清華大學(xué)建筑節(jié)能研究中心    郭偲悅  燕達  張野
北京市建筑設(shè)計院    崔瑩

       【摘  要】氣候分區(qū)是暖通空調(diào)設(shè)計的重要依據(jù),。對應(yīng)不同的氣候分區(qū)，各類建筑的負荷特征各不相同,，對應(yīng)不同的建筑本體與圍護結(jié)構(gòu)設(shè)計方案,。我國傳統(tǒng)上根據(jù)最冷與最熱月的平均溫度將我國分為了五個氣候區(qū)；在2014年頒布的設(shè)計規(guī)范中,，則在這五個氣候區(qū)的基礎(chǔ)上增加了基于采暖與供冷度日數(shù)的分區(qū)方法,，將我國在五個大氣候區(qū)的基礎(chǔ)上將我國分為了11個二級氣候區(qū)。目前,，基于度日數(shù)進行氣候分區(qū)是許多國家采用的分區(qū)方法,。本研究擬針對這一種方法，基于實際氣象觀測數(shù)據(jù),，對我國目前的二級分區(qū)標準與同樣是根據(jù)度日數(shù)進行分區(qū)的美國ASHRAE標準進行比較,，對目前方法的合理性與局限性進行討論。此外,，對由于氣候變化導(dǎo)致的氣候分區(qū)變化進行了初步討論,。

       【關(guān)鍵詞】氣候分區(qū) 度日數(shù) 中美對比 氣象數(shù)據(jù)

1 研究背景

       室外氣象是決定建筑運行能耗的重要因素之一。不同的氣象條件導(dǎo)致了不同的負荷特性,，因而需要不同的圍護結(jié)構(gòu)與系統(tǒng)形式與之匹配,，從而使用盡可能少的能源消耗營造更好的室內(nèi)環(huán)境。而為了更好地進行標準與相關(guān)政策的制定,，有必要根據(jù)各地氣候特點進行針對建筑熱工特征的氣候分區(qū),。

       我國1993年頒布的《民用建筑熱工設(shè)計規(guī)范（GB 50176-93）》^[1]中，根據(jù)各地的最冷與最熱月的平均溫度,，將我國分為了嚴寒,、寒冷、夏熱冬冷,、夏熱冬暖五個氣候區(qū),。進一步地，基于這些氣候區(qū)的劃分,，針對不同的符合需求,，制定了各個氣候區(qū)的建筑設(shè)計規(guī)范與手冊，以及建筑節(jié)能的相關(guān)政策。比如,，在嚴寒與寒冷地區(qū),，冬季采暖是主要需求。在過去的二十年中,，通過加強圍護結(jié)構(gòu)保溫，單位平米的建筑耗熱量顯著下降,，對建筑節(jié)能工作做出了巨大的貢獻^[2],。然而，我國幅員遼闊,，氣候極為多樣,，僅僅分為五個氣候區(qū)并不能很好地體現(xiàn)各種氣候特征的差別。隨著建筑節(jié)能工作的不斷推進,，精細化設(shè)計需求不斷提升,，有必要對各個氣候區(qū)進行進一步的劃分。因此,，在2016年頒布的《民用建筑熱工設(shè)計規(guī)范（GB 50176-2016）》^[3]中,，在保留了93年的五個一級分區(qū)的基礎(chǔ)上，又增加了基于采暖度日數(shù)（HDD18）與空調(diào)度日數(shù)（CDD26）的二級分區(qū),。在標準中,，基于不同的度日數(shù)情況，我國共被分為11個二級分區(qū),，其中嚴寒地區(qū)有3個分區(qū),，寒冷地區(qū)、夏熱冬冷地區(qū),、夏熱冬暖地區(qū)與溫和地區(qū)各2個,。

       相對來說，應(yīng)用度日數(shù)來進行氣候分區(qū)是目前全球各國使用最為廣泛的方法^[4],。美國ASHRAE^[5],、英國CIBSE^[6]等都采用了這一方法。其中,，美國ASHRAE的分區(qū)方法不僅在美國使用,，也是許多其他國家制定標準以及相關(guān)研究的主要依據(jù)。與美國的分區(qū)方法相比,，我國的分區(qū)方法使用的指標與各個分區(qū)的界限均存在一定差別,。這些差別反映到各個城市的實際氣候情況中會如何？是本研究擬探討的第一個問題,。

       另一方面,，近年來，全球氣候變化日益顯著。據(jù)世界氣象組織研究,，與工業(yè)化前水平相比,，2015年的全球平均溫升已達到1K標線^[7]。全球變暖一方面導(dǎo)致了平均溫度的升高,，另一方面也導(dǎo)致了極端氣候的增加^[8],。那么，氣候變化是否會對氣候分區(qū)產(chǎn)生影響,？根據(jù)基于美國30年實際數(shù)據(jù)的研究,，發(fā)現(xiàn)在過去的三十年中，基于ASHRAE的分區(qū)標準,，許多城市的分區(qū)都發(fā)生了明顯的變化^[9],。那么，在中國是否也存在這一現(xiàn)象,？這是本研究擬探討的第二個問題,。

2 研究方法

       本研究擬基于1951年至2014年64年的實時氣象數(shù)據(jù)，計算得到各年的度日數(shù)情況,，然后根據(jù)我國2016年標準與美國ASHRAE分區(qū)標準,，比較不同城市在不同年、根據(jù)不同的分區(qū)方法得到的分區(qū)結(jié)果,。

       由于篇幅所限,，本研究根據(jù)不同的一級氣候區(qū)、地理位置分布,、海拔高度,、經(jīng)濟發(fā)展狀況等各方面因素選擇了10個城市作為典型城市進行研究，包括哈爾濱,、烏魯木齊,、北京、拉薩,、西安,、上海、杭州,、廣州,、海口和昆明,。各城市的基本情況如表 1所示,。其中，上海站與西安站由于臺站遷址等原因,，數(shù)據(jù)有所缺失,。上海站的數(shù)據(jù)從1959年開始,，西安站的數(shù)據(jù)到2013年結(jié)束。

表1 典型城市氣象臺站基本信息

       這些觀測數(shù)據(jù)中,，2003年以前的大部分數(shù)據(jù)為四次定時數(shù)據(jù),。本研究首先主要基于《建筑熱環(huán)境分析專用氣象數(shù)據(jù)集》并結(jié)合近年來的相關(guān)研究成果^[10-11]，對數(shù)據(jù)進行了差值處理,，最終得到了63年的逐時數(shù)據(jù),。基于這些數(shù)據(jù),，可以計算逐年的度日數(shù),。

       在我國的標準中，主要根據(jù)HDD18和CDD26進行氣候區(qū)的劃分,；而在美國ASHRAE標準中則使用HDD18和CDD10。因此,，需要同時計算各年的HDD18,、CDD26和CDD10用以分區(qū)與比較。

3 結(jié)果與討論

       基于64年的實際氣象數(shù)據(jù)與中美兩國根據(jù)度日數(shù)的氣候分區(qū)方法,，可以得到本研究中10各典型城市的分區(qū)情況,，如圖 1、圖 2所示,。其中,，在美國的分區(qū)標準中，還應(yīng)當包括HDD18>7000的極地氣候,。由于本研究中的10各城市未有落入這一分區(qū)的情況,，故在圖中沒有標出。

圖1 基于我國國標的分區(qū)結(jié)果

圖2 基于美國ASHRAE的分區(qū)情況

       3.1 中美氣候分區(qū)方法比較

       從采暖度日數(shù)的角度來看,，中美兩國的標準都采用了HDD18作為指標,。這一指標也是各國最為常用的。相比較而言,，當HDD18>4000時,，劃分方法較為接近。當2000<HDD18<4000時,，我國標準均將其計入寒冷地區(qū),，而ASHRAE標準則細分為了混合型和涼爽型氣候；而當HDD18<2000時,，ASHRAE標準僅根據(jù)CDD進行進一步的劃分,，我國標準則進一步將其分為夏熱冬冷與夏熱冬暖各兩個子區(qū)。從各個城市的分區(qū)結(jié)果來看,，由于劃分的差別,，在我國,，北京與西安屬于一個氣候區(qū)，而在ASHRAE標準可以認為處在了兩個氣候區(qū),?？紤]到北京與西安的確存在一定的氣候差別，認為將這兩個城市分到連個氣候子區(qū)存在一定合理性,。另一方面,，盡管ASHRAE標準在HDD18較低時沒有進行進一步的劃分，但由于在較熱的城市,，起主導(dǎo)作用的是熱負荷,，僅根據(jù)熱負荷似乎也可以對不同的城市進行區(qū)分。

       從空調(diào)度日數(shù)來看,，我國采用了CDD26,，美國采用了CDD10。度日數(shù)應(yīng)當從一定程度上體現(xiàn)建筑的負荷需求,，其當室外溫度高于作為基準的溫度,，就認為會對建筑負荷產(chǎn)生影響。從這個角度來說,，CDD26似乎比CDD10更能反映出對應(yīng)與我國僅在覺得熱才開啟空調(diào)設(shè)備的使用方式,。從結(jié)果上看，烏魯木齊的CDD26整體高于昆明,，CDD10則略低于昆明,。但考慮實際情況，烏魯木齊比昆明更需要夏季空調(diào),；此外,，昆明的CDD10從圖上看略小于北京與西安，但實際空調(diào)需求也遠小于這兩個城市,，而使用CDD26可以較為清晰地看出幾個城市的差別,。

       綜上所述，從HDD的角度,，我國與ASHRAE標準都使用HDD18,，我國標準從不同區(qū)域的劃分上可以一定程度上借鑒ASHRAE的方法；從CDD的角度,，我國目前使用的CDD26似乎更為合理,，能夠較好地體現(xiàn)不同城市的差別。

       3.2 由于氣候變化導(dǎo)致的分區(qū)結(jié)果變化討論

       從圖中可以看出,，不論是我國還是ASHRAE的分區(qū)方法,，在過去六十多年中，許多城市都出現(xiàn)在了不止一個氣候區(qū)中,。但對于絕大部分城市,，其大部分年份還是處在同一氣候區(qū)內(nèi)的,。表 2所示為在我國的標準下，10個城市處于不同氣候區(qū)的分布情況,。

表2 典型城市的分區(qū)情況

       進一步分析可以發(fā)現(xiàn),，造成這一現(xiàn)象的主要是由于近年來CDD26的顯著增長，如圖 3所示,。從圖中可以看出,，在不考慮昆明和拉薩CDD26一直極低的情況下，除了烏魯木齊,，其他幾個城市CDD26明顯在近二十年有所增加,。CDD10相對沒有非常明顯的增長趨勢，HDD略有下降,，如圖 4,、圖 5所示。

圖3 典型城市CDD26變化情況

圖4 典型城市HDD18變化情況

圖5 典型城市CDD10變化情況

       圖 6所示為分別使用1951-1984,、以及1985-2014年的氣象數(shù)據(jù)時,，各地的分區(qū)情況。從圖中也可以明顯看出,，在近三十年來，大部分城市變暖的現(xiàn)象是較為明顯的,，并且已經(jīng)從一定程度上影響了氣候分區(qū)的結(jié)果,。因此，在后續(xù)研究中,，如果將氣候變化這一因素加入分區(qū),，是值得深入討論的問題。

（a） 1951-1984

（b）1985-2014
圖6 不同時間尺度下的分區(qū)情況

4 結(jié)論

       本文基于60年的實際氣象數(shù)據(jù),，對我國10個典型城市的基于度日數(shù)的氣候分區(qū)情況進行了討論,，著重分析了我國國標與美國ASHRAE的標準，以及由于氣候變化造成的分區(qū)差異,?；诒疚牡某醪椒治觯J為與ASHRAE方法相比,，我國的分區(qū)方法在空調(diào)度日數(shù)的設(shè)定相對更為合理,，但采暖度日數(shù)的劃分設(shè)定可參考ASHRAE標準進行進一步的優(yōu)化。隨著全球變暖,，我國大部分城市的氣候出現(xiàn)了較為明顯的變化,，這一變化已經(jīng)影響到了氣候分區(qū)，需要在后續(xù)研究中加以重視,。

參考文獻：

       [1]中華人民共和國建設(shè)部.民用建筑熱工設(shè)計規(guī)范[S]. 1993-10-01.
       [2]清華大學(xué)建筑節(jié)能研究中心. 中國建筑節(jié)能年度發(fā)展研究報告2015[M]. 北京: 中國建筑工業(yè)出版社, 2015.
       [3]中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部.民用建筑熱工設(shè)計規(guī)范[S]. 2016-08-18.
       [4]Angelica Walsh, Daniel Costola and Lucila Chebel Labaki. Review of methods for climatic zoning for building energy efficiency programs[J]. Building and Environment, 112(2017): 337-350.
       [5]ASHRAE. 2013 ASHRAE Handbook - Fundamentals [M]. IP Edition. Atlanta: American Society of Heating, Refrigerating and Air-Conditioning Engineers, Inc., 2013: 275-286.
       [6]CIBSE. CIBSE Guide A: Environmental Design 2015 [M]. London: CIBSE, 2015: 46-66.
       [7]Association W M. WMO Statement on the Status of the Global Climate in 2011-2015[J]. 2016.
       [8]IPCC. Climate Change 2013: The Physical Science Basis. Contribution of Working Group I to the Fifth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change[M]. Cambridge, UK and New York, US: Cambridge University Press, 2013.
       [9]Tianzhen Hong1, Wen-Kuei Chang, Hung-Wen Lin. A SENSITIVITY STUDY OF BUILDING PERFORMANCE USING 30-YEAR ACTUAL WEATHER DATA[R]. 2013.
       [10]中國氣象局氣象信息中心氣象資料室,，清華大學(xué)建筑技術(shù)科學(xué)系. 中國建筑熱環(huán)境分析專用氣象數(shù)據(jù)集[M]. 北京: 中國建筑工業(yè)出版社,，2005.
       [11]崔瑩. 暖通空調(diào)設(shè)計及能耗模擬用氣象數(shù)據(jù)研究[D]. 北京: 清華大學(xué), 2017.

       備注：本文收錄于第21屆暖通空調(diào)制冷學(xué)術(shù)年（2018年10月23～27日，中國·三門峽）論文集,。版權(quán)歸論文作者所有,任何形式轉(zhuǎn)載請聯(lián)系作者,。