基于氣象因子的供暖溫度調(diào)節(jié)模型研究

張 杰，趙玉兵，楊麗娜，路漫漫，牛禹心

邢臺市氣象局，河北邢臺 054000

近年來，隨著城市進(jìn)程的加快，能源緊缺、環(huán)境污染等問題日益凸顯，節(jié)能減排已成為社會關(guān)注的重點(diǎn)領(lǐng)域。對于北方城市來說，冬季供暖的能源消耗占很大的比重。而當(dāng)供暖設(shè)備、輸送管線、供暖面積和房屋條件達(dá)到一定標(biāo)準(zhǔn)時，氣象條件便成為影響供暖質(zhì)量——室溫的唯一變量[1-3]。

國內(nèi)外學(xué)者就氣候變化對供暖節(jié)能的影響開展了相關(guān)研究[4-7]。2009年，國外學(xué)者等針對土耳其阿菲永地區(qū)的氣候特點(diǎn)，選取室外溫度、風(fēng)速和太陽輻射3個氣象參數(shù)進(jìn)行研究，得到了能耗與這些氣象參數(shù)的回歸方程。2012年，馮濤等[8]利用北京2009年的氣象和熱力數(shù)據(jù)制作了各氣象要素日平均值所對應(yīng)的供、回水溫度及其供回水溫度差的表。2013年，李嵐等[9]利用2008—2010 年氣象和熱力數(shù)據(jù)建立沈陽地區(qū)供熱量預(yù)報方程與供熱氣象指數(shù)，近3年理論節(jié)煤率達(dá)9.1%。但由于不同的電網(wǎng)所處的氣候條件不同，各地經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)和發(fā)展水平各不相同，各地供暖溫度與氣象因子的關(guān)系也不盡相同。

利用邢臺站1990—2020年的逐日4次平均氣溫數(shù)據(jù)，分析了邢臺市供暖期氣候變化特征，并建立基于氣象因子的供暖溫度作業(yè)調(diào)節(jié)表，以期為供暖期合理節(jié)能減排提供參考。

1 資料與方法

1.1 資料

所用的邢臺站觀測數(shù)據(jù)來源于邢臺市氣象局，包括最近30年（1990年冬季至2020年春季）逐日4次平均氣溫，2015年11月15日—2016年3月15日供暖季的逐日平均氣溫、相對濕度、風(fēng)速、氣壓、降水量、總輻射量。供暖數(shù)據(jù)來源于邢臺市供熱公司，包括2015年11月15日至2016年3月15日的逐日供水溫度、回水溫度。

1.2 方法

氣候趨勢變化分析采用線性傾向率法，通過最小二乘法來計算線性趨勢。

根據(jù)《采暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計規(guī)范》（GB 50019—2003）規(guī)定，設(shè)計計算用供暖期天數(shù)，應(yīng)按累年日平均溫度穩(wěn)定≤供暖室外臨界溫度的總?cè)諗?shù)確定。其中。關(guān)于供暖室外臨界溫度的選取，一般民用建筑和工業(yè)建筑宜采用 5℃。在確定供暖初終日時，采用連續(xù)5 d滑動平均法[10]。在冬半年任意連續(xù)5 d日平均氣溫的平均值均≤5℃的最長一段時間內(nèi)，在第一個5 d中，挑選第一個日平均氣溫≤5℃的日期為初日，在最后一個5 d 中，挑選最后一個日平均氣溫≤5℃的日期為終日。供暖初日和終日之間的日數(shù)為供暖時長。因?yàn)樾吓_地區(qū)供暖期跨年度，本研究定義1990年秋冬季至1991年春季的供暖期為1990年供暖期，以此類推。

所謂度日就是指某一時段內(nèi)每日平均溫度與基準(zhǔn)溫度之差的代數(shù)和。供暖期度日即供暖期內(nèi)室內(nèi)溫度與室外溫度的差值的累加[11-12]。根據(jù)沈陽地區(qū)供暖標(biāo)準(zhǔn)，室內(nèi)溫度取18℃，則供暖期度日（D）表示為：

式中：n為供暖期天數(shù)，Ti為供暖期每日平均氣溫。供暖期度日能較好地表征供暖期能耗。

2 結(jié)果與分析

2.1 供暖期氣候變化的特征

邢臺地區(qū)近30年供暖期（11月15日至翌年3月15日）平均氣溫波動性較大(圖1a)，總體呈緩慢上升趨勢，其氣候傾向率為0.11℃/10年。供暖期平均氣溫最高出現(xiàn)在2003年，為3.0℃；最低值出現(xiàn)在2006年，為-0.5℃。30年供暖期平均氣溫為0.9℃。

1990—2019年供暖初日和終日存在年際變化，但總體呈現(xiàn)初日逐漸推后、終日提前、供暖日數(shù)縮短的趨勢（圖1b、c、d），其氣候傾向率分別為1.34 d/10年、-1.47 d/10年、-2.76 d/10年。供暖初日最早為11月8日，出現(xiàn)在2000年；供暖初日最晚為12月4日，出現(xiàn)在2008年，前后相差26 d；近30年供暖初日平均為11月20日。目前，邢臺市政府規(guī)定供暖初日為11月15日，根據(jù)當(dāng)年的天氣實(shí)況和預(yù)報，有時會提前供暖。供暖期終日最早為2月5日，出現(xiàn)在2001年，供暖終日最晚為3月15日，出現(xiàn)在2011年，最早和最晚終日前后相差38 d；近30年供暖終日平均為2月22日。目前，邢臺市政府規(guī)定供暖初日為3月15日，根據(jù)供暖結(jié)束時的天氣實(shí)況和預(yù)報，適時延長供暖期。供暖時長最短為66 d，出現(xiàn)在2008年；供暖時長最長為118 d，出現(xiàn)在1993年；近30年的平均供暖時長為95 d。

供暖能耗除與供暖期長短有關(guān)外，還與供暖強(qiáng)度有關(guān)，近30年邢臺供暖度日的平均值為2 073.4℃·d（圖1e）。其中，供暖度日最大值為2 294.9℃·d，出現(xiàn)在2009年，最小值為1 844.2 ℃·d，出現(xiàn)在2001年。從供暖期度日的年際變化來看（圖5），近30年邢臺地區(qū)供暖期度日呈減少趨勢，其氣候傾向率為-20.43 ℃/10年，供暖度日的變化趨勢與全球氣候變暖的結(jié)論相一致。

圖1 1990—2019年供暖期年平均氣溫（a）、初日（b）、終日（c）、供暖日數(shù)（d）、度日（e）變化

2.2 供暖溫度與氣象因子的相關(guān)性分析

分別計算2015—2016年供暖季逐日各氣象因子與供暖溫度的相關(guān)系數(shù)（表1）：氣溫、風(fēng)速、降水、輻射量與供、回水溫度及供回水溫度差呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)性，其中氣溫與供、回水溫度及供回水溫度差的相關(guān)系數(shù)最大，逐日平均氣溫與供、回水溫度及其差值的相關(guān)系數(shù)達(dá)到了-0.786、-0.746、-0.828，并且均通過了0.01水平的顯著性檢驗(yàn)；輻射量與供暖溫度的相關(guān)系數(shù)次之；風(fēng)速、降水量與供暖溫度的相關(guān)系數(shù)最小，未通過顯著性檢驗(yàn)。氣壓、相對濕度與供、回水溫度及供回水溫度差呈現(xiàn)顯著的正相關(guān)，其中，氣壓與供、回水溫度及供回水溫度差的相關(guān)系數(shù)通過了0.01水平的顯著性檢驗(yàn)。

表1 邢臺市逐日供回水溫度及其差值與各氣象要素的相關(guān)系數(shù)

表2 邢臺市日平均氣溫與對應(yīng)的供、回水溫度及其差值對應(yīng)表 ℃

2.3 日平均氣象要素的供、回水溫度調(diào)節(jié)運(yùn)行作業(yè)表

利用邢臺市觀測站和氣象局小區(qū)2015—2016年供暖季氣象要素日平均值資料與供、回水溫度資料，整理了與供暖溫度相關(guān)系數(shù)通過0.01水平顯著性檢驗(yàn)的各氣象要素日平均值所對應(yīng)的供暖溫度（表2~表4）。該表可以作為供暖單位不同氣象條件下供、回水溫度調(diào)度表，根據(jù)表2~表4，在綜合考慮未來各要素變化的基礎(chǔ)上，為供暖單位提供供、回水溫度設(shè)置建議，即可節(jié)約能源，保證合理供暖，又大大簡化了管理程序。

表4 邢臺市日總輻射量與對應(yīng)的供、回水溫度及其差值對應(yīng)表

表3 邢臺市日平均氣壓與對應(yīng)的供、回水溫度及其差值對應(yīng)表

近30年 來（1990—2019年），邢 臺地區(qū)供暖期平均氣溫呈現(xiàn)下降的趨勢，總體上供暖初日推遲，提前供暖終日，供暖時長縮短，同時供暖度日減少（即所需供暖強(qiáng)度減?。?，建議相關(guān)部門參考該結(jié)論，適當(dāng)調(diào)整供暖期和供暖強(qiáng)度，以減少能源的消耗。供暖溫度與日平均氣溫、氣壓、總輻射量呈顯著性相關(guān)，基于該4種氣象因子制作了供回水溫度調(diào)節(jié)運(yùn)行作業(yè)表，為供暖企業(yè)調(diào)節(jié)供暖溫度提供參考。