上海市氣候變化對采暖空調(diào)負(fù)荷和能耗的影響——以某辦公建筑為例

張義豪 高慶龍

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上海市氣候變化對采暖空調(diào)負(fù)荷和能耗的影響——以某辦公建筑為例

張義豪1高慶龍2

（1.山東省陽谷縣氣象局 陽谷 252300；2.中國建筑西南設(shè)計研究院 成都 610042）

利用上海市1973-2002年的氣象數(shù)據(jù)構(gòu)建了30年來，歷年類似于典型氣象年的逐時氣象數(shù)據(jù)文件，分析了上海市30年來氣候變化情況。同時利用DOE2.1E軟件建立了辦公建筑的建筑模型，利用該模型結(jié)合30年的氣象數(shù)據(jù)進行了逐年空調(diào)和采暖能耗模擬，分析了該建筑模型在30年不同氣候條件下全年、最熱月、最冷月的能耗的變化規(guī)律，籍此來分析上海市氣候變化對當(dāng)?shù)亟ㄖ芎牡挠绊憽?/p>

氣候變化；建筑能耗；能耗模擬

0 引言

建筑是氣候的“過濾器”，擔(dān)任著把室外的氣候調(diào)節(jié)到人體所適宜的微氣候的任務(wù)。氣候是影響建筑能耗大小的最主要的因素之一，室外氣候與室內(nèi)微氣候差別愈大建筑能耗愈高。在全球變暖的大背景下，氣候變化對采暖耗能的影響引起了越來越多的關(guān)注。眾所周知，氣候變暖可使采暖能源消耗減少、制冷能耗增加。那么，氣溫升高的同時，到達地面的太陽輻射等氣象參數(shù)是否也在增加呢？氣溫升高究竟對建筑能耗進行怎樣的影響？這些問題尚需要進行針對性的研究。

有關(guān)氣候變化對采暖能耗的影響研究在國際上主要是以氣候因子作為因變量，結(jié)合采暖耗能資料，對采暖能耗進行短期預(yù)測和長期預(yù)估[1]。所得到的能源需求預(yù)測結(jié)果，對采暖所涉及到的電力、天然氣、煤氣等生產(chǎn)和供應(yīng)部門都具有重要的參考價值。有關(guān)學(xué)者也曾做過大量工作，分析了氣候變化對冬季采暖能耗以及經(jīng)濟結(jié)構(gòu)的影響[2]，從氣象科學(xué)角度構(gòu)建了采暖能耗資料序列，并提出了提高能源利用率等對策性建議[3]。

需要特別說明是，建筑能耗范疇較大，氣候變化對建筑能耗的影響主要表現(xiàn)在建筑采暖和空調(diào)能耗上，夏季最熱月氣溫以及冬季太陽能輻射量變化，會對空調(diào)與采暖能耗造成直接影響。針對氣象數(shù)據(jù)的獨特性，本研究只根據(jù)上海市氣候變化條件，針對某辦公建筑的采暖和空調(diào)能耗做出分析。

1 研究方法與思路

由于受到多種因素的影響，氣候變化具有顯著地域性的特點。本文首先利用上海市1973-2002年的氣象數(shù)據(jù)構(gòu)建了30年來，歷年類似于典型氣象年的逐時氣象數(shù)據(jù)文件。構(gòu)建方法采用了文獻[4,5]提供的數(shù)據(jù)整編方法，并統(tǒng)計分析了上海市30年來氣溫和太陽輻射的變化特征。接下來利用DOE2.1E軟件建立了辦公建筑的建筑模型，利用該模型結(jié)合30年的氣象數(shù)據(jù)進行了逐年空調(diào)和采暖能耗模擬，分析了該建筑模型在30年不同氣候條件下全年、最熱月、最冷月的能耗的變化規(guī)律，籍此來分析上海市氣候變化對當(dāng)?shù)亟ㄖ芎牡挠绊憽?/p>

2 歷年氣象數(shù)據(jù)與建筑能耗模擬分析

2.1 上海市近30年氣候變化特征分析

圖1 上海市歷年年均溫度及線性趨勢

圖2 上海市歷年1月平均溫度及線性趨勢

圖3 上海市歷年7月平均溫度及線性趨勢

對上海市1973-2002年氣象數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，分析30年間上海市氣候變化特征。圖1～圖3分別給出了年平均溫度、1月份平均溫度和7月份平均溫度在時間維度上的變化曲線和線性趨勢。由圖可以看出，1973～2002年，上海市的年平均溫度、1月份平均氣溫和7月份平均氣溫每年平均增加0.014℃、0.0342℃、0.0572℃，30年累積上升0.42℃、1.026℃和1.716℃。整體來看，7月份的溫度升高的速率比1月份溫度升高的速率大67%左右。但是各圖中線性趨勢擬合度較低，溫度的變化表現(xiàn)出“震蕩上升”的特點。1973～2002年間，年平均溫度、1月份平均溫度和7月份平均溫度的最大值分別為16.3℃、5.5℃、30.2℃，最小值分別為14.7℃、3.5℃、25.5℃，其在年際之間的變化達到了1.6℃、2℃和4.7℃，如果說在如此大的年際差別面前，變暖速率幾乎可以忽略，但多年累積的溫度變化已經(jīng)不可忽略。

圖4—圖6分別給給出了年平均日總輻射、1月份平均日總輻射、7月份平均日總輻射在時間維度上的曲線和線性趨勢。圖4-6可以看出，1973～2002年，上海市的太陽輻射量處于增加的趨勢。其中年平均日總輻射、1月份平均日總輻射、7月份平均日總輻射每年增加的速率分別為9.22W/m2、15.87W/m2、0.43W/m2，整體來看，1月份的太陽輻射增加的速率是7月份的21倍左右。30年累積增加27.66W/m2、476.1W/m2、12.9W/m2。但是各圖中線性趨勢的擬合度較低，太陽輻射的變化也表現(xiàn)出“震蕩上升”的特點。1973～2002年間，日總太陽輻射年平均溫、1月份平均和7月份平均的最大值分別為4.14kW/m2、3.13kW/m2、6.75kW/m2，最小值分別為3.7kW/m2、1.85kW/m2、4.51kW/m2，也就是說其在年際之間的變化達到了440W/m2、1280W/m2和2240W/m2，在如此大的年際差別面前，太陽輻射的增加速率也是很小的。

圖4 上海市歷年年均日總輻射量及線性趨勢

圖5 上海市歷年1月平均日總輻射量及線性趨勢

圖6 上海市歷年7月平均日總輻射量及線性趨勢

2.2 建筑能耗計算分析

本研究利用實際工程中一棟15層辦公建筑建立了DOE模擬軟件的計算簡化模型，如圖7所示（模型中第二層為標(biāo)準(zhǔn)層）。此建筑模型共15層，建筑面積約2.9萬平米，夏季空調(diào)采用冷卻塔，冬季采暖采用燃?xì)忮仩t系統(tǒng)，圍護結(jié)構(gòu)參數(shù)和內(nèi)擾設(shè)置按文獻[6]。

圖7 某辦公建筑計算模型

圖8～圖10給出了此辦公建筑空調(diào)最大負(fù)荷、最熱月空調(diào)能耗、全年空調(diào)能耗的曲線和線性趨勢。由圖8可以看出，夏季空調(diào)最大負(fù)荷呈現(xiàn)增加的趨勢，增加平均速率為0.034kW/y，相對增加速率為0.1%，30年累積增長1.02kW；空調(diào)最大負(fù)荷年際間最大值和最小值分別為3971kW、3100kW，相對差別為21.9%。在如此大的年際變化面積，空調(diào)負(fù)荷的增加速率顯得無關(guān)緊要，但不可忽略的是顯著累積影響效應(yīng)。從另外一個層面來講，也說明了及時更新暖通空調(diào)室外計算參數(shù)的必要性。

圖8 某辦公建筑歷年空調(diào)最大負(fù)荷及線性趨勢

圖9 某辦公建筑歷年7月空調(diào)能耗及線性趨勢

圖10 某辦公建筑歷年年總空調(diào)能耗及線性趨勢

由圖8～圖10可以看出，最熱月空調(diào)能耗呈現(xiàn)減少趨勢，減少的速率為0.54MWh/y，全年空調(diào)能耗呈上升趨勢，上升的速率為3.48MWh/y，最熱月空調(diào)能耗相對平均空調(diào)能耗的減少速率為1%，全年空調(diào)能耗相對全年平均空調(diào)能耗的增加速率為0.14%。

圖11 某辦公建筑歷年最大采暖負(fù)荷及線性趨勢

圖12 某辦公建筑歷年1月采暖能耗及線性趨勢

圖11～圖12給出了此辦公建筑采暖最大負(fù)荷、最冷月采暖能耗、全年采暖能耗的曲線和線性趨勢。由圖11可以看出，冬季采暖最大負(fù)荷呈現(xiàn)減小的趨勢，減小平均速率為4.02kW/y，最大負(fù)荷相對平均負(fù)荷減小速率為0.12%，30年累積減小120.6kW；若采用較早統(tǒng)計數(shù)據(jù)應(yīng)考慮計算參數(shù)統(tǒng)計之后至今年份的負(fù)荷減小速率0.1%。

圖13 某辦公建筑歷年全年采暖能耗及線性趨勢

圖14 某辦公建筑歷年全年總能耗及線性趨勢

由圖13～圖14可以看出，最冷月和全年的采暖能耗均呈現(xiàn)減小趨勢，減小的速率分別為1.6MWh/y和5.58MWh/y，相對最冷月平均能耗與全年平均能耗的減小速率為0.3%和0.28%。圖14給出了全年總能耗和線性趨勢。由以上分析可以看出，氣候變化對上海市采暖能耗的影響大于對空調(diào)能耗的影響，全年總能耗呈減少趨勢。

3 結(jié)論

（1）在氣候變暖的背景下，上海市平均氣溫呈現(xiàn)“震蕩式”增大趨勢，太陽輻射呈現(xiàn)“震蕩式”增大趨勢。

（2）在1973-2002年間，上海市最大空調(diào)負(fù)荷和空調(diào)能耗呈現(xiàn)增長趨勢，采暖負(fù)荷和采暖能耗呈下降趨勢，采暖和空調(diào)總能耗呈增加趨勢。

（3）在時間維度上，上海市建筑總能耗變化呈“震蕩式”增加特征，增加速率遠(yuǎn)小于年際間的建筑能耗的波動，但其多年累積具顯著效應(yīng)。

4 致謝

致謝：國家氣象局?jǐn)?shù)據(jù)中心提供了本研究氣象數(shù)據(jù)。

[1] Lehman R L, Warren H E. Projecting monthly natural gas sales for space heating using a monthly updated model and degree-days from monthly outlooks [J]. Journal of Applied Meteorology, 1994,33(1):96-106.

[2] 張清.我國北方冬季持續(xù)變暖對采暖的影響[J].氣象,1997,23(11):39-41.

[3] 陳峪,黃朝迎.氣候變化對能源需求的影響[J].地理學(xué)報,2000,55(增刊):11-19.

[4] 劉加平,楊柳,等.建筑節(jié)能設(shè)計的基礎(chǔ)科學(xué)問題研究報告[R].西安:西安建筑科技大學(xué),2007.

[5] 高慶龍,楊柳,劉大龍,等.建筑熱環(huán)境模擬分析用逐時相對濕度生成方法[J].四川建筑科學(xué)研究,2007, 33(6):203-206.

[6] GB50189-2005,公共建筑節(jié)能設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)[S].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2005.

[7] 楊嘉,陳國泰,吳祥生,等.公共建筑風(fēng)冷冷水機組的節(jié)能策略研究[J].制冷與空調(diào),2014,28(6):644-648.

[8] 安瑞楠,劉兆勇.綠色公共建筑項目中暖通空調(diào)節(jié)能設(shè)計淺析[J].制冷與空調(diào),2014,28(6):668-672.

The Impact of Climate Change on Heating and Cooling Load and Energy Consumption in Shanghai --Case Study of Office Building

Zhang Yihao1Gao Qinglong2

( 1.Shandong Yanggu County Meteorological Bureau, Yanggu, 252300;2.China Southwest architectural Design and Research Institute Co., Ltd, Chengdu, 610042 )

The climate change has been analyzed in 30 years in Shanghai, using the meteorological data of 1973-2002. A architectural model of office buildings is established with the software of DOE2.1 E. the annual cooling and heating energy consumption are simulated, with the meteorological data of 30 years. The simulated data is used to analyze the impact of climate change on the local building energy consumption in Shanghai.

climate change; building energy consumption; energy simulation

1671-6612（2016）06-700-05

TU201.5

A

中國建筑工程總公司課題（CSCEC-2012-Z-06）

張義豪（1978-），男，本科，工程師，E-mail：Sdygzyh@163.com

2015-10-12