夏热冬冷地区本身属于建筑热工设计的气候分区。建筑热工气候分区的气候要素是室外空气干球温度。以累年最冷月(即1月)和最热月(即7月)平均温度作为分区主要指标,以累年日平均温度不高于5 ℃和不低于25 ℃的天数作为辅助指标。建筑热工设计分区将最冷月平均温度为0～10 ℃,最热月平均温度为25～30 ℃,日平均温度≤5 ℃的天数为0～90 d,日平均温度>25 ℃的天数为40～110 d的区域划分为夏热冬冷地区 ^[1]。

　　 建筑热工设计分区是基于建筑热工设计的气候适应性,主要着眼于室外空气干球温度,通过其作用于建筑外围护结构对室内热环境的影响,寻求适宜的建筑热工设计。由于建筑热工设计分区未考虑暖通空调系统的气候适应性及建筑设备节能的要求,因此不能作为暖通空调设计的气候分区 ^[2]。

　　 室内热环境质量的主要标识参数,除了干球温度之外,还有一个非常重要的参数——相对湿度。健康舒适的室内热环境在要求干球温度的同时,也要求适度范围的相对湿度,超出这个范围,对人体健康和舒适会造成各种不同程度的危害。但是建筑热工设计在调整室内空气相对湿度上的作用很小。

　　 GB 50736—2012《民用建筑供暖通风与空气调节设计规范》用干球温度的上下限(t_gn1,t_gn2)和相对湿度的上下限(φ_n1,φ_n2)确定了室内环境热舒适的区域。室外空气的热湿状态(干球温度t_gw、相对湿度φ_w)与这个热舒适区域的相对关系,体现了其对建筑热环境产生影响的程度,也是暖通空调必须适应的主要室外气候条件,决定着暖通空调的能耗。

　　 夏热冬冷地区各代表城市全年室外空气温度和相对湿度的分类累积时数分别如表1,2所示。

　　 分析表1可知:按一级热舒适标准,各代表城市室外气温处于舒适温度区的全年累积时数只占13.8%～18.4%,超出舒适温度区上限的也仅占10.7%～23.3%,全年低于下限的累积时数占比高达62.3%～71.9%;若按二级热舒适标准,处于舒适温度区的全年累积时数占比增加到34.4%～41.1%,超出上限的减少为5.5%～15.7%,低于下限的减少为47.8%～53.8%。

　　 仅从温度分析,夏热冬冷地区各代表城市的室外空气干球温度,全年50%左右的时数低于热舒适标准的下限,造成通过建筑围护结构的传热损失和通风热损失,需要供暖维持室内温度处于热舒适区内,只有15%的累积时数需要供冷维持室内热舒适。如果仅从干球温度分析,影响夏热冬冷地区热舒适的主要因素是室外低温而不是高温。这显然与生活感受和工程实践不一致。

　　 分析表2可知:按一级热舒适标准,各代表城市室外空气相对湿度处于热舒适区的累积时数只占9.6%～20.6%,超过热舒适区上限、处于高湿状态的累积时数占比高达77.5%～90.3%,而低于下限、处于低湿状态的只占0.06%～1.86%,突显了夏热冬冷地区是高湿气候区;若按二级热舒适标准,各代表城市室外空气相对湿度处于热舒适区的累积时数占比增加为21.4%～35.7%,处于高湿状态的累积时数占比下降为64.4%～78.6%,仍表明该地区是高湿气候区。

　　 对比一、二级热舒适标准,二级将舒适区的温度范围从22～26 ℃扩大到18～28 ℃,各代表城市室外温度处于舒适区的累积时数就增加为一级标准的2.4倍左右。同理,符合二级标准的相对湿度累积时数为一级标准的1.6～2.2倍。

　　 降低热舒适标准可以明显降低暖通空调能耗,但这降低的能耗能叫节能量吗?

　　 降低热舒适标准造成的室内热环境质量下降,由此而产生的损失很难客观评价,更难量化。但是建筑节能的初衷是改善热环境质量,提高居住水平。从以人为本的基本原则和节能标准的总则来讲,降低热舒适标准而降低的暖通空调能耗不能称之为节能量。

　　 在提高热舒适标准的条件下,如何提高建筑节能的节能率?这是个尚未取得共识的难题。解决这一难题,需先认识夏热冬冷地区建筑节能的历史背景和特点。

　　 我国建筑节能是在20世纪80年代从北方供暖地区开始的,节能的重点是供暖能耗,计算节能率的基准是当时建筑的供暖能耗(按JGJ 37—87《民用建筑设计通则》设计的建筑的供暖能耗)。到20世纪90年代末,要在夏热冬冷地区开展建筑节能时,由于当时该地区建筑既不供暖,又无空调,维持室内热环境的能耗几乎为零,这使节能率无从计算,也无从决定该地区的建筑节能技术路线和体系。为了解决这一问题,当时的《夏热冬冷地区居住建筑节能设计标准》编制组提出了解决思路:首先确定夏热冬冷地区居住建筑所应达到的室内热环境质量标准,然后计算当时的建筑(也是按JGJ 37—87《民用建筑设计通则》设计的建筑)维持应达到的室内热环境质量标准所需的暖通空调能耗,作为节能计算的基础。按照50%建筑节能率计算出节能建筑的能耗指标,根据这一能耗指标,确定了节能建筑的技术体系(建筑、建筑热工和暖通空调设备)。现在修编《夏热冬冷地区居住建筑节能设计标准》,面临着2个变化:其一,该地区社会经济发展水平由当年的“温饱”提升到“小康”水平,室内热环境质量标准需要提高;其二,全国建筑节能的节能率已提升到75%,并向近零能耗建筑推进,修编后的《夏热冬冷地区居住建筑节能设计标准》的节能率也要求提升。该怎样确定修编后的节能技术路线和体系呢?

　　 笔者建议:计算节能率75%的基础建筑与原节能率50%的基础建筑相同——仍是按JGJ 37—87《民用建筑设计通则》设计的建筑,室内热环境质量达到文献[3]规定的一级热舒适标准;以基础建筑维持一级热舒适水平所消耗的能量为基础,按75%的节能率,计算出修编后的节能建筑的能耗限额,进而确定其节能技术路线和体系。

　　 夏热冬冷地区各代表城市全年室外逐时温湿度如图1所示,可以看出,全年高相对湿度是这些城市共同的气候特点。从表1和表2还可看出,该地区城市的高相对湿度对应的温度区间较广,可分为高温高湿、中温高湿、低温高湿3类,这是另一个共同的气候特点。

　　 为了进一步分析该地区有关建筑热环境和暖通空调能效的气候特点,在焓湿图(h-d图)上用t=t_gn1,t=t_gn2,φ=φ_n1,φ=φ_n2这4条线,展示出文献[3]规定的热舒适区域O。同时这4条线也将区域O外的部分分割为A～H等8个分区,各分区的空气热湿状态与命名如图2所示。

　　 如果只从干球温度分析,图2的9个分区可聚类为温度超过上限的高温区(A+B+C),温度在上下限之间的舒适温度区(H+O+D),温度低于下限的低温区(G+F+E)。统计各代表城市全年8 760 h的室外空气温度属于各区的累积时数,结果如表3所示。

　　 由表3可以看出:在温度和相对湿度的联合限定下,各代表城市室外空气的热湿状态(温度、相对湿度)处于舒适区内的累积时数,较之单参数(温度或相对湿度)限定下明显减少,仅占1.07%～2.43%(一级)或5.43%～10.58%(二级)。各代表城市在各状态分区的累积时数分布具有很好的一致性。依累积时数从多到少排列,前两位依次为低温高湿区E和中温高湿区D,二者之和占全年时数(8 760 h)的59.6%～75.4%(二级),这表明高湿度的室外空气状态主要关联着中、低温度区(t≤28 ℃(二级)或t≤26 ℃(一级))。这是需要新风机组处理的出现频率最高的新风热湿状态。而设计工况中对应的高温高湿的空气状态(C区)出现的时间只占7.7%～17.1%(一级)或1.4%～6.4%(二级),按照一级标准考虑,也不超过20%。影响全年新风机组总能耗的是热湿状态处于中、低温的高湿空气。

　　 处于低温高湿状态(E区)的空气处理到舒适区的基本过程是等湿加热;而处于中温高湿状态(D区)的空气处理到舒适区的理想过程是等温除湿。但目前该地区居住建筑使用的新风处理技术及设备,最普遍、最成熟的是降温除湿,将新风温度降到其露点温度以下,凝结除湿。这一过程使处于D区的新风温度降得过低,而在中温高湿的室外条件下,建筑围护结构向室内的传热量小,室内又没有足够的热量使新风进入室内后温度明显上升,因此造成室内温度偏低。

　　 分析各代表城市逐月室外空气热湿状态的分区累积时数,发现有如下共同特点:10,11,12,1,2,3,4月空气热湿状态主要处于E区(低温高湿);6,7,8月主要处于C区和D区(高温高湿和中温高湿);5月是从E区向C,D区的过渡月,9月则是从C,D区向E区的过渡月。

　　 一年中室外空气热湿状态主要处于E区的时间长达7个月之久,该时段内室外空气温度都低于舒适区的温度下限,而相对湿度都高于舒适区的上限。从维持室内热环境和降低能耗角度考虑,需要更深入地剖析这个区域中的空气热湿状态与建筑室内热湿状态的关联情况。

　　 10,11月,由于大地积累的太阳辐射热的作用,室外空气温度不是直线下降,而是在波动中下降。此时,尽管在夏季空调的作用下,室内空气温度仍处于热舒适区,但是在热舒适区的上半部(23～26 ℃)。经过一个夏季强烈的太阳辐射和高温作用,建筑本体还蓄积着夏季的热量,室内人员、设备散热有待排除。这时维持室内热舒适有2条技术路线:其一,继续运行空调系统;其二,通风引入处于E区的室外空气,其含湿量在5.2～14.8 g/kg之间(与室内相同),其与室内空气之间有4～10 ℃的温差,3 h^-1及以上的通风量可以带走室内余热,维持热环境舒适标准。因此宏观上可将10,11月作为暖通空调的通风季节。至于一座城市、一栋建筑,乃至一套住房的通风季节的起止日期是有差别的。

　　 12,1,2月,自然季节进入冬季,室外空气温度降到10 ℃及以下,含湿量也降到7.6 g/kg以下。而建筑本体夏季积蓄的热量,经10,11月的通风已基本散尽,室内人员、设备散热不足以稳定室温。若不供暖,室内空气温度将降至舒适区以下,室内含湿量为5.3～10 g/kg。这时室内外传热温差可达10 ℃以上,必须供暖才能弥补围护结构的散热和通风造成的热损失,但无需加湿和除湿,室内相对湿度都能保持在舒适范围内。这就是夏热冬冷地区的供暖季节(12,1,2月)。

　　 3,4月,室外空气热湿状态虽仍主要处于E区,但空气温度已上升到15 ℃及以上,并有部分处于舒适区O。由于大地的水分蒸发尚弱,室外空气中的含湿量在8～12 g/kg左右。这时建筑内外温差只有5 ℃左右,围护结构散热少。此时可以将室外空气直接引入室内,维持室内空气质量。因此,3,4月也是一个通风季节。

　　 这2个通风季节存在一个重要的区别:夏季之后的通风季节,室外空气进入室内的热湿状态变化过程是升温过程;春季的通风季节则是等温或降温过程。

　　 5月是室外空气热湿状态变化最丰富的月份,如南京室外空气热湿状态从A区到O区都有,变化稍少的长沙也有5个热湿状态区(B,C,D,E,O)。由于自然热湿作用增强,室外空气中水蒸气含量超过室内的时数增多,产生了间歇的新风除湿要求。

　　 6月,室外空气热湿状态处于E,C,D区的累积时数达到70%及以上,而建筑和室内物体的表面温度尚处于室外空气的露点温度及以下,室外空气直接进入室内会产生冷凝结露,造成室内潮湿。为了维持室内环境健康、舒适,需要较长时间持续地对新风作除湿处理。

　　 因此,5,6月尽管室外空气温度适宜,但由于湿度高,不能列为通风季节,应划为该地区的除湿季节。

　　 7,8月是夏热冬冷地区太阳辐射最强的时期。在强烈的太阳辐射作用下,室外空气热湿状态主要处于高温高湿的C区和高温中湿的B区,干球温度远高于舒适区上限,露点温度高于室内舒适区的露点温度,新风需降温除湿后才适宜送入室内。同时强烈的太阳辐射通过围护结构将热湿驱入室内形成热湿负荷。这是典型的空调季节。

　　 9月为空调季节向通风季节的过渡期,太阳辐射作用减弱,高温高湿的空气状态明显减少,具有与10,11月相似的特点,可作为暖通空调的通风季节。

　　 夏热冬冷地区全年的季节构成与划分见表4,全年没有需要加湿的季节。

　　 在空调普及前,“夏热”“火炉城市”是该地区最著名的气候特点。形成这一气候特点的原因是全球气候系统——太平洋副热带高压的强大控制力。每年的7,8月,整个夏热冬冷地区都在其控制下,表现出强烈的太阳辐射、高温高湿的共同特点。夏热冬冷地区各代表城市7月的气候要素见表5。

　　 7月前、8月后的10个月,没有了太平洋副热带高压的控制,酷暑的共性隐去,该地区表现出东西气候差异,主要表现在冬季的太阳辐射和室外空气温度。夏热冬冷地区东西部分属西南地区山城和长江中下游平原。西部的山地气候与东部的平原气候形成了西部冬季气温高、太阳辐照弱,东部冬季气温低、太阳辐射强的气候差异。夏热冬冷地区各代表城市1月的气候要素见表6。

　　 以西部的重庆、东部的南京为例,对比分析其室外逐时空气热湿状态的累积时数分布,如表7所示。可以看出:重庆的B,D,E区累积时数大于南京,A,F,G,H,O区累积时数小于南京,即重庆的高温中湿、中温高湿和低温高湿状态多于南京,而低湿、低温中湿及热舒适状态少于南京。低温时数(E+F+G)重庆为5 494 h,南京为5 935 h;高温时数(A+B+C)重庆为1 652 h,南京为1 613 h。相比之下,南京比重庆中、低气温稍多,湿度也偏低,热舒适时数稍多,高温时数相近。另外,对比南京和重庆除湿季节(5,6月)的室外空气热湿状态累积时数分布可知,南京的中温高湿和低温高湿(D+E)时数共有952 h,重庆有968 h,二者相当;4月南京的低温高湿(E)时数有523 h,重庆有525 h,亦相当。表明除湿季节(梅雨季节)东西区类似。

　　 随机性大的天气要素的统计规律与稳定性强的气候要素相关。该地区夏季气候特点相同,是由大气气象系统太平洋副热带高压造成的。冬季东部日照好、气温低,西部日照差、气温高则是由东、西部的地形不同而导致的。春秋季没有太平洋副热带高压的作用,受西部山地、东部平原的差异性影响,东部晴朗天气多,寒潮作用强,西部阴雨天气多,寒潮作用弱,气温较稳定。这些差异都会对暖通空调的技术路线与方案产生重要影响。太平洋副热带高压的作用时间主要是7,8月;除湿季节为5,6月;全年其余8个月时间东、西部都呈现出平原气候与山地气候的差别。为了更有针对性地研发和应用建筑热环境控制技术及提高能效,宜将夏热冬冷地区划分为东、西2个暖通空调气候区,东区为平原气候区,西区为山地气候区,见图3。

　　 1) 利用空气温度和相对湿度2个参数,借助焓湿图,提出了一种新的室外空气状态分析方法。

　　 2) 通过对夏热冬冷地区9个代表城市全年室外空气热湿状态在焓湿图上9个分区内的分布时数进行统计与分析,以及对夏热冬冷地区城市室外空气热湿状态全年变化过程的特性分析,初步得到了夏热冬冷地区全年的季节构成与划分,可供暖通空调系统设计参考。

　　 3) 通过对夏热冬冷地区东、西部城市气候差异的进一步分析,认为宜将夏热冬冷地区划分为东、西2个暖通空调气候区,东区为平原气候区,西区为山地气候区,以便更有针对性地研发和应用建筑热环境控制技术,进而提高暖通空调设备和系统能效。