烏海市采暖期變化特征及氣象節(jié)能潛力分析

張洪杰，趙旭春

(烏海市氣象局，內蒙古 烏海 016000)

采暖時間的長短、采暖強度的大小直接影響能源消耗，而能源消耗也會直接影響到空氣質量。北方地區(qū)許多城市供暖一直沿襲著“按日歷供暖”、任氣溫變化，供暖強度卻一成不變的粗放式的供暖機制，既浪費能源，又污染環(huán)境，市民室內溫度也未達到最佳。近年來，許多專家學者進行了氣候變化對采暖時間長短影響的分析研究，內蒙古氣象局專家白美蘭等[1]進行了內蒙古地區(qū)采暖期變化特征及預測分析，許多專家學者[2～6]分析了氣候變化對采暖期的影響及氣象節(jié)能潛力。陳莉等[7]的研究表明1984年～2004年氣候變暖理論上使我國北方地區(qū)冬季供熱耗能需求降低的比率普遍在5%～20%之間。目前許多氣象部門也在采暖期內發(fā)布供暖氣象服務信息，供暖部門根據氣象服務信息對各個換熱站的進水溫度和回水溫度進行調整，實現(xiàn)彈性供暖，在溫度降低的時候開始供暖或多供暖，在天氣暖和的時候晚供暖或少供暖，這種靈活的模式住戶感到舒適，還可避免能源浪費，減少溫室氣體排放和環(huán)境污染。

筆者利用烏海市實測資料，分析了1961年～2016年采暖期的氣溫、采暖起止日期、采暖長度及強度的變化，從氣象角度分析了采暖節(jié)能的可能性，為相關部門應對氣候變化及節(jié)能減排等決策提供參考。

1 資料來源及計算方法

選取烏海市1961年～2017年逐日平均氣溫資料，根據《采暖通風與空氣調節(jié)設計規(guī)范(GB50019-2003)》規(guī)定，設計、計算用采暖期天數(shù)，應按累年日平均溫度穩(wěn)定低于或等于采暖室外臨界溫度的總日數(shù)確定。其中采暖室外臨界溫度的選取，一般民用建筑和工業(yè)建筑采用5℃[8]，因此，文中采暖室外氣溫取5℃。

采用連續(xù)5日滑動平均法確定采暖期的初、終日。從秋季至次年春季的時間內，在5日滑動平均值都小于等于5℃的最長時間序列中選取第一個≤5℃的滑動平均值，從組成該5日滑動平均溫度的5d中，選取第一個日平均溫度≤5℃的日期為初日，出現(xiàn)在秋季，選取最后一個≤5℃的滑動平均值，從組成該5日滑動平均溫度的5d中，選取最后一個日平均溫度≤5℃的日期為終日，出現(xiàn)在春季。

采暖期跨年度，故定義為1961年秋季至1962年春季的采暖期為1961年采暖期，采暖期長度為1961年秋季采暖初日和1962年春季終日之間的日數(shù)，依此類推。

根據《嚴寒和寒冷地區(qū)居住建筑節(jié)能設計標準》(JGJ26-2010)，采暖度日數(shù)定義為：一年中當某天室外日平均溫度低于18℃時，將低于18℃的度數(shù)乘以1d，并將此乘積累加[9]。采暖度日值(用D表示)可以反映采暖期溫度的高低，溫度越低，供給的熱量越多，采暖強度越大，因此，采暖度日數(shù)的變化直接反映采暖需求的變化，采暖期能耗的高低。

其中：n為采暖期天數(shù)，Ti為采暖期每日平均氣溫。

若每一度日數(shù)所耗能量基本相同，則可用度日數(shù)減少的百分率表示因氣候變暖在整個冬季的建筑物供熱節(jié)能率，用St表示。

利用M-K法對烏海地區(qū)1961年～2016年實際采暖期的平均溫度進行突變檢驗，選取突變之前的年份區(qū)間作為參考時段，突變之后的年份區(qū)間作為變暖時段。

文中所采用的采暖期初終日、采暖期天數(shù)、度日數(shù)均采用上述方法計算所得，為計算采暖期。

2 實際采暖期氣象條件分析

2.1 平均氣溫變化特征

1961年～2016年實際采暖期(10月15日～次年4月15日，共6個月)平均氣溫整體呈上升趨勢(見圖1)，增長率0.3℃(10a)，年最低氣溫-4.3℃(1967年)，最高氣溫2.0℃(2001年)，二者相差6.3℃，反映出采暖期外界氣溫變化波動較大。從年代際變化來看，實際采暖期平均氣溫分別為：-2.1℃、-1.4℃、-1.0℃、0.2℃、-0.8℃，20世紀80年代前平均氣溫等于或低于平均值(-1.0)，90年代上升幅度明顯，達到峰值，其后的21世紀00年代和10年代有所下降，但仍高于平均值。90年代末期是我國氣溫達到近百年來最暖的時期[10，11]，在這樣的氣候變暖大背景下，烏海1996年～2002年連續(xù)7年采暖期平均氣溫在0℃以上，與我國氣候背景一致。

圖1 實際采暖期平均氣溫年際變化

利用M-K法[12]對1961年～2016年實際采暖期的平均氣溫進行突變檢驗，直線為a=0.05顯著性水平臨界值μ0.05=±1.96線。

由圖2中UF曲線可知，20世紀70年代開始，烏海市平均氣溫有增暖趨勢，80年代末期開始增暖趨勢均大于顯著性水平臨界值，可知烏海市氣溫上升趨勢還是明顯的，根據UF和UB曲線的交點位置確定80年代以后的增暖是一突變現(xiàn)象，具體是從1980年開始的，因此，筆者以1979年為分界點，將1961年～1979年作為參考時段，1980年～2016年作為增暖時段進行劃分。

圖2 年平均氣溫M-K統(tǒng)計量曲線

烏海市平均氣溫增暖趨勢與發(fā)生突變的時間與全球氣候突然變暖的大趨勢是一致的[13]。

2.2 采暖期積溫變化

從圖3可以看出，負積溫數(shù)值以59℃/10a的趨勢在減少，最低值-786.5℃(1967年)，最高值355.6℃(2001年)，1996年～2002年連續(xù)7a出現(xiàn)正積溫，之后積溫數(shù)值有所下降，但總體上烏海市冬季變暖趨勢明顯。

圖3 實際采暖期積溫變化

3 采暖指標分析

3.1 采暖初終日變化特征

從采暖初終日逐年變化圖(見圖4)可以看出，采暖初日略有所后推，不明顯，波動較大。最早出現(xiàn)在1981年10月21日，最晚出現(xiàn)在1961年和1980年11月18日，二者相差27d，平均日期11月7日，比實際日期推后22d；采暖終日提前明顯，波動較大，最早出現(xiàn)在1996年3月7日，最晚出現(xiàn)在1978年和2009年4月13日，二者相差37d，平均日期3月28日，比實際日期提前18d。由此可知，由于氣候變化，每一年采暖初終日變化較大，適時調整采暖的起止日期，可節(jié)約能源，減少排放，減輕大氣污染。

圖4 采暖初終日逐年變化

3.2 采暖期長度變化特征

1961年～2016年采暖期日數(shù)總體呈縮短的趨勢，最長是166d(1967年)，最短是117d(1996年)，最長最短日數(shù)相差49d；平均日數(shù)為143d，比實際采暖期縮短約39d。

圖5 采暖日數(shù)逐年變化

從年代際看，20世紀60年代平均日數(shù)最長，90年代最短，進入21世紀后又略有上升，和平均日數(shù)相同。

3.3 采暖度日數(shù)變化

采暖期能源消耗和外界溫度有關，采暖度日數(shù)可直觀反映采暖期外界的冷暖程度。采暖期度日數(shù)高表示氣溫低，供暖耗能大，度日數(shù)低表示氣溫高，供暖能耗小，因此，采暖期的度日數(shù)與采暖期能耗關系密切。

1961年～2016年烏海市年平均采暖度日數(shù)為3 455.4℃·d，最大為4 080.5℃·d(1967年)，最小2 922.9℃·d(2001年)，相差1 157.6℃·d。由圖6可知1961年～2016年度日數(shù)呈下降趨勢，表示冬季寒冷程度降低，采暖強度減弱。從年代際看，20世紀80年代前采暖強度高于平均值，90年代減少至最低，進入21世紀度日數(shù)有所增高，但仍低于平均值，表明烏海市采暖期能源需求呈下降趨勢。

圖6 采暖度日數(shù)逐年變化

4 氣象節(jié)能潛力分析

采暖期間，能源消耗在很大程度上取決于采暖期長度和采暖強度，也就是說能源消耗和外界環(huán)境溫度密不可分，因此，可以充分利用外界環(huán)境溫度變化規(guī)律，進行節(jié)能降耗、節(jié)能減排的研究。

4.1 采暖長度變化對采暖能耗的影響

1961年以來，烏海地區(qū)呈采暖初日推后、采暖終日提前的趨勢，因此，采暖長度呈縮短趨勢，平均長度為143d，比實際供暖日數(shù)少了39d，如果能耗按實際供暖的182d平均計算，供暖日數(shù)少39d，可減少能源消耗約21%，按歷史上最長的166d供暖期計算，可減少能源消耗約9%，按歷史上最短的117d供暖期計算，可減少能源消耗約36%。

4.2 采暖強度的變化對能耗的影響

實際采暖期每年的度日數(shù)不同，因此，供暖強度也應不同。如果采取相同強度的供暖方式，以20世紀60年代度日數(shù)為基準，20世紀70年代至21世紀00年代，采暖度日數(shù)下降了3%～11%，平均采暖能耗可降低約3%～11%。

從采暖節(jié)能率圖7可以看出，總體上節(jié)能率呈上升趨勢，但年節(jié)能率變化較大，平均節(jié)能率約為6%，其中有85%的年份能源消耗低于參考年代的均值，節(jié)能率最大值達到約19%(2001年)，其次是約18%(1998年)，能源消耗高于參考年代均值的占15%(2007年，2009年)，最多耗能是約5%(2007年)，和圖1對比可知節(jié)能率中幾個波動較大的轉折點、極值點和氣溫變化吻合。

圖7 采暖節(jié)能逐年變化

從年代際變化來看，節(jié)能率最高的在20世紀90年代，達到10%，最低在80年代4%，和氣候趨勢變化一致。

5 結論與討論

①1961年～2016年烏海市采暖期平均氣溫呈上升趨勢，氣候傾向率為0.3℃/10a，在20世紀70年代末80年代初出現(xiàn)突變，90年代上升幅度最大；采暖期負積溫值減少明顯，1996年～2002年連續(xù)7a出現(xiàn)正積溫。②計算采暖初日略有所后推，不明顯，采暖終日提前明顯，采暖期日數(shù)總體呈縮短的趨勢，初終日、采暖日數(shù)年波動較大。③采暖度日數(shù)下降趨勢明顯，最大與最小相差1 157.6℃·d，表明采暖強度變化大，且下降明顯。④由于氣候變暖，理論上計算采暖初日推后、終日提前，采暖期長度縮短，平均可減少能源消耗20%；由于采暖度日數(shù)的變化，平均采暖能耗可降低3%～11%。⑤年節(jié)能率變化較大，總體上節(jié)能率呈上升趨勢，理論上較1979年前參考時段平均節(jié)能率為6%，節(jié)能率最大值達到19%，多耗能最大值是5%。值得注意的是，在氣候變暖的趨勢下，2007年采暖期(2007年10月15日～2008年4月15日)平均氣溫和度日數(shù)是1961年以來第5低，進入21世紀的16a采暖期平均氣溫較20世紀90年代降低0.9℃，與此相應，采暖期天數(shù)增加7d、采暖期度日數(shù)增加了215℃·d。

這表明建議采用彈性采暖期和彈性供暖強度并不是一味減少采暖時間與強度。事實上，每年計算的采暖期天數(shù)和采暖強度都不同，且變化較大，因此，相關部門應根據當?shù)氐臍夂蛱攸c、當年的短期氣候預測、中、短期天氣預報，科學規(guī)劃采暖，確定合理的采暖初終日、變化的供暖強度，達到科學供暖，最終市民有舒適的室溫，還可節(jié)約能源，減少大氣污染物排放量，達到節(jié)能減排的經濟效益和社會效益。采暖期初終日、采暖強度的預測及服務是氣象節(jié)能潛力研究的重點，需進行深入的研究。