1960-2009年宁夏平原采暖期气候变化特征及其对节能减排的影响

1960-2009年宁夏平原采暖期气候变化特征及其对节能减排的影响

世界变化不仅是世界环境的问题，也是社会经济各个领域的一个普遍关注焦点。中国政府承诺:到2020年中国单位GDP的CO2排放较2005年下降40～50%。为了实现这一艰巨任务必须付出更大的努力。中国作为一个发展中能源消费大国,冬季取暖和夏季降温的能源消耗约占能源总需求的19%左右,气候变暖将影响排放。我国中高纬度地区冬季寒冷,充分利用气候资源优势,有效节能减排,减少污染,是社会经济可持续发展亟待解决的问题。周自江等学者分别对我国气温变化和采暖日数及度日的关系、气候变暖对采暖能耗的影响等进行了研究。袁顺金分析认为温度对能源的影响主要表现冬季取暖和夏季降温的能源消耗上,庄贵阳等、研究了节能减排与中国经济发展及可持续发展的问题。研究表明,宁夏平均气温增幅高于全国平均值,中部干旱带和银川以北冬季的增温幅度达到2.4℃;平均最高气温秋季、冬季增温显著,平均最低气温春季、夏季、冬季增温显著。在全球气候变暖的背景下,深入分析冬季高寒、经济有待进一步发展的宁夏平原气候变化与采暖问题,具有重要社会意义和学术价值。宁夏平原位于自治区北部,为黄河灌溉区,具有2000多年的农业历史,自古被誉为塞上江南,是全国重要商品粮基地,也是当地经济最为发达、自然条件最好的区域。宁夏全区5市中4市的首府集中在此,是自治区政治、经济、文化的核心区域。人口460万,占全区的75%。宁夏平原南北长约320km,东西宽约10-50km,总面积7800km2。城镇相对密集,气候十分相近。冬季逆温深厚,采暖期易发生空气污染。平罗县城镇建筑面积250万m2,城镇人口8万多人,2009年生产总值64亿元,各项指标在此平原地区均处于中等水平,具有较好的代表性。研究平罗采暖期要素气候变化特征有助于了解本区域的总体特点。文中结合热力公司的供热指标,分析50a采暖期气温变化特征,探讨气候变化应对措施,趋利避害,分析提高节能减排与环境保护效益,为企业提高经济、社会效益和供热服务质量奠定基础。1采暖初、持续时间所用资料为宁夏平罗县气象站1960～2009年地面气象观测记录的逐日气温。根据采暖通风设计规范中关于采暖气候条件,即日平均气温稳定≤5℃的标准计算采暖初、终日。采暖资料由宁夏热力公司和平罗县供热公司提供。2供暖时期平均气温趋势2.1采暖期气温动态变化应用气候趋势系数和气候倾向率研究气温的长变化期趋势与升降定量程度。气候趋势系数Rxy定义为n个年气候要素序列{x}与自然数列1,2,3,…,n之间相关系数。根据平罗县1960～2009年采暖期(11月至次年3月)50a平均气温资料,得出气候趋势系数为Rxy=0.7161,通过了a=0.01的信度显著性检验。气候倾向率为0.664℃/10a,表明平罗县冬季采暖期气温有明显升高趋势,即平均气温以每10年约0.66℃上升。平罗县1960-2009年采暖期平均气温年际变化(图1)表明,除20世纪60年代末至70年代初期出现阶段性低温外,平罗县50a来采暖期平均气温呈明显上升趋势。采暖期最低平均气温为-6.1℃,出现在1968年;最高平均气温为0.1℃,出现在2007年;1990年以后除1996年外,采暖期平均气温均在平均值以上波动,这种变化情况总体与全球气候变暖趋势一致。2.2采暖期温度变化利用平罗县1960～2009年采暖期平均气温5年的滑动平均,采用t检验进行突变分析,发现突变发生在1990年,即1990年以后采暖期气温较此前发生明显变化(图2),通过0.01信度的显著性水平检验。图2表明,1990年以后滑动平均气温均在多年平均值以上。3采暖期、日照时间和采暖期的变化特征3.1采暖期和采暖日期规范规定,采暖气候条件为日平均气温稳定通过低于5℃。依据地面气候资料统计方法,结合宁夏的实际情况,用5日滑动平均法统计,将秋冬季日平均气温稳定通过低于5℃的初日作为采暖期初日(≤5℃的初日),春、夏季日平均气温稳定通过5℃的初日作为采暖终日(≤5℃的终日)。结果表明,采暖初日平均为11月1日,终日平均为3月28日。初日最早出现在10月11日,最晚出现在11月13日,相差33d;采暖终日最早出现于3月8日,最晚出现在4月13日,相差36d。多年平均采暖期为149d,1960～2009年采暖期最短为124d,出现在1997年。最长采暖期为173d,出现在1975年。最短与最长之间相差49d,最短期较平均值少25d,最长期多24d。宁夏供暖条例规定采暖期为151d,与气候条件推算采暖期多年平均日期相比仅相差2d(表1),表明国家规范在宁夏具有较好的适用性。3.2采暖期天数20002009年宁夏平罗县1960～2009年采暖期初、终日及天数(表1)表明,20世纪60年代采暖期初日10月30日,70年代到90年代提前了3～5天,在10月26～28日之间,2000～2009年采暖初日推迟到11月5日,推迟了5天。采暖期终日60年代4月7日,70年代4月1日,80年代3月28日,90年代3月25日,2000～2009年提前到3月20日。采暖期天数由20世纪60年代的159d缩短到2000～2009年136d,减少了23d,即14.5%。随着时间的推移,缩短的天数明显增加,特别是20世纪80年代后,90年代比80年代缩短10d,2000～2009年比80年代缩短15d,表明春季回暖升温明显提前,且幅度增加。3.3供热总采暖粒度采暖能量消耗除与采暖期长短有关外,还与采暖强度有关。采暖强度一般采用日平均气温≤5℃的负积温,即采暖度日表示,该量可以较好地反映供热总量。统计结果表明,平罗1960～2009年期间,采暖度日存在明显的减少趋势(图3),负积温减少趋势系数为Rxy=0.672,通过了a=0.01的信度显著性检验,负积温倾向率为71.2℃·d/10a。表明采暖期负积温年代际减少趋势明显,在相同条件下供暖强度可以有所降低,供暖消耗、CO2及其他气体与粉尘排放以及供暖企业运营成本有望减少。3.4采暖+年际变化宁夏平罗县1960～2009年各月采暖度日年际变化(表2)表明,20世纪60年代以来采暖度日逐年代稳定减少,12月到次年2月各月采暖度日变化与年际变化规律一致。11月和3月年际变化波动较大,11月的采暖度日与入冬前冷空气侵入迟早有较大关系,3月与春季回暖迟早与是否出现倒春寒有关。1960～2009年间采暖期最多负积温1058.6℃·d,出现在1968年,比多年平均值多428.5℃·d,即偏多68%,最少负积温352.0℃·d,出现在2002年,比多年平均值减少278.1℃·d,即偏少44%。4采暖粒度与燃料消耗的关系有关研究表明:与气候有关的采暖需求可以用采暖度日指数来加以估算。累加整个取暖季节的度日值作为全年取暖需求的指标,一个时段的采暖度日总量与该时段热量成正比,即采暖度日和燃料消耗之间为线性关系。供暖期间,供热系统的热负荷很大程度上取决于外界环境气温,可以充分利用外界环境气温变化规律,研究节能降耗与减排环保潜力。4.1供热单位可减少烧煤,最大补入平罗集中供热按照当前热力公司设计使用的热指标7.68KJ/(m2·h),即气温每相差1℃,单位面积供热量相差7.68kJ/(m2·h)。当平均气温升高1℃,减少供热量Q为:Q=7.68×供热面积×供热时间 (1)按照目前平罗集中供热面积约为180×104m2,规定采暖期为151天,每天按24h计算,采暖季节可以节约热量值Q=7.68×24×151×180×104×10-6=50098GJ。按照宁夏供热低硫优质用煤产热率21.3GJ/t计算,考虑20%损耗,则整个采暖季平均气温升高1℃可以减少烧煤2822t。按优质煤含硫3kg/t计算,其中80%可转化为4.8kg的SO2计算,可减少排放SO213.5t。按单位燃煤5%粉尘计算,能够减少粉尘141.1t。按每吨标准煤产生2.5tCO2计算,减少CO2排放7055.0t。4.2减少采暖1.7t计算正常供暖一天消耗的能量,即采暖期缩短一日的效应,按照以上参数,供热量Q=7.68×24×180×104×10-6=331.8GJ。每减少供暖一天,可以节约燃煤18.7t,减少排放SO20.09t,CO246.8t,粉尘0.9t。2000-2009年与20世纪60年代相比,供热期缩短平均23d,可少消耗燃煤430.1t,减少排放SO22.07t,CO21075t,粉尘20.7t。需要说明的是,以上数据中采暖面积仅为热力公司集中供暖的面积,此外还有一些住户采用自备锅炉供暖,加上这些无法准确计算的供暖面积,节能减排效益更为可观。4.3采暖日平均气温5的负容积比采暖能源消耗除与采暖期长短有关外,在相同技术条件下还与采暖期内气温高低有关,即采暖期间的能耗与此期间的日平均气温≤5℃的负积温成正比。从上述分析得知,采暖度日从60年代到2000～2009年减少了276.9℃·d,达37%,即采暖的能耗减少了近37%,污染排放量也减少了近37%。在一个供热面积有限的县级城镇节能效果如此显著,而大中城市因热岛效应作用,气候变化对宁夏平原冬季城镇供暖带来的社会经济效益则更加显著。4.4供热社会按需供热面积计算的供热量2009年宁夏平原有城市(镇)13个,城镇人口215.2万多人。2009年宁夏全区供热面积6142.7×104m2,其中平原约占80%,按此比例计算供热面积约4914.2×104m2,按照以上参数计算,则整个采暖期平均气温升高1℃,可以减少烧煤7.7万t,减少排放SO2369.6t、CO219.3万t、粉尘3850t。采暖期减少一天供暖,则可减少燃煤510.3t,减少SO2排放2.4t、CO21275.8t,减少粉尘25.5t。该平原城市人口、建筑面积均在高速增长中,节能减排存在巨大发展空间。5建立动态调整方式建议在关注气候变化危害的同时,充分利用气候变化带来的有利条件,改进目前的采暖模式:(1)根据平均气温升高的实际情况,灵活调整供暖初、终日期。(2)根据供暖期间平均气温变化,调整供暖能力与运行规范。(3)对规定的采暖初、终日,应根据供热气象预报采取动态调整方式,进一步减少能耗降低排放。(4)加大城镇集中供热,提高供暖效率,减少气体与煤灰排放,改善环境。6暖期以气候变化为主,采暖期为辅以平罗为例,利用气象资料与供暖相关数据,对宁夏平原冬季供暖期的气象要素气候变化特征、气候变化背景下供暖的节能减排社会经济与环境效益进行了分析,结果表明:(1)平罗县50a采暖期平均气温有明显升高趋势,每10年约上升0.66℃,并于