基于結霜圖譜川西藏區氣候特征區劃

岳泓辰 魏鵬 王笙

西安建筑科技大學建筑設備科學與工程學院

0 引言

川西藏區地處青藏高原東部的橫斷山區，地形多樣，氣候特征復雜。傳統化石燃料運輸成本高，不宜設置集中供暖系統，該地區水電資源豐富，電驅動空氣源熱泵應用前景廣闊。

因該地區低溫、高濕的特點，低溫和結霜共同制約著空氣源熱泵的應用。低溫環境下機組會出現制熱量下降，不能啟動或不能穩定供熱等問題。霜層會堵塞翅片間的空氣流動通道，增大空氣流動阻力，導致熱阻增大，傳熱系數減小，系統COP 減小[1-3]。學者對于低溫與高濕的問題已分別提出了新系統、新技術，但當低溫與高濕并存時，應優先解決負荷需求還是控霜需求缺乏明確認知。

因此，本文對川西藏區的氣候做出了區劃，給出了各縣市負荷需求與控霜需求的關系，為解決低溫、高濕并存的問題提供研究基礎。

1 結霜圖譜簡介

結霜是一個復雜的傳熱傳質過程，結霜圖譜以二維坐標圖的方式直接、簡單的展現了結霜狀況。圖1 為劉優優根據王偉等人的研究成果改進的分區域結霜圖譜，臨界結霜線和臨界結露線將圖譜分為三個區域：結露區，非結霜區和結霜區[4]。等結霜速率線1.3 mm/h，0.9 mm/h，0.5 mm/h 和0.2 mm/h 將結霜區分為重結霜區，一般結霜區Ⅰ，一般結霜區Ⅱ，輕結霜區Ⅰ和輕結霜區Ⅱ[5]。

圖1 分區域結霜圖譜

2 氣候區劃方法

2.1 確定聚類指標

傳統氣候區劃是以供暖耗熱量為目標，采用HDD18 采暖度日數、HWD5.75 濕日數、CDD26 空調度日數等為指標，對建筑節能設計做出指導。空氣源熱泵在川西藏區應用面臨低溫與結霜的問題，傳統區劃方式不能反應結霜特征，該區域的氣候區劃目標從供暖耗熱量變為結霜分布情況，結霜圖譜是探究結霜分布情況的有力工具。

對于逐時氣象數據，結霜圖譜中點的數量體現結霜和供暖時間長短，位置反映負荷需求和結霜速率的大小。采用負荷和結霜速率為聚類指標，對川西藏區進行氣候區劃。

2.2 聚類指標計算

2.2.1 負荷計算

目標建筑為川西藏區常駐居民牧民的住宅，牧民新居。建筑形式為單層獨棟住宅，磚混結構，無外保溫，建筑平面圖如圖2 所示。該建筑總面積121.125 m2，層高3.5 m，客廳，臥室及佛堂為供暖區域，供暖面積65.875 m2。

圖2 建筑模型平面圖

各朝向窗墻比見表1，圍護結構根據牧民新居實際情況確定，參數見表2。

表1 各朝向窗墻比

表2 圍護結構熱工參數

供暖時間采用五日滑動平均法計算得出，氣象數據來源為瑞士Meteonorm 研究所統計的1991 年至2010 年典型氣象年逐時數據，使用TRNSYS 軟件對川西藏區30 個供暖縣市逐時供暖季負荷進行計算。

2.2.2 結霜速率

使用1991 年至2010 年典型氣象年逐時數據中的空氣溫度和相對濕度，將其繪制到結霜圖譜中，利用四條等結霜速率線插值計算，獲得30 個供暖縣市對應溫濕度條件下的逐時結霜速率。根據等結霜速率曲線間的分布頻率聚類，將結霜圖譜分布相似的縣市聚為一類。

2.3 聚類方法

聚類是將對象或樣本分類，使得同一類中的對象之間的相似性比其他類的對象的相似性更強。聚類的目的是類內對象的同質性最大，類間對象的異質性最大。聚類分析經過長年的發展已形成了成熟的聚類方法，常用的三種方法為k-means 聚類，層次聚類和兩步聚類。

k-means 聚類是使用最廣泛的聚類方法，適用于樣本聚類。層次聚類是傳統的聚類方法，聚類結果的不同類別間存在層次關系，適用于變量聚類。兩步聚類適用于大數據，聚類指標復雜，連續型和離散型數據混合出現的情況。各縣市逐時室外空氣溫濕度在結束圖譜中代表的點為分類樣本，不存在連續型數據和離散數據同時出現的情況，選取k-means 聚類的方法。

3 川西藏區氣候區劃

結霜速率和負荷是決定區劃結果的兩個指標，首先分別探討在單一指標作用下的結霜分布和負荷分布，分析對比其差異，再綜合兩個指標獲得氣候區劃。

3.1 單指標氣候區劃

3.1.1 結霜速率為指標的氣候區劃

以結霜速率為單一指標，計算等結霜速率曲線間的分布頻率，當聚類數為四時，準確率P值均小于0.001，說明聚類的5 個頻數對聚類均有突出顯著性，結果有效，具體聚類結果見圖3，I～IV 類結霜地區代表縣市用記號“▲、▉、★、●”在圖中標出。

圖3 供暖季結霜程度空間分布

從圖3 可知，結霜速率空間分布總體特征為：東部至東北部至西南部結霜強度逐漸減弱，由弱到強分為以下四類：弱結霜區（Ⅰ類），次弱結霜區（Ⅱ類），次強結霜區（Ⅲ類），強結霜區（Ⅳ類），結霜強度弱則控霜需求小，結霜強度大控霜需求大。弱結霜區主要位于川西藏區西南部，次弱結霜區主要位于中部和西北部，次強結霜區主要位于東北部和中部，強結霜區主要位于川西藏區東部。

3.1.2 負荷為指標的氣候區劃

對川西藏區30 個供暖縣市進行供暖季動態負荷模擬，得到各縣市供暖季逐時熱負荷并計算均值和方差，均值表征逐時負荷的數值大小，方差刻畫負荷的離散程度，使用這兩個參數對各供暖縣市的負荷進行聚類。聚為四類時準確率P值小于0.001，聚類有效，川西藏區供暖季負荷空間分布情況如圖4 和表3 所示，I～IV 類負荷需求地區代表縣市用記號“▲、▉、★、●”在圖中標示。

圖4 供暖季負荷空間分布

表3 負荷需求空間分布

從圖4 可知，負荷空間分布總體特征為：西部至東部至南部負荷逐漸減小，負荷需求由小到大分為四類：小負荷區（Ⅰ類），較小區（Ⅱ類），較大負荷區（Ⅲ類），大負荷區（Ⅳ類）。小負荷區主要位于川西藏區東部和少數中部縣市，較小區位于中部大半和少數西南部縣市，較大負荷區位于北部大半和南部少數地區，大負荷區位于西部少數縣市。

3.1.3 結霜速率與負荷分布對比

對比表4 中單一指標氣候區劃的結果，發現川西藏區部分縣市冬季控霜需求大而負荷需求小，部分縣市兩者需求均較大，應綜合兩個指標對川西藏區各供暖縣市進行區劃得出供暖季主要矛盾。

表4 兩種聚類指標聚類中心對比

3.2 雙指標氣候區劃

上一小節利用結霜速率和負荷分別對川西藏區進行區劃，本節綜合考慮結霜速率和負荷對研究區域聚類，得到最終的氣候區劃結果。聚類數為四時，準確率P 小于0.001，聚類有效，聚類結果見圖5，用“▲、▉、★、●”將四類地區典型城市在圖中標示。聚類結果按照結霜嚴重程度和負荷需求大小分為I～IV 類地區，較大負荷弱結霜區（Ⅰ類），較小負荷次弱結霜區（Ⅱ類），大負荷次強結霜區（Ⅲ類），小負荷強結霜區（Ⅳ類）。Ⅰ區位于川西藏區西南部，Ⅱ區位于東北部和少數中部區域，Ⅲ區位于西北和大半中部區域，Ⅳ區位于東南部。

圖5 雙指標氣候區劃結果

圖6 給出了各代表縣市的結霜速率，Ⅰ類地區代表城市鄉城結霜速率集中在0.9 mm/h 以下，頻率為0.97，無大于1.3 mm/h 的時刻。Ⅱ類地區代表城市九寨溝結霜速率集中在0.5 mm/h～1.3 mm/h，大于1.3 mm/h 和小于0.2 mm/h 的數據點較少，頻率均為0.07。Ⅲ類地區代表城市爐霍在結霜速率小于1.3 mm/h 的區間分布密集較為平均，頻率在0.25 左右，沒有大于1.3 mm/h 數據點。Ⅳ類地區代表城市康定結霜速率集中分布在大于0.9 mm/h 的區間內，頻率為0.80，小于0.2 mm/h 的時刻略少，頻率為0.02。

圖6 雙指標區劃四類典型城市結霜速率分布

為便于比較四類地區控霜需求和負荷需求的大小，定義相對結霜速率：

式中：RS—相對結霜速率，%；vi—某縣市供暖季逐時結霜速率mm/h；vimax—該縣市供暖季逐時結霜速率最大值，mm/h。

將四類地區的相對結霜速率與負荷率繪制為頻率分布直方圖，如圖7、8 所示。相對結霜速率曲線呈上凹型和單峰型兩種，負荷分布曲線與正態分布曲線接近。從圖中可知，隨著四類地區結霜程度的增加，相對結霜速率小的地區負荷增大的現象不斷弱化。Ⅰ類地區負荷需求大，控霜需求弱，滿足負荷需求為其主要問題。Ⅱ類地區負荷需求小、控霜需求小，兩者對機組性能影響均較小。Ⅲ類地區負荷需求和控霜需求均較大，應兼顧負荷與結霜兩個問題，滿足負荷需求的同時制定抑霜、控霜策略。Ⅳ類地區負荷需求小，控霜需求大，結霜為主要問題，重點解決結霜問題。

圖7 代表城市相對結霜速率

圖8 代表城市負荷率分布特征

4 結論

①單指標區劃下，川西藏區結霜速率空間分布特征為東部至東北部至西南部結霜強度逐漸減弱，負荷分布空間特征為西部至東部至南部負荷逐漸減小。

②雙指標區劃下，將川西藏區分為I～IV 類，Ⅰ類地區負荷問題突出，著重解決低溫問題，Ⅱ類地區負荷和結霜問題均較弱，Ⅲ類地區負荷和結霜問題均較為突出，需同時解決低溫與結霜的問題，Ⅳ類地區代表城市康定結霜問題突出，應關注結霜問題。