我國(guó)夏季制冷日數(shù)變化及其與負(fù)荷的關(guān)系

我國(guó)夏季制冷日數(shù)變化及其與負(fù)荷的關(guān)系

近年來(lái)，氣候變化與能源消費(fèi)的關(guān)系研究越來(lái)越受學(xué)術(shù)界的影響。能源消費(fèi)被認(rèn)為是引起全球氣候變化最重要的因子,而氣候變化對(duì)能源消費(fèi)的影響也是氣候變化影響研究的重要內(nèi)容之一。根據(jù)IPCC第四次評(píng)估報(bào)告,1906~2005年全球平均氣溫線性趨勢(shì)為0.74℃,近50a的線性變暖趨勢(shì)(0.13/10a)幾乎是近100a的兩倍。未來(lái)氣候變暖趨勢(shì)仍將繼續(xù),到21世紀(jì)末,全球平均氣溫還將上升1.8~4.0℃。中國(guó)的變暖要高于全球和北半球平均水平,1951~2004年中國(guó)年平均氣溫線性趨勢(shì)為0.25℃/10a。目前,氣溫等一系列的氣候變化已影響到人類社會(huì)的各個(gè)方面。隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的迅猛發(fā)展,人民生活水平的日益提高,氣候變暖對(duì)建筑能耗產(chǎn)生了重要影響。我國(guó)幅原遼闊,氣候類型復(fù)雜多樣,不同區(qū)域?qū)θ驓夂蜃兓捻憫?yīng)很不一樣,即使是同樣結(jié)構(gòu)和舒適條件的建筑,其能耗也必然會(huì)受到不同程度的影響?？傮w來(lái)看,氣候變暖的結(jié)果,使采暖期縮短、空調(diào)期延長(zhǎng),給建筑節(jié)能帶來(lái)的影響有喜有憂。變暖也使氣候帶向北推移,影響到原有建筑氣候分區(qū)的劃分,因而影響到建筑節(jié)能設(shè)計(jì)措施的確定。度日數(shù)是一個(gè)能夠反映供暖和制冷所需能源的時(shí)間溫度指數(shù),被廣泛用在氣候變化和建筑能源需求的研究應(yīng)用領(lǐng)域。已有許多研究利用度日方法分析了氣候變化對(duì)冬季采暖能耗[3~6]以及電力消耗的影響[7~11]。目前,我國(guó)大部分地區(qū)電力供需矛盾主要出現(xiàn)在盛夏高溫期間,但是聚焦于全國(guó)尺度盛夏制冷電力需求的研究較少,缺乏分區(qū)域以及長(zhǎng)時(shí)間序列的分析。本研究將利用1960~2008年的逐日日平均氣溫資料分析我國(guó)近49a來(lái)制冷度日數(shù)的變化,并以浙江為例分析制冷度日數(shù)及其與降溫用電量的關(guān)系,以期為供電量的合理調(diào)度、提高用電效率提供科學(xué)依據(jù)。1數(shù)據(jù)和方法1.1適當(dāng)插補(bǔ),插補(bǔ)大站所用氣溫資料來(lái)自中國(guó)氣象局提供的全國(guó)752個(gè)站點(diǎn)1960~2008年的日平均氣溫?cái)?shù)據(jù)(港澳臺(tái)數(shù)據(jù)缺)。為了保證資料的均一性,首先剔除了缺測(cè)比較嚴(yán)重以及時(shí)間覆蓋不夠的測(cè)站,然后對(duì)資料不連續(xù)的臺(tái)站進(jìn)行適當(dāng)插補(bǔ),插補(bǔ)方法為:對(duì)單日缺測(cè),用本站前后各1d的氣溫值取平均做為該缺測(cè)值;對(duì)于兩日以上連續(xù)缺測(cè)值,采用缺測(cè)站與相鄰高相關(guān)站點(diǎn)進(jìn)行線性回歸的方法來(lái)插補(bǔ);最后得到全國(guó)531個(gè)站點(diǎn)1960~2008的逐日平均氣溫資料以及587個(gè)站點(diǎn)1971~2000年的逐日平均氣溫資料。在以浙江省為例分析制冷度日數(shù)與夏季空調(diào)降溫電力負(fù)荷的關(guān)系時(shí),采用了2000~2002年浙江省逐日電力負(fù)荷數(shù)據(jù),使用2000~2002年浙江省64個(gè)氣象站日平均氣溫的平均值序列作為浙江省的氣溫資料序列。1.2累計(jì)天數(shù)制冷日數(shù)是指一段時(shí)期(月、季或年)日平均氣溫高于某一基礎(chǔ)溫度的累計(jì)天數(shù)。根據(jù)我國(guó)《夏熱冬冷地區(qū)居住建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)JGJ134-2001》,夏季使用空調(diào)制冷的基礎(chǔ)溫度為26℃,因此計(jì)算1a中日平均溫度等于或高于26℃的天數(shù)作為當(dāng)年的制冷日數(shù)。1.3日平均氣溫累積系數(shù)cThom于20世紀(jì)50年代初首次用度日法探討了美國(guó)能源消費(fèi)和溫度的關(guān)系,度日數(shù)是建筑物采暖或制冷能耗需求的一種度量,通常使用日平均溫度與基礎(chǔ)溫度相比較的方式來(lái)計(jì)算。其中,制冷度日數(shù)(CoolingDegreeDays)是日平均氣溫高于某一基礎(chǔ)溫度的累積度數(shù),其計(jì)算公式為:式中:CDDi為第i天的制冷度日值;Ti為第i天的日平均溫度;Tb為基礎(chǔ)溫度。將1a中的逐日制冷度日值累加起來(lái)就得到該站當(dāng)年的制冷度日數(shù)。根據(jù)《夏熱冬冷地區(qū)居住建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)JGJ134-2001》,將夏季使用空調(diào)制冷的基礎(chǔ)溫度Tb設(shè)為26℃,使用CDD26來(lái)反映夏季氣候的炎熱程度,并以浙江省為例分析其與空調(diào)降溫電力負(fù)荷的關(guān)系。2制冷運(yùn)營(yíng)0d網(wǎng)點(diǎn)的分布為了分析我國(guó)夏季制冷日數(shù)以及制冷度日數(shù)空間分布的平均狀況,按WMO確定的氣候均值時(shí)段(1971~2000年)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。圖1給出了全國(guó)587個(gè)氣象站1971~2000年的制冷日數(shù)平均值及其空間插值結(jié)果。由圖可見,制冷日數(shù)的分布與海拔和緯度關(guān)系密切。制冷日數(shù)低于10d站點(diǎn)主要分布在海拔較高的青藏高原、云貴高原、黃土高原、內(nèi)蒙古高原以及緯度較高的東北地區(qū)。除了高海拔站點(diǎn)插值時(shí)造成的制冷日數(shù)低值區(qū)外,制冷日數(shù)高于10d的站點(diǎn)主要分布在新疆、四川盆地和太行山-巫山-雪峰山一線以東地區(qū),此外云南干熱河谷地區(qū)夏季制冷需求也較高。其中,制冷日數(shù)為10~60d的站點(diǎn)主要分布在新疆和長(zhǎng)江以北地區(qū);制冷日數(shù)在60~120d的站點(diǎn)主要分布在長(zhǎng)江以南、珠江以北的長(zhǎng)江中下游平原地區(qū)以及江南丘陵地區(qū);制冷日數(shù)在120~150d的站點(diǎn)主要分布在珠江以南、海南以北地區(qū);制冷日數(shù)大于150d的站點(diǎn)分布在海南和新疆的吐魯番。1971~2000年制冷度日數(shù)平均值的分布(圖2)與制冷日數(shù)的分布相似,大于100℃d的站點(diǎn)主要分布在黃河以南、巫山-雪峰山一線以東地區(qū),以及新疆、四川盆地。其中年制冷度日數(shù)大于200℃d的站點(diǎn)主要分布在長(zhǎng)江以南地區(qū),而且緯度越低制冷度日數(shù)越高。319制冷運(yùn)營(yíng)時(shí)間序列分析考慮到年平均制冷日數(shù)低于10d的站點(diǎn)夏季制冷需求并不高,因此本研究選取大興安嶺-太行山-巫山-雪峰山一線以東地區(qū),四川盆地以及西北地區(qū)年制冷日數(shù)在10d以上且1960~2008年逐日平均氣溫序列完整的279個(gè)站點(diǎn)進(jìn)行分析。從近49a制冷日數(shù)變化的線性趨勢(shì)來(lái)看(如圖3),西北地區(qū)、四川盆地,以及黃河以北、南嶺以南大部分站點(diǎn)制冷日數(shù)呈現(xiàn)出比較顯著的上升趨勢(shì),而黃河以南、南嶺以北地區(qū)大部分站點(diǎn)制冷日數(shù)則呈現(xiàn)出下降趨勢(shì),但是顯著性水平普遍不高。根據(jù)1960~2008年我國(guó)制冷日數(shù)變化趨勢(shì)的空間分布特征,將夏季制冷需求較高的地區(qū)分成4個(gè)區(qū)域:西北區(qū)、華北區(qū)、黃河以南至南嶺以北的華中區(qū)以及南嶺以南的華南區(qū),分別分析4個(gè)區(qū)域制冷日數(shù)時(shí)間序列的變化(如圖4)。1960~2008年華中區(qū)制冷日數(shù)線性趨勢(shì)不明顯,從序列分析來(lái)看,華中區(qū)20世紀(jì)60~90年代中期制冷日數(shù)呈現(xiàn)出較為明顯的下降趨勢(shì),從90年代中后期開始制冷日數(shù)又有所上升;華北區(qū)近49a制冷日數(shù)線性趨勢(shì)約為2d/10a(通過95%置信度),從時(shí)間序列來(lái)看,60~90年代中期華北地區(qū)制冷日數(shù)沒有明顯的增加或者減少趨勢(shì),90年代中后期開始制冷日數(shù)明顯增加,從1995年以前的平均22d增加到平均32d;西北區(qū)制冷日數(shù)變化線性趨勢(shì)約為3d/10a(通過99.9%置信度),其時(shí)間變化與華北區(qū)類似,也是從90年代中后期開始制冷日數(shù)有明顯升高,由30d增加到41d;華南區(qū)近49a來(lái)制冷日數(shù)則呈現(xiàn)出最為顯著的上升趨勢(shì),線性趨勢(shì)約為4d/10a(通過99.9%置信度),制冷日數(shù)由90年代中期之前的平均117d增加到130d。1960~2008年279個(gè)氣象站制冷度日數(shù)的變化趨勢(shì)與制冷日數(shù)的變化相似(圖5),也是西北、四川盆地,以及黃河以北、南嶺以南地區(qū)站點(diǎn)制冷度日數(shù)呈現(xiàn)出上升趨勢(shì),且大部分通過顯著性檢驗(yàn);而黃河以南、南嶺以北地區(qū)制冷日數(shù)則呈現(xiàn)出下降趨勢(shì),但是顯著性水平普遍不高。同樣分析4個(gè)區(qū)域夏季制冷度日數(shù)變化的時(shí)間序列(如圖6)可以發(fā)現(xiàn),華中區(qū)近49a制冷度日數(shù)沒有顯著的變化趨勢(shì),線性趨勢(shì)僅為1.1℃d/10a且未能通過顯著性檢驗(yàn);華北區(qū)線性趨勢(shì)為5.1℃d/10a(通過95%置信度),西北區(qū)為9.4℃d/10a(通過99.9%置信度),兩區(qū)都是從90年代中后期開始制冷度日數(shù)迅速上升;華南區(qū)制冷度日數(shù)則呈顯著上升趨勢(shì)(17.6℃d/10a,通過99.9%置信度)。419夏季氣溫特征從1960~2008年我國(guó)有制冷需求的地區(qū)6~9月份平均氣溫變化線性趨勢(shì)分布來(lái)看(如圖7),西北和華北夏季氣溫升高最為明顯,東南沿海以及南嶺以南地區(qū)夏季氣溫也有較為明顯的升高,且大部分站點(diǎn)通過了顯著性檢驗(yàn);而黃河以南、南嶺以北大部分站點(diǎn)夏季氣溫卻呈現(xiàn)出下降的趨勢(shì),但總體顯著性水平不高,由此導(dǎo)致這一地區(qū)夏季制冷度日數(shù)有所下降。從4個(gè)分區(qū)1960~2008年6~9月份平均氣溫變化時(shí)間序列來(lái)看(如圖8),華中區(qū)近48a來(lái)6~9月氣溫沒有明顯線性趨勢(shì);華北區(qū)線性趨勢(shì)為0.22℃/10a(通過99.9%置信度);西北區(qū)線性升溫率最高,達(dá)到0.26℃/10a(通過99.9%置信度);華南區(qū)線性增溫率為0.13℃/10a(通過99.9%置信度)。其中,各個(gè)區(qū)域都是從20世紀(jì)90年代中期開始6~9月份氣溫有了較為顯著的上升。5種季節(jié)電力負(fù)荷的月際變化浙江省位于長(zhǎng)江流域,冬季采暖和夏季降溫基本都使用電能。近年來(lái)浙江電力緊缺狀況日益加劇,尤其是盛夏高溫進(jìn)一步加劇電力供應(yīng)的緊張狀況。為了評(píng)估制冷度日數(shù)反映夏季降溫耗電量的能力,本文以浙江為例分析區(qū)域制冷度日數(shù)與夏季制冷耗電量的關(guān)系。從浙江省2000~2002年逐日電力負(fù)荷曲線來(lái)看(如圖9),用電負(fù)荷總體呈現(xiàn)出明顯的上升趨勢(shì),但是每年的春節(jié)期間由于停工、停產(chǎn)都會(huì)有一個(gè)大的電力負(fù)荷谷值出現(xiàn),且降幅超過50%,這說(shuō)明浙江省的電力消耗主要來(lái)源于生產(chǎn)活動(dòng),社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展決定著電力負(fù)荷持續(xù)上升的主要趨勢(shì)。電力負(fù)荷的最高值都出現(xiàn)在盛夏7、8月份,主要是由于疊加了盛夏空調(diào)降溫用電負(fù)荷的結(jié)果。此外,3a電力負(fù)荷的月際變化(圖略)基本相似:1或2月份的春節(jié)長(zhǎng)假期間停產(chǎn)較多,以及流動(dòng)人口回鄉(xiāng)等原因,用電負(fù)荷較低,波谷的持續(xù)時(shí)間在20d左右;其次較低者為3、4月份,此時(shí)是浙江氣溫宜人的時(shí)節(jié),基本無(wú)采暖或降溫負(fù)荷;7月進(jìn)入盛夏季節(jié),用電負(fù)荷明顯上升;10月用電負(fù)荷又開始明顯回落,此時(shí)秋高氣爽,是浙江省又一個(gè)氣溫宜人的時(shí)節(jié);12月用電負(fù)荷再次上升,采暖負(fù)荷比重逐漸加大,但是上升幅度一般低于夏季7、8月份。對(duì)2000~2002年浙江省各月的逐日電力負(fù)荷與日平均氣溫進(jìn)行相關(guān)分析(見表1),結(jié)果顯示:1和2月份由于春節(jié)前后約20d時(shí)間停工、停產(chǎn)的影響非常顯著,使得這兩個(gè)月用電負(fù)荷與氣溫的相關(guān)性并不好,不能表現(xiàn)出12月氣溫低而用電負(fù)荷大的負(fù)相關(guān)關(guān)系;3~4月份以及10~11月份氣候宜人的季節(jié)電力負(fù)荷與氣溫的相關(guān)性也較低,其中,這3a4月份的相關(guān)系數(shù)分別為0.272、0.143和0.092,是全年所有月份中相關(guān)最弱的月份,可以認(rèn)為4月份是浙江省用電負(fù)荷對(duì)氣溫最不敏感的月份;夏季6~8月份電力負(fù)荷與氣溫有很高的正相關(guān),說(shuō)明盛夏期間降溫電力負(fù)荷在總用電負(fù)荷中的比重很高;9月份相關(guān)系數(shù)也比較高,但是要低于盛夏?；谝陨戏治?將2000~2002年夏季(6、7、8月份)的日平均負(fù)荷減去當(dāng)年4月份的平均負(fù)荷(負(fù)值統(tǒng)一取為0)得到的序列基本可以認(rèn)為是夏季降溫用電負(fù)荷。在計(jì)算時(shí),考慮到周末和非周末耗電量的差異,即6~8月份非周末日平均負(fù)荷減去4月非周末的平均負(fù)荷,6~8月份周末日平均負(fù)荷減去4月周末的平均負(fù)荷,這樣得到一組新的負(fù)荷序列,可以認(rèn)為基本是夏季空調(diào)降溫負(fù)荷。對(duì)比3a夏季(6、7、8月份)制冷度日數(shù)與降溫耗電量曲線(圖10)發(fā)現(xiàn),兩者關(guān)系非常密切,3a的相關(guān)系數(shù)分別為0.81、0.85和0.86(都通過99.9%置信度),而且在氣溫低于26℃,即CDD26等于0時(shí)也基本沒有降溫耗電量。因此,夏季CDD26的變化基本可以反映浙江省盛夏降溫電力需求的變化,這一指標(biāo)可以用來(lái)預(yù)測(cè)夏季電力需求。6夏季制冷電力需求根據(jù)我國(guó)《夏熱冬冷地區(qū)居住建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)JGJ134-2001》將基礎(chǔ)溫度Tb設(shè)為26℃,由此分別計(jì)算了我國(guó)1971~2000年平均夏季制冷日數(shù)和制冷度日數(shù)。結(jié)果顯示,制冷日數(shù)和度日數(shù)的分布與海拔和緯度關(guān)系密切,制冷日數(shù)低于10d的站點(diǎn)主要分布在海拔較高的青藏高原、云貴高原、黃土高原、內(nèi)蒙古高原以及緯度較高的東北地區(qū);制冷日數(shù)高于10d,有空調(diào)制冷需求的站點(diǎn)主要分布在新疆、四川盆地和太行山-巫山-雪峰山一線以東地區(qū),此外云南干熱河谷地區(qū)夏季制冷需求也較高。1960~2008年有制冷需求的地區(qū)制冷度日數(shù)變化趨勢(shì)及程度都有所不同,其中黃河以北地區(qū)6~9月份平均氣溫自20世紀(jì)90年中期開始有了較為顯著的上升,導(dǎo)致90年代中期開始夏季制冷日數(shù)延長(zhǎng),制冷度日數(shù)明顯增加;黃河以南、南嶺以北地區(qū)大部分站點(diǎn)近48a來(lái)6~9月份氣溫并沒有明顯的增加,因此制冷度日數(shù)增加不明顯,部分站點(diǎn)甚至出現(xiàn)減少;南嶺以南地區(qū)近49a來(lái)6~9月份增溫也比較明顯,制冷日數(shù)的延長(zhǎng)和度日數(shù)的增加最為顯著。以浙江省為例,分析逐日電力負(fù)荷與CDD26的關(guān)系,剝離出的夏季逐日降溫電力負(fù)荷與逐日制冷度日數(shù)有很好的相關(guān)