采暖制冷能耗日變化與新疆空間分布特征

采暖制冷能耗日變化與新疆空間分布特征

隨著世界石油等能源價格的不斷提高，節(jié)約能源和提高能源利用效率已成為社會各界的共識。目前,我國采暖與制冷能耗已占全國能源消費(fèi)總量的近27.6%,隨著社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,采暖、制冷能耗還會繼續(xù)增加。多年來的研究和實(shí)踐證明,建筑節(jié)能在各種節(jié)能途徑中是潛力最大也最為直接有效的方式。因此,準(zhǔn)確確定建筑采暖與制冷基準(zhǔn)溫度、正確計(jì)算建筑物采暖與制冷能耗,對于提高暖通空調(diào)系統(tǒng)的能源利用效率,扭轉(zhuǎn)建筑用能嚴(yán)重浪費(fèi)的局面,實(shí)現(xiàn)國家節(jié)約能源和保護(hù)環(huán)境的戰(zhàn)略具有重要意義。由于建筑物的能耗與采暖/制冷度日數(shù)之間呈近似的線性關(guān)系,所以度日法多用于估計(jì)采暖和制冷能源需求。有關(guān)采暖/制冷度日數(shù)的計(jì)算及其空間分布規(guī)律的研究已有很多報道,但專門針對新疆的研究還未見。鑒于新疆位于中緯度內(nèi)陸干旱區(qū),境內(nèi)很多地區(qū)屬于酷熱、或邊遠(yuǎn)嚴(yán)寒地區(qū),不僅有很高的冬季采暖需要,而且有夏季制冷降溫的要求。這就導(dǎo)致區(qū)域內(nèi)的建筑熱工能耗(包括采暖和制冷能耗)占建筑總能耗的比例很高。因此,本文主要依據(jù)日最高和最低溫度觀測值計(jì)算新疆16個主要城市的采暖和制冷度日數(shù),并探討其空間分布特征,以期為下一步進(jìn)行能耗分析、研究建筑節(jié)能途徑奠定基礎(chǔ)。1數(shù)據(jù)和方法1.1資料不連續(xù)站補(bǔ)。根據(jù)對于既有補(bǔ)資料來源于中國氣象局國家氣象中心資料室整編的全疆54個測站的逐日最高、最低氣溫記錄。為了保證資料的均一性,首先剔出了缺測比較嚴(yán)重以及時間覆蓋不夠的測站,然后對資料不連續(xù)的臺站進(jìn)行適當(dāng)插補(bǔ),插補(bǔ)方法為:對單日缺測,用本站前后各1天的值取平均做為該缺測值;對于兩日以上連續(xù)缺測值,采用缺測站與相鄰站進(jìn)行線性回歸的方法來插補(bǔ)。這樣,全疆有16個主要城市臺站資料連續(xù)性較好,臺站信息、缺測情況與缺測值的處理方式見表1。1.2基準(zhǔn)溫度的確定從原理上講,度日值是建筑物采暖或制冷能源需求的一種量度。一段時期(月、季和年等)的采暖度日數(shù)是指室外日平均氣溫與采暖基準(zhǔn)溫度之差值在這段時期內(nèi)的和。凡平均溫度低于基準(zhǔn)溫度的均計(jì)入采暖度日數(shù),而高于基準(zhǔn)溫度的均計(jì)入制冷度日數(shù)。有關(guān)采暖和制冷度日數(shù)的計(jì)算方法已有很多報道。最簡便的方法是利用日平均氣溫與基準(zhǔn)溫度的比較;而相對復(fù)雜的方法是基于氣溫的日格局與基準(zhǔn)溫度的比較。在本研究中,利用簡便方法,即采用日平均氣溫與基準(zhǔn)溫度相比較的方式來計(jì)算采暖度日數(shù)(HDD)和制冷度日數(shù)(CDD)。對于所考慮的具有日數(shù)n的時段,計(jì)算采暖度日數(shù)的具體公式為:HDD=∑i=1n(Tb?Tmeani)ΗDD=∑i=1n(Τb-Τmeani),(1)式中:第i日的日平均溫度取為第i日的日最高溫與最低溫的平均值,即Tmeani=(Tmaxi+Tmini)/2;Tb為基準(zhǔn)溫度,本文分別取10℃、12℃、14℃、16℃、18℃和20℃。同樣,計(jì)算制冷度日數(shù)的公式為:CDD=∑i=1n(Tmeani?Tb)CDD=∑i=1n(Τmeani-Τb),(2)式中:的基準(zhǔn)溫度Tb本文分別取18℃、20℃、22℃、24℃、26℃和28℃。值得說明的是,目前,世界各國和地區(qū)在基準(zhǔn)溫度的選取上存在比較大的差異,如約旦在計(jì)算采暖度日數(shù)時采用15.5℃作為基準(zhǔn)溫度,而沙特選擇17.8-21.1℃。世界上多數(shù)國家采用18.3℃作為計(jì)算采暖度日數(shù)的基準(zhǔn)溫度。我國則分別采用18℃和26℃作為計(jì)算采暖度日數(shù)和制冷度日數(shù)的基準(zhǔn)溫度。本文雖然計(jì)算了上述所有基準(zhǔn)溫度下的采暖和制冷度日數(shù),但只重點(diǎn)分析基準(zhǔn)溫度18℃和24℃下的采暖與制冷度日數(shù)。2結(jié)果與討論2.1新疆南部的阿勒泰城市依據(jù)相關(guān)的氣象數(shù)據(jù)和公式(1),計(jì)算出了新疆16個主要城市的不同基準(zhǔn)溫度(8、10、12、14、16和18℃)下的年和季采暖度日數(shù)。表2列出了新疆主要城市1959~2004年基準(zhǔn)溫度18℃下的年采暖度日數(shù)的統(tǒng)計(jì)特征。從表2的數(shù)據(jù)可以看出,基準(zhǔn)溫度18℃下,新疆16個城市的多年平均年采暖度日數(shù)在2700.3~5220.5℃·d之間,以位于北部的阿勒泰市最高,位于北疆東部的奇臺次之,位于西南部的和田市最低。大致存在采暖度日數(shù)由南向北隨緯度的增加而增大的趨勢。其它基準(zhǔn)溫度下的多年平均年采暖度日數(shù)的分布特征與上述18℃下的類似。在相同基準(zhǔn)溫度下,不同城市采暖度日數(shù)之間存在明顯差異。例如,阿勒泰市(位于新疆北部)18℃基準(zhǔn)溫度下的年采暖度日數(shù)為5216.5℃·d,而和田市(位于新疆南部)的值卻為2700.3℃·d。這說明,位于阿勒泰市的建筑物需要消耗比和田市相同建筑物約多2倍的采暖能量。阿勒泰市的建筑物和和田市的相比,更應(yīng)該進(jìn)外墻的包封絕熱,并充分地利用太陽能。從標(biāo)準(zhǔn)差和變幅來看,以阿勒泰的最大,塔城次之,而庫車最小(表2)?？傮w上北疆城市的年采暖度日數(shù)的變化幅度要明顯地高于南疆城市。天山南坡城市的年采暖度日數(shù)的變幅為全疆最低,其次為昆侖山北麓的城市,而阿勒泰山南麓的城市變幅最大。說明平均年采暖度日數(shù)高的城市,其年際變化越大、采暖度日數(shù)越不恒定。從年采暖度日數(shù)隨基準(zhǔn)溫度的變化來看,采暖度日數(shù)隨基準(zhǔn)溫度的增大而增大(圖1)。基準(zhǔn)溫度從8℃升高到18℃,位于新疆北部的阿勒泰市的年采暖度日數(shù)增加2274.13℃·d,即基準(zhǔn)溫度每增加1℃,年采暖度日數(shù)大約增加227℃·d。反之,亦反。而位于新疆南部的和田市,這一增加大約為1662.4℃·d,即基準(zhǔn)溫度每增加1℃,年采暖度日數(shù)大約增加166℃·d。由此說明,在相同的基準(zhǔn)溫度增幅下,越往北年采暖度日數(shù)的增加量越大,從而節(jié)能潛力就越大。從節(jié)能的角度來講,人們應(yīng)依據(jù)建筑物的熱特征選擇盡可能低地的基準(zhǔn)溫度。也可將溫空裝置設(shè)置到舒適區(qū)域的低端。另外,還應(yīng)該對建筑物實(shí)施熱絕緣并使空氣泄露最小。由于獲得太陽輻射能的多少是影響基準(zhǔn)溫度值的另一個因素,故在建筑物的建造方式上,應(yīng)使建筑物在采暖季節(jié)接收到盡可能多的太陽輻射,而在制冷季節(jié)盡可能的少。新疆主要城市多年平均年采暖度日數(shù)隨緯度的升高而增大。簡單線性回歸分析表明,基準(zhǔn)溫度18℃下的年采暖度日數(shù)與緯度之間的Pearson相關(guān)系數(shù)為0.826,達(dá)到0.001的顯著水平(圖2)。年采暖度日數(shù)也隨經(jīng)度的增加而大致增大。簡單線性回歸分析揭示,年采暖度日數(shù)與經(jīng)度之間的Pearson相關(guān)系數(shù)為0.461,達(dá)到0.05的顯著水平。此外,年采暖度日數(shù)也隨高度的增加而大致增大,簡單線性回歸得到的二者之間的Pearson相關(guān)系數(shù)為0.442,達(dá)到0.05的顯著水平。用年采暖度日數(shù)與緯度、經(jīng)度和高度進(jìn)行多元線性回歸擬合,得到年采暖度日數(shù)的推算公式:Yh=-12567.5+287.903X1W+37.850X2+0.989X3(3)式中Yh為年采暖度日數(shù);X1、X2和X3分別代表緯度、經(jīng)度和海拔高度。該推算方程的復(fù)相關(guān)系數(shù)為0.881,達(dá)到極顯著水平(信度0.001),相對誤差小于18.1%,大致可以滿足推算其它無觀測資料地點(diǎn)年采暖度日數(shù)的需要。2.2基準(zhǔn)溫度的選擇依據(jù)相關(guān)的氣象數(shù)據(jù)和方程(2),計(jì)算出了新疆16個主要城市的不同基準(zhǔn)溫度(28、26、24、22、20和18℃)下的年制冷度日數(shù)。表2列出了基準(zhǔn)溫度24℃下年制冷度日數(shù)的統(tǒng)計(jì)特征?？傮w上,新疆16個主要城市的制冷度日數(shù)比較低。從表3的數(shù)據(jù)可以看出,基準(zhǔn)溫度24℃下,新疆16個城市的多年平均年制冷度日數(shù)位于25.9~746.4℃·d之間,以北疆北部的阿勒泰市最少,西部的伊寧市次之;位于中部的吐魯番市最多,克拉瑪依次之。在相同的基準(zhǔn)溫度下,不同城市制冷度日數(shù)之間存在明顯差異。例如,基準(zhǔn)溫度24℃下年致冷暖度日數(shù)最高的吐魯番(792.12℃·d)是年采暖度日數(shù)最低的阿勒泰(25.94℃·d)的約31倍,是位于新疆南部的和田市(174.8℃·d)的約4.5倍(表4)。這意味著吐魯番的建筑物每年需要消耗比阿勒泰市同類建筑物約多31倍、比和田多4.5倍的制冷能源。從年制冷度日數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)差和變幅來看,以吐魯番的最大,烏魯木齊次之,克拉瑪依的也比較高,而伊寧最小,阿勒泰也比較小(表2)。說明平均年制冷度日數(shù)越高的城市,其年際變化越大、制冷度日數(shù)越不恒定。新疆主要城市年制冷度日數(shù)隨基準(zhǔn)溫度的增大而降低(圖3)?；鶞?zhǔn)溫度從18℃升高到28℃,16個主要城市的年制冷度日數(shù)明顯減少,減少量在1391~322℃·d之間,平均為712℃·d,其中吐魯番最多為1390.6℃·d,平均每升溫1℃,制冷度日數(shù)大約減少139℃·d。而阿勒泰的減少量大約為322℃·d,即平均每升溫1℃,制冷度日數(shù)大約減少32℃·d。由此可見,制冷度日數(shù)越高的城市通過調(diào)高基準(zhǔn)溫度而節(jié)能的潛力要明顯高于制冷度日數(shù)低的城市。因此,為了在制冷季節(jié)節(jié)能,居住者應(yīng)按建筑物的熱特征盡可能地選擇較高的基準(zhǔn)溫度。新疆主要城市多年平均年制冷度日數(shù)隨緯度和經(jīng)度的變化趨勢不明顯,參見圖4a與4b。簡單線性回歸分析表明,基準(zhǔn)溫度26℃下的年制冷度日數(shù)與緯度之間的Pearson相關(guān)系數(shù)為0.009;與經(jīng)度之間的Pearson相關(guān)系數(shù)也僅為0.255,達(dá)不到0.05顯著相關(guān)的水平。此外,年采暖度日數(shù)隨高度的增加而減小,簡單線性回歸得到的二者之間的Pearson相關(guān)系數(shù)為0.563,達(dá)到了0.02的顯著水平,參見圖4c。用年制冷度日數(shù)與緯度、經(jīng)度和高度進(jìn)行多元線性回歸擬合,得到年制冷度日數(shù)的推算公式:Yc=2060.862-39.996X1+0.924X2-0.425X3(4)式中Yc為年制冷度日數(shù);X1、X2和X3分別代表緯度、經(jīng)度和海拔高度。該推算方程的復(fù)相關(guān)系數(shù)為0.831,達(dá)到極顯著水平(信度0.002),但回歸擬合的相對誤差很大,無法滿足推算其它無觀測資料地點(diǎn)年制冷度日數(shù)的需要。3結(jié)論3.1新疆16個主要城市的制冷粒度數(shù)和+n基準(zhǔn)溫度18℃下,新疆16個城市的多年平均年采暖度日數(shù)在2700.3~5220.5℃·d之間,以位于北部的阿勒泰市最高,位于北疆東部的奇臺次之,位于西南部的和田市最低。新疆16個主要城市的制冷度日數(shù)比較低,基準(zhǔn)溫度24℃下的多年平均年制冷度日數(shù)位于25.9~746.4℃·d之間,以北疆北部的阿勒泰市最少,西部的伊寧市次之;位于中部的吐魯番市最多,克拉瑪依次之。3.2基準(zhǔn)溫度對年采暖粒度數(shù)的影響基準(zhǔn)溫度從8℃升高到18℃,位于新疆北部的阿勒泰市的年采暖度日數(shù)增加2274.1℃·d,即基準(zhǔn)溫度每增加1℃,年采暖度日數(shù)大約增加227℃·d;而位于新疆南部的和田市,這一增加大約為1662.4℃·d,即基準(zhǔn)溫度每增加1℃,年采暖度日數(shù)大約增加166℃·d。由此說明,在相同的基準(zhǔn)溫度增幅下,越往北年采暖度日數(shù)的增加量越大,從而節(jié)能潛力就越大。新疆主要城市年制冷度日數(shù)隨基準(zhǔn)溫度的增大而降低。基準(zhǔn)溫度從18℃升高到28℃,16個主要城市的年制冷度日數(shù)明顯減少,減少量在1391~322℃·d之間。3.3年制冷粒度數(shù)《城市用年采暖度日數(shù)與緯度、經(jīng)度和高度進(jìn)行多元線性回歸