北京地区建筑节能设计气象参数变化分析

北京地区建筑节能设计气象参数变化分析

气候变化对城市建筑节能设计气象参数的影响气候变化对所有社会行业的影响越来越大，尤其是对占社会终端总能耗约30%的建筑能耗的影响，这对建筑节能技术提出了新的要求。建筑节能设计是建筑节能的基础,而气象数据则是建筑节能设计的依据,建筑节能需充分考虑气候变化的因素。从20世纪90年代开始,建筑节能设计日渐受到社会重视,城市居住建筑将逐步实现三步节能(即在1980—1981年住宅通用设计的基础上节能65%,使建筑总耗能指标大概下降到14.4W/m2左右)。低能耗低碳建筑层出不穷,建筑节能设计不断创新,对气象参数的应用也提出了更高要求。然而,当前仍在使用的现行建筑节能设计标准,均是基于20世纪80年代之前的历史气象数据计算制定,未曾考虑气候变化的影响,显然不具有可持续的适用性。同时,由于历史气象记录不完整等客观因素,原有的建筑气象参数指标不可避免地存在一些偏差和缺陷,这些数据已不能代表当前气候的状况及未来气候变化的趋势。所以,研究气候变化对城市建筑节能设计气象参数的影响,并提出相应应对措施十分必要。本文分析了华北地区北京、天津、石家庄和太原4个城市的建筑节能设计气象参数近60年变化特征,旨在为设计人员进行建筑节能设计时考虑气候变化的影响提供科学参考,也为从气候变化角度制定建筑节能决策提供依据。1空气调节室外温度本文所用数据来源于国家气象信息中心,选取了北京、天津、石家庄和太原4个城市1951—2010年逐时干球温度、相对湿度、月平均风速等气象要素。按照《GB50019—2003采暖通风与空气调节设计规范》(简称《暖通规范》)计算了采暖室外计算温度(采用历年平均不保证5d的日平均温度,即日平均温度低于采暖室外计算温度的天数不大于5d)、冬季空气调节室外计算温度(采用历年平均不保证1d的日平均温度)、夏季空气调节室外计算干球温度(采用历年平均不保证50h的干球温度)、夏季空气调节室外计算日平均温度(采用历年平均不保证5d的日平均温度)、夏季通风室外计算温度(采用历年最热月14:00的月平均温度的平均值)、夏季通风室外计算相对湿度(采用历年最热月14:00的月平均相对湿度的平均值)。利用每30年的数据分析了以上各参数1951—2010年不同时段的变化趋势。2结果与分析2.1冬季空气调节室外计算温度近几十年来华北地区4个城市采暖及冬季空气调节室外计算温度均呈明显升高趋势(表1)。1981—2010年时段与《暖通规范》采用的1951—1980年时段相比,采暖室外计算温度升高幅度为2.1℃(北京)~3.4℃(石家庄),而冬季空气调节室外计算温度升高幅度为2.1℃(天津)~3.1℃(石家庄)。根据《暖通规范》,在采暖工程设计中必须考虑某地区的室外计算温度,而采用空调采暖系统同样需要考虑冬季空气调节室外计算温度,室外计算温度决定了采暖燃料定额或者空调容量,此值越低燃料定额或者空调容量越高。采暖室外计算温度的上升,可使锅炉燃料定额减少。如石家庄现采用的采暖室外计算温度为-9℃,气候变暖导致其上升到-5.6℃,升高了3.4℃(表1)。从采暖锅炉燃料消耗定额计算得出,定额减少了12.6%,具有明显的节能潜力。同样,随冬季气候变暖,冬季空气调节室外计算温度亦明显升高,空调设计负荷偏大,也会使设备容量偏大,在空调系统自动控制不到位的情况下会造成设备运行效率低,能耗比实际需求偏高。2.2空气调节室外温度和逐时温度分布夏季空气调节室外计算干球温度可以影响围护结构传热和设备冷却效果,主要用于确定新风负荷。干球温度的升高导致新风负荷增加,要增加室内的供冷量,会导致冷负荷偏大,使室内的制冷能耗增加,能源水泵会有所增加,总体上对节能是不利的。同时,原有供冷设备选型供冷量偏低,在室外温度升高的同时,增加了设备负荷,将使设备容量难以符合负荷增加需求,设备的使用存在一定的安全风险。但通过华北4个城市的分析来看(表1),北京和石家庄夏季空气调节室外计算干球温度的变化并不明显,对制冷设备选型和运行效果影响不大。1981—2010年与1951—1980年相比,4个城市干球温度均有不同程度的小幅增加,北京和石家庄仅增加了0.5℃和0.2℃,而天津和太原升高均超过了1.0℃,对制冷设备选型及运行效果有一定程度的影响。夏季空气调节室外计算日平均温度主要用于计算逐时室外温度,而逐时温度则用于计算最大负荷,进而通过负荷确定设备选型。分析发现,华北地区4个城市夏季空气调节计算日平均温度呈升高趋势(尽管太原规范采用的日平均温度高于1981—2010年计算值),而室外计算逐时温度也明显上升(图1)。1981—2010年与1961—1990年相比,北京、天津和石家庄逐时温度在不同时段差异最大值出现在凌晨03:00—05:00,至午后14:00逐渐降低,之后又升高;与此相反,太原不同时段差异最大值出现在午后14:00—15:00,最小值在凌晨05:00。而且,太原1961—1990年至1971—2000年逐时室外温度变化不大,而从1971—2000年至1981—2010年室外计算逐时温度明显升高,尤其是在午后14:00—15:00升高了1℃。由于夏季空气调节室外计算逐时温度主要用于确定设备最大负荷,从而为设备选型提供依据。从华北4个城市的分析来看,天津、北京和石家庄日平均温度升高幅度与规范采用的相比均有不同程度的升高趋势,太原却降低了0.2℃。但太原空气调节室外计算逐时温度升高主要在午后14:00—15:00,即一日中夏季空调开启的主要时段,此时温度的升高对于最大负荷有明显的影响,使计算出来的冷负荷小于实际负荷,易造成设备选型时最大负荷的偏低,影响下午空调开启集中时段运行效果。与此不同,其余3个城市近60年来逐时温度升高主要在凌晨03:00—05:00,而此时段往往为一日中的低温时段,空调基本处于关闭的状态,此时温度的升高对日最大负荷的影响不大。2.3夏季通风室外计算温度和湿度通风分为卫生通风和热舒适通风。付祥钊等研究发现,供暖、空调只是部分时间、部分建筑的补充需要,比如对于民用建筑,通风不仅是建筑的基本需求,也是建筑节能的关键。夏季通风是建筑节能的主要手段之一,而夏季通风室外计算温度和相对湿度是确定节能效果的主要影响因素,计算温度可以确定通过通风可以消除多少室内余热,而湿度与人体的舒适度有直接关系,进而影响到通风行为以及通风节能效果。分析表明,夏季通风室外计算温度除石家庄外,北京、天津和太原1981—2010年时段与《暖通规范》使用的温度相比有小幅增加(表1)。温度的升高使通风带走室内热量的效果降低,节能效果也呈降低趋势,但只有小幅降低,影响不大。夏季通风室外计算相对湿度石家庄和太原没有明显变化,北京、天津均有明显的降低,对通风节能是有利的。3空气调节室外计算温度影响及节能技术展望(1)通过分析华北地区天津、北京、石家庄及太原气候变化对建筑节能设计气象参数的影响,发现建筑节能设计气象参数(主要分析了暖通空调)1951—2010年发生了明显改变,对建筑能耗、设备选型和运行效果均有潜在影响,而且不同城市之间变化有差异。这些参数的变化对设备选型和运行的影响存在有利的因素,比如冬季采暖及冬季空气调节室外计算温度升高,在保证室内舒适度不变的情况下,有利于节能减排,同时夏季通风室外计算相对湿度降低,有利于降低除湿所用能耗;也有不利影响,比如夏季空气调节室外计算干球温度和日平均及逐时温度升高,使供冷负荷增加,增加能耗和设备投资,同时通风室外计算温度升高不利于消除室内余热,增加能耗。(2)未来工作要根据各城市气候变化特征、节能需求以及建筑和节能技术的革新,更新现有建筑节能设计参数,达到提高节能及人体舒适度的双重需求。目前报批的《民用建筑供暖通风与空气调节设计规范》已经对建筑设计气象参数进行了更新,有望解决这一问题。同时,随着建筑和节能技术的革新,现有建筑节能设计气象参数是否能适