清华大学建筑节能研究中心 郭偲悦 燕达 张野
北京市建筑设计院 崔莹
【摘 要】气候分区是暖通空调设计的重要依据。对应不同的气候分区，各类建筑的负荷特征各不相同，对应不同的建筑本体与围护结构设计方案。我国传统上根据最冷与最热月的平均温度将我国分为了五个气候区；在2014年颁布的设计规范中，则在这五个气候区的基础上增加了基于采暖与供冷度日数的分区方法，将我国在五个大气候区的基础上将我国分为了11个二级气候区。目前，基于度日数进行气候分区是许多国家采用的分区方法。本研究拟针对这一种方法，基于实际气象观测数据，对我国目前的二级分区标准与同样是根据度日数进行分区的美国ASHRAE标准进行比较，对目前方法的合理性与局限性进行讨论。此外，对由于气候变化导致的气候分区变化进行了初步讨论。
【关键词】气候分区 度日数 中美对比 气象数据
1 研究背景
室外气象是决定建筑运行能耗的重要因素之一。不同的气象条件导致了不同的负荷特性，因而需要不同的围护结构与系统形式与之匹配，从而使用尽可能少的能源消耗营造更好的室内环境。而为了更好地进行标准与相关政策的制定，有必要根据各地气候特点进行针对建筑热工特征的气候分区。
我国1993年颁布的《民用建筑热工设计规范（GB 50176-93）》[1]中，根据各地的最冷与最热月的平均温度，将我国分为了严寒、寒冷、夏热冬冷、夏热冬暖五个气候区。进一步地，基于这些气候区的划分，针对不同的符合需求，制定了各个气候区的建筑设计规范与手册，以及建筑节能的相关政策。比如，在严寒与寒冷地区，冬季采暖是主要需求。在过去的二十年中，通过加强围护结构保温，单位平米的建筑耗热量显著下降，对建筑节能工作做出了巨大的贡献[2]。然而，我国幅员辽阔，气候极为多样，仅仅分为五个气候区并不能很好地体现各种气候特征的差别。随着建筑节能工作的不断推进，精细化设计需求不断提升，有必要对各个气候区进行进一步的划分。因此，在2016年颁布的《民用建筑热工设计规范（GB 50176-2016）》[3]中，在保留了93年的五个一级分区的基础上，又增加了基于采暖度日数（HDD18）与空调度日数（CDD26）的二级分区。在标准中，基于不同的度日数情况，我国共被分为11个二级分区，其中严寒地区有3个分区，寒冷地区、夏热冬冷地区、夏热冬暖地区与温和地区各2个。
相对来说，应用度日数来进行气候分区是目前全球各国使用最为广泛的方法[4]。美国ASHRAE[5]、英国CIBSE[6]等都采用了这一方法。其中，美国ASHRAE的分区方法不仅在美国使用，也是许多其他国家制定标准以及相关研究的主要依据。与美国的分区方法相比，我国的分区方法使用的指标与各个分区的界限均存在一定差别。这些差别反映到各个城市的实际气候情况中会如何？是本研究拟探讨的第一个问题。
另一方面，近年来，全球气候变化日益显著。据世界气象组织研究，与工业化前水平相比，2015年的全球平均温升已达到1K标线[7]。全球变暖一方面导致了平均温度的升高，另一方面也导致了极端气候的增加[8]。那么，气候变化是否会对气候分区产生影响？根据基于美国30年实际数据的研究，发现在过去的三十年中，基于ASHRAE的分区标准，许多城市的分区都发生了明显的变化[9]。那么，在中国是否也存在这一现象？这是本研究拟探讨的第二个问题。
2 研究方法
本研究拟基于1951年至2014年64年的实时气象数据，计算得到各年的度日数情况，然后根据我国2016年标准与美国ASHRAE分区标准，比较不同城市在不同年、根据不同的分区方法得到的分区结果。
由于篇幅所限，本研究根据不同的一级气候区、地理位置分布、海拔高度、经济发展状况等各方面因素选择了10个城市作为典型城市进行研究，包括哈尔滨、乌鲁木齐、北京、拉萨、西安、上海、杭州、广州、海口和昆明。各城市的基本情况如表 1所示。其中，上海站与西安站由于台站迁址等原因，数据有所缺失。上海站的数据从1959年开始，西安站的数据到2013年结束。
表1 典型城市气象台站基本信息
这些观测数据中，2003年以前的大部分数据为四次定时数据。本研究首先主要基于《建筑热环境分析专用气象数据集》并结合近年来的相关研究成果[10-11]，对数据进行了差值处理，最终得到了63年的逐时数据。基于这些数据，可以计算逐年的度日数。
在我国的标准中，主要根据HDD18和CDD26进行气候区的划分；而在美国ASHRAE标准中则使用HDD18和CDD10。因此，需要同时计算各年的HDD18、CDD26和CDD10用以分区与比较。
3 结果与讨论
基于64年的实际气象数据与中美两国根据度日数的气候分区方法，可以得到本研究中10各典型城市的分区情况，如图 1、图 2所示。其中，在美国的分区标准中，还应当包括HDD18>7000的极地气候。由于本研究中的10各城市未有落入这一分区的情况，故在图中没有标出。
图1 基于我国国标的分区结果
图2 基于美国ASHRAE的分区情况
3.1 中美气候分区方法比较
从采暖度日数的角度来看，中美两国的标准都采用了HDD18作为指标。这一指标也是各国最为常用的。相比较而言，当HDD18>4000时，划分方法较为接近。当2000<HDD18<4000时，我国标准均将其计入寒冷地区，而ASHRAE标准则细分为了混合型和凉爽型气候；而当HDD18<2000时，ASHRAE标准仅根据CDD进行进一步的划分，我国标准则进一步将其分为夏热冬冷与夏热冬暖各两个子区。从各个城市的分区结果来看，由于划分的差别，在我国，北京与西安属于一个气候区，而在ASHRAE标准可以认为处在了两个气候区。考虑到北京与西安的确存在一定的气候差别，认为将这两个城市分到连个气候子区存在一定合理性。另一方面，尽管ASHRAE标准在HDD18较低时没有进行进一步的划分，但由于在较热的城市，起主导作用的是热负荷，仅根据热负荷似乎也可以对不同的城市进行区分。
从空调度日数来看，我国采用了CDD26，美国采用了CDD10。度日数应当从一定程度上体现建筑的负荷需求，其当室外温度高于作为基准的温度，就认为会对建筑负荷产生影响。从这个角度来说，CDD26似乎比CDD10更能反映出对应与我国仅在觉得热才开启空调设备的使用方式。从结果上看，乌鲁木齐的CDD26整体高于昆明，CDD10则略低于昆明。但考虑实际情况，乌鲁木齐比昆明更需要夏季空调；此外，昆明的CDD10从图上看略小于北京与西安，但实际空调需求也远小于这两个城市，而使用CDD26可以较为清晰地看出几个城市的差别。
综上所述，从HDD的角度，我国与ASHRAE标准都使用HDD18，我国标准从不同区域的划分上可以一定程度上借鉴ASHRAE的方法；从CDD的角度，我国目前使用的CDD26似乎更为合理，能够较好地体现不同城市的差别。
3.2 由于气候变化导致的分区结果变化讨论
从图中可以看出，不论是我国还是ASHRAE的分区方法，在过去六十多年中，许多城市都出现在了不止一个气候区中。但对于绝大部分城市，其大部分年份还是处在同一气候区内的。表 2所示为在我国的标准下，10个城市处于不同气候区的分布情况。
表2 典型城市的分区情况
进一步分析可以发现，造成这一现象的主要是由于近年来CDD26的显著增长，如图 3所示。从图中可以看出，在不考虑昆明和拉萨CDD26一直极低的情况下，除了乌鲁木齐，其他几个城市CDD26明显在近二十年有所增加。CDD10相对没有非常明显的增长趋势，HDD略有下降，如图 4、图 5所示。
图3 典型城市CDD26变化情况
图4 典型城市HDD18变化情况
图5 典型城市CDD10变化情况
图 6所示为分别使用1951-1984、以及1985-2014年的气象数据时，各地的分区情况。从图中也可以明显看出，在近三十年来，大部分城市变暖的现象是较为明显的，并且已经从一定程度上影响了气候分区的结果。因此，在后续研究中，如果将气候变化这一因素加入分区，是值得深入讨论的问题。
（a） 1951-1984
（b）1985-2014
图6 不同时间尺度下的分区情况
4 结论
本文基于60年的实际气象数据，对我国10个典型城市的基于度日数的气候分区情况进行了讨论，着重分析了我国国标与美国ASHRAE的标准，以及由于气候变化造成的分区差异。基于本文的初步分析，认为与ASHRAE方法相比，我国的分区方法在空调度日数的设定相对更为合理，但采暖度日数的划分设定可参考ASHRAE标准进行进一步的优化。随着全球变暖，我国大部分城市的气候出现了较为明显的变化，这一变化已经影响到了气候分区，需要在后续研究中加以重视。
参考文献：
[1]中华人民共和国建设部.民用建筑热工设计规范[S]. 1993-10-01.
[2]清华大学建筑节能研究中心. 中国建筑节能年度发展研究报告2015[M]. 北京: 中国建筑工业出版社, 2015.
[3]中华人民共和国住房和城乡建设部.民用建筑热工设计规范[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]中国气象局气象信息中心气象资料室，清华大学建筑技术科学系. 中国建筑热环境分析专用气象数据集[M]. 北京: 中国建筑工业出版社，2005.
[11]崔莹. 暖通空调设计及能耗模拟用气象数据研究[D]. 北京: 清华大学, 2017.
备注：本文收录于第21届暖通空调制冷学术年（2018年10月23～27日，中国·三门峡）论文集。版权归论文作者所有,任何形式转载请联系作者。
