北京地區(qū)建筑節(jié)能設(shè)計氣象參數(shù)變化分析

北京地區(qū)建筑節(jié)能設(shè)計氣象參數(shù)變化分析

氣候變化對城市建筑節(jié)能設(shè)計氣象參數(shù)的影響氣候變化對所有社會行業(yè)的影響越來越大，尤其是對占社會終端總能耗約30%的建筑能耗的影響，這對建筑節(jié)能技術(shù)提出了新的要求。建筑節(jié)能設(shè)計是建筑節(jié)能的基礎(chǔ),而氣象數(shù)據(jù)則是建筑節(jié)能設(shè)計的依據(jù),建筑節(jié)能需充分考慮氣候變化的因素。從20世紀(jì)90年代開始,建筑節(jié)能設(shè)計日漸受到社會重視,城市居住建筑將逐步實現(xiàn)三步節(jié)能(即在1980—1981年住宅通用設(shè)計的基礎(chǔ)上節(jié)能65%,使建筑總耗能指標(biāo)大概下降到14.4W/m2左右)。低能耗低碳建筑層出不窮,建筑節(jié)能設(shè)計不斷創(chuàng)新,對氣象參數(shù)的應(yīng)用也提出了更高要求。然而,當(dāng)前仍在使用的現(xiàn)行建筑節(jié)能設(shè)計標(biāo)準(zhǔn),均是基于20世紀(jì)80年代之前的歷史氣象數(shù)據(jù)計算制定,未曾考慮氣候變化的影響,顯然不具有可持續(xù)的適用性。同時,由于歷史氣象記錄不完整等客觀因素,原有的建筑氣象參數(shù)指標(biāo)不可避免地存在一些偏差和缺陷,這些數(shù)據(jù)已不能代表當(dāng)前氣候的狀況及未來氣候變化的趨勢。所以,研究氣候變化對城市建筑節(jié)能設(shè)計氣象參數(shù)的影響,并提出相應(yīng)應(yīng)對措施十分必要。本文分析了華北地區(qū)北京、天津、石家莊和太原4個城市的建筑節(jié)能設(shè)計氣象參數(shù)近60年變化特征,旨在為設(shè)計人員進(jìn)行建筑節(jié)能設(shè)計時考慮氣候變化的影響提供科學(xué)參考,也為從氣候變化角度制定建筑節(jié)能決策提供依據(jù)。1空氣調(diào)節(jié)室外溫度本文所用數(shù)據(jù)來源于國家氣象信息中心,選取了北京、天津、石家莊和太原4個城市1951—2010年逐時干球溫度、相對濕度、月平均風(fēng)速等氣象要素。按照《GB50019—2003采暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計規(guī)范》(簡稱《暖通規(guī)范》)計算了采暖室外計算溫度(采用歷年平均不保證5d的日平均溫度,即日平均溫度低于采暖室外計算溫度的天數(shù)不大于5d)、冬季空氣調(diào)節(jié)室外計算溫度(采用歷年平均不保證1d的日平均溫度)、夏季空氣調(diào)節(jié)室外計算干球溫度(采用歷年平均不保證50h的干球溫度)、夏季空氣調(diào)節(jié)室外計算日平均溫度(采用歷年平均不保證5d的日平均溫度)、夏季通風(fēng)室外計算溫度(采用歷年最熱月14:00的月平均溫度的平均值)、夏季通風(fēng)室外計算相對濕度(采用歷年最熱月14:00的月平均相對濕度的平均值)。利用每30年的數(shù)據(jù)分析了以上各參數(shù)1951—2010年不同時段的變化趨勢。2結(jié)果與分析2.1冬季空氣調(diào)節(jié)室外計算溫度近幾十年來華北地區(qū)4個城市采暖及冬季空氣調(diào)節(jié)室外計算溫度均呈明顯升高趨勢(表1)。1981—2010年時段與《暖通規(guī)范》采用的1951—1980年時段相比,采暖室外計算溫度升高幅度為2.1℃(北京)~3.4℃(石家莊),而冬季空氣調(diào)節(jié)室外計算溫度升高幅度為2.1℃(天津)~3.1℃(石家莊)。根據(jù)《暖通規(guī)范》,在采暖工程設(shè)計中必須考慮某地區(qū)的室外計算溫度,而采用空調(diào)采暖系統(tǒng)同樣需要考慮冬季空氣調(diào)節(jié)室外計算溫度,室外計算溫度決定了采暖燃料定額或者空調(diào)容量,此值越低燃料定額或者空調(diào)容量越高。采暖室外計算溫度的上升,可使鍋爐燃料定額減少。如石家莊現(xiàn)采用的采暖室外計算溫度為-9℃,氣候變暖導(dǎo)致其上升到-5.6℃,升高了3.4℃(表1)。從采暖鍋爐燃料消耗定額計算得出,定額減少了12.6%,具有明顯的節(jié)能潛力。同樣,隨冬季氣候變暖,冬季空氣調(diào)節(jié)室外計算溫度亦明顯升高,空調(diào)設(shè)計負(fù)荷偏大,也會使設(shè)備容量偏大,在空調(diào)系統(tǒng)自動控制不到位的情況下會造成設(shè)備運行效率低,能耗比實際需求偏高。2.2空氣調(diào)節(jié)室外溫度和逐時溫度分布夏季空氣調(diào)節(jié)室外計算干球溫度可以影響圍護結(jié)構(gòu)傳熱和設(shè)備冷卻效果,主要用于確定新風(fēng)負(fù)荷。干球溫度的升高導(dǎo)致新風(fēng)負(fù)荷增加,要增加室內(nèi)的供冷量,會導(dǎo)致冷負(fù)荷偏大,使室內(nèi)的制冷能耗增加,能源水泵會有所增加,總體上對節(jié)能是不利的。同時,原有供冷設(shè)備選型供冷量偏低,在室外溫度升高的同時,增加了設(shè)備負(fù)荷,將使設(shè)備容量難以符合負(fù)荷增加需求,設(shè)備的使用存在一定的安全風(fēng)險。但通過華北4個城市的分析來看(表1),北京和石家莊夏季空氣調(diào)節(jié)室外計算干球溫度的變化并不明顯,對制冷設(shè)備選型和運行效果影響不大。1981—2010年與1951—1980年相比,4個城市干球溫度均有不同程度的小幅增加,北京和石家莊僅增加了0.5℃和0.2℃,而天津和太原升高均超過了1.0℃,對制冷設(shè)備選型及運行效果有一定程度的影響。夏季空氣調(diào)節(jié)室外計算日平均溫度主要用于計算逐時室外溫度,而逐時溫度則用于計算最大負(fù)荷,進(jìn)而通過負(fù)荷確定設(shè)備選型。分析發(fā)現(xiàn),華北地區(qū)4個城市夏季空氣調(diào)節(jié)計算日平均溫度呈升高趨勢(盡管太原規(guī)范采用的日平均溫度高于1981—2010年計算值),而室外計算逐時溫度也明顯上升(圖1)。1981—2010年與1961—1990年相比,北京、天津和石家莊逐時溫度在不同時段差異最大值出現(xiàn)在凌晨03:00—05:00,至午后14:00逐漸降低,之后又升高;與此相反,太原不同時段差異最大值出現(xiàn)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年逐時室外溫度變化不大,而從1971—2000年至1981—2010年室外計算逐時溫度明顯升高,尤其是在午后14:00—15:00升高了1℃。由于夏季空氣調(diào)節(jié)室外計算逐時溫度主要用于確定設(shè)備最大負(fù)荷,從而為設(shè)備選型提供依據(jù)。從華北4個城市的分析來看,天津、北京和石家莊日平均溫度升高幅度與規(guī)范采用的相比均有不同程度的升高趨勢,太原卻降低了0.2℃。但太原空氣調(diào)節(jié)室外計算逐時溫度升高主要在午后14:00—15:00,即一日中夏季空調(diào)開啟的主要時段,此時溫度的升高對于最大負(fù)荷有明顯的影響,使計算出來的冷負(fù)荷小于實際負(fù)荷,易造成設(shè)備選型時最大負(fù)荷的偏低,影響下午空調(diào)開啟集中時段運行效果。與此不同,其余3個城市近60年來逐時溫度升高主要在凌晨03:00—05:00,而此時段往往為一日中的低溫時段,空調(diào)基本處于關(guān)閉的狀態(tài),此時溫度的升高對日最大負(fù)荷的影響不大。2.3夏季通風(fēng)室外計算溫度和濕度通風(fēng)分為衛(wèi)生通風(fēng)和熱舒適通風(fēng)。付祥釗等研究發(fā)現(xiàn),供暖、空調(diào)只是部分時間、部分建筑的補充需要,比如對于民用建筑,通風(fēng)不僅是建筑的基本需求,也是建筑節(jié)能的關(guān)鍵。夏季通風(fēng)是建筑節(jié)能的主要手段之一,而夏季通風(fēng)室外計算溫度和相對濕度是確定節(jié)能效果的主要影響因素,計算溫度可以確定通過通風(fēng)可以消除多少室內(nèi)余熱,而濕度與人體的舒適度有直接關(guān)系,進(jìn)而影響到通風(fēng)行為以及通風(fēng)節(jié)能效果。分析表明,夏季通風(fēng)室外計算溫度除石家莊外,北京、天津和太原1981—2010年時段與《暖通規(guī)范》使用的溫度相比有小幅增加(表1)。溫度的升高使通風(fēng)帶走室內(nèi)熱量的效果降低,節(jié)能效果也呈降低趨勢,但只有小幅降低,影響不大。夏季通風(fēng)室外計算相對濕度石家莊和太原沒有明顯變化,北京、天津均有明顯的降低,對通風(fēng)節(jié)能是有利的。3空氣調(diào)節(jié)室外計算溫度影響及節(jié)能技術(shù)展望(1)通過分析華北地區(qū)天津、北京、石家莊及太原氣候變化對建筑節(jié)能設(shè)計氣象參數(shù)的影響,發(fā)現(xiàn)建筑節(jié)能設(shè)計氣象參數(shù)(主要分析了暖通空調(diào))1951—2010年發(fā)生了明顯改變,對建筑能耗、設(shè)備選型和運行效果均有潛在影響,而且不同城市之間變化有差異。這些參數(shù)的變化對設(shè)備選型和運行的影響存在有利的因素,比如冬季采暖及冬季空氣調(diào)節(jié)室外計算溫度升高,在保證室內(nèi)舒適度不變的情況下,有利于節(jié)能減排,同時夏季通風(fēng)室外計算相對濕度降低,有利于降低除濕所用能耗;也有不利影響,比如夏季空氣調(diào)節(jié)室外計算干球溫度和日平均及逐時溫度升高,使供冷負(fù)荷增加,增加能耗和設(shè)備投資,同時通風(fēng)室外計算溫度升高不利于消除室內(nèi)余熱,增加能耗。(2)未來工作要根據(jù)各城市氣候變化特征、節(jié)能需求以及建筑和節(jié)能技術(shù)的革新,更新現(xiàn)有建筑節(jié)能設(shè)計參數(shù),達(dá)到提高節(jié)能及人體舒適度的雙重需求。目前報批的《民用建筑供暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計規(guī)范》已經(jīng)對建筑設(shè)計氣象參數(shù)進(jìn)行了更新,有望解決這一問題。同時,隨著建筑和節(jié)能技術(shù)的革新,現(xiàn)有建筑節(jié)能設(shè)計氣象參數(shù)是否能適