采暖系統的重要依據，也影響室內供暖設備的選取，供熱量的大小，決定了系統的投資和運行管理費用，它的選取既要考慮到達到人的舒適性和工藝設備的要求，又要達到節能和減少投資的目的。

1采暖系統方式

采暖是采用一定的技術手段保持一定空間范圍內的溫度穩定，以滿足人體的舒適性和生產工藝設備的要求。

采暖系統根據使用對象的不同可以分成舒適性采暖和工藝性采暖系統。以滿足人體熱舒適性為目的的采暖系統稱為舒適性采暖，以滿足生產工藝及相關設備的技術要求為目的的采暖系統稱為工藝性采暖。對系統進行設計均應計算采暖熱負荷，室外計算溫度是計算采暖熱負荷重要的影響指標。

1.1舒適性采暖

根據國內外有關衛生部門的研究結果，當人體衣著適宜、保溫量充分且處于安靜狀態時，室內溫度20%比較舒適，18℃無冷感，15℃是產生明顯冷感的溫度界限。按照國家現行標準《室內空氣質量標準》（GB/T 18883）要求，把民用建筑主要房間的室內溫度k范圍定在16～24℃。要保持室內的設計溫度，必須使供暖系統的供熱負荷大于室內實際需要的熱負荷，而室內熱負荷主要包含：建筑圍護結構傳熱耗熱量和加熱進入室內的冷空氣所需的熱量。

從以上傳熱公式可以看出，室內熱負荷與室內外空氣的溫差成正比。當室內溫度保持設計溫度不變時，室外空氣溫度越低，則熱負荷越大。室外氣象條件（包含溫度、風速等）的變化幅度很大，因此如何確定采暖設計室外計算溫度十分重要。

若按歷年來出現過的極端最低溫度作為室外計算溫度，根據計算出的熱負荷，設計供暖系統、選擇供暖設備及供給熱量，則在歷年所有時間，室內設計溫度都能得到滿足。但歷年極端最低溫度幾十年才出現一次，依據它設計的供暖系統只有在極端最低溫度出現的這一天充分發揮它的作用。而在采暖期大部分時間，由于室外溫度高于它，使供暖系統出力過大，這在經濟上、技術上顯然不合理。另外，室外溫度是波動的，維護結構的傳熱是不穩定傳熱，民用建筑的維護結構具有一定的蓄熱性和熱情性，室外溫度的波動傳向維護結構的內表面既在時間上有延遲，叉在溫度波動的幅度上有衰減。幾十年才出現一次的極端最低溫度往往延續時間很短，這種短時間的溫度波動，在圍護結構的厚度內逐漸衰減，對室內溫度影響很小。

其次，民用建筑是針對“人”進行設計，在溫度較低的短暫時間內人可以通過主動防御，如增添保暖衣服，減少通風等措施，保證安全生產和生活。滿足人的舒適性要求。《采暖通風與空氣調節設計規范》GB50019-2003中規定，采暖室外計算溫度，應采用歷年平均不保證5天的日平均溫度，設計規范所規定的采暖室外計算溫度，適用于連續采暖或間歇時間較短的采暖系統的熱負荷計算。如果間歇時間太長，室內達不到要求的時間就會增多。

在我國現行規范中，供暖室外計算溫度基本是一個地區或者幾個城市共用一個溫度，而這個溫度并沒有考慮建筑物的用途及建筑物的結構。而在美國的ASHRAE Hdhook一1993 Fndamentals里有這樣的描述：“冬季天空晴朗的時候，每天的最低氣溫一般出現在早晨6：00至8：00之間。對于住宅建筑基本整天都有人居住，采用能保證當地99%時間能達到室內設計溫度的供暖室外計算溫度；而對于商業建筑或者其它直到接近中午才有人的建筑就采用保證當地97 5%的時間能達到室內設計溫度的供暖室外計算溫度。”1975年，ASHRAE標準90-75在《新建筑物設計節能》中規定：“供暖設計應選取保證當地97.5%時間能達到室內設計溫度作為室外計算溫度。同時指出，如果房屋是輕型圍護結構，又有大面積玻璃，且室溫控制要求很高時，應采用最低溫度平均值或滿足99%時間能達到室內設計溫度的值作為室外計算溫度。”因此，對于間歇時間太長及熱惰性較小的建筑，采用歷年平均不保證5天的日平均溫度作為室外計算溫度，室內氣溫波動較大，室內達不到的時間自然會增多，難以保證當地97.5%時間能達到室內設計溫度，要想保持必要的室內溫度，根本的途徑是建立合理的運行機制，充分發揮采暖設備的效能。

1.2工藝性采暖

1.2.1敏感性強工藝性采暖

在某些化工（如油漆生產部門）和一些電子行業，由于其產品對室內氣溫的高度敏感性，即使室內氣溫在很短時間內低于室內設計溫度（產品及工藝過程要求環境溫度），生產和產品都會變質和發生損失，所以，室內采暖設計溫度應保證任何時間均應大于生產工藝和產品對環境溫度的要求。

如果采用《采暖通風與空氣調節設計規范》GB50019-2003中規定，采暖室外計算溫度采用歷年平均不保證5天的日平均溫度，或者采用美國的ASHRAE Handbook一1993 Fundamentals能保證當地99%時間能達到室內設計溫度的供暖室外計算溫度，在不滿足室外計算溫度的情況下，室內氣溫就會低于室內設計溫度。因此，要在設計使用期內，完全滿足室內溫度要求，供暖系統的供暖能力應大于室內產生的最大熱負荷，為了滿足這個要求，室外計算溫度應取歷年極端最低溫度。

1.2.2敏感性一般工藝性采暖

在一些冬季需要采暖的領域，生產過程對環境溫度的敏感性比舒適性采暖高，但與一些化工行業相比又低些，室內溫度可以相對少的時間低于室內計算溫度。溫室就是這種情況，溫室內的作物沒有像人一樣的自我防御能力，室內溫度可以在教短時間內低于作物一般生長溫度，但如果室內溫度低于作物生長的生理下限溫度超過一段時間，將直接導致作物受凍，形成不可逆的生理障礙，引起作物減產，甚至絕收。

采暖設計中室內外計算溫度之差接近正比于溫室的采暖負荷。室內計算溫度決定于溫室內種植作物的生理要求，一般根據種植作物夜間適宜溫度的下限確定，在種植對象確定后，該溫度就成為一個定值。室外計算溫度如采用歷年極端最低溫度。采暖系統的的冷負荷達到最大，當地出現最冷天氣時，室內正好達到室內設計計算溫度，但在其它時間，系統出力超出或遠遠超出實際需求，這與采暖系統的經濟性相違背。如果把室外設計溫度定得過高，則在較長時間里不能保證必要的室內溫度，不能滿足室內種植作物對溫度的要求。因此，合理地確定采暖室外計算溫度是—個技術與經濟相統一的問題。

溫室是一種熱惰性很小的輕型建筑，室內外熱量交換在很短時間內即完成，采用日平均溫度，在計算日的一半時間內（發生在夜間至凌晨），將不能滿足溫室室內溫度要的可靠性。采用歷年平均不保證5日的日平均溫度作為室外計算溫度，換算到小時計算，其不保證時間將大大高于5天。

在分析國家和行業相關標準的基礎上，借鑒國外經驗，提出根據溫室的設計使用壽命，結合分析國內氣象數據，采用“一定年限內累年年最低溫度的平均值”作為溫室采暖設計室外計算溫度的計算方法，該方法計算所得的溫室采暖設計室外計算溫度可使溫室采暖期的保證率提高到99%±0.5%。有效地滿足溫室的采暖要求。

2溫度參數的選定

IPCC（世界氣象組織和聯合國環境規劃署聯合組建的政府間氣候變化專門委員會）最近公布的第四次評估報告顯示，從直接儀器觀測表明1906-2005年的一百年間，全球地表平均溫度上升了0.74℃。近50年來的線性趨勢則進一步攀升到每年增加0.13℃。近百年來中國平均地表氣溫增加明顯，升溫幅度約為0.5-0.8℃。IPCC的氣候變化預測表明21世紀全球平均地表增暖的幅度范圍可能為1.1-6.4℃。1965年以來，各氣象臺（站）僅有北京時間14時（還有2時、8時和20時）的溫度記錄整理資料。溫度統計區間為6小時，不能完全真實反映實際的溫度分布，因此，為了得到準確的不保證時間，未來需要更密集的室外溫度統計。

分析中國從1951～2007年50多年的氣象數據變化（表1），可以看出近30年的累年年最低溫度平均值較1951～1980年有顯著上升，平均升溫幅度在1～5℃，這主要是近年來連續多年暖冬的結果。

對于舒適性采暖，目前，我國大部分氣象臺（站）都有30年以上完整的氣象資料，有的國家統計年份采用30～50年，《采暖通風與空氣調節設計規范》GB50019-2003中推薦采用30年。

對于敏感強工藝性采暖，由于進年來，溫度上升幅度比較明顯，可以考慮根據建筑使用年限及當地溫度變化趨勢確定采用統計年份，但一般情況下，按30年一個氣候段考慮，工程設計中以近30年氣象數據的統計值較為合理。

對于敏感一般工藝性采暖，分析近20年和近30年累年最低溫度平均值可見，近20年平均溫度比近30年高0～2℃，符合計算重現期的要求，即計算重現期越長，溫度越低。該計算溫度與當地極端最低溫度比較，基本都高出5℃以上，最高的高出15℃以上，有效避免了極端最低溫度給設計帶來負荷過大的問題；與全國工業與民用建筑采暖設計室外計算溫度相比，該計算值降低了3～7℃，較好地考慮了溫室熱情性差的問題。采用近30年和近20年累年最低溫度的平均值作為溫室采暖設計室外計算溫度既能有效避免采用極端最低溫度給溫室設計帶來投資過大，又可以避免采用工業與民用建筑規范的采暖設計室外計算溫度給溫室設計帶來的風險。

3工程實例

長春某化工廠主要生產油漆，工廠內原有車間需改建成倉庫儲油漆，車間外墻為370毫米磚墻。其中，油漆的儲存環境溫度應大于5℃，環境溫度低于5℃，油漆就會變質。因此，采暖室內設計計算溫度取存5℃。而且，室內溫度應完全保證采暖室內設汁計算溫度。

為了滿足要求，室外計算溫度應取歷年極端最低溫度。從表一中，可以查到，近30年極端最低溫度為36.5℃，民用建筑采暖設-計室外計算溫度為一23℃。累年30年最低溫度平均值為27.6℃。

從表2中可以看出，室外計算溫度取歷年極端最低溫度計算采暖系統熱負荷，與采用歷年不保證5天的日平均溫度計算采暖系統熱負荷相比大近50%，與采用歷年最低溫度平均值計算采暖系統熱負荷相比大近30%。這將導致室內散熱設備選擇過度，供熱量也過大，散熱設備大量占用倉庫使用面積。不但系統投資高50%，系統使用費用也大增。

為了做到經濟，將對外墻進行保溫，采用12毫米厚水泥膨脹珍珠巖經過改造，車間外墻傳熱熱阻增大，系統熱負荷低于一般民用建筑水平，從表3中可以看到，系統熱負荷降低到一般情況下的61%。系統運行費用得到有效的降低，車間使用面積得到有效利用。該項目2004建成投產，系統運行經過了幾個冬天，室內溫度保持5℃以上，而且由于外墻加了外保溫，外圍護結構熱情性增大，室內溫度波動幅度較小，有利于產品儲存，滿足實際要求。

4結束語

采暖設計室外計算溫度的選用，應根據實際情況，對于一般舒適性采暖可采用歷年不保證5天的日平均溫度；對于敏感性一般的系統，采用歷年平均最低溫度值；對于敏感性強的工藝性采暖應采用采用歷年極端最低溫度值，同時，為了減少系統投資，對建筑外圍護結構進行保溫，以滿足實際適應和運行要求。