溫和地區建筑采暖需求與地域適應性策略研究

王志浩 劉金欣 李 彤 鄧詩涵

（昆明理工大學建筑工程學院 昆明 650500）

0 溫和地區氣候條件與采暖需求

0.1 溫和地區氣候條件

高原是指海拔超過500m，面積較大，地面起伏較小，周圍形成陡坡的高地，海拔高、接受太陽輻射強、日照時間長、晝夜溫差大，而其地勢相對高差和氣壓較低。低緯度地區是指緯度低于30°的地區。低緯度地區由于太陽高度角大，且在熱帶氣團和赤道氣團的控制下年溫差較小，四季溫度區別不明顯，但由于頻繁的季風活動，旱季與雨季區別明顯，降水量在兩季差別較大，全年降水基本集中在雨季。

低緯高原地區綜合了高原和低緯度地區的兩者特點，以季風氣候為主，旱季少雨，雨季時靠近濕潤氣流一側降水量較大，遠離濕潤氣流一側相對較少，但比旱季也有顯著提升。全球低緯高原地區主要有10 個：北美洲的墨西哥高原，南美洲的安第斯高原、巴西高原和圭亞那高原，非洲的埃塞俄比亞高原、東非高原和南非高原，西亞的印度半島的德干高原、阿拉伯半島的希賈茲—阿西爾高原，東亞有中國的云貴高原。

低緯高原城市最顯著的氣候特點就是“四季如春”，即一年四季區別不明顯，夏無酷暑、冬無嚴寒，總體溫差與其他非低緯高原城市相比較小。地處云貴高原的“春城”昆明，2017年最熱月6月的平均溫度為20.9℃，比北京最熱月7月平均氣溫27.9℃低7℃，比重慶最熱月7月平均氣溫31.3℃低10.4℃，比上海最熱月7月平均氣溫31.9℃低11℃；最冷月12月平均溫度為9.3℃，比北京最冷月平均氣溫-0.2℃高9.5℃，比上海最冷月12月平均氣溫7.1℃高2.2℃，比南京最冷月平均氣溫5.3℃高4℃。低緯高原城市相對于其他地區而言氣候較為舒適，具有“冬暖夏涼”的氣候特征[1]。

《民用建筑熱工設計規范》中以26℃為基準的空調度日數和以18℃為基準的采暖度日數將全國分為五個建筑熱工設計一級分區。昆明作為我國低緯高原的代表性城市，在規范中歸為溫和地區，其設計原則可總結為“應考慮冬季保溫，一般可不考慮夏季防熱”[2]。

昆明是云南省會，地處云貴高原，氣溫年較差較小，日較差較大，夏天涼爽宜人，冬季雖然極端嚴寒天氣較少，但大部分居民仍然有一定程度上的采暖需求。

0.2 溫和地區采暖需求

行業內就“南方需要供暖嗎？”這一話題的討論中可以發現，以“秦嶺-淮河線”作為供暖與否的判定條件已不能滿足人民對生活水平提升的追求，但在南方地區如何供暖卻依舊是行業內的爭論焦點。盡管“一線定南北”有不嚴謹之處，但是如果供暖要向南方擴展，供暖作為一種大規模、系統化的公共服務，應當經過深思熟慮，不能倉促上馬[3]，特別是在具有優良氣候條件的溫和地區。

首先，盡管溫和地區的最冷月平均溫度為0～13℃，但日平均溫度≤5℃的天數仍然為0～90 天，且昆明以18℃為基準的采暖度日數700≤HDD18＜2000，大致上與某些北方集中供暖城市如西安、濟南等數值相近。這證明在昆明進行采暖有一定程度上的必要性和緊迫性。

其次，前期調查中發現，以蒙自、瑞麗等城市為代表城市的溫和B 區，超過半數居民對于當地的室內熱環境感覺適中（占比為54.3%）；而以昆明、麗江等城市為代表的溫和A 區，近半居民對于當地的室內熱環境不太滿意（占比為43.9%）。通過實際熱感覺投票和溫度頻率法計算中也得出溫和A 區冬季的熱中性溫度為17.0℃，最低接受溫度為11.5℃；溫和B 區的熱中性溫度為18.1℃，最低接受溫度為16.6℃[4]。熱中性溫度和前述的地區冬季氣溫相比較，得出溫和地區的相當部分居民對冬季室內熱環境滿意程度比較低。

在一項針對昆明市主城五區內居住建筑的調研中，收集了298 戶居民的家庭用能設備類型與占比、用戶對夏季無空調、冬季無供暖狀況的室內滿意度。調研中發現，除電磁爐、電冰箱、熱水器等常見家用電器外，電風扇和空調占比較小，擁有電風扇的家庭占比僅17%，而擁有空調的家庭僅占5%（見圖1）。居民家中空調等電器設備保有量較低的事實也與相應的調查年鑒數據（2018年昆明市城鎮居民每百戶耐用消費品擁有情況中，空調4.14 臺）的現狀類似[5]。

圖1 家庭用能設備類型與占比Fig.1 Types and proportions of household energy consumption equipments

而同一項調研中居民對于夏季無空調和冬季無供暖的滿意度反饋中發現，昆明市居民對夏季無空調現狀滿意度較高，居民對住宅室內熱環境可接受、較滿意和滿意的比例為94.5%；而居民對冬季住宅室內熱環境較不滿意和不滿意比例超過35%，說明昆明市居住建筑也有一定的供暖需求（見圖2）。加之近年來短時極寒天氣頻發，居民會臨時選擇使用電取暖器、暖風機（扇）、地面輻射供暖等取暖設施和系統，導致供電負荷會急劇上升，如調研中發現，昆明市擁有取暖器的家庭占比為49%[6]。

圖2 用戶對夏季無空調、冬季無供暖滿意度調研Fig.2 User Satisfaction survey of no air-conditioning in summer and no heating in winter

因此，在溫和地區有供暖需求且國家能源總量控制的前提下，制定相應的供暖政策和因地制宜的發展和推廣供暖策略，是切實提高區內人員熱舒適性和人民獲得感的現實性和前瞻性課題。

1 溫和地區冬季采暖的熱源

溫和地區居民受氣候條件、經濟水平、風俗習慣等各方面的影響，更加關注采暖的舒適性與經濟性等邊際效益。溫和地區對采暖設施的選擇較為單一、嚴重依賴設備從而忽視了建筑物自身構造、圍護結構的作用。因此下文對各種供暖方式進行簡要的介紹和分析，通過定性的手段對適合溫和地區氣候條件和人民需求的采暖設施與系統進行探討。

1.1 加強圍護結構保溫

溫和地區氣候條件溫和，冬季最低平均氣溫小于5℃的天數不超過90 天，因此，適當增強圍護結構保溫性能，是改善冬季室內熱環境較為簡易可行和行之有效的方法之一。溫和地區夏季主要采用開窗進行自然通風等被動式手段來消除室內冷負荷，所以過低的圍護結構傳熱系數也會嚴重影響夏季溫和地區建筑通過圍護結構進行散熱的過程。因此，應當選擇保溫性能適當的圍護結構材料。此外，為了滿足夏季自然通風的需要，溫和地區建筑窗墻比較大，導致冬季冷風滲透情況比較嚴重，因此，在提高外墻保溫性能的前提下，還應采取提高窗戶保溫性能的措施，如采用雙層玻璃、加強窗框的氣密性等。

1.2 被動式太陽能技術

溫和地區太陽輻射強度較高，日照時間長，地表上空大氣密度小且厚度薄，具有豐富的太陽能資源。全年太陽高度角變化不大，冬夏半年太陽可照時數差別小，因此云南全年太陽輻射分配較均勻，省內年平均太陽能輻射能相當于731.5322ton/a 的標準煤。因此，在溫和地區采用被動式太陽能技術可作為高效且經濟的供暖方式。

被動式太陽能利用是借助于建筑本身的合理設計將太陽能吸收、存貯、再分配，通過規劃設計、形體以及空間布局、被動式采暖及降溫技術和材料的合理搭配，使建筑不依靠機械而以自然方式利用太陽能。

考慮到溫和地區的氣候條件、經濟水平及風俗習慣，造價高昂、維護費用較高、技術水平復雜的整體被動式太陽能建筑在云南普適性不強，因此，本文僅就被動式太陽能建筑中針對采暖的被動式太陽能采暖技術（直接受益式、集熱蓄熱墻式和附加陽光間式）進行討論。

直接受益式是指冬季陽光直接通過透光材料進入室內的采暖方式。大部分太陽能被蓄熱體吸收、儲存并轉換成長波輻射，從而使房間空氣溫度升高[7]。這種最基礎的利用太陽能的方式需要考慮到兩個問題：一個是透光材料對太陽輻射的透射率要高，二是墻面、地面、屋面等主要蓄熱體的蓄熱性能要好。直接受益式的優點是：采暖方式簡單、造價低廉、兼顧采光的同時確保采暖，缺點是室內溫度波動較大、調節主要依靠室外天氣條件且如果不添加遮陽設施會嚴重影響夏季室內熱環境的營造，導致夏季室內過熱的情況。

集熱蓄熱墻式又稱特倫布墻，指利用建筑南向立面外涂高吸收系數的無光深色涂料并以密封玻璃覆蓋而成。特倫布墻具有較好的蓄熱能力，因此房間溫度波動最小、舒適感好。為了增加太陽能的吸收率，南向集熱墻表面需要涂黑，涂料的耐用性也值得商榷，建筑立面的處理難度很大。

附加陽光間式是在建筑南向用透光材料建造的能夠封閉空間，并用蓄熱墻（也稱公共墻）將與陽光間領近分隔，墻上開有門窗。白天太陽輻射加速了陽光間與鄰近房間的空氣對流循環，原理類似于集熱蓄熱墻式，只是夾層加寬[8]。它的優點是本身可以作為起居空間和溫室來使用，提高了空間利用效率，作為室外和室內溫度條件的緩沖空間，有效地減少了室內環境的熱損失。

1.3 空氣源熱泵

空氣源熱泵是一種利用高位能使熱量從低位熱源空氣流向高位熱源的節能裝置?？諝庠礋岜冒慈萘糠诸惪煞譃閮深悾阂活愂谴?、中型空氣源熱泵冷熱水機組，另一類為分體式空氣-空氣熱泵。前者制熱運行時冷凝器多采用以水作為載熱介質的殼管式換熱器，通過水系統二次換熱向用戶供熱，后者多采用風冷式翅片管冷凝器直接向供熱環境散熱[9]。在早些年的實際使用過程中，兩種熱泵的工作狀況并不理想，主要是因為室外冷凝器存在不同程度上的結霜和除霜現象，從而使得機組出現能源浪費與COP 急劇降低的不利現象。近年隨著熱泵除霜性能的提升，空氣源熱泵成為溫和地區冬季采暖的較佳選擇。

日本學者對不同空氣源熱泵機組的試驗研究表明，空氣源熱泵在-6℃～5℃之間，相對濕度（RH）在65%以上的氣象條件下運行其室外換熱器表面是最容易結霜的。影響空氣源熱泵室外換熱器結霜現象的主要氣象參數是溫度和相對濕度，溫度越低，相對濕度越大，室外換熱器表面就越容易結霜。而溫和地區冬季具有相對濕度較低的特點，昆明冬季氣溫＜5℃的天數≤90d，相對濕度一般不超過60%。溫和地區冬季氣候適宜，“不易結霜”這一溫和地區得天獨厚的優勢氣候條件仍然為空氣源熱泵產業在當地的發展創造了較大的空間。

1.4 主動式太陽能技術

利用太陽能的方式除了前文中的被動式技術，還包括一系列主動式技術。主動式太陽能供暖技術的主要手段就是通過太陽能集熱器將太陽能轉化成熱能，并采用不同的儲能技術將熱量存儲起來再加以使用。

太陽能供熱采暖系統是指將太陽能轉換成熱能，供給建筑物冬季采暖和全年其他用熱的系統，系統主要部件有太陽能集熱器、換熱儲熱裝置、控制系統、其他能源輔助加熱/換熱設備、泵或風機、連接管道和末端供熱采暖系統等。太陽能集熱系統是太陽能供熱采暖系統的主要組成部分，而太陽能集熱系統又分為直接式太陽能集熱系統（在太陽能集熱器中直接加熱水供給用戶的太陽能集熱系統）和間接式太陽能集熱系統（在太陽能集熱器中加熱液體傳熱工質，再通過換熱器由該種傳熱工質加熱水供給用戶的太陽能集熱系統）[10]。

太陽能集熱器是一種吸收太陽輻射能的裝置，通過吸收一定波長的太陽輻射，將太陽輻射轉化為其他形式的能量，集熱器種類很多，對于不同類型的集熱器，其轉換太陽能的能力是不一樣的。對于不同的太陽能集熱器，其形狀大致可分為管狀、平板、管板結合類型。真空管集熱器是結構最簡單也最基礎的集熱器，在此基礎上又改進出了U 型管和熱管真空管集熱器，他們的使用特點是：熱效率高、可水平安裝、安裝簡單。平板集熱器相對于管狀集熱器來說，它具有良好的抗壓能力，形態結構簡單靈活，易于安裝和維護，被廣泛應用于建筑一體化集成應用，同時平板集熱器具有熱效率高、性能穩定等特點。在太陽能低溫利用領域占有很大的市場，是太陽能光熱采暖利用系統的重要組成部件[11]。

對溫和地區來說，應用上述的以集熱系統為主要組成部分的太陽能供熱采暖系統具有先天的優勢，除了溫和地區太陽能資源豐富之外，也正是由于這個原因——民眾本身已經廣泛利用太陽能集熱裝置進行生活熱水的供應。這代表溫和地區人們對這項技術本身的認可度和接受度較高，這為主動式太陽能技術在溫和地區的推廣創造了極為有利的條件，這意味著只需要更換更大的集熱器系統或者在原有集熱器系統的基礎上加裝控制系統、其他能源輔助加熱設備、泵或風機、連接管道和末端供熱采暖系統就可以實現利用太陽能進行采暖活動，大大降低了工程的投資和成本。

2 溫和地區冬季采暖的末端

不同的采暖末端系統所適配的熱源系統不同，相應的，每種末端系統提供的熱舒適感也有所區別。接下來，將分別介紹散熱器采暖系統、低溫熱水地板輻射采暖系統和水-空氣處理系統三種采暖末端系統的用能特點、所營造的室內熱環境以及相應的人體的熱舒適感。

2.1 散熱器

散熱器的采用主要對應的是集中供暖系統。集中供熱鍋爐容量大、熱效率高、經濟性和供熱質量好，污染物排放處理設施完備、處理效果好、環境污染較小。然而，集中供暖模式龐大的供熱管網、基礎投資大、輸配能耗高、調節不靈便、不能適應在時空上復雜多變的供熱負荷。

北方集中供暖系統存在以下常見問題：能耗高；室內熱環境高溫低濕，健康舒適水平不高；運行管理方式簡單，用戶自決權小，不能滿足不同家庭、不同個體的個性化需求；投資大，計量收費很難公平合理。很明顯，北方集中供暖體系不適合溫和地區的社會模式和節能減排，它會與在市場經濟條件下高速發展的多樣化的供暖需求產生諸多難以解決的矛盾和問題。溫和地區不能照搬北方集中供暖方式，應基于現代科學技術建立新型的供暖體系，它應是健康的、舒適的、高效能的，以及社會環境友好的。

散熱器只能調溫不能調濕，難以進一步提高室內熱環境的健康舒適水平。多消耗能源將室溫由18℃提高到20℃甚至更高，雖然冬季在室內的穿著可以像夏天一樣單薄，但是由于相對濕度的進一步下降（低于30%），室內過于干燥，反而使舒適度下降。從南方到北方生活的人尤其不適應[12]。

2.2 低溫熱水地板輻射采暖系統

低溫地板輻射采暖是一種利用建筑物內部地面進行采暖的系統，以低溫熱水做熱媒，通過埋設與地板內的管材加熱，實現大面積均勻地向室內人體、家具及四周圍護結構進行輻射換熱，輔以對流換熱來達到加熱室內空氣，從而使其表面溫度提高，造就一種符合人體舒適要求的室內熱環境。

低溫熱水地板輻射供暖方式能夠有效地利用低溫能源，具有熱性能穩定、室溫均勻、舒適、節能、免維護、管理方便等特點，是一種理想地供暖方式，它與散熱器供暖方式有以下差別和優勢：地板采暖比散熱器采暖更節能，設計室溫可比暖氣采暖方式低；人體感覺更加舒適；水平溫度分布比散熱器采暖方式更均勻，沒有較大的波動；室內風速比散熱器采暖方式要小得多；地板采暖方式的熱源熱儲量比散熱器采暖方式大得多，室內溫度更穩定[13]。

2.3 常見風系統末端設備

風機盤管屬于中央空調系統末端。盤管內冷凍水或熱水時與管外空氣換熱，使空氣被冷卻、除濕或加熱來調節室內的空氣參數。它往往是針對集中式供熱系統的一種末端裝置，常常被應用到前文提到的空氣源熱泵或者冷熱電三聯供系統中。定風量系統為空調機吹出的風量一定，以提供空調區域所需要的冷（暖）氣。當空調區域負荷變動時，則以改變送風溫度應付室內負荷，并達到維持室內溫度與舒適區的要求。常用的中央空調系統為空調機與冷水管系統。這兩者一般均以定風量來供應空調區，為了應付室內部分負荷的變動，在空調機定風量系統以空調機的變溫送風來處理，在一般風機盤管系統則以冷水閥開關控制來調節送風溫度。變風量系統是送風狀態不變，用改變風量的辦法來適應負荷變化。風量的變化可通過專用的變風量末端裝置來實現，末端裝置可分為節流型、旁通型和誘導型。變風量系統根據室內負荷變化或室內要求參數的變化，保持恒定送風溫度，自動調節空調系統送風量，從而使室內參數達到要求的全空氣空調系統。

這幾種供暖的末端裝置的優勢是裝置結構簡單，成本低廉，能夠有效地控制室內溫度，但對于溫和地區來說，由于普通民用建筑中夏季對空氣調節的需求主要靠自然通風來實現，因此，這就意味著這幾種風系統末端裝置全年利用率較低，投資回收期較長。所以應當考慮應用在使用集中供暖系統的大型公共建筑中。

3 結論

本文通過對溫和地區的地理和氣候環境特點分析，結合文獻綜述得出溫和地區存在一定的供暖需求。之后根據溫和地區適合的采暖冷熱源和末端設備，分析溫和地區可行的供暖技術策略。

溫和地區建筑應普遍采取通過透光材料接受太陽能輻射和提高圍護結構蓄熱能力等直接受益式的被動式太陽能技術提高冬季室內熱舒適度。此外，可根據建筑類型進行以下形式的補充。對于大型公共建筑來說，可以采用冷熱電三聯供—風機盤管、冷熱電三聯供—變風量系統、冷熱電三聯供—地板輻射供暖、空氣源熱泵—變風量系統等熱源與末端組合的形式進行采暖。對于普通居住建筑來說，可以采用空氣源熱泵—地板輻射供暖、太陽能集熱器系統—地板輻射供暖、普通家用分體式空調等熱源與末端組合的形式進行采暖。

由于篇幅的限制，本文僅從技術特點與建筑用能需求的角度對適宜溫和地區的采暖技術進行了簡單的討論和分析。從工程技術的實施與落實上來說，還要從政策規范、能耗模擬、成本控制、用能特點、運維管理模式等多角度進行深入透徹的探討與研究。因此，今后在對這一問題的研究中，還要從細節入手，更加貼合實際，深入細致地研究出一條適宜溫和地區的供暖技術發展路徑。