基于體感溫度的廣州60年冷暖度日特征分析

胡琳，高曉榮，賈寧遠(yuǎn)，許澤銘

（1.廣州市海珠區(qū)氣象局，廣東廣州 511220；2.廣州市氣象臺(tái)，廣東廣州 511430；3.廣州市突發(fā)事件預(yù)警信息發(fā)布中心，廣東廣州 511430）

“度日數(shù)”是表征建筑供暖和制冷能耗的重要?dú)庀髤?shù)之一，是指室外日平均氣溫高于或低于室內(nèi)設(shè)計(jì)溫度的度數(shù)累積值，基于干球氣溫統(tǒng)計(jì)得到。國內(nèi)外度日法已被廣泛應(yīng)用于研究氣候或氣候變化與能源消耗的關(guān)系［1-4］。傳統(tǒng)度日法均基于干球溫度，但有研究表明單純基于干球溫度計(jì)算的冷度日并不能完全反映夏季制冷能耗，需綜合考慮多種氣象要素，特別是相對(duì)濕度、太陽輻射、風(fēng)速等要素的影響［5］。國外有研究分析不同基礎(chǔ)溫度下度日數(shù)的時(shí)空特征，結(jié)合人體舒適度探討建筑物冬夏最優(yōu)室內(nèi)設(shè)計(jì)溫度，用來評(píng)估各地區(qū)用能需求及能源分配［6-8］；國內(nèi)也有學(xué)者或提出了除溫濕日數(shù)的概念，結(jié)合冷度日綜合表征夏季空調(diào)降溫和除濕能耗［9］，或引入濕球溫度提出一種新的表征制冷能耗的冷度日。研究結(jié)果表明，對(duì)于冬暖夏熱地區(qū)，比如廣州而言，濕球冷度日較干球冷度日能更好地反映制冷能耗［10-11］。

然而，針對(duì)我國不同建筑氣候區(qū)，尤其是對(duì)冬暖夏熱地區(qū)，對(duì)通常提到的濕冷、濕熱等等，還未建立一個(gè)可靠的氣候指標(biāo)來精準(zhǔn)反映實(shí)際建筑能耗。本研究選取廣州作為冬暖夏熱的代表區(qū)域，并提出一種基于體感溫度的度日計(jì)算方法，對(duì)比分析基于氣溫和體感溫度的冷或暖度日分布特征的共性和差異性，以此定性評(píng)估基于體感溫度的度日反映冬暖夏熱地區(qū)的適用性，進(jìn)而為“能耗雙控”背景下，提供決策參考。

1 資料與方法

1.1 數(shù)據(jù)來源

本研究選取廣州國家氣象觀測(cè)站1961—2020年逐日平均氣溫、相對(duì)濕度、平均風(fēng)速以及日雨量等觀測(cè)數(shù)據(jù)。

1.2 體感溫度計(jì)算模型

本研究的體感溫度是參考一種基于黃金分割法構(gòu)建人體舒適度的方法，該方法考慮了溫度、濕度、風(fēng)速、海拔、緯度等因素。在考慮緯度效應(yīng)和季節(jié)效應(yīng)后，認(rèn)為最佳的舒適溫度為某一地區(qū)的當(dāng)月的最佳舒適溫度［12］，見式（1）。

其中，ts為最佳舒適溫度（℃）；φ為緯度（°）；M為月份；H為海拔高度（m）。

“黃金分割法”計(jì)算體感溫度的表達(dá)式為

當(dāng)ta≥ts時(shí)

其中，tg為體感溫度（℃），認(rèn)為是人體皮膚裸露時(shí)感受到的環(huán)境溫度；ta為日平均氣溫（℃）；ts為最佳舒適溫度（℃）；V為平均風(fēng)速（m／s）；RH為相對(duì)濕度；RHs為最適相對(duì)濕度（有降水時(shí)，RHs＝0.618；無降水時(shí)，RHs＝0.5）。

1.3 采暖和制冷度日的計(jì)算方法

度日是每日的平均溫度與規(guī)定的基礎(chǔ)溫度的離值（℃·d）。因此，某一天的度日數(shù)就是該天的日平均溫度與基礎(chǔ)溫度的差［13］。為了方便研究，度日又分為兩種類型，即采暖度日（heating degree-day，HDD）和制冷度日（cooling degreeday，CDD）。在本研究中，根據(jù)《廣東省居住建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》中夏季居住空間室內(nèi)設(shè)計(jì)計(jì)算溫度26℃及冬季采暖居住空間室內(nèi)設(shè)計(jì)計(jì)算溫度16℃［14］，故本研究分別以16和26℃作為采暖度日和制冷度日的基準(zhǔn)溫度［15-16］。具體計(jì)算公式為

其中，ta為日平均氣溫（℃）；tg為體感溫度（℃）；n為天數(shù)（d）；HDDta為基于日平均氣溫的采暖度日總值（℃·d）；HDDtg為基于體感氣溫的采暖度日總值（℃·d）；CDDta為基于日平均氣溫的制冷度日總值（℃·d）；CDDtg為基于體感溫度的制冷度日總值（℃·d）。

2 結(jié)果與分析

2.1 HDD和CDD的變化特征

1）月際變化。

逐月的體感溫度不同，因而采暖（或制冷）的需求也不同。統(tǒng)計(jì)分析1961—2020年HDD和CDD的多年平均逐月變化（圖1）可知，基于日平均氣溫和體感溫度的度日月際變化趨勢(shì)一致。廣州地區(qū)HDD主要集中在11月至次年3月，其中1月最大，為6 509.7℃·d；其次是12和2月。廣州地區(qū)CDD主要集中在4—10月，7月CDD最大，為6 460.8℃·d；其次是8和6月。

圖1 1961—2020年月平均HDD、CDD的逐月變化

2）年際變化。

度日指標(biāo)是反映采暖或制冷強(qiáng)度的指標(biāo)，當(dāng)研究溫度與能源消耗關(guān)系時(shí)，常采用采暖期或制冷期長度，即采暖日數(shù)或制冷日數(shù)［17-18］。基于體感溫度的廣州多年平均采暖日數(shù)為76.64 d（圖略），略高于基于日平均氣溫的采暖日數(shù)（71.77 d）；基于體感溫度的廣州多年平均制冷日數(shù)為142.18 d（圖略），高于基于日平均氣溫的制冷日數(shù)（130.89 d）。采暖期的長期變化呈顯著減少的趨勢(shì)，基于體感溫度的采暖日數(shù)減少率為每10年2.06 d（圖2a）；而制冷期的長期變化則呈上升的趨勢(shì)，基于體感溫度的制冷日數(shù)增長率為每10年2.02 d（圖2b）。

圖2 1961—2020年HDD與采暖日數(shù)（a）以及CDD與制冷日數(shù)（b）的年際變化

廣州屬于南亞熱帶季風(fēng)氣候，夏熱冬暖，且夏季長冬季短。采暖度日越大，表明供暖季節(jié)的溫度低，所需消耗的能源就越多；而采暖度日越小，則說明供暖期的溫度高，所需的能源就越少。

廣州多年采暖度日呈下降趨勢(shì)，基于體感溫度HDDtg的下降率為每10年10.96℃·d，略高于HDDTa（圖2a）。廣州多年平均HDDtg為308.4℃·d，遠(yuǎn)低于重慶（1 138.8℃·d）和北京（2 922.6℃·d）［19］，這也從側(cè)面反映了華南地區(qū)（廣州）采暖的能耗是遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于西南地區(qū)（重慶）和京津冀區(qū)域（北京）。廣州多年制冷度日呈上升趨勢(shì)，CDDtg的上升率為每10年13.57℃·d（圖2b）。廣州多年平均CDDtg為385.20℃·d（圖略），遠(yuǎn)大于華東地區(qū)CDD值（約160℃·d）［20］。上述對(duì)比分析表明，廣州作為華南地區(qū)的代表，制冷所需能耗是顯著大于同期華東地區(qū)。

基于體感溫度和日平均氣溫計(jì)算HDD或CDD（采暖或制冷日數(shù)）相比，前者更高，其中制冷度日差值更突出，故在廣州地區(qū)研究其夏季制冷的問題上，應(yīng)更關(guān)注濕熱、悶熱等濕度因素及靜風(fēng)等帶來的人體不適，進(jìn)而增加能耗。

2.2 HDD和CDD與體感溫度的關(guān)系

1）與體感溫度的相關(guān)系數(shù)。

相關(guān)系數(shù)是反映變量之間相關(guān)關(guān)系密切程度的統(tǒng)計(jì)指標(biāo)。HDDtg和CDDtg與體感溫度的相關(guān)系數(shù)均較高，其中HDDtg的氣溫系數(shù)為-0.813，體感溫度系數(shù)為-0.815；CDDtg溫度系數(shù)為0.679，體感溫度系數(shù)為0.687，且通過α＝0.01的顯著性檢驗(yàn)。

2）與氣溫的年代際變化。

隨著1960年代以后平均氣溫明顯升高，制冷度日也呈上升的趨勢(shì)，而采暖度日從1960年代至1990年代保持平穩(wěn)，1990至2000年代呈下降趨勢(shì)，后再轉(zhuǎn)上升趨勢(shì)（圖3a-b），這也間接反映了全球變暖這一不可避免的趨勢(shì)。

圖3 HDD ta和CDD ta、ta（a）和HDD tg和CDD tg、tg（b）的年代際變化

3 結(jié)論

1）廣州地區(qū)HDD主要集中在11月至次年3月，其中1月最大，多年變化呈現(xiàn)顯著下降趨勢(shì)，量化分析表明HDDta減少率為每10年1.87 d、HDDtg減少率為每10年2.06 d；廣州地區(qū)CDD主要集中在4—10月，其中7月的制冷度日最大，多年變化呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，量化分析表明CDDta增長率為每10年2.39 d、CDDtg增長率為每10年2.02 d。

2）廣州多年平均HDDta和HDDtg為269.5、308.4℃·d，遠(yuǎn)低于重慶（1 138.8℃·d）和北京（2 922.6℃·d），這也從側(cè)面反映了華南地區(qū)（廣州）采暖的能耗遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于西南地區(qū)（重慶）和京津冀區(qū)域（北京）的。

3）隨著1960年代以后平均氣溫明顯升高，制冷度日也呈上升的趨勢(shì)，而采暖度日從1960—1990年代保持平穩(wěn)，1990—2000年代呈下降趨勢(shì)，這也間接反映了全球變暖這一不可避免的趨勢(shì)。

4）在廣州地區(qū)，基于體感溫度和日平均氣溫計(jì)算HDD或CDD（采暖或制冷日數(shù)）相比，前者更高，其中制冷度日差值更突出，故在廣州地區(qū)研究其夏季制冷的問題上，應(yīng)更關(guān)注濕熱、悶熱等濕度因素及靜風(fēng)等帶來的人體不適，進(jìn)而增加能耗，基于體感溫度的度日對(duì)夏熱冬暖地區(qū)的制冷或采暖的能耗的適用性更好。