保障室内环境质量与实现建筑节能减排是可持续建筑设计的2个重要目标。2016年, 科技部和中国21世纪议程管理中心批准立项了国家重点研发计划项目“长江流域建筑供暖空调解决方案和相应系统” ^[1], 该项目围绕“建筑节能与室内环境保障”这一方向, 以被动式和主动式技术集成优化为手段, 以兼顾行为模式、营造低能耗舒适性建筑为理念, 提出改善长江流域建筑室内热环境的综合解决方案。被动设计是一种气候适应性建筑设计方案, 其基本思想是在不使用人工能源系统的情况下, 通过选择材料、运用技术实现建筑保温、隔热, 并提供通风与照明, 尽可能使建筑室内热环境在自然工况下达到可接受的舒适水平。被动设计相关的案例研究表明, 合理选择被动设计方案能有效延长非供暖空调时间, 同时降低供暖空调峰值负荷 ^[2]。

　　 气候条件是决定被动设计方案的关键因素之一, 气候分区有助于为各种技术的区域适用性提供指导, 是制定建筑节能相关政策、标准、法规的基础工作。国际上众多国家均将气候分区作为制定建筑热工设计规范的必要环节。美国ANSI/ASHRAE/IES Standard 90.1-2016《建筑节能标准 (除低层居住建筑) 》参照ASHRAE Standard 169-2013《用于建筑设计标准的气象数据》, 采用供暖度日数 (HDD18) 和空调度日数 (CDD10) 将全国分成9个热气候区 (0～8) , 结合3个湿气候区 (A～C) 划分成共19个气候类型 ^[3]。澳大利亚《国家建筑条例》采用水蒸气分压力、1月平均日最高温度、7月平均温度、供暖度日数等指标将全国分为8个气候区 ^[4,5]。日本仅采用供暖度日数 (HDD18) 将全国划分为8个气候区 ^[6]。印度考虑温度和相对湿度这2个与热舒适相关的指标, 将全国划分为5个气候区 ^[7,8]。除了直接将气象参数作为分区指标, 西班牙《建筑技术条例——建筑能耗限额》通过度日数 (HDD20与CDD20) 和日照时数的回归得到气候指数 (climatic severity index, CSI) , 将夏季划分为4个层次, 冬季划分为5个层次, 冬、夏两季的划分组合共产生了16个气候区 ^[9,10];在《摩洛哥建筑热工技术规范》中, 摩洛哥选择了该国11个代表性城市, 根据当地气候条件进行供热、供冷需求能耗模拟, 根据模拟结果划分了6个气候区 ^[11]。

　　 我国于20世纪50年代末开始开展全国建筑气候分区工作 ^[12]。1986年, 我国出台了JGJ 24—86《民用建筑热工设计规程》, 提出了以“保证基本的热环境功能要求, 并在一定程度上降低能源消耗”为目标的气候分区原则 ^[13]。1993年, 该标准被修订为GB 50176—93《民用建筑热工设计规范》, 以最冷月平均温度、最热月平均温度为主要指标, 日平均气温低于或等于5 ℃的天数和日平均气温高于或等于25 ℃的天数为辅助指标, 将全国划分为5个气候区 (严寒地区、寒冷地区、夏热冬冷地区、夏热冬暖地区和温和地区) ^[14]。

　　 气候区细分能够对建筑供暖空调技术方案的选择和节能效果的评估提供更加明确的指导。美国部分州制定了当地的建筑条例, 重新划定了更细致的气候分区, 以指导建筑节能工作的开展, 例如加利福尼亚能源署利用600个气象站的夏季和冬季平均温度 ^[15]将该州进一步划分为16个气候区 ^[16]。澳大利亚政府发起的“全国住宅能效评级方案”将澳大利亚细分为69个子气候区 ^[17], 各子气候区对不同能效等级 (0.5～10星, 共20个级别) 允许的最大能耗限额有不同的规定 ^[18], 保证了不同气候条件下评级的公平性。

　　 我国幅员辽阔, 在热工设计方面即使划分了5个大气候区, 但在各气候区中气象特征仍存在较大差异。为此, 我国于2016年对GB 50176—93《民用建筑热工设计规范》进行了修订, 现行标准GB 50176—2016《民用建筑热工设计规范》在维持一级气候区不变的条件下, 提出了二级区划方案 ^[19], 采用供暖度日数 (HDD18) 或空调度日数 (CDD26) 细分出11个子气候区。夏热冬冷地区供暖度日数的跨度范围为700～2 000 ℃·d, 该标准在1 200 ℃·d处将夏热冬冷地区分为3A和3B 2个子气候区, 该分区方案未考虑供冷需求, 也没有涉及相对湿度、太阳辐射和风速等其他影响建筑被动设计的气象要素。张丽洁等人针对横跨夏热冬冷地区、寒冷地区和温和地区3个热工气候区的长江流域, 选择了13个典型城市, 采用供暖度时数 (HDH16) 、空调度时数 (CDH28) 、最冷月南向竖直面总辐照度和除湿度时数进行分组, 利用模拟手段分析了保温、通风及遮阳技术在各组分类中的适宜性 ^[20]。该研究由于所选城市有限, 未能形成空间连续的气候区划方案。

　　 本研究针对夏热冬冷地区, 利用该区域内的166个气象台站, 选取包括气温、相对湿度、太阳辐射及风速等相关气象要素近10年 (2006—2015年) 的观测数据, 通过凝结层次聚类分析方法对该气候区进行空间连续的气候区细分。

　　 我国夏热冬冷地区涵盖长江中、下游及其周边地区, 总面积达180万km², 各地气候存在较大差异。一方面, 该地区最热月平均温度可达25～30 ℃, 绝大部分地区夏季较为炎热;另一方面, 该地区最冷月平均温度低至0～10 ℃ ^[19], 没有设置集中供暖设施, 冬季室内热湿环境比北部的严寒地区和寒冷地区更加恶劣 ^[21,22]。由于冬、夏两季的气候均为该区域的关注重点, 供暖度日数 (HDD18) 和空调度日数 (CDD26) 分别作为供热需求和供冷需求的表征被选取为本研究的分区指标。同时, 考虑到通风、遮阳等建筑被动技术选择的需求, 本研究在分区方案中也考虑了相对湿度、太阳辐射和风速等相关气象要素。由于气候分区涉及因素较多, 各个因素之间分布的差异会使分区结果十分零散。因此, 本研究采用分层级的气候区划分方案, 把对能耗最敏感的度日数 (CDD26和HDD18) 作为第一级区划指标, 进行主要气候区的划分, 将相对湿度、太阳辐射与风速作为第二级区划指标, 作为被动设计技术方案选择的辅助因素。

　　 在每一层级中, 本研究采用凝聚层次聚类分析方法进行初步划分, 该方法输出的结构化聚类结果能提供更加丰富的信息 ^[23], 而且便于对集群的验证 ^[24,25]。在聚类分析得到初步结果后, 根据各个分组中特征参数的范围提出气候区划的具体指标。对于第一层级的分区, 结合分区结果和“取大去小”的思想, 利用地理信息系统得到空间连续的气候区分布图。

　　 本研究从中国气象局发布的“国家气象科学数据共享服务平台” (http://data.cma.cn) 获取了近10年 (2006—2015年) 的日值气象数据。气象特征具有周期性变化和趋势性变化, 10年的气象数据具有一定的统计意义。Shi等人研究表明, 该地区平均每10年的温度提升达到0.3～0.4 ℃ ^[26], 在气候变暖背景下, 采用更长时间跨度会拉低当前温度的平均水平, 从而使该参数无法体现气候变化背景下的实际情况;另一方面, 现行国家标准同样采用了10年 (1995—2004年) 的气象数据 ^[19]。因此, 本研究仅选择10年的时间跨度进行气候区划分。本研究获取的参数包括日平均气温、日平均相对湿度、日总辐射曝辐量及日平均风速等, 选取的气象台站包括该平台提供的夏热冬冷地区范围内所有气象台站, 中国气象局在建设气象台站进行全国气象数据监测时考虑了站点分布均匀性的问题, 本研究所选气象台站在地理位置分布上也较为均匀。对于没有完整10年气象数据的气象台站进行了剔除, 最后有160个台站包含温度信息, 120个台站包含相对湿度信息, 24个台站包含太阳辐射信息, 166个台站包含风速信息。

　　 凝聚层次聚类是一种自底向上的聚类方法, 最初将每一个案单独作为一类, 然后不断将最相似的2个类进行组合, 直到所有个案都聚合在一起。本研究采用Ward’s算法, 利用平方欧氏距离作为气象台站间相关指标相似程度的度量:

　　 $d{}_{ij}={\displaystyle \sum _{t=1}^m(}v{}_{it}-v{}_{jt}){}^2(1)$

　　 式中 d_ij为气象台站i和j之间某参数的平方欧氏距离;v_it和v_jt分别为气象台站i和j中某参数在时间t (时间序列取值范围为1～m) 时的取值。

　　 每一步聚合过程总是将引起组内离差平方和增量最小的2个组聚合在一起, 然后对组间关系进行更新:

　　 $d{}_{(ij)k}=\frac{n{}_i+n{}_k}{n{}_i+n{}_j+n{}_k}d{}_{ik}+\frac{n{}_j+n{}_k}{n{}_i+n{}_j+n{}_k}d{}_{jk}-\frac{n{}_k}{n{}_i+n{}_j+n{}_k}d{}_{ij}(2)$

　　 式中 d _{(ij) k}为组合k与新组合 (ij) 之间的平方欧氏距离;n_i, n_j和n_k分别为各个组合中元素的数目;d_ik和d_jk分别为对应2个下标组合之间的平方欧氏距离。

　　 通过一次次组合, 最终将所有气象台站聚合在一起, 形成结构化的聚类分析结果。

　　 本文在确定划分界限值时, 分析了各种划分情况下 (仅包含可接受的分组数目) 各组间的参数分布情况, 进一步利用分布情况归纳出划分参数及其界限值, 从而得到最终的分区方案。本文通过分析, 对第一层级分组采用了平均空调度日数 (CDD26) 和供暖度日数 (HDD18) , 对湿度分组采用了年平均相对湿度及其四分位距, 对太阳辐射分组采用了冬季和夏季的平均日总辐射曝辐量, 对风速分组采用了年平均风速和极大风速。另外, 在进行区域划分时结合了国家的行政区划, 将地级市作为最小划分单位, 这样既可以保证划分较细致, 同时又便于管理。

　　 夏热冬冷地区的典型特征是夏季炎热、冬季寒冷。冬、夏两季室外温度将直接影响供热和供冷负荷, 本研究将空调度日数 (CDD26) 和供暖度日数 (HDD18) 作为一级分区的聚类变量。输入参数为2006—2015年每年的CDD26和HDD18, 这样的输入参数在聚类过程中通过平方欧氏距离的计算, 同时保证了对均值水平和波动趋势的考虑;对所有数据进行0～1标准化, 以消除CDD26和HDD18在数值上的差异, 避免数值较大的供暖度日数成为主要划分因素。根据聚类分析结果, 整个区域可被分为7个组, 对各分组中所有气象台站的参数分布特征进行分析, 最终选取平均空调度日数 (CDD26) 及供暖度日数 (HDD18) 为划分指标, 其参数分布如图1所示。

　　 本研究采用空调度日数 (CDD26) 将夏热冬冷地区划分为3个层次 (A～C) :A组为夏季供冷需求最高的分区 (CDD26为180～360 ℃·d) , 进一步根据供暖度日数 (HDD18) 划分出供热需求较高的子分区 (A1, HDD18为1 600～1 800 ℃·d) 、供热需求次高的子分区 (A2, HDD18为1 350～1 600 ℃·d) 和供热需求较低的子分区 (A3, HDD18为700～1 350 ℃·d) ;B组为夏季供冷需求次高的分区 (CDD26为80～180 ℃·d) , 进一步划分出供热需求较高的子分区 (B1, HDD18为1 600～2 200 ℃·d) 和供热需求次高的子分区 (B2, HDD18为1 000～1 600 ℃·d) ;C组为夏季供冷需求低甚至接近零的分区 (CDD26为0～80 ℃·d) , 同样可划分出供热需求较高的子分区 (C1, HDD18为1 750～2 500 ℃·d) 和供热需求次高的子分区 (C2, HDD18为1 350～1 750 ℃·d) 。对于处于划分界限附近的点, 任何温度波动都可能改变其归属, 本研究通过这些点所在地理位置周围点所处气候区决定其归属。根据空间连续性和取大去小原则, 并结合地级市行政区划, 各子气候区在地图上的空间分布如图2所示。

　　 在整个夏热冬冷地区, 南部的供冷需求明显高于北部。A1, A2子气候区夏季较热, 分布于长江下游沿江区域, A1子气候区主要集中在长江以北部分地区, 供热需求稍高于A2子气候区;A3子气候区为该地区最热的区域, 供冷需求最高, 供热需求最低, 主要集中在夏热冬冷地区的南部, 紧邻夏热冬暖地区, 另一部分则分布于四川盆地部分地区 (重庆及其邻接区域) 。B1, B2子气候区的供冷需求有所降低;B1子气候区主要集中于该地区的北部边界偏东区域, 紧邻寒冷地区;B2子气候区在该区域主要有2个聚集点, 其中一个聚集点位于偏西部区域, 但该聚集点被与其供热需求接近但供冷需求更高的A3子气候区分割成2个小块, 另外一个聚集点在东部沿海地区。C1子气候区位于该地区的西北角, 紧邻严寒、寒冷地区, 也是夏热冬冷地区中最冷的区域;C2子气候区的供热需求稍低于C1子气候区, 供冷需求同样很低, 大部分靠近温和地区 (贵州省大部及四川成都附近区域) 。总体而言, 夏热冬冷地区南部区域相对北部区域偏暖, 东部沿海区域相对内陆区域偏暖, 江河流域沿岸及盆地等特殊地形结构对气候特征分布有一定影响。

　　 第一层级的气候区划将主要用于整体围护结构热工设计方案的选择, 而被动设计除了必要的围护结构方面的考虑, 通风、遮阳等其他被动技术措施的合理利用将有助于进一步降低供暖空调能耗需求。本研究在第二层级采用相对湿度、太阳辐射和风速等作为综合分区因素, 成为第一层级的补充和延伸。

　　 空气湿度对人员的热舒适性有较大影响, 加湿与除湿过程都将增加室内环境调控的能耗。整个夏热冬冷地区的相对湿度均较高, 绝大部分地区平均相对湿度高于65%。本研究对10年的逐月均值分布进行分析, 根据四分位距R (第三四分位数与第一四分位数之差) 的大小划分出相对湿度波动较大的分组RH3 (平均R为13.45%) , 且该组平均相对湿度相对较低 (55%～75%) , 有可能出现较为干燥的季节。对于波动较小的地点, 根据其相对湿度的大小分为2组:极高湿组RH1 (平均相对湿度为75%～90%, 平均R为8.17%) 和较高湿组RH2 (平均相对湿度为65%～75%, 平均R为8.82%) 。在室外相对湿度适宜的条件下, 进行自然通风能够起到排除室内余湿的效果;对于相对湿度极高的区域, 需要辅助一定的除湿措施来保障室内的热舒适性。

　　 本研究将各月平均日总辐射曝辐量作为聚类变量, 根据聚类分析和参数特征分析结果将整个夏热冬冷地区的辐射特征分为3组。太阳辐射主要在冬、夏季对建筑供暖空调能耗产生较大影响:夏季太阳辐射通过加热围护结构向室内传热及通过透明围护结构直接投射入室内, 增加房间空调负荷;冬季这些太阳辐射转化为热量, 成为有利因素。通过对比冬、夏两季的平均日总辐射曝辐量, 本研究确定了如下划分规则:Ra1组, 全年太阳辐射相对较高 (夏季15.3～17.8 MJ/ (m²·d) , 冬季7.3～8.7 MJ/ (m²·d) ) ;Ra2组, 仅在夏季太阳辐射相对较高 (夏季16.1～17.7 MJ/ (m²·d) , 冬季6.5～7.1 MJ/ (m²·d) ) ;Ra3组, 全年太阳辐射相对较低 (夏季13.0～15.2 MJ/ (m²·d) , 冬季3.4～6.1 MJ/ (m²·d) ) 。对于Ra1组和Ra2组, 应注意夏季的遮阳、隔热措施, Ra1组可更加注重冬季太阳能的被动利用;Ra3组由于太阳能资源较匮乏, 可减少对太阳能相关技术的考虑。

　　 本研究将各月平均风速作为聚类变量, 根据聚类分析和参数特征分析结果将整个夏热冬冷地区分为4组。通过对比分析各气象台站平均风速, 聚类得到4个分组的3个划分点分别为3.5, 2.0, 1.5 m/s。其中, WS1组为风速最大的区域, 该区域有时会受到台风影响 (日最大风速大于10.8 m/s的天数至少达到75 d/a) ;WS2组为风速较大的区域;WS3组的风速在夏热冬冷地区处于中间水平;WS4组为风速最小的区域。大气环流形成的风在城市布局的影响下将结合温差产生的热压效应共同影响城市微气候中的风环境。一般而言, 对于风速较大的区域, 通风条件较好, 能够增加过渡季节自然通风的利用潜能;风速较小的区域可采用自然通风和机械通风结合的方式, 提高对室外气候资源的利用率;对于风速极大的区域, 计算通风潜能时应考虑极端天气条件对采用自然通风可能性的影响。另一方面, 在风速较大的环境下, 由于围护结构间的空隙会产生渗透风, 特别是在冬季, 冷风渗入室内将增加供暖能耗, 这种情况可通过增强建筑气密性来进行改善。

　　 根据上述划分规则, 部分城市的综合气候分区情况如表1所示。整体而言, 设计人员可根据各项二级分区结果对被动技术方案进行初步选择:例如上海市属于全年太阳辐射较高、风力资源丰富的区域, 在设计时应考虑遮阳、隔热等问题, 同时需考虑如何在过渡季节更多利用自然通风;又如重庆市属于全年湿度大、风力资源匮乏的区域, 可考虑机械通风辅助自然通风的混合通风模式, 同时增设除湿装置以保证人员健康与舒适。

　　 在第一层级气候区划的各个子气候区中选择代表性城市, 利用EnergyPlus进行能耗模拟, 用于体现分区方案对能耗水平反映的效果。所选的代表性城市包括:江苏南京 (A1) 、湖南长沙 (A2) 、重庆 (A3) 、河南驻马店 (B1) 、湖南湘西 (B2) 、陕西汉中 (C1) 和四川成都 (C2) 。

　　 课题组结合前期调研结果, 同时对比了大量新建住宅的户型图, 由此构成基准建筑的标准层 (见图3a) 。标准层包含2个不同用能习惯的户型:户型A, 套内建筑面积70 m², 两室两厅一卫, 居住家庭结构设定为“夫妻+子女”;户型B, 套内建筑面积108 m², 三室两厅两卫, 居住家庭结构设定为“老人+夫妻+子女”的三代家庭。基准建筑为正南北朝向, 由5层标准层构成, 取中间层作为研究对象 (见图3b) 。

　　 夏热冬冷地区各省市均有居住建筑节能设计标准, 分别规定了围护结构热工指标的限值。为了比较同一基准建筑在各省市的能耗差异, 本研究中基准建筑的热工指标按照JGJ 134—2010《夏热冬冷地区居住建筑节能设计标准》相关要求确定, 人员散热参考GB/T 50785—2012《民用建筑室内热湿环境评价标准》确定, 模型参数设定值见表2。

　　 各代表城市单位面积的全年供暖、空调能耗如图4所示。对比单位面积全年空调能耗:A1, A2和A3最高 (平均24.35 kW·h/m²) ;B1和B2次之 (平均21.57 kW·h/m²) , 相较A组低11.4%;C1和C2最低 (平均16.59 kW·h/m²) , 相较A组低31.9%。对比单位面积全年供暖能耗:A1, A2到A3逐渐降低, 同样B1高于B2, C1高于C2。该模拟结果与子气候区划分时期望的能耗水平分布趋势一致。

　　 对比现行标准, 本研究所选代表城市除重庆属于夏热冬冷B区 (3B) 外, 其余城市均属于夏热冬冷A区 (3A) 。分析3A中这6个城市的能耗数据:空调能耗的标准差为3.57 kW·h/m², 达到均值的17.1%;供暖能耗的标准差为3.84 kW·h/m², 达到均值的17.6%。可以看出, 现行标准中同一子气候区基准建筑的供暖、空调能耗仍然存在较大的差异, 不太利于节能技术路径的匹配。

　　 我国夏热冬冷地区夏季炎热、冬季寒冷, 建筑室内环境热舒适性改善需求迫切。根据气候条件合理利用被动技术, 可在提升热舒适水平的同时, 有效控制建筑供暖空调能耗。本研究收集了夏热冬冷地区近10年 (2006—2015年) 166个气象台站的日值气象数据 (包括日平均气温、日平均相对湿度、日总辐射曝辐量及日平均风速等) , 利用凝聚层次聚类方法对该地区进行了气候区细分。整个分区方案包含2个层级:第一层级, 基于空调度日数 (CDD26) 和供暖度日数 (HDD18) 得到了7个主要子气候区;第二层级, 利用相对湿度、太阳辐射和风速等因素在数值及季节变化上的差异性分别进行划分, 得到了3个相对湿度分组、3个太阳辐射分组和4个风速分组。第一层级的分区基于温度特性, 直接影响供热、供冷能耗需求;而相对湿度、太阳辐射和风速等第二层级的划分则对该区域的被动技术方案提供设计参考。该区划模式有助于设计人员根据气候特征合理选择围护结构热工指标, 同时合理设置通风、遮阳、除湿等其他被动技术措施, 为气候适应性建筑热工设计提供参考。