对夏热冬冷地区暖通空调气候特点的再认识

摘要

夏热冬冷地区作为建筑热工设计的气候分区，主要着眼于室外空气干球温度，不能作为暖通空调系统设计的气候分区。根据GB 50736-2012《民用建筑供暖通风与空气调节设计规范》中规定的室内热舒适等级标准，利用焓湿图将室外空气状态划分为９个区。对夏热冬冷地区９个代表城市的全年室外空气热湿状态在焓湿图上９个区内的分布时数进行了统计分析，并分析了各代表城市室外空气热湿状态的年变化过程，初步得到了夏热冬冷地区全年的季节构成与划分。进一步分析了东西气候差异，为了更有针对性地研发和应用建筑热环境控制技术及提高能效，宜将夏热冬冷地区划分为东、西２个暖通空调气候区，东区为平原气候区，西区为山地气候区。

关键词

夏热冬冷地区　室内热舒适　室外空气热湿状态　暖通空调气候分区　节能率

作者

重庆大学　重庆海润节能研究院　付祥钊
重庆海润节能研究院　丁艳蕊

01
夏热冬冷是建筑热工设计的气候分区概念
夏热冬冷地区本身属于建筑热工设计的气候分区。建筑热工设计分区将最冷月平均温度为0～10℃，最热月平均温度为25～30 ℃，日平均温度≤5℃的天数为0～90d，日平均温度＞25 ℃的天数为40～110d的区域划分为夏热冬冷地区。
建筑热工设计分区是基于建筑热工设计的气候适应性，主要着眼于室外空气干球温度，通过其作用于建筑外围护结构对室内热环境的影响，寻求适宜的建筑热工设计。由于建筑热工设计分区未考虑暖通空调系统的气候适应性及建筑设备节能的要求，因此不能作为暖通空调设计的气候分区。

02
室内热舒适等级
室内热环境质量的主要标识参数，除了干球温度之外，还有一个非常重要的参数——相对湿度。但是建筑热工设计在调整室内空气相对湿度上的作用很小。
室外空气的热湿状态（干球温度tgw、相对湿度φｗ）与这个热舒适区域的相对关系，体现了其对建筑热环境产生影响的程度，也是暖通空调必须适应的主要室外气候条件，决定着暖通空调的能耗。

夏热冬冷地区各代表城市全年室外空气温度和相对湿度的分类累积时数分别如表1，2所示。

仅从温度分析，夏热冬冷地区各代表城市的室外空气干球温度，全年50％左右的时数低于热舒适标准的下限，造成通过建筑围护结构的传热损失和通风热损失，需要供暖维持室内温度处于热舒适区内，只有15％的累积时数需要供冷维持室内热舒适。如果仅从干球温度分析，影响夏热冬冷地区热舒适的主要因素是室外低温而不是高温。这显然与生活感受和工程实践不一致。

03
夏热冬冷地区建筑节能率的计算
在提高热舒适标准的条件下，如何提高建筑节能的节能率？
我国建筑节能是在20世纪80年代从北方供暖地区开始的，节能的重点是供暖能耗，计算节能率的基准是当时建筑的供暖能耗（按JGJ 37-87《民用建筑设计通则》设计的建筑的供暖能耗）。到20世纪90年代末，要在夏热冬冷地区开展建筑节能时，由于当时该地区建筑既不供暖，又无空调，维持室内热环境的能耗几乎为零，这使节能率无从计算，也无从决定该地区的建筑节能技术路线和体系。为了解决这一问题，当时的《夏热冬冷地区居住建筑节能设计标准》编制组提出了解决思路：首先确定夏热冬冷地区居住建筑所应达到的室内热环境质量标准，然后计算当时的建筑（也是按JGJ 37-87《民用建筑设计通则》设计的建筑）维持应达到的室内热环境质量标准所需的暖通空调能耗，作为节能计算的基础。按照50％建筑节能率计算出节能建筑的能耗指标，根据这一能耗指标，确定了节能建筑的技术体系（建筑、建筑热工和暖通空调设备）。现在修编《夏热冬冷地区居住建筑节能设计标准》，面临着2个变化：其一，该地区社会经济发展水平由当年的“温饱”提升到“小康”水平，室内热环境质量标准需要提高；其二，全国建筑节能的节能率已提升到75％，并向近零能耗建筑推进，修编后的《夏热冬冷地区居住建筑节能设计标准》的节能率也要求提升。该怎样确定修编后的节能技术路线和体系呢？
笔者建议：计算节能率75％的基础建筑与原节能率50％的基础建筑相同——仍是按JGJ 37-87《民用建筑设计通则》设计的建筑，室内热环境质量达到文献规定的一级热舒适标准；以基础建筑维持一级热舒适水平所消耗的能量为基础，按75％的节能率，计算出修编后的节能建筑的能耗限额，进而确定其节能技术路线和体系。

04
室外空气热湿状态分析
夏热冬冷地区各代表城市全年室外逐时温湿度如图1所示。


为了进一步分析该地区有关建筑热环境和暖通空调能效的气候特点，在焓湿图（h-d图）上用t＝tgn1，t＝tgn2，φ＝φn1，φ＝φn2这4条线，展示出文献规定的热舒适区域O。同时这4条线也将区域O外的部分分割为A～H等8个分区，各分区的空气热湿状态与命名如图2所示。

图2 空气热湿状态分区图

统计各代表城市全年8760h的室外空气温度属于各区的累积时数，结果如表3所示。
表3 夏热冬冷地区各代表城市全年室外空气温度属于各区的累积时数

05
各代表城市室外空气热湿状态的年变化过程
分析各代表城市逐月室外空气热湿状态的分区累积时数，发现有如下共同特点：10，11，12，1，2，3，4月空气热湿状态主要处于E区（低温高湿）；6，7，8月主要处于C 区和D 区（高温高湿和中温高湿）；5月是从E区向C，D区的过渡月，9月则是从C，D区向E区的过渡月。
一年中室外空气热湿状态主要处于E区的时间长达7个月之久，该时段内室外空气温度都低于舒适区的温度下限，而相对湿度都高于舒适区的上限。从维持室内热环境和降低能耗角度考虑，需要更深入地剖析这个区域中的空气热湿状态与建筑室内热湿状态的关联情况。
夏热冬冷地区全年的季节构成与划分见表4，全年没有需要加湿的季节。
表4 夏热冬冷地区暖通空调季节划分

06
东西气候差异
在空调普及前，“夏热”“火炉城市”是该地区最著名的气候特点。形成这一气候特点的原因是全球气候系统——太平洋副热带高压的强大控制力。每年的7，8月，整个夏热冬冷地区都在其控制下，表现出强烈的太阳辐射、高温高湿的共同特点。夏热冬冷地区各代表城市7月的气候要素见表5。

7月前、8月后的10个月，没有了太平洋副热带高压的控制，酷暑的共性隐去，该地区表现出东西气候差异，主要表现在冬季的太阳辐射和室外空气温度。夏热冬冷地区各代表城市1月的气候要素见表6。
表6 夏热冬冷地区各代表城市1月气候要素

以西部的重庆、东部的南京为例，对比分析其室外逐时空气热湿状态的累积时数分布，如表７所示。
表７　重庆、南京室外空气不同热湿状态的累积时数分布（基于一级热舒适标准）

随机性大的天气要素的统计规律与稳定性强的气候要素相关。该地区夏季气候特点相同，是由大气气象系统太平洋副热带高压造成的。冬季东部日照好、气温低，西部日照差、气温高则是由东、西部的地形不同而导致的。春秋季没有太平洋副热带高压的作用，受西部山地、东部平原的差异性影响，东部晴朗天气多，寒潮作用强，西部阴雨天气多，寒潮作用弱，气温较稳定。这些差异都会对暖通空调的技术路线与方案产生重要影响。为了更有针对性地研发和应用建筑热环境控制技术及提高能效，宜将夏热冬冷地区划分为东、西2个暖通空调气候区，东区为平原气候区，西区为山地气候区，见图3。

图3 夏热冬冷地区暖通空调气候分区

07
结论
1）利用空气温度和相对湿度2个参数，借助焓湿图，提出了一种新的室外空气状态分析方法。
2）通过对夏热冬冷地区9个代表城市全年室外空气热湿状态在焓湿图上9个分区内的分布时数进行统计与分析，以及对夏热冬冷地区城市室外空气热湿状态全年变化过程的特性分析，初步得到了夏热冬冷地区全年的季节构成与划分，可供暖通空调系统设计参考。
3）通过对夏热冬冷地区东、西部城市气候差异的进一步分析，认为宜将夏热冬冷地区划分为东、西2个暖通空调气候区，东区为平原气候区，西区为山地气候区，以便更有针对性地研发和应用建筑热环境控制技术，进而提高暖通空调设备和系统能效。
（全文刊登于《暖通空调》2020年第50卷第3期1～6页，102页）

       文章来源：暖通空调

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