張洪杰，趙旭春

(烏海市氣象局，內(nèi)蒙古 烏海 016000)

采暖時間的長短、采暖強(qiáng)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(zhì)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(qiáng)度卻一成不變的粗放式的供暖機(jī)制，既浪費(fèi)能源，又污染環(huán)境，市民室內(nèi)溫度也未達(dá)到最佳。近年來，許多專家學(xué)者進(jìn)行了氣候變化對采暖時間長短影響的分析研究，內(nèi)蒙古氣象局專家白美蘭等[1]進(jìn)行了內(nèi)蒙古地區(qū)采暖期變化特征及預(yù)測分析，許多專家學(xué)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(nèi)發(fā)布供暖氣象服務(wù)信息，供暖部門根據(jù)氣象服務(wù)信息對各個換熱站的進(jìn)水溫度和回水溫度進(jìn)行調(diào)整，實(shí)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(fèi)，減少溫室氣體排放和環(huán)境污染。

筆者利用烏海市實(shí)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(qiáng)度的變化，從氣象角度分析了采暖節(jié)能的可能性，為相關(guān)部門應(yīng)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(jì)算方法

選取烏海市1961年～2017年逐日平均氣溫資料，根據(jù)《采暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)規(guī)范(GB50019-2003)》規(guī)定，設(shè)計(jì)、計(jì)算用采暖期天數(shù)，應(yīng)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?cè)諗?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(nèi)，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(jù)《嚴(yán)寒和寒冷地區(qū)居住建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》(JGJ26-2010)，采暖度日數(shù)定義為：一年中當(dāng)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(qiáng)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(shí)際采暖期的平均溫度進(jìn)行突變檢驗(yàn)，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(jì)算所得，為計(jì)算采暖期。

2 實(shí)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(shí)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(shí)際采暖期平均氣溫分別為：-2.1℃、-1.4℃、-1.0℃、0.2℃、-0.8℃，20世紀(jì)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(dá)到峰值，其后的21世紀(jì)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(dá)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(shí)際采暖期平均氣溫年際變化

利用M-K法[12]對1961年～2016年實(shí)際采暖期的平均氣溫進(jìn)行突變檢驗(yàn)，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(jì)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(jù)UF和UB曲線的交點(diǎn)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(diǎn)，將1961年～1979年作為參考時段，1980年～2016年作為增暖時段進(jìn)行劃分。

圖2 年平均氣溫M-K統(tǒng)計(jì)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(fù)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(shí)際采暖期積溫變化

3 采暖指標(biāo)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(shí)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(shí)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(diào)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(shí)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(jì)60年代平均日數(shù)最長，90年代最短，進(jìn)入21世紀(jì)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(guān)，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(guān)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(qiáng)度減弱。從年代際看，20世紀(jì)80年代前采暖強(qiáng)度高于平均值，90年代減少至最低，進(jìn)入21世紀(jì)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(qiáng)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(jìn)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(shí)際供暖日數(shù)少了39d，如果能耗按實(shí)際供暖的182d平均計(jì)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(jì)算，可減少能源消耗約9%，按歷史上最短的117d供暖期計(jì)算，可減少能源消耗約36%。

4.2 采暖強(qiáng)度的變化對能耗的影響

實(shí)際采暖期每年的度日數(shù)不同，因此，供暖強(qiáng)度也應(yīng)不同。如果采取相同強(qiáng)度的供暖方式，以20世紀(jì)60年代度日數(shù)為基準(zhǔn)，20世紀(jì)70年代至21世紀(jì)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(dá)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(zhuǎn)折點(diǎn)、極值點(diǎn)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(jì)90年代，達(dá)到10%，最低在80年代4%，和氣候趨勢變化一致。

5 結(jié)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(jì)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(fù)積溫值減少明顯，1996年～2002年連續(xù)7a出現(xiàn)正積溫。②計(jì)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(qiáng)度變化大，且下降明顯。④由于氣候變暖，理論上計(jì)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(dá)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(jìn)入21世紀(jì)的16a采暖期平均氣溫較20世紀(jì)90年代降低0.9℃，與此相應(yīng)，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(qiáng)度并不是一味減少采暖時間與強(qiáng)度。事實(shí)上，每年計(jì)算的采暖期天數(shù)和采暖強(qiáng)度都不同，且變化較大，因此，相關(guān)部門應(yīng)根據(jù)當(dāng)?shù)氐臍夂蛱攸c(diǎn)、當(dāng)年的短期氣候預(yù)測、中、短期天氣預(yù)報，科學(xué)規(guī)劃采暖，確定合理的采暖初終日、變化的供暖強(qiáng)度，達(dá)到科學(xué)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(dá)到節(jié)能減排的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。采暖期初終日、采暖強(qiáng)度的預(yù)測及服務(wù)是氣象節(jié)能潛力研究的重點(diǎn)，需進(jìn)行深入的研究。