长江流域典型城市居住建筑负荷特征研究

潘黎

（上海市建筑科学研究院有限公司）

1 引言

长江流域大部分城市处于典型的夏热冬冷地区，该地区夏季闷热，冬季湿冷，年降水量大，日照偏少，春末夏初为长江中下游地区的梅雨期，多为阴雨天气，常有大雨和暴雨出现；沿海及长江中下游地区夏秋常受热带风暴和台风袭击。该气候条件下，长江流域建筑节能应同时考虑夏季隔热和冬季保温，总体规划、单体设计和构造处理应有利于良好的自然通风[1]。

本研究主要针对长江流域从制热度时数HDD、制冷度时数CDD、相对湿度、降雨量、最冷月平均温度、最热月平均温度、年平均温度、太阳辐射、平均风速等角度来分析长江流域气候特征，采用模拟的方式研究典型城市居住建筑负荷特征，在负荷特征基础上提出为满足全年采暖空调低能耗各个城市技术路线的主要方向。

2 气候特征分析

根据典型气象年数据分析不同城市的全年温湿度水平[2]，如图1、图2 所示。

长江流域典型城市全年采暖空调均有较大的用能需求。不同的城市对采暖空调有不同的需求。典型城市的温度水平如图1 所示，各气候区温度依据最冷月、最热月温度划分如表1 所示。采暖度日数HDD 和制冷度日数CDD 如图2所示，区间划分如表2 所示。

由图1 中可看出，武汉、重庆、长沙和南京的最热月平均温度最高，属于夏季最炎热地区，成都夏季温度较为温和，；针对冬季，长江流域典型城市均处于有供暖需求的地区，但是相比而言，南京、合肥、上海和武汉最冷月平均温度更低，重庆最高。由图2 中可看出，采暖度日数和制冷度日数的特征划分和平均温度有一定的区别，主要原因是虽然夏季平均温度高于26℃，但是不同的城市的高温区间分布差异较大。从温度和制冷/热度日数能看出，成都夏季制冷需求、重庆冬季供暖需求略低于长江流域其它城市，武汉、南京等长江流域城市对于制冷、制热都有比较显著的需求（见表1、表2）。

典型城市相对湿度如图3 所示，梅雨季除湿需求如图4 所示，总体而言，长江流域城市全年湿度均在75%以上，属于高湿环境，有较高的除湿需求。其中，长沙、重庆和成都年平均相对湿度显著高于其他城市，夏季除湿需求更高。上海、杭州和南京梅雨季节的除湿量占全年的比例最高，重庆的梅雨季节除湿量占全年除湿比例最低，由此可看出长江下游的梅雨季节对全年影响最大。

图1 最冷最热月平均温度

图2 典型城市采暖、制冷度日数

表1 长江流域典型城市年平均温度特征

表2 长江流域典型城市采暖度日数、制冷度日数特征

图3 各典型城市湿度特征

图4 梅雨季节除湿量占全年除湿比例

典型年平均风速如图5 所示，根据年平均风速，上海、南京和长沙的年平均风速最高，相比较而言，自然通风潜力较大，成都，重庆和武汉的年平均风速最低，夏季和过渡季节自然通风潜力较小。

图5 平均风速

3 典型城市的负荷特征分析

3.1 建立模型

建立典型居住建筑模型，如图6 所示，根据各省市目前的居住建筑节能设计标准设定围护结构热工参数指标[3-11]，采用DeST 软件开展间歇用能和持续用能模式的全年采暖空调能耗模拟，用能模式边界条件如表3 所示。

图6 能耗模拟模型

3.2 模拟结果

间歇用能工况和持续用能工况下的全年冷热负荷比例如图7、图8 所示。由图7 可以看出，持续用能模式下，居住建筑制冷负荷显著高于供暖负荷，除成都外，制冷负荷占全年总负荷70%以上，其中上海、杭州、重庆和武汉的居住建筑冷负荷占全年比例最高，达到80%以上，成都和合肥的居住建筑热负荷所占比例最高。

由图8 可看出，间歇用能模式下，仍是上海、杭州、重庆和武汉的冷负荷所占比例最高，成都和合肥的建筑热负荷所占比例最高。长江流域典型城市的居住建筑冷负荷占全年比例低于持续用能模式，主要原因是间歇用能模式下夏季白天冷负荷最高的时间里不用能，全年冷负荷需求大大减少，成都甚至出现了居住建筑热负荷高于冷负荷的现象，原因是成都夏季夜间室外温度较低，夜间空调需求也较低，白天房间无人空调未开启，所以居住建筑总冷负荷较低。综上，上海、杭州、重庆和武汉的居住建筑尤其要注意夏季隔热。

根据负荷计算各典型城市全年能耗模拟值如图9 所示（取EER=2.3、COP= 2.1），以全年采暖空调能耗20kW·h/m2为目标，通过提高空调性能（EER=COP=3.0），能实现降低全年采暖空调能耗约27%；通过提高围护结构性能，预计平均降低全年采暖空调能耗约25%。对于单个城市来说，由于气候特征的不同，成都在使用高性能设备后，基本上能达到能耗限额目标，其他城市居住建筑围护结构性能均需要进行一定程度的优化和提升。

长江流域典型城市的建筑围护结构性能提升的主要手段有提高围护结构保温隔热性能、强化夏季遮阳水平和自然通风是降低负荷的主要手段。

表3 间歇用能时间设定

4 典型城市居住建筑技术路线优化

围护结构指标在当前节能技术路线基础上进行优化，如表4 所示，计算结果见图10。

表4 围护结构关键指标参数

图7 持续用能工况下冷热负荷比例

图8 间歇用能工况下冷热负荷比例

图9 典型城市能耗计算值以及技术方向

图10 优化后的全年总负荷指标

相比间歇用能模式，持续用能模式下的总负荷升高显著，其中，累计冷负荷升高1 ～2 倍以上，累计热负荷变化不明显。依据模拟结果，在采暖空调能效比不变的前提下，采用该技术指标体系，典型城市全年采暖空调能耗指标可以实现小于。从图10也可看出，在此技术体系下，每个城市的全年采暖空调能耗下降幅度不一样，需要根据不同的气象条件制定各个城市的技术指标优化策略。

5 结语

通过软件模拟的方式对长江流域典型城市的居住建筑节能技术体系进行研究和优化，得到以下结论：

①从气象参数特点可看出，长江流域整体属于夏季制冷、冬季采暖需求较高的区域，但是重庆的冬季供暖需求，成都的夏季制冷需求显著低于其它典型城市。上海、杭州和南京等长江中下游城市要重点关注梅雨季节的除湿需求。

②除成都以外，持续用能模式、间歇用能模式下的冷负荷占全年总负荷的比例均高于热负荷，降低建筑冷负荷仍是重点考虑的技术方向。

③通过提高围护结构保温隔热遮阳性能，各城市均能实现全年采暖空调能耗，但需要基于气候特征制定适宜不同城市的建筑节能技术体系优化路线，经济有效的实现围护结构性能提升。