嚴寒地區民用建筑熱工設計二級分區指標適用性分析

文澤球，劉 衍，楊 柳，李 晨，董 宏

(1.西安建筑科技大學 西部綠色建筑國家重點實驗室;建筑學院，西安 710055；2.中國建筑科學研究院有限公司，北京 100013)

為創造舒適的居住空間，在氣候多樣化地區劃分不同的氣候區，研究建筑熱環境和氣候的關系，進而制定不同的建筑設計原則來指導建筑設計[1]。中國建筑熱工設計分區主要適用于建筑熱工設計，隨著綠色建筑理念的不斷深入和建筑節能環保研究的不斷創新，建筑熱工設計分區逐漸開始應用于建筑節能環保領域[2-3]。《民用建筑熱工設計規范》(GB 50176—2016)[4]采用度日數作為二級指標，對原有的一級分區細分和完善，提高了分區的準確性；節能標準根據各個二級區的氣候特點，規定了圍護結構傳熱系數、窗墻面積比等，提高了中國建筑節能水平；同時，方便了建筑師及工程師在節能工作中的應用：不需借助復雜難懂的模擬軟件就能使建筑能耗控制在合理的范圍內。因此，合理的劃分氣候區對建筑熱工設計和提高建筑節能水平具有重要意義。

文獻[5-7]指出，在建筑圍護結構參數確定的條件下，度日數能表征建筑累計負荷，溫度是對建筑累計負荷影響顯著的因素。因此，各國建筑法規通常以溫度或度日數作為建筑氣候分區指標。但是，對某些氣候條件復雜的地區，僅采用這兩個指標難以準確反映氣候對建筑的影響。例如，文獻[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的重要影響指標；文獻[9]指出，太陽輻射是中國青藏高原地區能耗計算方法、節能設計策略區別于其他地區的關鍵因素；文獻[10]指出，西藏地區外表面對流換熱系數低、太陽輻射強，因此，單一的溫度或度日數作為分區指標并不適用于所有地區，尤其是太陽輻射、濕度等差異較大的地區；文獻[11]在建筑節能氣候分區方面進行探討，但對分區指標HDD18與建筑累計熱負荷關系的分析較少。中國嚴寒地區分布較廣，主要包括東北三省、內蒙古、青海、西藏北部、新疆北部、甘肅西部等地區，其中，青藏地區具有明顯的高原氣候特征，建筑設計要求應區別于其他地區。本文主要分析僅以HDD18作為二級分區指標是否能較好地反映嚴寒地區氣候對建筑累計負荷的影響。

1 典型建筑模型及參數設置

室外氣象參數是影響建筑能耗的因素之一，相同建筑在不同地區的建筑能耗高低一定程度上反映了區域的氣候差異[12]。建筑負荷主要與圍護結構熱工性能和室外氣候條件相關，而建筑能耗除此之外還與空調采暖系統有關[13]。本文討論建筑熱工設計分區，采用建筑累計負荷進行分析更能反映氣候對建筑本體的影響。

1.1 建筑模型

居住建筑參考《建筑設計資料集》[14]中北方地區常見的建筑戶型，多層辦公建筑參考文獻[15]中對嚴寒地區辦公建筑的調研結果，建筑的朝向均為南向，建筑模型簡化后，材料熱物理性質參數及圍護結構構造參考相應構造圖集設置[16-17]，見表1、表2。高層居住建筑和多層居住建筑的標準層平面如圖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；多層辦公建筑的標準層平面圖如圖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 參數設置

采用EnergyPlus建筑能耗模擬軟件，模擬和分析所選取的氣象數據源于該軟件官方網站的典型氣象年數據，模擬時間為1月1日至12月31日。內外表面換熱系數分別采用TARP算法、DOE-2算法。居住建筑室內熱源設為3.8 W/m2，換氣次數為0.5次/h[18]；辦公建筑換氣次數、人員逐時在室率、照明功率密度情況及電器設備功率密度情況等均按照相應的節能設計標準設置[19]。

2 結果與分析

2.1 各城市建筑累計熱負荷的差異

圖2為3種典型建筑在嚴寒地區61個城市的年累計熱負荷，城市按照采暖度日數從高到低排列。結果表明：即使是同一二級分區內的城市，建筑的年累計熱負荷差異仍然顯著，例如，同屬于嚴寒A區的漠河，多層辦公建筑年累計熱負荷是曲麻萊的4倍以上；不同氣候區之間建筑年累計熱負荷的差異并不明顯，例如，屬于嚴寒A區的剛察等城市，建筑年累計熱負荷與嚴寒C區的沈陽等城市相差較小。建筑圍護結構參數確定的條件下，HDD18是反映一個地區建筑累計熱負荷的氣候指標，而在嚴寒地區，度日數相近條件下，西部高海拔地區的建筑累計熱負荷顯著低于東部城市。因此，有必要進一步分析HDD18與建筑累計熱負荷之間的關系及其他氣象要素對建筑累計熱負荷的影響。

2.2 城市間的氣候特征對比

影響建筑累計負荷的氣象要素較多[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、太陽輻射以及風速。本文主要從溫度、太陽輻射及風速3個方面對比城市間氣候特征，分析度日數相近條件下年累計熱負荷差異較大的原因。選取度日數相差較小，且建筑年累計熱負荷相差較大的城市作對比，分析城市間的氣候特征見表3。圖3為對比組中各城市的月平均溫度、高層住宅建筑月累計熱負荷、月平均風速以及水平面太陽輻射量。

對比組對比城市海拔/mHDD18/(℃·d)建筑單位面積年累計熱負荷/(kWh·m-2)多層住宅高層住宅多層辦公a沈陽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 城市間氣候特征對比Fig.3 Climate characteristics of comparison group

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，風速低于沈陽。綜合來看，盡管兩個地區HDD18僅相差42 ℃·d，各月的平均溫度也相差較小，而由于風速和太陽輻射的影響，酒泉的建筑累計熱負荷低于沈陽。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，夏季溫度低，氣溫年較差遠小于嫩江。即使是7、8月份，烏鞘嶺的建筑月累計熱負荷為零，但月平均溫度低于18 ℃，計算HDD18時也被計入累加值。因此，盡管兩個地區HDD18僅相差23 ℃·d，但各月平均溫度和建筑累計熱負荷存在明顯差異。此外，在3、10月份，兩地平均氣溫相差較小，烏鞘嶺風速和太陽輻射均大于嫩江，而建筑累計熱負荷低于嫩江，說明太陽輻射也是建筑累計負荷產生差異的原因，而風速影響相對較小。

綜上，HDD18相近的條件下，各城市典型建筑的年累計熱負荷差異較大，一方面，與采暖度日數的統計方式有關，因部分地區夏季并沒有熱負荷，但平均溫度低于18 ℃，在計算HDD18時也被計入累加值；另一方面，因各個地區的太陽輻射差異較大，導致部分溫度相差較小的城市建筑累計熱負荷卻相差較大。對于風速，雖然同樣影響建筑熱負荷，但不是導致差異的主要原因?；谝陨蟽蓚€原因，可推測在建筑圍護結構參數確定的條件下，HDD18在太陽輻射量和夏季溫度差異較小的地區能準確表征建筑累計熱負荷。

2.3 建筑累計熱負荷與HDD18的相關性分析

為驗證以上結論，選擇太陽輻射量和夏季溫度差異較小的城市，分別分析HDD18與建筑累計熱負荷之間的關系。參考中國太陽能資源分區[21]，將61個城市大致劃分為3類，見表4。分別分析每個區域城市的HDD18與建筑累計熱負荷的關系。

表4 嚴寒地區太陽能資源分區Table 4 Solar energy distribution in severe cold climate zone

圖4為HDD18與單位面積年累計熱負荷的散點圖，縱坐標表示所在城市建筑單位面積年累計熱負荷，橫坐標表示所在城市的HDD18。由圖4可知，部分采暖度日數相近的城市，建筑年累計熱負荷差異較大。

圖5為各地區多層住宅建筑單位面積年累計熱負荷與HDD18散點圖，隨著度日數的增加，太陽輻射總量高的Ⅰ類地區，建筑累計熱負荷的增加比太陽輻射總量低的Ⅲ類地區緩慢。整個嚴寒地區，多層住宅單位面積年累計熱負荷與HDD18的線性關系較弱，按照太陽輻射將嚴寒地區所參照的61個城市進行劃分，分別對分類后的城市進行分析，發現HDD18與單位面積年累計熱負荷之間呈現明顯的線性關系。決定系數R2在3類地區分別為0.81、0.91、0.98。

對高層住宅和多層辦公建筑的模擬結果，也有類似的規律。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，建筑圍護結構參數確定的條件下，HDD18能準確表征建筑累計熱負荷。

圖4 建筑單位面積年累計熱負荷與HDD18的關系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熱負荷與HDD18的關系Fig.5 Relationship between annual cumulative building heating load of multi-storey residential and

3 采暖度日數在不同地區分區結果的評價

3.1 分區結果評價指標

Walsh等[22]提出了“誤分類區平均百分比”(MPMA)的概念，并通過該指標評價建筑氣候分區的合理性。圖6為該指標計算的示例圖，典型建筑在不同城市得到的不同模擬結果，以5 kWh/m2為一個區間，統計每個單位面積年累計熱負荷區間段的城市個數，深色條形和淺色條形分別表示在A氣候區和B氣候區，處于各個單位面積年累計熱負荷區間的城市個數。同一負荷區間內，兩個氣候區重疊部分的城市數量與總城市數量的比值為PMA，多種建筑類型模擬結果得到的PMA值的平均值為MPMA。MPMA值越低，則說明分區結果相對更合理。

圖6 各負荷區間的城市個數Fig.6 Number of cities in each building heating load

PMA值的計算公式為

(1)

式中：I為城市總數量；n為負荷區間個數；Ii為單位面積年累計熱負荷處于(5i-5，5i)內的城市數量；bi為單位面積年累計熱負荷處于(5i-5，5i)內屬于A氣候區的城市數量；ci為單位面積年累計熱負荷處于(5i-5，5i)內屬于B氣候區的城市數量。

3.2 采暖度日數在不同地區分區結果的MPMA值

在Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ類地區，各城市HDD18與建筑單位面積年累計熱負荷之間的相關系數不同，以下主要評價這3類地區及現行分區指標和方法得到的分區結果。如圖7所示，分別計算Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ類地區分區結果的MPMA值。

圖7 各地區MPMA值Fig.7 MPMA values in different

由圖7可知，Ⅲ類地區的MPMA值最低，因此，分區結果相對更合理。對于整個嚴寒地區，MPMA值為21.80 %，高于3類地區中的任何一類，該結果也說明HDD18與建筑年累計熱負荷之間的相關系數越高，則按照HDD18劃分的分區更準確。因此，HDD18作為分區指標,更適合于太陽輻射量以及夏季溫度差異較小的地區。

4 結論

從氣候對建筑負荷影響的角度對嚴寒地區現行的二級分區指標進行了分析，主要得出以下結論：

1)中國西部高海拔地區太陽輻射量大，夏季平均溫度低。采暖度日數相近的條件下，中國西部高海拔地區城市的建筑年累計熱負荷顯著低于中國東部城市。

2)對整個嚴寒地區而言，HDD18與建筑年累計熱負荷線性相關性較弱，因而，在圍護結構參數確定條件下，難以準確表征建筑年累計熱負荷；而對于嚴寒地區中太陽輻射量差異較小的地區，HDD18與建筑年累計熱負荷之間則呈現明顯的線性相關。

3)從氣候對建筑負荷影響的角度分析，HDD18適合在太陽輻射量和夏季溫度差異較小的地區作為分區指標，而中國嚴寒地區東西部太陽輻射量差異較大，嚴寒地區宜結合太陽輻射等因素劃分二級分區。

嚴寒地區地形地貌較復雜，青藏高原地區氣候特征與其他地區有顯著差異，主要體現在太陽輻射強、日照時數長、夏季溫度低、溫度年較差小，因而，僅采用HDD18作為指標難以區分氣候差異對建筑年累計熱負荷的影響。在完善嚴寒地區二級分區時，增設劃分高寒地區指標(如太陽輻射、7月平均溫度等)，將高海拔地區單獨劃為一個二級分區，進而制定更符合氣候特點的設計策略。