南充市體感溫度變化及對建筑溫控能耗的影響

游 泳，稅攀恒，李衛(wèi)朋

(西華師范大學(xué) a.國土資源學(xué)院；b.區(qū)域環(huán)境演變與保護研究中心，四川 南充 637009)

人體對外界冷熱的舒適或不適感受，是由氣溫、風(fēng)速、濕度及太陽輻射等多種氣象要素綜合作用的結(jié)果[1-2]。當(dāng)氣溫超過人體表溫度(通常為32 ℃左右)，人體就會感覺到熱。但事實上人體對環(huán)境溫度的感知隨著濕度、風(fēng)速的變化是有較大差異的：如氣溫同樣為 35 ℃，當(dāng)相對濕度達到50%左右，風(fēng)速為3 m/s以上，一般不會有明顯熱的感覺；而當(dāng)相對濕度超過70%且無風(fēng)時，一般的人就會有明顯的悶熱感。相比單純的溫度指標(biāo)，作為一種可反映不同氣象條件下多氣象要素協(xié)同作用的人體舒適程度綜合指標(biāo)，體感溫度能夠更確切地測度人體對環(huán)境冷熱的實際感受[3]。Kalkstein等[4]利用氣溫、露點溫度和風(fēng)速計算體感溫度以評價最不舒適氣象條件的發(fā)生頻率和大小。呂偉林[5]提出了體感溫度的經(jīng)驗計算公式，涉及氣溫、人們的著裝顏色、風(fēng)速、空氣濕度、太陽輻射5種氣象要素。蔚丹丹等[6]認為體感 “分級標(biāo)準(zhǔn)”應(yīng)“因人而異”和“因地制宜”，需根據(jù)地域?qū)嶋H進行必要的改進優(yōu)化，并提出季節(jié)錨點法，通過溫濕指數(shù)(Temperature Humidity Index)和風(fēng)效指數(shù)(Wind Effect Index)，求得氣候舒適期、冷/熱不舒適期。張志薇等[7]考慮了海拔、緯度和季節(jié)等因素的氣候效應(yīng)，提出更為精確的“黃金分割”舒適度指數(shù)計算方法。

體感溫度目前主要應(yīng)用于氣候變化與呼吸道疾病發(fā)生的關(guān)聯(lián)[8-10]、人口出生率[11-12]與死亡率[13]等與人體健康直接關(guān)聯(lián)的研究，如體感溫度上升情況下人口自然增長率會受到一定的抑制[13]。我國當(dāng)前正處于城市化快速發(fā)展的進程中，建筑能耗已占社會總能耗的30%[14]，然而目前，體感溫度變化與建筑控溫能耗領(lǐng)域的研究相對較少?；诖耍疚膶δ铣涞慕陙淼捏w感溫度、冷熱度日及其建筑溫控能耗進行了計算，分析了體感溫度及其對建筑控溫能耗的影響，以期為區(qū)域節(jié)能減排和可持續(xù)發(fā)展提供參考。

1 研究區(qū)域與研究方法

1.1 研究區(qū)域

南充市位于四川盆地東北、嘉陵江中游，30°35′～31°51′N，105°27′～106°58′E。本文所用氣象數(shù)據(jù)資料為南充市2005—2017年逐日氣象數(shù)據(jù)，包括溫度、降水、濕度、風(fēng)速等氣象要素。

1.2 研究方法

1.2.1 體感溫度計算方法

本文采用王式功等[15]提出的用黃金分割法構(gòu)建人體舒適度的方法來計算體感溫度，步驟如下：

首先以長期生活在熱帶地區(qū)、 健康裸露的正常人體表面感覺到的最舒適環(huán)境溫度作為理論上的“最佳舒適溫度”(T=36.75×0.618，即正常人體的平均體溫與黃金分割率的乘積)22.75 ℃為基準(zhǔn)，而實際的“最佳舒適溫度”TS會隨著緯度、海拔和季節(jié)發(fā)生變化，需通過對理論上的“最佳舒適溫度”進行這三方面的校準(zhǔn)而求得，見公式(1)：

(1)

式中，TS表示校準(zhǔn)后的最佳舒適度，φ表示緯度大小，M表示月份，H表示海拔高度。通常情況下，如果海拔高度低于500 m，可忽略海拔因素的影響[15]。經(jīng)計算，南充市最佳舒適度最大值為12月份的21.22 ℃，最小值為10月份的20.94 ℃。

具體計算體感溫度表達式如下：

Ta≥TS時，

Tg=Ta+A(exp(0.05(Ta-TS)(RH-RHs))-1)-0.03(Ta-TS)V

(2)

Ta

Tg=Ta-A(exp(0.013(TS-Ta)(RH-RHs))-1)-0.01(TS-Ta)V

(3)

式中，系數(shù)A為常數(shù)(A=36.75×(1-0.618)≈14)，Tg表示體感溫度，Ta表示平均氣溫，V表示平均風(fēng)速，RH表示相對濕度，RHs表示最適相對濕度(無降水時，RHs=0.5；有降水時，RHs=0.618)。

基于體感溫度Tg和人體舒適度劃分標(biāo)準(zhǔn)[8]，將南充市體感溫度劃分為以下等級(表1)。

表1 人體體感等級劃分標(biāo)準(zhǔn)

注：Dt表示某地實際最佳舒適溫度與理論上最佳舒適溫度的差值(Dt=22.7-TS)。

1.2.2 建筑溫控能耗計算方法

建筑溫控能耗指建筑物單位面積年制冷/采暖所需的能耗(Electricity for cooling/heating,Ec/Eh)，可通過冷度日(Heating degree day,HDD)和熱度日(Cooling degree day,CDD)計算[16]。

EC=11.839+0.074 6×CDD

(4)

Eh=-6.705 9+0.022 3×HDD

(5)

2 結(jié)果

2.1 南充市近年體感溫度變化情況

如圖1A所示，南充市近年的平均氣溫呈上升趨勢，且變化幅度較大，在2013年和2015年達到兩個峰值，分別為20.17 ℃和20.04 ℃，2016年和2017年的平均氣溫較以前有所降低。近年的最高氣溫也呈上升趨勢，并且在上升的過程中波動幅度減小，自2009年以來，年最高氣溫都接近40 ℃(圖1B)。近年的最低氣溫總體在上升，但是相對變化幅度較大，從-3 ℃ 到3 ℃ ，最冷年份為2016年，最低氣溫達到了-3 ℃(圖1C)。

相應(yīng)地，2005—2017年的年均體感溫度呈上升趨勢，最近5年表現(xiàn)的波動尤其明顯。多年平均體感溫度為17.86 ℃，最低年平均體感溫度是2017年的17.26 ℃，最高的一年為2015年，年平均體感溫度18.9 ℃。就季節(jié)變化而言(圖2)，春、夏和冬3個季節(jié)的年均體感溫度都有不同程度的上升趨勢，其中冬季體感溫度上升的幅度最大，多年平均7.28 ℃，最高是2015年冬季平均8.68 ℃，比最低的2008年冬季平均體感溫度5.57 ℃高出3.11 ℃；變化最小的是夏季，多年夏季平均體感溫度為27.11 ℃，最高體感溫度2006年為28.59 ℃。體感溫度與平均氣溫(圖1D)有著顯著的正相關(guān)性(R2=0.92，P<0.01)，與最高氣溫(圖1E)和最低氣溫(圖1F)相關(guān)性不顯著(R2<0.01和R2=0.04，P值分別為0.94和0.51)。將體感溫度按表1的標(biāo)準(zhǔn)劃分出不同感受等級(圖3)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，南充市近十幾年來，人體感受呈偏冷、偏熱和酷熱的天數(shù)都呈現(xiàn)出下降的趨勢(多年平均天數(shù)分別為103 d，92 d和26 d，下降率分別為26.1 d/10 a，26.9 d/10 a和24.6 d/10 a)。而呈舒適感受的天數(shù)表現(xiàn)出上升的趨勢(表2)，多年平均145 d，增長率為19.2 d/10 a，一年中的舒適感受大致可分為兩個時段，其中上半年春季部分開始時間由3月初提前到了2月中旬，結(jié)束時間則無明顯變化趨勢；下半年秋季開始時間從8月上中旬，推遲到了8月末以及9月初，結(jié)束時間沒有明顯變化，一年中大部分時間體感溫度處于“舒適”的區(qū)間范圍內(nèi)。

2.2 南充市近年建筑溫控能耗變化情況

南充近年偏冷體感天數(shù)呈整體遞減趨勢，相應(yīng)的采暖耗電量也呈現(xiàn)出下降趨勢(圖4)，最大值為2005年的kwh·m-2，最小值為2015年16 kwh·m-2，多年平均采暖耗電量為21.38kwh·m-2,。制冷耗電量的多年平均為27.45 kwh·m-2，最大的一年為2006年38.48 kwh·m-2，最小為2005年的21.76 kwh·m-2，且波動范圍大，但總體沒有明顯的上升或下降趨勢。總的建筑溫控能耗多年平均為48.83 kwh·m-2(采暖耗電量和制冷耗電量分別占44%和56%，然而其所占的天數(shù)分別為159 d和62 d)，最大能耗出現(xiàn)在2006年60.48 kwh·m-2，并呈明顯的下降趨勢，與年均體感溫度變化趨勢相反。

表2 2005—2017年舒適體感等級起止時間

3 討論及結(jié)論

3.1 討論

在全球變暖背景下，我國氣候表現(xiàn)出平均氣溫增高、極端氣象事件的數(shù)量、頻次、影響范圍均有所增加的情況[17]，南充市近年來平均體感溫度也呈整體上升趨勢，但體感溫度作為一個基于平均氣溫的統(tǒng)計概念，對極端的高溫或者低溫響應(yīng)的敏感性有限，極端的高溫或者低溫只有持續(xù)一定時間，才會在體感溫度的變化中有所體現(xiàn)，如2008年和2011年(圖5)，南充不超過2 ℃雨雪臨界氣溫[18-19]的低溫日數(shù)分別為20 d和18 d，相應(yīng)地，降雪日數(shù)分別為10 d和5 d，年均體感溫度也相對較低(分別為17.46 ℃和17.43 ℃)；而2006年和2013年不超過2 ℃臨界氣溫的天數(shù)較少，分別為11 d和14 d，降雪日數(shù)均為2 d，年均體感溫度也相應(yīng)較高(分別為18.27 ℃和18.87 ℃)。

平均體感溫度的上升，使得每年人體感受為“偏冷”等級的持續(xù)天數(shù)下降，且體感溫度增加值沒有超出感受為“舒適”等級的閾值范圍，因此，每年“舒適”等級的天數(shù)在持續(xù)增加。在季節(jié)尺度上，春季、秋季和冬季溫控能耗和對應(yīng)季節(jié)體感溫度變化(圖6C、E、F)都具有顯著的負相關(guān)關(guān)系；夏季溫控能耗與夏季體感溫度變化(圖6D)具有顯著的正相關(guān)關(guān)系；這與這三個季節(jié)的主體溫控能耗——采暖耗電量(春，秋，冬季分別占到其季節(jié)總溫控能的96%、90%和100%)需求隨著體感溫度的上升減少有關(guān)；而在夏季，所有的溫控能耗都是制冷耗電量，因而夏季溫控能耗與體感溫度的變化呈顯著的正相關(guān)關(guān)系。在年尺度上，南充市全年建筑采暖耗電量(平均每年發(fā)生了159 d，占全年總溫控能耗的44%)與年均體感溫度呈顯著性負相關(guān)(R2=0.67,P<0.01)(圖6A)，即全年建筑采暖耗電量隨體感溫度的上升而降低；而建筑制冷耗電量(平均每年發(fā)生了62 d，占全年總溫控能耗的56%)因發(fā)生天數(shù)相對較少，與年均體感溫度的相關(guān)性并不顯著(R2=0.1,P=028)(圖6B)。總體上，體感溫度與總溫控能耗的相關(guān)性在年尺度上遠不如在季節(jié)尺度上表現(xiàn)得那么顯著，一方面，夏季的偏熱和冬季的偏冷的體感溫度信號在一定程度上被年體感溫度的均值所過濾；另一方面，全年總溫控能耗的變化主要受控于采暖耗電量減少和制冷耗電量增加量相對關(guān)系。目前南充全年建筑采暖能耗的減少量大于制冷能耗的增加量，整體上年溫控能耗呈降低趨勢。但是，體感溫度若持續(xù)上升，建筑年總溫控能耗的這種下降趨勢就會減緩、停滯，甚至發(fā)生逆轉(zhuǎn)(制冷耗電量增幅超過采暖耗電量減少量時)。

3.2 結(jié)論

1)南充市2005—2017年體感溫度變化呈上升趨勢，多年平均體感溫度為17.86 ℃，最低年平均體感溫度出現(xiàn)在2017年，為17.26 ℃，最高年平均體感溫度出現(xiàn)于2015年，為18.9 ℃。其中，春、夏和冬3個季節(jié)的年均體感溫度都有不同程度的上升趨勢，冬季體感溫度上升的幅度最大；秋季則呈輕微下降趨勢。

2)體感溫度的變化與平均氣溫的變化相關(guān)性顯著，對極端的高溫或者低溫響應(yīng)的敏感性有限，極端的高溫或者低溫只有持續(xù)一定時間，才會對體感溫度的變化產(chǎn)生一定的影響。

3)南充市建筑采暖耗電量呈下降的趨勢；建筑制冷耗電量呈上升趨勢；建筑溫控總能耗呈現(xiàn)降低的趨勢。季節(jié)尺度上，春季，秋季和冬季溫控能耗具有顯著的負相關(guān)關(guān)系(對應(yīng)的R2=0.64,P<0.01；R2=0.36,P<0.05；R2=0.99,P<0.01)，與夏季溫控能耗具有顯著的正相關(guān)關(guān)系(R2=0.78,P<0.01)；年尺度上，采暖耗電量與體感溫度變化顯著正相關(guān)關(guān)系(R2=0.67,P<0.01)，年制冷耗電量與體感溫度變化相關(guān)性并不顯著(R2=0.1,P=028)。

致謝：本文在前期數(shù)據(jù)處理和討論環(huán)節(jié)得到了詹梨蘋同學(xué)的熱心幫助，在此表示感謝！

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