楊 柳，齊靜妍，霍旭杰，牛兵兵

(西安建筑科技大學(xué) 建筑學(xué)院，陜西 西安 710055)

目前關(guān)于氣候變化對(duì)建筑能耗的影響及其緩解方法的研究很多，這些研究大都采用建筑能耗模擬或度日的方法，根據(jù)不同的排放情況使用未來的氣象數(shù)據(jù)，研究未來多年建筑能耗的變化，并提出了可能的緩解措施[1-10].同時(shí)，還對(duì)氣候變化對(duì)一般建筑環(huán)境設(shè)計(jì)的影響進(jìn)行了研究，特別是關(guān)于供暖、通風(fēng)和空調(diào)設(shè)備的室外設(shè)計(jì)條件的研究.這些研究通過分析干球溫度或濕球溫度變化的歷史測(cè)量數(shù)據(jù)[11-14]和基于大氣環(huán)流模型的未來氣象數(shù)據(jù)[15-16]的變化，發(fā)現(xiàn)了干球溫度和濕球溫度均有上升的趨勢(shì)，并預(yù)計(jì)未來幾年的冷負(fù)荷峰值將會(huì)增加.這個(gè)發(fā)現(xiàn)對(duì)于確定冷卻設(shè)備的大小具有重要意義，大多數(shù)HVAC和相關(guān)的建筑能源系統(tǒng)在進(jìn)行重大改造或更換之前通常有大約20年之久的壽命.目前大多數(shù)研究都集中在分析干球溫度和濕球溫度的潛在趨勢(shì)，很少有人研究極端或接近極端的干球溫度和濕球溫度同時(shí)發(fā)生的情況以及相應(yīng)的室外空氣焓值.溫度升高不一定會(huì)導(dǎo)致更極端的室外設(shè)計(jì)條件和更大的冷負(fù)荷峰值，例如當(dāng)最大設(shè)計(jì)干球溫度的同時(shí)發(fā)生濕球溫度呈下降趨勢(shì)時(shí)，相應(yīng)的室外空氣焓值會(huì)降低，從而導(dǎo)致冷負(fù)荷峰值也降低[17-18].這是因?yàn)橛捎谑彝饪諝忪手到档投鴾p少的新風(fēng)負(fù)荷超過了由于全球變暖而增加的通過建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的傳導(dǎo)熱增益.

本文通過分析長(zhǎng)期干球溫度和濕球溫度的同時(shí)發(fā)生情況，確定當(dāng)設(shè)計(jì)干球溫度和設(shè)計(jì)濕球溫度以及相應(yīng)的室外空氣焓值同時(shí)發(fā)生時(shí)室外設(shè)計(jì)條件是否有增加或減少的趨勢(shì).研究了氣候變化導(dǎo)致的室外設(shè)計(jì)條件的變化趨勢(shì)，并量化了不同氣候下冷負(fù)荷峰值降低的可能性.還討論了采用焓控制的省熱裝置循環(huán)系統(tǒng)下的HVAC系統(tǒng)的含義，以及確定冷負(fù)荷峰值的同時(shí)發(fā)生輻射強(qiáng)度的相關(guān)概念.

1 主要?dú)夂騾^(qū)和代表城市

中國(guó)的氣候南到亞熱帶，北到溫帶[19].建熱工設(shè)計(jì)分區(qū)主要有五種，即嚴(yán)寒、寒冷、夏熱冬冷、溫和和夏熱冬暖.這種簡(jiǎn)單的氣候分類主要涉及傳導(dǎo)熱增益/損失和相應(yīng)的隔熱問題[20].本研究選擇了每個(gè)主要?dú)夂騾^(qū)中的一個(gè)城市作為代表，選擇標(biāo)準(zhǔn)主要基于兩個(gè)因素：首先，所選的城市必須在經(jīng)濟(jì)活動(dòng)和人口密度方面具有合理的代表性，這樣才能對(duì)全國(guó)建筑節(jié)能計(jì)劃和環(huán)境政策產(chǎn)生較大影響；其次，它需要具有分析所需的長(zhǎng)期實(shí)測(cè)氣象數(shù)據(jù).據(jù)此選擇了哈爾濱、北京、武漢、昆明和廣州分別代表嚴(yán)寒、寒冷、夏熱冬冷、溫和和夏熱冬暖地區(qū).圖1顯示了五個(gè)主要?dú)夂騾^(qū)和相應(yīng)的五個(gè)代表性城市的總體布局，圖2是從中國(guó)國(guó)家氣象中心獲得的五個(gè)城市當(dāng)?shù)貧庀笳镜?3年長(zhǎng)期實(shí)測(cè)(1971-2013年)干球溫度和濕球溫度.

圖1 主要?dú)夂騾^(qū)和五個(gè)城市的位置Fig.1 Major climate zones and locations of the five cities

2 溫度和焓的長(zhǎng)期趨勢(shì)

在一般工程實(shí)踐中，干球溫度和濕球溫度是決定HVAC系統(tǒng)設(shè)計(jì)和分析室外設(shè)計(jì)條件的兩個(gè)氣象參數(shù).

圖2 1971-2013年溫度變化趨勢(shì)Fig.2 Long term(1971-2013) temperature trends (SD = standard deviation)

圖2顯示了這兩種溫度在43年(1971-2013)期間的年變化.干球溫度的標(biāo)準(zhǔn)差在廣州為0.5℃，哈爾濱為0.9℃；濕球溫度的標(biāo)準(zhǔn)差在廣州為0.4℃，哈爾濱為0.7℃.可以看出干球溫度比濕球溫度變化更大，南方溫暖氣候區(qū)的年變化小于北方寒冷氣候區(qū).盡管有變化，但干球溫度和濕球溫度都有明顯的上升趨勢(shì).為了確定季節(jié)變化是否有差異，本文考慮了夏季和冬季的長(zhǎng)期趨勢(shì)，以最熱月份(6～8月)和最冷月份(12～2月)作為夏季和冬季進(jìn)行研究.表1顯示了干球溫度和濕球溫度的長(zhǎng)期趨勢(shì)，五個(gè)城市的全年、夏季和冬季的所有桿球溫度斜率均為正值，即均呈上升趨勢(shì)，冬季的濕球溫度也有類似的上升趨勢(shì).北京、武漢和廣州的夏季濕球溫度顯示出明顯的下降趨勢(shì)，這些地區(qū)在炎熱的夏季通常需要大幅降溫.昆明的季節(jié)性溫差比較明顯，冬季比夏季高出一倍多.為了更清楚地認(rèn)識(shí)氣候?qū)VAC設(shè)計(jì)和分析的影響，本文從干球溫度和同時(shí)發(fā)生濕球溫度確定了空氣焓值，因?yàn)镠AVC的設(shè)計(jì)和分析涉及到新風(fēng)焓(即能源含量)的變化，而不僅僅是干球或濕球溫度的變化，特別是當(dāng)采用焓控制的省熱裝置循環(huán)系統(tǒng)來調(diào)節(jié)新風(fēng)比以充分利用“自然冷卻”[21-23]時(shí).表1還顯示了焓值的長(zhǎng)期趨勢(shì)，在所有五個(gè)城市中，焓值和濕球溫度顯示出相同的上升和下降趨勢(shì)，這說明了新風(fēng)焓值潛在分量的重要性.廣州全年和夏季的室外空氣焓值略有下降，表明在炎熱潮濕的夏季中潛冷的重要性，這涉及到室外設(shè)計(jì)條件選擇中干球溫度峰值和濕球溫度峰值是否同時(shí)發(fā)生的問題.如果相應(yīng)的焓值較低，寒冷的天氣不一定會(huì)導(dǎo)致更嚴(yán)格的室外設(shè)計(jì)條件和更大的HAVC.因此，分析室外設(shè)計(jì)條件在長(zhǎng)期趨勢(shì)中的同時(shí)發(fā)生情況，并研究近年來的氣候變化對(duì)設(shè)計(jì)條件和相應(yīng)的熱負(fù)荷和冷負(fù)荷峰值的影響非常重要.

表1 1971-2013年干、濕球溫度和焓變趨勢(shì) (正值為上升，負(fù)值為下降)Tab.1 Slopes of the long-tern(1971-2013) dry-bulb temperature(DBT),wet-bulb temperature(WBT) and enthalpy trends(positive=rising,negative=decreasing)

3 室外設(shè)計(jì)條件的變化

熱負(fù)荷計(jì)算和HVAC設(shè)備選型時(shí)廣泛應(yīng)用的計(jì)算參數(shù)是代表極端或接近極端條件的室外干球和濕球溫度[17,24].一般方法是分析逐時(shí)溫度的出現(xiàn)頻率和累積頻率分布，基于該頻率為特定地區(qū)或特定氣候選擇室外設(shè)計(jì)條件.

3.1 設(shè)計(jì)條件的差異

一般來說，計(jì)算參數(shù)有兩組主要的干球溫度和濕球溫度：一是設(shè)計(jì)干球溫度(DDBT)和設(shè)計(jì)濕球溫度(DWBT)；二是設(shè)計(jì)干球溫度DDBT和同時(shí)發(fā)生濕球溫度(CWBT)，這里的CWBT定義為DDBT下所有濕球溫度的平均值.DDBT和DWBT在室外設(shè)計(jì)參數(shù)計(jì)算時(shí)的取值是分別單獨(dú)統(tǒng)計(jì)的，代表了最極端狀態(tài)下的負(fù)荷，即最大負(fù)荷情況；DDBT和CWBT是同時(shí)刻同狀態(tài)的空氣中的干球溫度與濕球溫度.目前的設(shè)備選型等計(jì)算一般都采用DDBT和DWBT，得到的是滿足最極端情況的結(jié)果，但存在的問題是這個(gè)最大負(fù)荷情況不一定真實(shí)存在，可能會(huì)造成計(jì)算結(jié)果偏大.通常情況下選擇CWBT比選擇DWBT更為準(zhǔn)確實(shí)際，因?yàn)闃O端干球溫度和極端濕球溫度同時(shí)發(fā)生的概率要低于這兩個(gè)極端溫度單獨(dú)出現(xiàn)的概率.為了解基于這兩對(duì)極端溫度的室外設(shè)計(jì)條件在不同氣候區(qū)域的差異，分析了干球溫度和濕球溫度的累積出現(xiàn)頻率，并總結(jié)了五個(gè)城市的累積分布情況，如圖3所示.一般認(rèn)為以30 a為周期的氣候條件可以代表當(dāng)?shù)氐闹饕鞖鉅顩r[25]，因此這些分布是基于最新的30 a(1984-2013年)長(zhǎng)期數(shù)據(jù)，分布的兩端表示極端和接近極端的情況.一般的工程實(shí)踐是根據(jù)某些極端情況在一年中可能發(fā)生的頻率來選擇室外設(shè)計(jì)條件，在這項(xiàng)研究中考慮了五個(gè)不同的顯著性水平：夏季為0.4%、1%和2%，冬季為99%和99.6%.在這五個(gè)顯著性水平下確定了五個(gè)城市的室外設(shè)計(jì)條件，總結(jié)見表2.可以看出，基于DDBT/DWBT的室外設(shè)計(jì)條件比相應(yīng)的同時(shí)發(fā)生條件更為極端.選取的濕球溫度的差異(即CWBT減去干球溫度)，從哈爾濱在顯著性水平為99.6%(冬季)下的0.1℃到北京在顯著性水平為0.4%(夏季)下的-5.6℃不等.在冬季，CWBT高于DWBT，表明五個(gè)城市的冬季設(shè)計(jì)條件都不是特別極端.在夏季，CWBT比DWBT小，這也表明室外設(shè)計(jì)條件沒有那么極端，夏季的差異往往比冬季更大.此外，對(duì)于高不保證率要求下(即在0.4%的顯著性水平上)，其差異要大于一般要求(即在1%和2%的顯著性水平上).在廣州，基于DDBT/DWBT和DDBT/CWBT的夏季室外設(shè)計(jì)條件在1%顯著性水平上且在選定的濕球溫度下的差異是1.3℃.這表明，如果考慮到同時(shí)發(fā)生，那么夏天可以采用濕度較低的條件.如果選擇了基于DDBT / DWBT的過于極端的條件，則HVAC設(shè)備選型(就潛在冷卻而言)將過大，這會(huì)對(duì)空調(diào)設(shè)備產(chǎn)生重要的能耗影響，廣州夏季炎熱潮濕，潛在冷卻在整個(gè)建筑冷負(fù)荷中占很大比例.

圖3 五個(gè)城市的干、濕球溫度累積頻率分布Fig.3 Cumulative frequency distributions for dry-bulb and wet-bulb temperatures for the five cities(1984-2013)

表2 DDBT、DWBT與CWBT及其對(duì)應(yīng)焓值在不同顯著性水平下的差異(1984-2013)Tab.2 Summary of design DBT(DDBT) with design WBT(DWBT), DDBT with its coincident WBT(CWBT) and corresponding enthalpy at different significance levels(1984-2013)

為了解設(shè)備的超大型程度，確定了相應(yīng)的焓值，總結(jié)如表2所示.可以看出焓差從哈爾濱99.6%顯著性水平(冬季)下的0.1 kJ/kg到北京0.4%顯著性水平(夏季)下的-22.2 kJ/kg不等.同樣，在高不保證率要求下的焓值往往比一般要求下有更大的差異.就熱負(fù)荷和冷負(fù)荷峰值而言，新風(fēng)焓差主要影響新風(fēng)負(fù)荷和滲透熱得失.為了更好地了解對(duì)熱負(fù)荷、冷負(fù)荷峰值的影響以及相應(yīng)的設(shè)備規(guī)模，我們建立了一個(gè)通用辦公樓模型[6].通用辦公樓模型是一個(gè)35 m×35 m，層高3.4 m的40層幕墻建筑，總建筑面積為49 000 m2.全空調(diào)辦公建筑的HVAC設(shè)計(jì)，室內(nèi)為正壓，以最大限度地減少滲透熱的增加或損失.當(dāng)HVAC系統(tǒng)在辦公時(shí)間之外(例如晚上)關(guān)閉時(shí)，滲透仍會(huì)發(fā)生，當(dāng)HVAC在早晨開啟時(shí)，這將成為“下拉”負(fù)載.但是和新風(fēng)負(fù)荷相比，由此產(chǎn)生的熱增益或熱損失往往較小可以忽略.示例中只考慮了新風(fēng)負(fù)荷.室內(nèi)設(shè)計(jì)條件假設(shè)冬季為20℃/40%相對(duì)濕度(RH)，夏季為25℃/50%RH，新風(fēng)量為8.3 L/s·人-1，人口密度為10 m2/人[26-27].表3總結(jié)了五個(gè)城市的新風(fēng)負(fù)荷設(shè)計(jì)值偏大的情況，在夏季，武漢、廣州對(duì)新風(fēng)負(fù)荷設(shè)計(jì)值在2%顯著性水平上的偏大率為5.6%，北京在0.4%顯著性水平上為37.6%.可以看到武漢和廣州(夏季都炎熱潮濕)設(shè)計(jì)值偏大的比例最低，出現(xiàn)這個(gè)結(jié)果是因?yàn)檫@兩個(gè)城市在濕球溫度和焓值方面的差異最小(參見表2).除此之外，從北部的寒冷氣候轉(zhuǎn)移到南部的溫暖氣候時(shí)并沒有特定的趨勢(shì)或模式.在冬季，哈爾濱的新風(fēng)負(fù)荷計(jì)算偏大量為0.3%(99.6%顯著性水平)，武漢為25%(99.6%顯著性水平).與夏季相似，在冬季沒有觀察到與氣候相關(guān)的模式.就實(shí)際功率而言，夏季條件下對(duì)新風(fēng)負(fù)荷的設(shè)計(jì)值設(shè)定偏大的差異很大，從廣州2%顯著性水平下的219.6 kW到北京0.4%顯著性水平下的1 083.4 kW.全空調(diào)辦公建筑中，由電氣照明產(chǎn)生的熱增益通常被視為建筑總冷負(fù)荷峰值的主要組成部分之一.為了正確評(píng)價(jià)設(shè)計(jì)值偏大的程度，對(duì)新風(fēng)負(fù)荷偏大導(dǎo)致的冷負(fù)荷與電氣照明導(dǎo)致的冷負(fù)荷進(jìn)行了比較，估計(jì)了電照明引起的內(nèi)部熱增益以及由此產(chǎn)生的冷負(fù)荷.根據(jù)當(dāng)前的工程實(shí)踐和當(dāng)?shù)氐脑O(shè)計(jì)、能源規(guī)范[26-27]，假定電照明的功率密度為9 W/m2，冷負(fù)荷為441 kW.從表3中可以看出，在五個(gè)主要?dú)夂騾^(qū)的三個(gè)不保證率水平上，由于新風(fēng)負(fù)荷偏大造成的冷負(fù)荷的確很顯著，約為40層寫字樓內(nèi)整個(gè)照明設(shè)備散熱造成的冷負(fù)荷的一半(武漢和廣州為2%顯著性水平)至近三倍(北京為0.4%顯著性水平).

表3 新風(fēng)負(fù)荷偏大情況Tab.3 Summary of over-estimation of fresh air load

3.2 室外設(shè)計(jì)條件的年變化

研究表明，室外設(shè)計(jì)條件選擇不當(dāng)會(huì)影響冷負(fù)荷峰值，從而影響HVAC設(shè)備的選型，氣候變暖也會(huì)影響供暖和制冷系統(tǒng)的選擇.普遍認(rèn)為由于氣候變化，極端天氣會(huì)發(fā)生得更頻繁.然而如前文所述，氣溫上升不一定會(huì)導(dǎo)致更極端的室外設(shè)計(jì)條件和更大的冷負(fù)荷峰值.如果濕球溫度與設(shè)計(jì)干球溫度峰值一致呈下降趨勢(shì)，則會(huì)降低焓值，從而降低冷負(fù)荷峰值.為了分析室外設(shè)計(jì)條件的增減趨勢(shì)，在評(píng)估氣候變化對(duì)冷/熱負(fù)荷峰值和HVAC選型的影響之前，需要研究其DDBT及CWBT的年變化.本文在5個(gè)顯著性水平上測(cè)定了43年間(1971-2013年)各年的DDBT和CWBT，表4匯總了5個(gè)城市的DDBT、CWBT和相應(yīng)的焓值的上升(正)或下降(負(fù))的趨勢(shì).在冬季設(shè)計(jì)條件(即99.6%和99%顯著性水平)下，所有五個(gè)城市的DDBT、CWBT和焓值都有增加的趨勢(shì)，這表明由于五個(gè)主要?dú)夂騾^(qū)的氣候變暖，冬季室外設(shè)計(jì)條件變得不那么極端.夏季的情況(即0.4%、1%和2%的顯著性水平)與冬季相似，DDBT在所有五個(gè)城市的三個(gè)顯著性水平上均呈上升趨勢(shì).無論氣候類型如何，全球變暖都會(huì)導(dǎo)致氣溫上升.除了昆明溫和氣候下的0.4%顯著性水平情況外，其余五個(gè)城市的CWBT和室外空氣焓值均呈下降趨勢(shì)，但上升趨勢(shì)斜率只有0.02，在整體趨勢(shì)上可以忽略不計(jì).CWBT和焓值的下降趨勢(shì)表明，盡管由于全球變暖導(dǎo)致干球溫度有上升趨勢(shì)，但當(dāng)選擇濕度較低的條件時(shí)，夏季冷負(fù)荷峰值會(huì)較低，特別是對(duì)于潛熱較大的地區(qū).因此，確定氣候變暖是否確實(shí)會(huì)導(dǎo)致冷負(fù)荷峰值的增減非常重要.

表4 DDBT、CWBT和焓值的年變化趨勢(shì)(1971-2013)Tab.4 Slopes of the yearly variations in design dry-bulb temperature(DDBT), coincident wet-bulb temperature(CWBT) and enthalpy during the 43-year period(1971-2013)

3.3 氣候變化及其對(duì)冷、熱負(fù)荷峰值的影響

過去人們普遍認(rèn)為，30年記錄的“標(biāo)準(zhǔn)”值和主要?dú)夂蛱卣魇窍鄬?duì)穩(wěn)定的，當(dāng)最早的10年測(cè)量氣象數(shù)據(jù)被最新的10年記錄[28]所取代時(shí)其氣候特征變化很小.鑒于近年來有越來越多的研究數(shù)據(jù)表明全球變暖，分析氣候變化是否會(huì)影響基于既定準(zhǔn)則的室外設(shè)計(jì)條件的選擇非常重要.為了研究氣候變化對(duì)室外設(shè)計(jì)條件的影響，以及由此產(chǎn)生的熱負(fù)荷和冷負(fù)荷峰值，本文考慮了兩個(gè)30 a的記錄期(1971-2000年和1984-2013年).這兩個(gè)記錄期代表了本研究采用的43 a(1971-2013年)長(zhǎng)期氣象數(shù)據(jù)中最早和最近的30 a.表5總結(jié)了兩個(gè)30 a記錄期的DDBT、CWBT和根據(jù)這兩個(gè)30 a記錄確定的相應(yīng)焓值.可以看出，基于最近30 a(1984-2013年)的DDBT在五個(gè)城市的所有顯著性水平上都高于基于1971-2000年的DDBT，再次印證了由于全球變暖，干球溫度有逐漸上升的趨勢(shì)的結(jié)論.DDBT的差異(即1984-2013年與1971-2000年的差值)從哈爾濱的0.2℃(0.4%和1%顯著性水平)到昆明的1.4℃(99%和99.6%顯著性水平)不等.冬季往往比夏季有更大的差異，這表明在1971-2013年的43年間，冬季氣溫的上升速度比夏季快.CWBT的差異在夏季和冬季表現(xiàn)出不同的趨勢(shì)，冬季CWBT在1984-2013年期間高于1970-2000年期間，差異范圍從昆明顯著性水平99.6%下增加0.1℃到北京顯著性水平99.6%下增加1.5℃；夏季CWBT在1984-2013年期間低于1970-2000年期間，差異范圍從哈爾濱顯著性水平1%下的0.1℃到昆明顯著性水平0.4%下的2.4℃.焓值的變化與CWBT的變化相似，冬季焓值的增加從哈爾濱99.6%顯著性水平的0.2kJ/kg到昆明99%顯著性水平的2.4 kJ/kg不等，夏季焓值的變化范圍從哈爾濱1%顯著性水平的0.4 kJ/kg到哈爾濱0.4%顯著性水平的8.5 kJ/kg.

表5 兩個(gè)30a周期(1971-2000和1984-2013)的DDBT、CWBT和焓值Tab.5 Summary of design DBT(DDBT),coincident WBT(CWBT) and enthalpy based on two 30-year periods(1971-2000 and 1984-2013)

為了確定夏季的冷負(fù)荷峰值大小，本文對(duì)這五個(gè)城市的圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱增量和新風(fēng)負(fù)荷進(jìn)行了測(cè)定.基于前面3.1節(jié)提到的一般建筑進(jìn)行估算，DDBT升高導(dǎo)致圍護(hù)結(jié)構(gòu)荷載的三個(gè)主要組成部分(即通過墻體、窗戶和屋頂)的傳導(dǎo)熱增加，以及焓變減小導(dǎo)致新風(fēng)負(fù)荷減少.有關(guān)建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的資料見表6.計(jì)算中假定窗墻比為40%，圖4顯示了這五個(gè)城市在2%顯著性水平下建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱增量和新風(fēng)負(fù)荷變化的情況，建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱增量從哈爾濱的6 kW到昆明的23 kW不等，新風(fēng)負(fù)荷降低幅度從武漢的48.8 kW到北京的107.4 kW不等.通過這些研究可以觀察到兩點(diǎn)，首先，當(dāng)從北方的寒冷氣候轉(zhuǎn)移到南方的溫暖氣候時(shí)沒有特定的趨勢(shì)或模式；其次，與所有五個(gè)城市新風(fēng)負(fù)荷的減少相比，通過建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)(即墻、窗和屋頂)的傳導(dǎo)熱增益增加的幅度很小.這說明由于DDBT的適度增加，新風(fēng)負(fù)荷的減少量往往會(huì)超過熱傳導(dǎo)的略微增加量，這使得武漢的冷負(fù)荷峰值凈減少了34 kW，北京則減少了95.6 kW.這個(gè)研究結(jié)果表明氣候變化不會(huì)像普遍預(yù)期的那樣導(dǎo)致需選用更大型的制冷設(shè)備.事實(shí)上，由于CWBT減小，焓值也會(huì)更小，室外設(shè)計(jì)條件不那么極端，所以稍小型的制冷設(shè)備就可以滿足.本文對(duì)冬季也進(jìn)行了在99%顯著性水平下的類似分析，圖5總結(jié)了五個(gè)城市傳導(dǎo)熱損失和新風(fēng)負(fù)荷的變化以及相應(yīng)的采暖負(fù)荷峰值降低的情況.通過建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的熱量損失減少幅度從武漢的11.6 kW到昆明的53.7 kW不等，新風(fēng)負(fù)荷減少幅度從哈爾濱的29.3 kW到昆明的117.1 kW不等.新風(fēng)負(fù)荷的減少很大程度上降低了導(dǎo)熱熱損失，說明了焓變的重要性.

表6 基于各城市規(guī)范的圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)Tab.6 U-values for wall and window based on the design/energy code in the five cities(Ref.[27]) W/(m2·K)

圖4 建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)導(dǎo)熱增益、新風(fēng)負(fù)荷和 冷負(fù)荷峰值的變化Fig.4 Summary of changes in building envelope conduction heat gain, fresh air load and peak cooling loads

圖5 建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳導(dǎo)熱損失、新風(fēng)負(fù)荷和 熱負(fù)荷峰值的變化Fig.5 Summary of changes in building envelope conduction heat loss, fresh air load and peak heating loads

4 討論

實(shí)際工況下往往會(huì)受到太陽(yáng)輻射的影響.

一般的工程做法是根據(jù)建筑的冷負(fù)荷峰值來確定HVAC設(shè)備的大小，而建筑的冷負(fù)荷峰值又根據(jù)室外設(shè)計(jì)條件(即DDBT/CWBT)和通過窗戶和天窗的最大輻射熱量(如果有的話)來確定，其中最大輻射強(qiáng)度(W/m2)并不總是與室外最高溫度一致.因此另一種更合適的方法是使輻射強(qiáng)度與DDBT/CWBT同時(shí)發(fā)生，這種方法的主要困難是太陽(yáng)輻射和DDBT/CWBT的同時(shí)發(fā)生情況因設(shè)計(jì)不同而不同.不同朝向、寬高比的建筑物在一天中的不同時(shí)間和一年中的不同時(shí)間會(huì)有不同的太陽(yáng)熱增益峰值.根據(jù)設(shè)想，與DDBT/CWBT同時(shí)發(fā)生的太陽(yáng)輻射熱增益將小于相應(yīng)的峰值.例如透過水平屋頂?shù)奶齑暗奶?yáng)熱量，水平表面上的最大輻射強(qiáng)度出現(xiàn)在太陽(yáng)高度達(dá)到最大時(shí).理論上，這發(fā)生在中午12點(diǎn)(太陽(yáng)時(shí)間)，但實(shí)際上室外干球溫度的峰值往往出現(xiàn)在下午.因此，與DDBT/CWBT一致的水平天窗獲得的輻射熱量將小于中午的峰值.逐時(shí)建筑能耗模擬可以通過分析每小時(shí)冷負(fù)荷來考慮建筑負(fù)荷的差異性和一致性[29-31]，但這往往是針對(duì)特定的建筑設(shè)計(jì)和能量分析，而不是針對(duì)一般的建筑和工程應(yīng)用.本文認(rèn)為，在確定冷負(fù)荷峰值和相應(yīng)的HVAC規(guī)模時(shí)，應(yīng)考慮同時(shí)發(fā)生輻射熱增益的概念.與DDBT/CWBT同時(shí)發(fā)生的輻射強(qiáng)度信息對(duì)建筑師和工程師很有用，特別是在考慮不同建筑方案的初始設(shè)計(jì)階段.因此作者認(rèn)為應(yīng)開發(fā)一個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)，其中包含基于中國(guó)不同氣候區(qū)內(nèi)所有主要城市的實(shí)測(cè)全球太陽(yáng)輻射的八個(gè)主要方位的DDBT/CWBT和水平面的不同保證率水平的太陽(yáng)輻射強(qiáng)度(W/m2)信息.此外，鑒于人們對(duì)建筑物集成光伏應(yīng)用的興趣與日俱增，還應(yīng)開發(fā)包含不同方向、不同重要度的太陽(yáng)可用性信息(以MJ/m2為單位的日均太陽(yáng)輻射量)的數(shù)據(jù)庫(kù).這將使設(shè)計(jì)者對(duì)他們提議的BIPV方案可能的太陽(yáng)能潛力有一個(gè)很好的了解.這些數(shù)據(jù)庫(kù)應(yīng)構(gòu)成建筑和HVAC設(shè)計(jì)的更全面的本地設(shè)計(jì)指南/規(guī)范的一部分.

5 結(jié)論

本文研究了中國(guó)五大氣候帶內(nèi)五個(gè)城市43 a(1971-2013年)長(zhǎng)期實(shí)測(cè)的干球和濕球溫度，以及相應(yīng)的新風(fēng)焓.還通過分析兩個(gè)30年周期(1971-2000年和1984-2013年)的設(shè)計(jì)干球溫度(DDBT)和同時(shí)發(fā)生濕球溫度(CWBT)，研究了氣候變化對(duì)室外設(shè)計(jì)條件和冷負(fù)荷峰值的影響.結(jié)論如下：

1984-2013年的DDBT有高于1971-2000年的趨勢(shì)，但1984-2013年的CWBT和相應(yīng)的室外焓在不同的保證率水平上均小于1971-2000年.與因新風(fēng)焓降低而減少的新風(fēng)負(fù)荷相比，由于溫度升高而增加的通過建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的傳導(dǎo)熱增益相對(duì)較小.這導(dǎo)致了所有五個(gè)主要?dú)夂騾^(qū)的冷負(fù)荷峰值都有所降低.這與人們普遍認(rèn)為的全球變暖將導(dǎo)致更嚴(yán)格的室外設(shè)計(jì)條件，從而導(dǎo)致更高的冷負(fù)荷峰值和更大的供暖、通風(fēng)和空調(diào)(HVAC)設(shè)備的觀點(diǎn)相反.