發布時間：2021-11-30所屬分類：建筑師職稱論文瀏覽：1次
摘 要： 摘要 夏熱冬冷地區作為建筑熱工設計的氣候分區，主要著眼于室外空氣干球溫度，不能作為暖通空調系統設計的氣候分區。根據 GB507362012《民用建筑供暖通風與空氣調節設計規范》中規定的室內熱舒適等級標準，利用焓濕圖將室外空氣狀態劃分為9個區。對夏熱冬冷地區9個代表
摘要 夏熱冬冷地區作為建筑熱工設計的氣候分區，主要著眼于室外空氣干球溫度，不能作為暖通空調系統設計的氣候分區。根據 GB50736—2012《民用建筑供暖通風與空氣調節設計規范》中規定的室內熱舒適等級標準，利用焓濕圖將室外空氣狀態劃分為9個區。對夏熱冬冷地區9個代表城市的全年室外空氣熱濕狀態在焓濕圖上9個區內的分布時數進行了統計分析，并分析了各代表城市室外空氣熱濕狀態的年變化過程，初步得到了夏熱冬冷地區全年的季節構成與劃分。進一步分析了東西氣候差異，為了更有針對性地研發和應用建筑熱環境控制技術及提高能效，宜將夏熱冬冷地區劃分為東、西2個暖通空調氣候區，東區為平原氣候區，西區為山地氣候區。
關鍵詞 夏熱冬冷地區 室內熱舒適 室外空氣熱濕狀態 暖通空調氣候分區 節能率
1 夏熱冬冷是建筑熱工設計的氣候分區概念
夏熱冬冷地區本身屬于建筑熱工設計的氣候分區。建筑熱工氣候分區的氣候要素是室外空氣干球溫度。以累年最冷月(即1月)和最熱月(即7月)平均溫度作為分區主要指標，以累年日平均溫度不高于5 ℃和 不 低 于25 ℃的天數作為輔助指標。建筑熱工設計分區將最冷月平均溫度為0～10 ℃，最熱月平均溫度為25～30 ℃，日 平 均 溫 度≤5 ℃的天數為0～90d，日平均溫度>25 ℃的天數為40～110d的區域劃分為夏熱冬冷地區[1]。
建筑熱工設計分區是基于建筑熱工設計的氣候適應性，主要著眼于室外空氣干球溫度，通過其作用于建筑外圍護結構對室內熱環境的影響，尋求適宜的建筑熱工設計。由于建筑熱工設計分區未考慮暖通空調系統的氣候適應性及建筑設備節能的 要 求，因 此 不 能 作 為 暖 通 空 調 設 計 的 氣 候 分區[2]。
2 室內熱舒適等級
室內熱環境質量的主要標識參數，除了干球溫度之外，還有一個非常重要 的 參 數———相 對 濕 度。健康舒適的室內熱環境在要求干球溫度的同時，也要求適度范圍的相對濕度，超出這個范圍，對人體健康和舒適會造成各種不同程度的危害。但是建筑熱工設計在調整室內空氣相對濕度上的作用很小。
GB50736—2012《民用建筑供暖通風與空氣調節設計規范》用干球溫度的上下限(tgn1，tgn2)和相對濕度的上下限(φn1，φn2)確定了室內環境熱舒適的區域。室外空氣的熱濕狀態(干球溫度tgw、相對濕度 φw)與這個熱舒適區域的相對關系，體現了其對建筑熱環境產生影響的程度，也是暖通空調必須適應的主要室外氣候條件，決定著暖通空調的能耗。
夏熱冬冷地區各代表城市全年室外空氣溫度和相對濕度的分類累積時數分別如表1，2所示。
分析表1可知：按一級熱舒適標準，各代表城市室外氣溫處于舒適溫度區的全年累積時數只占13.8%～18.4%，超出舒適溫度區上限的也僅占10.7%～23.3%，全年低于下限的累積時數占比高達62.3%～71.9%;若按二級熱舒適標準，處于舒適溫度區 的 全 年 累 積 時 數 占 比 增 加 到 34.4% ～41.1%，超 出 上 限 的 減 少 為5.5%～15.7%，低 于下限的減少為47.8%～53.8%。
僅從溫度分析，夏熱冬冷地區各代表城市的室外空氣干球溫 度，全 年50%左右的時數低于熱舒適標準的下限，造成通過建筑圍護結構的傳熱損失和通風熱損失，需要供暖維持室內溫度處于熱舒適區內，只有15%的累積時數需要供冷維持室內熱舒適。如果僅從干球溫度分析，影響夏熱冬冷地區熱舒適的主要因素是室外低溫而不是高溫。這顯然與生活感受和工程實踐不一致。
分析表2可知：按一級熱舒適標準，各代表城市室外空氣相對濕度處于熱舒適區的累積時數只占9.6%～20.6%，超過熱舒適區上限、處 于 高 濕狀態的累積時 數 占 比 高 達77.5%～90.3%，而 低于下限、處于低濕狀態的只占0.06%～1.86%，突顯了夏熱冬冷地區是高濕氣候區;若按二級熱舒適標準，各代表城市室外空氣相對濕度處于熱舒適區的累積時數占 比 增 加 為21.4%～35.7%，處 于 高濕狀態的累積 時 數 占 比 下 降 為64.4%～78.6%，仍表明該地區是高濕氣候區。
3 夏熱冬冷地區建筑節能率的計算
對比一、二級熱舒適標準，二級將舒適 區 的 溫度范圍從22～26℃擴大到18～28℃，各代表城市室外溫度處于舒適區的累積時數就增加為一級標準的2.4倍左右。同理，符合二級標準的相對濕度累積時數為一級標準的1.6～2.2倍。
降低熱舒適標準可以明顯降低暖通空調能耗，但這降低的能耗能叫節能量嗎?
降低熱舒適標準造成的室內熱環境質量下降，由此而產生的損失很難客觀評價，更難量化。但是建筑節能的 初 衷 是 改 善 熱 環 境 質 量，提 高 居 住 水平。從以人為本的基本原則和節能標準的總則來講，降低熱舒適標準而降低的暖通空調能耗不能稱之為節能量。
在提高熱舒適標準的條件下，如何提高建筑節能的節能率?這是個尚未取得共識的難題。解決這一難題，需先認識夏熱冬冷地區建筑節能的歷史背景和特點。
我國建筑節能是在20世紀80年代從北方供暖地區開始的，節能的重點是供暖能耗，計算節能率的基準是當時建筑的供暖能耗(按JGJ37—87《民用建筑設計通則》設計的建筑的供暖能耗)。到20世紀90年代末，要在夏熱冬冷地區開展建筑節能時，由于當時該地區建筑既不供暖，又無空調，維持室內熱環境的能耗幾乎為零，這使節能率無從計算，也無從決定該地區的建筑節能技術路線和體系。為了解決這一問題，當時的《夏熱冬冷地區居住建筑節能設計標準》編制組提出了解決思路：首先確定夏熱冬冷地區居住建筑所應達到的室內熱環境質量標準，然后計算當時的建筑(也是按JGJ37—87《民用建筑設計通則》設計的建筑)維持應達到的室內熱環境質量標準所需的暖通空調能耗，作為節能計算的基礎。按照50%建筑節能率計算出節能建筑的能耗指標，根據這一能耗指標，確定了節能建筑的技術體系(建筑、建筑熱工和暖通空調設備)。現在修編《夏熱冬冷地區居住建筑節能設計標準》，面臨著2個變化：其一，該地區社會經濟發展水平由當年的“溫飽”提升到“小康”水平，室內熱環境質量標準需要提高;其二，全國建筑節能的節能率已提升到75%，并向近零能耗建筑推進，修編后的《夏熱冬冷地區居住建筑節能設計標準》的節能率也要求提升。該怎樣確定修編后的節能技術路線和體系呢?
筆者建 議：計 算 節 能 率75%的 基 礎 建 筑 與 原節能率50%的基礎建筑相同———仍是按JGJ37— 87《民用建筑設計通則》設計的建筑，室內熱環境質量達到文獻[3]規定的一級熱舒適標準;以基礎建筑維持一級 熱 舒 適 水 平 所 消 耗 的 能 量 為 基 礎，按75%的節能率，計算出修編后的節能建筑的能耗限額，進而確定其節能技術路線和體系。
4 室外空氣熱濕狀態分析
夏熱冬冷地區各代表城市全年室外逐時溫濕度 如圖1所示，可以看出，全年高相對濕度是這些城市共同的氣候特點。從表1和表2還可看出，該地區城市的高相對濕度對應的溫度區間較廣，可分為高溫高濕、中溫高濕、低溫高濕3類，這是另一個共同的氣候特點。
為了進一步分析該地區有關建筑熱環境和暖通空調能 效 的 氣 候 特 點，在 焓 濕 圖 (h-d 圖)上 用t=tgn1，t=tgn2，φ=φn1，φ=φn2這4條 線，展 示 出 文獻[3]規定的熱舒適區域 O。同時這4條線也將區域 O 外的部分分割為 A～H 等8個 分 區，各 分 區的空氣熱濕狀態與命名如圖2所示。
如果只從干球溫度分析，圖2的9個分區可聚類為溫度超過 上 限 的 高 溫 區(A+B+C)，溫 度 在上下限之間的舒適溫 度 區(H+O+D)，溫 度 低 于下限的低溫區(G+F+E)。統 計 各 代 表 城 市 全 年圖2 空氣熱濕狀態分區圖8760h的室外空氣溫度屬于各區的累積時數，結果如表3所示。
由表3可以看出：在溫度和相對濕度的聯合限定下，各代表城市室外空氣的熱濕狀態(溫度、相對濕度)處于舒適區內的累積時數，較之單參數(溫度或相 對 濕 度)限 定 下 明 顯 減 少，僅 占 1.07% ～2.43%(一 級)或5.43%～10.58%(二 級)。各 代表城市在各狀態分區的累積時數分布具有很好的一致性。依累積時數從多到少排列，前兩位依次為低溫高濕區E和中溫高濕區D，二者之和占全年時數(8760h)的59.6%～75.4%(二級)，這表明高濕度的室外空氣狀態主要關聯著中、低溫度區(t≤ 28 ℃(二級)或t≤26 ℃(一級))。這是需要新 風機組處理的出現頻率最高的新風熱濕狀態。而設計工況中對應的高溫高濕的空氣狀態(C 區)出 現的時間 只 占 7.7% ～17.1% (一 級)或 1.4% ～6.4%(二級)，按照一級標準考慮，也不超過20%。影響全年新風機組總能耗的是熱濕狀態處于中、低溫的高濕空氣。
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處于低溫高濕狀態(E 區)的 空 氣 處 理 到 舒 適區的基本過 程 是 等 濕 加 熱;而 處 于 中 溫 高 濕 狀 態(D區)的空氣處理到舒適區的理想過程是等溫除濕。但目前該地區居住建筑使用的新風處理技術及設備，最普遍、最成熟的是降溫除濕，將新風溫度降到其露點溫度以下，凝結除濕。這一過程使處于D區的新風溫度降得過低，而在中溫高濕的室外條件下，建筑圍護結構向室內的傳熱量小，室內又沒有足夠的熱量使新風進入室內后溫度明顯上升，因此造成室內溫度偏低。
5 各代表城市室外空氣熱濕狀態的年變化過程
分析各代表城市逐月室外空氣熱濕狀態的分區累積時數，發現有如下共同特點：10，11，12，1，2，3，4月空氣熱濕狀態主要處于 E區(低溫高濕);6，7，8月主要 處 于 C 區 和 D 區(高溫高濕和中溫高濕);5月是從 E區向 C，D區的過渡月，9月則是從C，D區向 E區的過渡月。
一年中室外空氣熱濕狀態主要處于 E 區的時間長達7個月之久，該時段內室外空氣溫度都低于舒適區的溫度下限，而相對濕度都高于舒適區的上限。從維持室內熱環境和降低能耗角度考慮，需要更深入地剖析這個區域中的空氣熱濕狀態與建筑室內熱濕狀態的關聯情況。
10，11 月，由 于 大 地 積 累 的 太 陽 輻 射 熱 的 作用，室外空氣溫度不是直線下降，而是在波動中下降。此時，盡管在夏季空調的作用下，室內空氣溫度仍處于熱舒適區，但是在熱舒適區的上半部(23～26 ℃)。經過一個夏季強烈的太陽輻射和高溫作用，建筑本體還蓄積著夏季的熱量，室內人員、設備散熱有待排除。這時維持室內熱舒適有2條技術路線：其一，繼續運行空調系統;其二，通風引入處于 E 區的室外空氣，其含濕量在5.2～14.8g/kg之間(與室內相同)，其與室內空氣之間有4～10 ℃的溫差，3h-1及以上的通風量可以帶走室內余熱，維持熱環境舒適標準。因此宏觀上可將10，11月作為暖通空調的通風季節。至于一座城市、一棟建筑，乃至一套住房的通風季節的起止日期是有差別的。
12，1，2月，自然季節進入冬季，室外空氣溫度降到10 ℃及以下，含濕量也降到7.6g/kg以下。而建筑本體夏季積蓄的熱量，經10，11月的通風已基本 散 盡，室 內 人 員、設備散熱不足以穩定室溫。若不供暖，室內空氣溫度將降至舒適區以下，室內含濕量為5.3～10g/kg。這時室內外傳熱溫差可達10 ℃以上，必須供暖才能彌補圍護結構的散熱和通風造成的熱損失，但無需加濕和除濕，室內相對濕度都能保持在舒適范圍內。這就是夏熱冬冷地區的供暖季節(12，1，2月)。
3，4 月，室 外 空 氣 熱 濕 狀 態 雖 仍 主 要 處 于 E區，但空氣溫度已上升到15℃及以上，并有部分處于舒適區 O。由于大地的水分蒸發尚弱，室外空氣中的含濕量在8～12g/kg左右。這時建筑內外溫差只有5℃左右，圍護結構散熱少。此時可以將室外空氣直接引入室內，維持室內空氣質量。因此，3，4月也是一個通風季節。
這2個通風季節存在一個重要的區別：夏季之后的通風季節，室外空氣進入室內的熱濕狀態變化過程是升溫過程;春季的通風季節則是等溫或降溫過程。
5月是室外空氣熱濕狀態變化最豐富的月份，如南京室外空氣熱濕狀態從 A 區到 O 區都有，變化稍少的 長 沙 也 有 5 個 熱 濕 狀 態 區 (B，C，D，E，O)。由于自 然 熱 濕 作 用 增 強，室 外 空 氣 中 水 蒸 氣含量超過室內的時數增多，產生了間歇的新風除濕要求。
6月，室外空 氣 熱 濕 狀 態 處 于 E，C，D 區 的 累積時數達到70%及 以 上，而 建 筑 和 室 內 物 體 的 表面溫度尚處于室外空氣的露點溫度及以下，室外空氣直接進入室內會產生冷凝結露，造成室內潮濕。為了維持室內環境健康、舒適，需要較長時間持續地對新風作除濕處理。
因此，5，6月盡管室外空氣溫度適宜，但由于濕度高，不能列為通風季節，應劃為該地區的除濕季節。
7，8月是夏熱冬冷地區太陽輻射最強的時期。在強烈的太陽輻射作用下，室外空氣熱濕狀態主要處于高溫高濕的 C 區和高溫中濕的 B 區，干 球 溫度遠高于舒適區上限，露點溫度高于室內舒適區的露點溫度，新風需降溫除濕后才適宜送入室內。同時強烈的太陽輻射通過圍護結構將熱濕驅入室內形成熱濕負荷。這是典型的空調季節。9月為空調季節向通風季節的過渡期，太陽輻射作用減弱，高溫高濕的空氣狀態明顯減少，具有與10，11月相似的特點，可作為暖通空調的通風季節。
夏熱冬冷地區全年的季節構成與劃分見表4，全年沒有需要加濕的季節。
6 東西氣候差異
在空調普及前，“夏熱”“火爐城市”是該地區最著名的氣候特點。形成這一氣候特點的原因是全球氣候系統———太平洋副熱帶高壓的強大控制力。每年的7，8月，整個夏熱冬冷地區都在其控制下，表現出強烈的太陽輻射、高溫高濕的共同特點。夏熱冬冷地區各代表城市7月的氣候要素見表5。
7月前、8月后的10個月，沒有了太平洋副熱帶高壓的控制，酷暑的共性隱去，該地區表現出東西氣候差異，主要表現在冬季的太陽輻射和室外空氣溫度。夏熱冬冷地區東西部分屬西南地區山城和長江中下游平原。西部的山地氣候與東部的平原氣候形成了西部冬季氣溫高、太陽輻照弱，東部冬季氣溫低、太陽輻射強的氣候差異。夏熱冬冷地區各代表城市1月的氣候要素見表6。
以西部的重慶、東部的南京為例，對比分析其室外逐時空氣熱濕狀態的累積時數分布，如表7所示。可以看出：重慶的 B，D，E 區累積時數大于南京，A，F，G，H，O 區累積時數小于南京，即重慶的高溫中濕、中溫高濕和低溫高濕狀態多于南京，而低濕、低溫中濕及熱舒適狀態少于南京。低溫時數(E+F+G)重慶為5494h，南京為5935h;高溫時數(A+B+C)重慶為1652h，南京為1613h。相比 之 下，南 京 比 重 慶 中、低 氣 溫 稍 多，濕 度 也 偏低，熱舒適時數稍多，高溫時數相近。另外，對比南京和重慶除濕 季 節(5，6月)的室外空氣熱濕狀態累積時數分 布 可 知，南 京 的 中 溫 高 濕 和 低 溫 高 濕(D+E)時數共有952h，重慶有968h，二者相當;4月南京的低 溫 高 濕(E)時 數 有523h，重 慶 有525h，亦相 當。表 明 除 濕 季 節 (梅 雨 季 節)東 西 區 類似。
隨機性大的天氣要素的統計規律與穩定性強的氣候要素相關。該地區夏季氣候特點相同，是由大氣氣象系統太平洋副熱帶高壓造成的。冬季東部日照好、氣溫低，西部日照差、氣溫高則是由東、西部的地形不同而導致的。春秋季沒有太平洋副熱帶高壓的作用，受西部山地、東部平原的差異性影響，東部晴朗天氣多，寒潮作用強，西部陰雨天氣多，寒潮作用弱，氣溫較穩定。這些差異都會對暖通空調的技術路線與方案產生重要影響。太平洋副熱帶高壓的作用時間主要是7，8月;除濕季節為5，6月;全年其余8個月時間東、西部 都 呈 現 出 平原氣候與山地氣候的差別。為了更有針對性地研發和應用建筑熱環境控制技術及提高能效，宜將夏熱冬冷地區劃分為東、西2個暖通空調氣候區，東區為平原氣候區，西區為山地氣候區，見圖3。
7 結論
1)利用空氣溫度和相對濕度2個參數，借助焓濕圖，提出了一種新的室外空氣狀態分析方法。
2)通過對夏熱冬冷地區9個代表城市全年室外空氣熱濕狀態在焓濕圖上9個分區內的分布時數進行統計與分析，以及對夏熱冬冷地區城市室外空氣熱濕狀態全年變化過程的特性分析，初步得到了夏熱冬冷地區全年的季節構成與劃分，可供暖通空調系統設計參考。
3)通過對夏熱冬冷地區東、西部城市氣候差異的進一步分析，認 為 宜 將 夏 熱 冬 冷 地 區 劃 分 為東、西2個暖通空調氣候區，東區為平原氣候區，西區為山地氣候區，以便更有針對性地研發和應用建筑熱環境控制技術，進而提高暖通空調設備和系統能效。——論文作者：付祥釗、丁艷蕊
參考文獻：
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