（廣東電網(wǎng)公司佛山供電局，佛山,528000）

空調(diào)負(fù)荷與城市微氣象的交互影響

劉尚勇

（廣東電網(wǎng)公司佛山供電局，佛山,528000）

城市微氣象對負(fù)荷的耗電量有重要影響，改善城市微氣象可以顯著的達(dá)到節(jié)能減排的效果。本文通過考慮熱島效應(yīng)、累積效應(yīng)、以及溫濕效應(yīng)三者對微氣象的影響，討論空調(diào)負(fù)荷與城市微氣象的交互影響，探索空調(diào)負(fù)荷與城市微氣象間的惡性循環(huán)轉(zhuǎn)為良性循環(huán)的措施，通過減少空調(diào)負(fù)荷的使用量，降低電力系統(tǒng)的脆弱性、減少溫室氣體以及污染物的排放，間接實(shí)現(xiàn)對環(huán)境的保護(hù)。

微氣象;空調(diào)負(fù)荷;節(jié)能減排;交互影響

0 引言

影響人類用電的環(huán)境主要指微氣象中所發(fā)生的一切影響電力負(fù)荷的物理現(xiàn)象和過程，如溫度、相對濕度、雨雪、冰雹、熱島效應(yīng)、累積效應(yīng)、溫室效應(yīng)等，夏季時(shí)溫度、相對濕度以及在其基礎(chǔ)上產(chǎn)生的熱島效應(yīng)、累積效應(yīng)和溫濕效應(yīng)的影響最為突出。

一般情況下將負(fù)荷分為四大類：基本正常負(fù)荷、特別事件負(fù)荷、隨機(jī)分量負(fù)荷以及天氣敏感負(fù)荷。夏季時(shí)正常負(fù)荷一般情況下會穩(wěn)定持續(xù)在一定范圍，特別事件負(fù)荷與隨機(jī)分量負(fù)荷在電力負(fù)荷中的比率很小，天氣敏感負(fù)荷則所占比重較大（高峰負(fù)荷時(shí)期，大多數(shù)城市的空調(diào)負(fù)荷的比例達(dá)到30%-50%）且隨環(huán)境變化最為明顯，因此掌握了天氣敏感負(fù)荷的變化規(guī)律，就能夠預(yù)測短期內(nèi)的負(fù)荷走向。只要研究變化負(fù)荷，再加上穩(wěn)定負(fù)荷，也就可以掌握整體負(fù)荷水平以及整體負(fù)荷結(jié)構(gòu)。

圖1 某地區(qū)年用電負(fù)荷分布曲線

負(fù)荷分布具有明顯的波動性，引起波動的因素很多，主要因素包括：氣候的變化，經(jīng)濟(jì)活動的變化等。圖1所示為某地區(qū)的年日耗電量曲線，可知四月份是全年耗電量的最低點(diǎn)，其原因?yàn)樗脑路菔窃摰貐^(qū)的氣候最宜人的時(shí)期，沒必要通過增加用電以改善生活適宜度。但從五月份開始，空調(diào)負(fù)荷的日耗電量逐月攀升，七月八月時(shí)達(dá)到頂峰，這是與當(dāng)?shù)氐娜諝鉁厣叩内厔菹嘟?；緊接著隨著氣溫的下降，空調(diào)負(fù)荷的使用率下降，日耗電量也緊隨下降。按照常理，該地區(qū)十月份的氣候與四月份接近，氣溫一般不會出現(xiàn)驟變，但是從圖中值比較來看，較于四月份十月份平均日耗電量有所提升，這其中是由于經(jīng)濟(jì)活動的增加，致使用電量的增加。這也體現(xiàn)了基本負(fù)荷正常增長。

通過上述的分析可知，空調(diào)負(fù)荷的使用量大，并且與氣象關(guān)系密切，具有顯著的分布規(guī)律。本文探討城市微氣象與空調(diào)負(fù)荷的交互影響，為城市節(jié)能減排，保護(hù)環(huán)境提出一些建議與措施。1℃，增加的空調(diào)負(fù)荷相對較小。參考文獻(xiàn)[1]給出權(quán)重系數(shù)λ與氣溫T的函數(shù)關(guān)系式，如式(3)，圖2為變化曲線。

1 熱島效應(yīng)

城市熱島是城市對其微氣象影響的主要因素之一。城市熱島效應(yīng)的程度可用“熱島強(qiáng)度（HII）”來表征，即待測點(diǎn)氣溫與參照點(diǎn)之間的氣溫差。文獻(xiàn)[7]以待測點(diǎn)所在城區(qū)的平均氣溫與參照點(diǎn)的氣溫之差作為熱島強(qiáng)度，計(jì)算公式見式(1)，其中參考點(diǎn)氣溫為城市周圍多個(gè)郊區(qū)的氣溫平均值。

文獻(xiàn)[3][4]以北京和上海為例，研究表明北京上海熱島效應(yīng)在逐年增加，北京的熱島強(qiáng)度為1℃左右，上海年平均熱島強(qiáng)度為1.17攝氏度。

城市熱島主要受城市的建筑群密度，植被覆蓋率，街道的走向，工廠生產(chǎn)等影響。產(chǎn)生城市熱島效應(yīng)的直接原因是下墊面的熱慣量差異，不同下墊面對熱島的影響也不相同。目前城市的下墊面的種類越來越多，結(jié)構(gòu)也隨之變得復(fù)雜，工業(yè)用電、空調(diào)負(fù)荷的使用率的增加致使工業(yè)廢熱、溫室氣體，粉塵污染物等排放強(qiáng)度增強(qiáng)，汽車的使用量增加，同樣使得汽車尾氣等污染物大量排放于大氣中，所有這些都將致使城市不同區(qū)域的溫度差異增大，城市的熱島效應(yīng)變得越來越明顯，對城市微氣象的影響也越加不能忽視。

圖2 權(quán)重λ與環(huán)境氣溫T的函數(shù)關(guān)系圖

累積效應(yīng)對空調(diào)負(fù)荷的影響并不是單向的，短期內(nèi)不是一定會增加空調(diào)負(fù)荷的耗電量。在持續(xù)高溫的情況下，累積效應(yīng)會相應(yīng)的增加空調(diào)負(fù)荷的用電量；但是如果是多日低溫后出現(xiàn)的高溫，則受累積效應(yīng)的影響人體的感覺溫度低于實(shí)際溫度，空調(diào)負(fù)荷用電量比預(yù)想的高溫情況要低。所以需要對上述的公式進(jìn)行修正：

（a）連續(xù)高溫時(shí)，因人體的感知滯后于氣溫的變化應(yīng)采用式（4）對連續(xù)的高溫進(jìn)行放大。

2 累計(jì)效應(yīng)

氣溫累計(jì)效應(yīng)對于夏季負(fù)荷具有不可忽視的影響，某些情況下甚至是主要因素。根據(jù)歷史統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，空調(diào)負(fù)荷所占負(fù)荷比率越高，氣溫的累積效應(yīng)就越明顯。

氣溫累計(jì)考慮的是當(dāng)天前聯(lián)系幾日的氣溫平均加權(quán)值，如式(2)：

式中，i為包括當(dāng)天在內(nèi)的鄰接的3天；n為處于連續(xù)高溫中的第幾天。對于不同時(shí)期的連續(xù)高溫，需要區(qū)別對待。本文定義初夏時(shí)為35℃，盛夏時(shí)為32℃。

（b）地區(qū)降雨的特點(diǎn)對空調(diào)負(fù)荷的影響。夏季時(shí)持續(xù)降雨和雷陣雨給人的感受是不同的。故不同的降雨情況，其權(quán)重取值需不同，對于持續(xù)降雨以及暴雨的情況，權(quán)重系數(shù)選取為6。

3 溫濕效應(yīng)

式中：λ為氣溫累計(jì)效應(yīng)權(quán)重，其對不同溫度T取不同的值。一般近似認(rèn)為，氣溫越高，其對人體的感知溫度影響則越大，相應(yīng)的權(quán)重系數(shù)λ越大。實(shí)際歷史統(tǒng)計(jì)顯示，λ與氣溫T不是簡單的線性正相關(guān)，實(shí)際中不可忽略氣溫對空調(diào)負(fù)荷的影響度。

溫度區(qū)間在[22, 32]攝氏度時(shí)，空調(diào)調(diào)節(jié)效果最好，所以當(dāng)平均氣溫在區(qū)間內(nèi)時(shí)，溫度對空調(diào)負(fù)荷的影響較大，此時(shí)氣溫每上升1℃，空調(diào)負(fù)荷就會相應(yīng)的增加。在區(qū)間外時(shí)，氣溫每上升

學(xué)者Yagtou根據(jù)人對不同氣溫、風(fēng)速以及相對濕度的感覺，提出了反映人體熱感覺指標(biāo)，即實(shí)感溫度，包含三個(gè)量：當(dāng)前氣溫、相對濕度及當(dāng)前風(fēng)速。根據(jù)靜止飽和大氣條件（相對濕度=100%，風(fēng)速=0 m/s時(shí)）下，人體達(dá)到舒適感覺的溫度來代表使人體產(chǎn)生同樣感覺的特定氣溫、風(fēng)速和相對濕度。1978年，George Winterling首次提出利用溫濕指數(shù)，綜合反映溫度和相對濕度兩個(gè)因子對人體熱感的影響。研究表明：氣溫適中時(shí)，相對濕度對人體的實(shí)感溫度影響較小，而當(dāng)溫度較高或者較低時(shí)，相對濕度對人體的實(shí)感溫度影響較大。George Winterling提出一個(gè)考慮溫濕效應(yīng)的溫度計(jì)算公式，如式(5)所示：

該式中，HI 為華氏溫濕指數(shù)，T 為華氏溫度，R為相對濕度(百分?jǐn)?shù))。

4 交互影響

空調(diào)屬于間接的污染，其所消耗的電能在發(fā)電過程中會產(chǎn)生大量的溫室氣體與氣體污染物質(zhì)。夏季時(shí)空調(diào)負(fù)荷會大量投入，同時(shí)城市熱島效應(yīng)，溫室效應(yīng)以及氣溫的累計(jì)效應(yīng)越加明顯，進(jìn)而加速了空調(diào)的使用，給環(huán)境帶來如下危害：(1)空調(diào)使用過程中會產(chǎn)生大量的廢熱；(2)空調(diào)負(fù)荷大量投入增加了電能的消耗，從而間接的通過發(fā)電廠向環(huán)境中排放了溫室氣體，酸性氣體，粉塵以及其他的環(huán)境污染物；(3)空調(diào)負(fù)荷多為尖峰負(fù)荷，增加電力系統(tǒng)的脆弱性。所有這些廢熱，廢氣，溫室氣體，粉塵等最后又反過來加劇城市熱島效應(yīng)、氣溫的累積效應(yīng)以及溫濕效應(yīng)，至此便形成了一個(gè)惡性循環(huán)。

5 結(jié)語

通過對城市微氣象與空調(diào)負(fù)荷交互影響的探討，對于怎樣才能使得空調(diào)負(fù)荷與城市微氣象間的惡性循環(huán)變?yōu)榱夹匝h(huán)，本文提出了如下的建議與措施：

(1)城市大空間尺度的節(jié)能減排。夏季時(shí)電力空調(diào)負(fù)荷的節(jié)能對整個(gè)家庭用電的節(jié)能將起到關(guān)鍵性的作用。傳統(tǒng)針對單臺空調(diào)的節(jié)能有以下方法：A）根據(jù)實(shí)際的空間大小選擇恰當(dāng)容量的空調(diào)，容量過大產(chǎn)生浪費(fèi)，容量過小影響空調(diào)效率與使用壽命。B）空調(diào)使用過程中使用密封性能好的門窗，避免熱量通過氣體對流，定期清洗、更換過濾網(wǎng)。C）設(shè)置適當(dāng)?shù)臏囟?、風(fēng)速，減少不必要的低溫和強(qiáng)風(fēng)設(shè)置增加空調(diào)負(fù)荷的電量消耗與廢熱排放。

(2)在城市規(guī)劃中的應(yīng)用。A）在建造房屋、道路以及其他城市構(gòu)建中，廣泛使用具有反光功能的材料，通過反射直射陽光，減小城市的熱島效應(yīng)。B）增加城市的綠化面積有利于改變墊層面，以及可以遮蔽陽光，增加增發(fā)量率，從而達(dá)到降低城市溫度的效果。C）合理規(guī)劃城市建筑物的密度，通過自然風(fēng)的流通，可降低該地區(qū)的氣溫。

(3)社會管理方面的應(yīng)用。A）增加公共交通的投入使用，減少汽車尾氣以及廢熱的排放，有利于減小城市的熱島效應(yīng)。B）社會應(yīng)該鼓勵使用綠色污染的交通公交，比如自行車以及電動車。

(4)積極推廣綠色能源以及分布式電源的發(fā)電。中國的風(fēng)電以及光伏發(fā)電的資源充足，在減少風(fēng)力發(fā)電機(jī)與光伏電池板生產(chǎn)環(huán)節(jié)所產(chǎn)生的污染物的前提下，國家應(yīng)該鼓勵風(fēng)電以及光伏的接入與并網(wǎng)。

[1]劉玙.高溫季節(jié)城市微氣象與電力空調(diào)負(fù)荷的交互影響規(guī)律：[碩士學(xué)位論文]．長沙：湖南大學(xué)，2012.

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Interrelationship Between Urban Micro-climate and Air-conditioning Load

Liu Shangyong
(Guangdong Grid Co Foshan Power Supply Bureau,Foshan,528000)

Urban microclimate has a major impact on the air-conditioning load,improving the urban microclimate can achieve significant effects of energy-saving and emission-reduction.In this paper, considering the heat island effect,humidity effect,and cumulative effect etc.,focusing on the interaction between urban microclimate and air-conditioning load,explore the vicious cycle of urban microclimate and air-conditioning load into a virtuous cycle approach,and achieve reducing the vulnerability of the power system to reduce air pollution,indirect achieving protection of the environment.

microclimate;air-conditioning load;energy-saving and emission-reduction;interrelationship