我国建筑气候分区与建筑能耗分析

我国建筑气候分区与建筑能耗分析

1气候区划分依据我国目前在中国一个四级建筑与气候密切相关。为了明确建筑安装与气候的关系，区分中国不同地区气候条件对建筑的影响，以便建筑安装bal及时适应当地气候，合理利用气候资源。根据中国气候的特点，必须采用建筑气候学和统计分析相结合的方法，提出建筑气候设计的区域方法、基础和指标，研究建筑气候的区域。我国气候区划工作开始于20世纪30年代初期,目前,主要有建筑气候区划和热工设计区划两种气候区划。《建筑气候区划》(GB50178—93)标准依据气温、相对湿度和降水量3个主要气候参数,将我国划分为7个一级区,20个二级区。《民用建筑热工设计规范》(GB50176—93)从建筑热工设计角度分区,主要针对建筑保温和防热设计对气候分区,采用累年1月和7月的平均温度作为分区主要指标,将我国分为5个区,分别是:严寒、寒冷、夏热冬冷、夏热冬暖和温和气候区,并针对每个气候区提出了相应的设计策略。研究以上与建筑相关的气候分区标准、规范发现:1)对建筑能耗有影响的气候因素考虑不足,而建筑能耗状况对建筑节能意义重大。2)没有考虑对建筑和气候有重要影响的太阳辐射因素,而太阳辐射是建筑设计和运行期间都需要注重考虑的因素,它对建筑的朝向选择、遮阳设计、采光设计以及建筑能耗计算都有重要影响。3)气候是不断发生变化的,以上分区都是采用1950—1980年期间的气象数据,随着气候的变化这些数据已经不能准确反映现实状况。因此有必要使用新的气象数据对我国建筑气候进行重新分区研究。2分区依据的选择建筑气候区域性研究的首要工作就是划分气候区,因此需要选择对建筑设计以及建筑使用过程有重要影响的气候要素来作为分区依据。不同的分区依据和指标会导致不同的分区结果,因此分区依据的选择至关重要。本文选择度日数、相对湿度和晴空指数作为建筑气候分区的依据。2.1美日温度比较此前的《建筑气候区划》以及《民用建筑热工设计规范》的气候分区都是以温度为主要依据,而温度只能反映一个地区冷暖的瞬时状况,因为温度是随时发生变化的,而度日数能够反映一个地区冷暖的持续状态。度日数是在一段时间内室外平均温度与指定温度差值的累积,它反映了气候条件与舒适条件的差异,能够为建筑热工设计提供指导,因此本文选用度日数作为分区依据。度日数分为热度日数(采暖度日数)和冷度日数(制冷度日数)两种,分别反映了需要采暖和制冷的气候状况,它们都反映了室外平均温度与指定温度差值的累积,是对室内热舒适不利的气候条件的统计,它们的区别是分别反映了热和冷两个完全不同的气候特征。因此在分区时分别将热度日数和冷度日数作为分区依据。2.2空气相对湿度相对湿度是影响建筑物的重要气候因素之一,在之前的各类建筑相关气候分区中,都将相对湿度作为主要分区依据。文献指出,在夏季闷热、冬季湿冷气候地区,空气相对湿度是影响室内热环境的主要因素,降低湿度是改善室内热环境的最有效措施,而且能减少空调能耗。文献指出,在满足室内热舒适性的基础上,在一定的温度和湿度范围内,可以通过改变相对湿度来减少空调系统能耗。此外相对湿度还对混凝土浇筑及金属构件安装等具有重要影响,在三峡工程中,设计者专门研究了相对湿度对施工的各种影响,因此本文也把相对湿度作为一项分区依据。2.3太阳辐射分析太阳辐射是影响气候变化的重要因素之一。除了通过气候影响建筑物以外,太阳辐射还对建筑物的热环境和建筑采光有直接而重要的影响。在建筑热工中,太阳辐射是围护结构和室内环境的主要热源。在暖通设计中,各种形式的太阳能利用也与太阳辐射息息相关。但是太阳辐射照度具有明显的季节性,使用太阳辐射照度进行建筑气候分区研究,会导致分区出现季节性。为了分离季节对气候的影响,最简便有效的方法是使用晴空指数。对此本文提出使用晴空指数(clearnessindex)(也称晴空因子)作为主要分区依据。晴空指数Kt指入射到水平面的太阳总辐射量与天文辐射之比:Kt=GG0(1)Κt=GG0(1)式中G为水平面的太阳总辐射量,J/m2;G0为天文辐射,J/m2。太阳辐射进入大气层后被云,大气分子,O3,CO2,水蒸气,气溶胶等各种成分吸收、反射而减弱,晴空指数就是描述大气对太阳短波辐射影响的一个综合参数,它不仅能反映到达地面的太阳辐射照度,还能反映太阳辐射穿越大气时的状况和太阳辐射受到的影响。因此使用晴空指数替代太阳辐射作为主要依据进行建筑气候分区研究,更完善、更准确。3统计分析方法确定分区要素之后,根据全国153个城市1971—2000年的日均温度、日均相对湿度和日太阳总辐射数据,计算出各地30a累年平均的度日数、相对湿度和晴空指数,153个被选城市分布见图1。其中采暖度日数基准温度取18℃,制冷度日数基准温度取26℃,采暖和制冷度日数两者相加得到用于分区的度日数。计算晴空指数时,153个城市中有74个城市没有日总辐射测量值,使用30a的日照时数,根据Angstrom-Prescott模型计算出了74个无测量值城市的太阳总辐射值,然后根据式(1)计算得到153个城市的晴空指数。使用聚类分析方法对153组度日数、相对湿度和晴空指数进行聚类分析。聚类分析的目的是从很多对象中找到相似的对象并按照相似性把对象划分为不同的小组。为了实现这个目标,需要一个衡量对象间相似性的依据。对于矩阵数据,判断相似性使用最多的是Euclidean距离。在n×p矩阵X中对象i和j的Euclidean距离计算式如下:dij=[∑k=1p(xki−xkj)2]12(2)dij=[∑k=1p(xki-xkj)2]12(2)式中dij为两元素间的Euclidean距离;xki,xkj为矩阵中的两个元素。在聚类分析算法中普遍流行着分层聚类(hierarchicalcluster)和分割聚类(partitioningcluster)两种方法,Fovell指出分层聚类是一种更加具有吸引力的方法。解焱在进行中国生物地理分区时对多个分层聚类方法进行了比较,结果指出离差平方(ward)算法在数学上有更多的优势,因为它得到的样本聚类结果对比度最好。因此本文选用离差平方聚类分析方法。度日数、相对湿度与晴空指数的数值之间差别很大,为使数值和单位各不相同的变量具有同一度量,对它们分别进行标准化处理,使之在计算变量之间的Euclidean距离时能提供较高的可比性。选用统计分析软件SPSS进行聚类分析。对标准化后的153组分区因子进行聚类分析,选用Euclidean距离,采用对研究对象本身进行分类的分层聚类方法中的离差平方法,得到了153个城市的聚类划分。为了决定最终的分类数目,对所有异质对象的个数函数确定了分类个数,这个函数是一个类间距离的加权和。如果在一个分类数位置处该函数发生明显的变化,就意味着分类过程的结束。各类间距离的平方和是分类过程进行程度的表现系数,图2表达了该系数与分类数变化的关系,该图在分类数为6的位置曲线发生明显变化,是曲线的拐点,表明153组数据划分为6类。4太阳能供暖条件整理153个城市的分组结果,依据度日数、相对湿度和晴空指数,参考年均气温和降水量将我国划分为6个不同的建筑气候区域,分别为酷寒区、干寒区、寒冷区、温暖区、湿晦区和湿热区,区域分布如图3所示,各个分区的分区要素平均值见表1。酷寒区主要包括内蒙古东北部、黑龙江、吉林以及辽宁北部。该气候区平均采暖度日数大于5000℃·d,区域内室外平均温度与室内热舒适温度偏差很大,区域内各城市没有空调度日数,全部为采暖度日数。该区域内年均温度很低,在0℃附近,冬季漫长,气候非常寒冷,因此建筑应以保温为主,能耗主要为供暖能耗。该区降水少,年均相对湿度较小,太阳辐射较强,年均晴空指数0.555,具有利用被动式太阳能供暖的条件。干寒区和寒冷区的平均采暖度日数大于3500℃·d,区域内室外平均温度与室内热舒适温度偏差大,年均温度较低,冬季长,气候寒冷,因此建筑也以保温为主,能耗主要为供暖能耗。寒冷区主要包括山东、河北、山西中南部、陕西、甘肃南部和四川北部。干寒区包含了我国太阳能资源最丰富的西藏、内蒙古西部地区,太阳辐射强烈,空气清洁,污染少,此外该区域内年降水量少,拉萨地区冬季几乎没有降水,日照时间长,适合使用被动式太阳能方式供暖。该区平均相对湿度低,在冬季供暖时应注意提高室内的相对湿度,以获取较好的室内热舒适感。温暖区主要为我国的云南省,该气候区的采暖度日数小于1000℃·d,室外平均温度与室内热舒适温度偏差小,年均温度温和且变化幅度小,冬季温度较高,因此冬季不需要采暖;区域内降水多,气候湿润,相对湿度大于70%。该气候区主要建筑能耗用于除湿,年均建筑能耗最小。湿晦区主要指长江流域地区,该气候区采暖度日数大于1500℃·d,室外平均温度与室内热舒适温度偏差较大。该气候区气温年变化幅度较大,冬季湿冷,夏季湿热。该区位于长江流域内,降水丰富,太阳辐射弱,晴空指数只有0.368,是6个气候区中太阳辐射最弱的气候区,因此气候常年潮湿,年均相对湿度大于等于75%,建筑特别要注意除湿、除潮。该区气候复杂多变,建筑用能既要考虑采暖、制冷,也要考虑除湿,对建筑围护结构部分的设计要求较高。因此建筑全年平均能耗高,是建筑节能工作的重点地区。湿热区主要包括