保定地區(qū)采暖期氣候變化特征及節(jié)能潛力分析

王亞婷，馬鴻青，高萬泉，徐義國

(保定市氣象局 河北保定 071100)

0 引 言

在全球氣候變暖的大背景下，氣候變化對能源需求的影響日益受到關(guān)注[1]。中國的能源消費(fèi)量一直位于世界前列，據(jù)統(tǒng)計，采暖耗能約占全國商品能源總耗能的15%[2]。隨著城鎮(zhèn)化的快速發(fā)展，城市范圍和居民供熱面積逐年增加，如何兼顧供暖質(zhì)量和節(jié)能減排的環(huán)境效益是全社會關(guān)注的重點(diǎn)問題。有國內(nèi)學(xué)者通過分析氣候條件變化對城鎮(zhèn)采暖的影響計算了采暖期耗煤變化率[3-5]。張家誠等[6]根據(jù)采暖的氣候條件，將我國劃分為2個采暖帶，并對采暖氣候指標(biāo)進(jìn)行了研究；周自江[7]分析了冬季集中采暖對城市熱島的影響；張雪梅等[8]基于均生函數(shù)模型，對哈爾濱采暖期氣溫進(jìn)行了預(yù)測試驗；李嵐等[9]研究建立了沈陽地區(qū)供熱量預(yù)報方程，并投入應(yīng)用；李瑞萍等[10]指出有必要根據(jù)實況氣溫重新訂正、設(shè)計采暖參數(shù)，以改變傳統(tǒng)的采暖模式。

保定市地處河北中部，冬季氣候寒冷，采暖期較長。本文系統(tǒng)分析了采暖期內(nèi)氣溫變化特征，計算確定了理論采暖期的初、終日，并結(jié)合本地供暖指標(biāo)，進(jìn)行了保定地區(qū)節(jié)能潛力的分析，以期為積極應(yīng)對氣候變化、指導(dǎo)科學(xué)供暖和節(jié)能降耗等決策提供參考。

1 資料方法與相關(guān)指標(biāo)

1.1 資料與方法

本文所用資料為保定國家基準(zhǔn)氣象站(54602) 1970—2020年的地面觀測記錄的逐日氣溫，數(shù)據(jù)連續(xù)完整。采暖供熱的數(shù)據(jù)資料由保定市供熱辦和相關(guān)供熱公司提供。

采用線性傾向率法分析保定地區(qū)采暖期氣候的變化趨勢；采用非參數(shù)檢驗方法曼-肯德爾法(Mann-Kendall)對保定地區(qū)采暖期平均氣溫的突變情況進(jìn)行檢驗。

1.2 理論采暖初、終日及采暖期長度

據(jù)《采暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計規(guī)范》GB 50019—2003[11]對于一般民用建筑采暖標(biāo)準(zhǔn)的相關(guān)要求，采暖日數(shù)應(yīng)為當(dāng)年至次年日平均氣溫穩(wěn)定低于或等于室外5℃的總?cè)諗?shù)。

采用連續(xù)5日滑動平均法計算得出保定地區(qū)日平均氣溫≤5℃的天數(shù)，并將之作為采暖期日數(shù)。將日平均氣溫穩(wěn)定通過5℃的初、終日作為采暖初、終日。由于保定地區(qū)采暖期跨年度，故本文定義1970年11月至1971年3月的采暖期為1970年采暖期，依此類推。

1.3 采暖期度日

20世紀(jì)50年代初，Thom[12]首次提出將度日作為一種表征熱狀況的計算單位，可以用來研究能源消費(fèi)與溫度的關(guān)系。采暖期度日是指計算采暖期內(nèi)每日平均氣溫與18℃的差值度數(shù)乘以1 d，并逐日累加。故采暖期度日(D)可表示為：

其中：n為采暖期日數(shù)，d；Ti為日平均氣溫，℃。

2 實際采暖期氣候變化特征分析

2.1 實際采暖期平均氣溫逐年變化特征

近50年保定地區(qū)實際采暖期(11月15日—次年3月15日)的平均氣溫為-0.05℃，且逐年波動上升，氣候傾向率為0.21℃/10 a(圖1)，符合氣候變暖的背景規(guī)律。采暖期平均氣溫年際波動較大，變化范圍為-2.3～2.8℃。

圖1 保定地區(qū)近50年逐年采暖期平均氣溫變化趨勢 Fig.1 Variation trend of average temperature during heating period in Baoding region in recent 50 years

保定地區(qū)實際采暖期平均氣溫的年代際演變整體為升高趨勢，21世紀(jì)初達(dá)到近50年最大值，為0.84℃，比平均值高0.89℃。1980—1990年的上升幅度最大，達(dá)1.2℃。采暖期平均氣溫年代際方差值的上升趨勢，也表征著其年代際波動程度逐漸增大。這是由于全球氣候持續(xù)變暖、我國極端天氣事件頻繁發(fā)生，同時也給采暖工作高效完成增加了難度。

2.2 實際采暖期平均氣溫逐月變化特征

從各月平均氣溫變化來看，采暖期內(nèi)11月份平 均氣溫變動幅度不大，平均每10 a降低0.02℃，其余各月平均氣溫均呈逐年上升趨勢，其中12月份和 1月份的平均氣溫每10 a升高0.13～0.14℃，增幅不明顯；2月份和3月份的平均氣溫每10 a升高0.41～0.55℃，增幅較為顯著。說明保定地區(qū)寒冷期開始和結(jié)束的時間均逐年提前，春季回溫尤其明顯。

2.3 實際采暖期平均氣溫突變檢驗

利用Mann-Kendall法對保定地區(qū)實際采暖期平均氣溫進(jìn)行分析和突變檢驗(圖2)。1970—1975年采暖期氣溫整體呈現(xiàn)波動上升趨勢，1975年之后開始明顯下降。1985年至21世紀(jì)初，采暖期平均氣溫持續(xù)增高，1990年初期增高趨勢信度達(dá)到95%，直至2010年開始下降，并維持至今。UB和UF的變化趨勢表明保定地區(qū)采暖期的平均氣溫在1972年發(fā)生了突變，1984年平均氣溫存在突變趨勢，但并未發(fā)生實際突變。

圖2保定地區(qū)采暖期平均氣溫Mann-Kendall突變檢驗(黑色實線為α＝0.05顯著性水平臨界線) Fig.2 Mann-kendall test statistics of average temperature during heating period in Baoding region(the black solid line is α＝0.05 significance horizontal critical line)

3 理論采暖期特征

3.1 理論采暖初、終日的確定及其特征

根據(jù)上述資料和計算方法可得：保定地區(qū)的理論采暖期初日最早出現(xiàn)在10月28日，最晚出現(xiàn)在11月22日，二者相差25 d；平均初日為11月10日，較實際初日提早5 d；理論采暖期終日最早出現(xiàn)在2月 25日，最晚出現(xiàn)在3月30日，二者相差33 d；平均終日為3月12日，比實際終日提早3 d。保定地區(qū)理論采暖初、終日的年際波動十分明顯。

3.2 理論采暖初、終日的變化趨勢

分析保定地區(qū)理論采暖期初、終日變化趨勢可以看出，采暖起始和終止日期均呈提前趨勢，平均每10 a分別提前0.3 d和2.1 d，且終日變化幅度明顯大于初日。從保定地區(qū)理論采暖期初、終日的年代際變化特征來看(表1)，平均采暖初日小幅度提前；平均采暖終日提前趨勢較明顯，2000年相較于1990年平均提前6 d。

由以上變化特征可知保定市寒冷天氣的到來和結(jié)束均逐漸提前，尤其是進(jìn)入21世紀(jì)后，春季回暖升溫明顯提前，采暖期需求逐年縮短。

3.3 理論采暖期長度特征

經(jīng)計算可知，近50年保定市理論平均采暖長度為122.6 d，比實際采暖日數(shù)(121 d)多1.6 d，且整體呈縮短趨勢，平均每10 a縮短1.7 d。理論采暖期長度的年際變幅較大，最長為142 d，出現(xiàn)在1990年；最短為106 d，出現(xiàn)在2007年；兩者相差36 d。

從年代際變化趨勢來看(表1)，盡管理論采暖期的初、終日出現(xiàn)存在年際振蕩，但采暖期長度整體依舊為縮短態(tài)勢。尤其是21世紀(jì)后，采暖期長度較 20世紀(jì)明顯縮短，這與全球變暖的氣候背景密切相關(guān)。

3.4 采暖期度日特征

采暖期內(nèi)的熱量需求除與采暖日數(shù)有關(guān)外，還與采暖期度日總量成正比[15]，因此采暖期度日值可以用來表征采暖期氣候冷暖程度和采暖耗能需求的變化。經(jīng)計算，近50年保定地區(qū)采暖期度日平均值為2 187.2℃·d，其最大值2 462.1℃·d和最小值1 842.6℃·d分別出現(xiàn)在1970年和2001年。采暖期度日的逐年波動降低，平均每10 a減少25.6℃·d；11月、12月和1月的平均采暖度日年代際變化偏小，減少幅度在1℃·d左右；而2月和3月的平均采暖度日年代際降低較為顯著，約為2.5℃·d。采暖度日的變化趨勢與全球變暖的氣候背景和上文保定地區(qū)春季回暖明顯的結(jié)論相符。

4 節(jié)能減排潛力分析

采暖供熱系統(tǒng)的熱負(fù)荷受外界環(huán)境氣溫的直接影響，可以根據(jù)環(huán)境氣溫變化來調(diào)整供熱量，在保證供熱量達(dá)標(biāo)的前提下，同時研究節(jié)能降耗與減排環(huán)保潛力。

4.1 氣溫變化對采暖需求的影響

采暖供熱能耗的高低受到采暖期日平均氣溫的直接影響。研究表明采暖期度日變率一般與采暖期平均氣溫或冬季最冷月平均氣溫關(guān)系較為密切[16]，分析其相關(guān)關(guān)系可得出：

式中：Y為采暖度日變率；X1為采暖期平均氣溫，℃；X2為12月平均氣溫，℃。

其相關(guān)系數(shù)分別達(dá)到0.99和0.55，均通過0.01顯著性水平的檢驗。從(1)、(2)式可以看出采暖期或12月平均氣溫越高，采暖期度日變率越小，供熱能耗越低，符合實際情況。

根據(jù)保定地區(qū)近50年采暖度日變率和采暖期溫度變化特征，將保定市采暖能源需求狀況分為5個等級(表2)。

表2 保定地區(qū)近50年采暖能源需求狀況 Tab.2 Energy demand for heating in Baoding region in recent 50 years

從表2可以看出，保定地區(qū)正常采暖能源需求的年份占大多數(shù)，約為62%；偏多或偏少的年份約占22%，異常偏多或偏少的年份出現(xiàn)概率較低，僅占16%。說明保定市采暖期出現(xiàn)異常冷、暖的年份出現(xiàn)較少，以正?；蚵云?、偏冷氣候為主。偏多和異常偏多年份主要出現(xiàn)在1970年和1980年，異常偏少年份則主要出現(xiàn)在本世紀(jì)。說明1980年以后保定地區(qū)采暖期溫度持續(xù)增高，相應(yīng)的采暖能源需求持續(xù)減少，2010年采暖能源需求量反彈增加。因此，可根據(jù)每年采暖期的平均氣溫預(yù)測計算當(dāng)年的采暖度日變率，并確定采暖能源需求等級，然后初步預(yù)測當(dāng)年的能耗需求量，為積極應(yīng)對氣候變化、指導(dǎo)科學(xué)供暖和節(jié)能降耗等決策提供參考依據(jù)。

4.2 采暖期氣溫升高的減排潛力與環(huán)境效益

當(dāng)前保定供熱公司使用的采暖熱指標(biāo)[17]為20.5 W/m2，計算采暖期室外平均溫度為-0.6℃。據(jù)了解，2020年保定主城區(qū)居民供熱面積為6 447萬m2，其中集中供熱面積約為4 963萬m2，規(guī)定采暖期為121 d，每天按24 h計算，集中供熱的熱量需求為：

其他供熱熱量需求為：

按照標(biāo)準(zhǔn)煤產(chǎn)熱率29.3 G J/t，天然氣標(biāo)準(zhǔn)熱值38.87 MJ/m3[17]，熱效率90%計算，則采暖期平均氣溫每升高1℃，可減少燃煤約2.2萬t、天然氣 488.8萬m3。根據(jù)國家發(fā)改委公布的數(shù)據(jù)，每噸燃煤可產(chǎn)生CO22.6 t，SO20.008 5 t，NxO 0.007 4 t。整個采暖期平均氣溫每升高1℃，能夠減少產(chǎn)生CO26.7萬t、SO2187 t、NxO 162.8 t、粉塵1 100 t(按單位5%計算)。

4.3 采暖期縮短的節(jié)能減排效應(yīng)

由上文可知，采暖期縮短一日的節(jié)能效應(yīng)，即正常供暖一日的能源消耗量?？晒?jié)約燃煤0.3萬t、燃?xì)?5.1萬m3，能夠減少產(chǎn)生CO21萬t、SO228.1 t、NxO 24.42 t，粉塵165 t。

需要說明的是，以上數(shù)據(jù)中采暖面積僅為主城區(qū)的供暖面積，保定區(qū)域各縣、市(區(qū))的總供暖面積更加龐大，并且還有一些分布式自主供暖和半集中式單棟住宅供暖等供暖面積。加之分戶燃?xì)膺\(yùn)行產(chǎn)生的電費(fèi)、水費(fèi)等一些次級能耗，所以實際節(jié)能減排效益將更為可觀。

4.4 采暖度日減少的影響

采暖能源消耗除與采暖期內(nèi)日平均氣溫≤5℃的負(fù)積溫成正比。前文數(shù)據(jù)可知，氣溫突變之后，即1972年之后，保定地區(qū)的采暖度日減少了204.7℃，達(dá)平均采暖度日10%左右。從年代際分析，21世紀(jì)初相較于20世紀(jì)70年代，采暖度日減少了近10%，相應(yīng)的采暖能耗和CO2、SO2、粉塵等污染物的排放量也減少了近10%，經(jīng)濟(jì)成本大幅降低，氣候變化導(dǎo)致的采暖度日減少對保定地區(qū)城鄉(xiāng)供暖帶來的環(huán)境和社會經(jīng)濟(jì)效益十分顯著。

5 結(jié)論與討論

①近50年保定市實際采暖期平均氣溫呈逐年波動上升趨勢，氣候傾向率為0.2℃/10 a，并存在突變現(xiàn)象，突變的具體時間為1972年。

②保定地區(qū)理論采暖期初、終日均呈提前趨勢，理論采暖期長度存在年際振蕩，但總體呈縮短趨勢，平均每10 a縮短1.6 d。保定地區(qū)春季升溫回暖趨勢日益顯著。

③保定地區(qū)采暖期度日變化有降低趨勢，平均每10 a減少25.6℃。保定地區(qū)的采暖能源需求以正常年份居多，異常偏多或偏少年份出現(xiàn)概率較低。根據(jù)每年采暖期的平均氣溫預(yù)報可初步預(yù)測當(dāng)年的能耗需求量，為積極應(yīng)對氣候變化、指導(dǎo)科學(xué)供暖和節(jié)能降耗等決策提供參考依據(jù)。

④保定地區(qū)采暖期的節(jié)能減排潛力和效益十分可觀。建議在保證供暖質(zhì)量的前提下，根據(jù)氣候特點(diǎn)和氣象預(yù)報的平均氣溫變化動態(tài)調(diào)整采暖初、終日期，合理規(guī)劃采暖期煤炭用量，提高供暖效率，實現(xiàn)科學(xué)采暖、節(jié)能增效。