清華大學建筑節能研究中心    郭偲悅  燕達  張野
北京市建筑設計院    崔瑩

       【摘  要】氣候分區是暖通空調設計的重要依據。對應不同的氣候分區，各類建筑的負荷特征各不相同，對應不同的建筑本體與圍護結構設計方案。我國傳統上根據最冷與最熱月的平均溫度將我國分為了五個氣候區；在2014年頒布的設計規范中，則在這五個氣候區的基礎上增加了基于采暖與供冷度日數的分區方法，將我國在五個大氣候區的基礎上將我國分為了11個二級氣候區。目前，基于度日數進行氣候分區是許多國家采用的分區方法。本研究擬針對這一種方法，基于實際氣象觀測數據，對我國目前的二級分區標準與同樣是根據度日數進行分區的美國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，對由于氣候變化導致的氣候分區變化進行了初步討論。

       【關鍵詞】氣候分區 度日數 中美對比 氣象數據

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。不同的氣象條件導致了不同的負荷特性，因而需要不同的圍護結構與系統形式與之匹配，從而使用盡可能少的能源消耗營造更好的室內環境。而為了更好地進行標準與相關政策的制定，有必要根據各地氣候特點進行針對建筑熱工特征的氣候分區。

       我國1993年頒布的《民用建筑熱工設計規范（GB 50176-93）》^[1]中，根據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。進一步地，基于這些氣候區的劃分，針對不同的符合需求，制定了各個氣候區的建筑設計規范與手冊，以及建筑節能的相關政策。比如，在嚴寒與寒冷地區，冬季采暖是主要需求。在過去的二十年中，通過加強圍護結構保溫，單位平米的建筑耗熱量顯著下降，對建筑節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并不能很好地體現各種氣候特征的差別。隨著建筑節能工作的不斷推進，精細化設計需求不斷提升，有必要對各個氣候區進行進一步的劃分。因此，在2016年頒布的《民用建筑熱工設計規范（GB 50176-2016）》^[3]中，在保留了93年的五個一級分區的基礎上，又增加了基于采暖度日數（HDD18）與空調度日數（CDD26）的二級分區。在標準中，基于不同的度日數情況，我國共被分為11個二級分區，其中嚴寒地區有3個分區，寒冷地區、夏熱冬冷地區、夏熱冬暖地區與溫和地區各2個。

       相對來說，應用度日數來進行氣候分區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研究的主要依據。與美國的分區方法相比，我國的分區方法使用的指標與各個分區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。據世界氣象組織研究，與工業化前水平相比，2015年的全球平均溫升已達到1K標線^[7]。全球變暖一方面導致了平均溫度的升高，另一方面也導致了極端氣候的增加^[8]。那么，氣候變化是否會對氣候分區產生影響？根據基于美國30年實際數據的研究，發現在過去的三十年中，基于ASHRAE的分區標準，許多城市的分區都發生了明顯的變化^[9]。那么，在中國是否也存在這一現象？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年的實時氣象數據，計算得到各年的度日數情況，然后根據我國2016年標準與美國ASHRAE分區標準，比較不同城市在不同年、根據不同的分區方法得到的分區結果。

       由于篇幅所限，本研究根據不同的一級氣候區、地理位置分布、海拔高度、經濟發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、?？诤屠ッ?。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，數據有所缺失。上海站的數據從1959年開始，西安站的數據到2013年結束。

表1 典型城市氣象臺站基本信息

       這些觀測數據中，2003年以前的大部分數據為四次定時數據。本研究首先主要基于《建筑熱環境分析專用氣象數據集》并結合近年來的相關研究成果^[10-11]，對數據進行了差值處理，最終得到了63年的逐時數據?；谶@些數據，可以計算逐年的度日數。

       在我國的標準中，主要根據HDD18和CDD26進行氣候區的劃分；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用以分區與比較。

3 結果與討論

       基于64年的實際氣象數據與中美兩國根據度日數的氣候分區方法，可以得到本研究中10各典型城市的分區情況，如圖 1、圖 2所示。其中，在美國的分區標準中，還應當包括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的情況，故在圖中沒有標出。

圖1 基于我國國標的分區結果

圖2 基于美國ASHRAE的分區情況

       3.1 中美氣候分區方法比較

       從采暖度日數的角度來看，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，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。從各個城市的分區結果來看，由于劃分的差別，在我國，北京與西安屬于一個氣候區，而在ASHRAE標準可以認為處在了兩個氣候區?？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，起主導作用的是熱負荷，僅根據熱負荷似乎也可以對不同的城市進行區分。

       從空調度日數來看，我國采用了CDD26，美國采用了CDD10。度日數應當從一定程度上體現建筑的負荷需求，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生影響。從這個角度來說，CDD26似乎比CDD10更能反映出對應與我國僅在覺得熱才開啟空調設備的使用方式。從結果上看，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；此外，昆明的CDD10從圖上看略小于北京與西安，但實際空調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，能夠較好地體現不同城市的差別。

       3.2 由于氣候變化導致的分區結果變化討論

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

表2 典型城市的分區情況

       進一步分析可以發現，造成這一現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年的氣象數據時，各地的分區情況。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象是較為明顯的，并且已經從一定程度上影響了氣候分區的結果。因此，在后續研究中，如果將氣候變化這一因素加入分區，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情況

4 結論

       本文基于60年的實際氣象數據，對我國10個典型城市的基于度日數的氣候分區情況進行了討論，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差異?；诒疚牡某醪椒治?，認為與ASHRAE方法相比，我國的分區方法在空調度日數的設定相對更為合理，但采暖度日數的劃分設定可參考ASHRAE標準進行進一步的優化。隨著全球變暖，我國大部分城市的氣候出現了較為明顯的變化，這一變化已經影響到了氣候分區，需要在后續研究中加以重視。

參考文獻：

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       [11]崔瑩. 暖通空調設計及能耗模擬用氣象數據研究[D]. 北京: 清華大學, 2017.

       備注：本文收錄于第21屆暖通空調制冷學術年（2018年10月23～27日，中國·三門峽）論文集。版權歸論文作者所有,任何形式轉載請聯系作者。