基于气候变化的济南采暖节能可能性分析

基于气候变化的济南采暖节能可能性分析

0气候变化对采暖过程的影响气候变化对人类生存条件的影响越来越受到关注。气候变化背景下的能源供给安全是政府决策者最关心的课题之一,也是维持可持续的全球能源系统的重要方面。陈峪、周自江等早在2000年研究了我国气温变化对采暖能源需求的影响。陈莉等研究发现气候变暖使得我国集中采暖区和过渡采暖区的界限、严寒地区和寒冷地区的南界都明显北移,使中国夏热冬冷地区居住建筑单位面积采暖降温耗电总量普遍下降。Mansur等的研究显示气候变化使得美国用于制冷的电能消耗增加而用于采暖的其他能源使用减少。Isaac等模拟了气候变化背景下全球居民生活采暖和空调能源需求的发展潜势。张雪梅、盖晓东、白美兰等也对中国部分地区采暖降温气候条件变化进行了预测研究。这些研究对于气候变化条件下能源规划和决策提供了科学参考依据。由于地域性差异较大,气温变化趋势、幅度及节能效应不尽相同,许多学者在不同地区开展了气候变化对采暖能源的影响研究。近60年来济南冬季平均气温、最高、最低气温均呈波动式缓慢上升态势,20世纪50～90年代冬季气温呈现台阶式增暖趋势,进入90年代冬季平均气温出现跳跃增暖态势,进入21世纪气温呈现回落趋势,但冬季气温整体还是呈上升趋势。在此背景下,本文采用济南1952-2010年逐日平均气温资料,从气候变化角度分析采暖节能可能性,为政府应对气候变化、节能降耗等决策提供参考。1采暖期的确定采用济南市逐日平均气温资料计算得到济南市1952-2010年采暖指标。根据《采暖通风与空气调节设计规范》(GB50019—2003),设计计算用采暖期天数,应按累年日平均温度稳定低于或等于采暖室外临界温度的总日数确定。其中对于采暖室外临界温度的选取,一般民用建筑和工业建筑采用5℃,因此,本文采暖室外温度取5℃。在确定采暖期初终日时,采用连续5天滑动平均法,即:将上半年最后一个低于或等于5℃的日期之后第4日作为采暖期结束日,将下半年第一个数值低于或等于5℃的日期作为采暖期开始日。根据《严寒和寒冷地区居住建筑节能设计标准》(JGJ26-2010),采暖期度日数定义为一年中,当某天室外日平均温度低于18℃时,将低于18℃的度数乘以1天,并将此乘积累加。济南市的法定供暖时间是每年的11月15日至次年的3月15日,共4个月,120天的时间。与此不同,本文中所有采暖期均采用上述方法确定的计算采暖期。2结果与分析2.1气候趋势变化的阶段性采用气候倾向率和五年滑动平均来研究济南采暖期平均气温的长期变化趋势(如图1)。济南1952-2010年采暖期平均气温整体变化趋势可表达为气候倾向率0.25℃/10a,气候趋势相关系数r为0.374,通过为0.05水平的显著性检验。五年滑动平均曲线反映了阶段性变化过程,20世纪50年代到20世纪末始终处于波动上升的阶段,70年代初和80年代初存在两个低值阶段,从1997年开始直到进入21世纪逐渐呈现出波动下降的趋势,甚至2005年呈现出历史第二低值-0.4℃。这与济南冬季气温的阶段性变化表现相似。采暖期平均气温1969年最低为-0.6℃,1999年最高为4.3℃,多年平均为1.7℃。2.2采暖期持续时间特征济南采暖期初终日年际变化(图2)显示,采暖期初日略呈推后趋势但并不显著,最早出现于11月6日(1981年),最晚为12月12日(2010年),二者间隔36天,多年平均为11月13日。采暖期终日呈提前趋势,平均每10年提前1.32天,通过0.10的显著性水平检验。采暖期终日最早出现于2月20日(1961年),最晚为4月2日(1991年),二者间隔42天,多年平均为3月15日。2.3采暖期天数和采暖粒度,年济南采暖期天数年际变化(图3)显示1952～2010年采暖期呈波动变短趋势,多年平均为1.94d/10a,相关系数为0.2449,通过0.10水平的显著性检验。采暖期天数最长为138天(1956年),最短为89天(2008年),二者相差49天,多年平均为115天。济南采暖度日数年际变化(图3)表明1952-2010年采暖度日数呈现波动减小的趋势,多年平均为62.7℃·d/10a,相关系数为0.6132,通过0.01水平的显著性检验。采暖度日数最大为2794℃·d(1969年),最小为2007℃·d(1998年),多年平均为2358℃·d。2.4采暖期天数济南采暖指标的年代际变化(表1)显示,1952-1960年平均采暖期初日11月19日,20世纪60～80年代推后了7～8天,在11月26～27日之间,20世纪90年代为11月30日,推迟了11天,2001～2010年最晚为12月2日,较1952～1960年推迟了13天。1952～1960年平均采暖期终日3月21日,之后不断提前,20世纪90年代2月28日提前最多达21天,2001～2010年3月9日与20世纪70、80年代接近,较20世纪90年代又推后9天。采暖期天数1952～1960年最多为123天,之后波动减少,20世纪90年代采暖期最短仅91天,2001～2010年次之为98天。采暖期平均温度20世纪60年代最低为0.8℃,1952～1960年、20世纪70、80年代在1.1～1.3℃之间,20世纪90年代最高达2.1℃,2001～2010年又有所降低,为1.6℃。采暖度日数1952～1960年为2542℃·d,之后逐渐减小,20世纪90年代2205℃·d达最小,相较减小了337℃·d,2001～2010年2249℃·d较20世纪90年代又有所增加,但仍为所有时段中的次小值。2.5采暖强度的节约济南市目前采用固定的供暖期即每年11月15日至次年3月15日,共120天。而近年来,济南市计算采暖期呈明显缩短趋势。1991-2000、2001-2010年平均计算采暖期天数分别为91天、98天,较固定采暖期分别减少29天、22天。如果按目前固定采暖期的能耗标准计算,仅将采暖期天数缩短22～29天,每年即可节约采暖能源消耗量的18.3%～24.2%。采暖度日数反映了某年采暖强度的大小。以1952～1980年为参考时段,其平均采暖度日数为2457℃·d,1991～2000、2001-2010年平均采暖度日数分别较参考时段减少了10.3%和8.5%。如果采用弹性采暖期且弹性调节供暖强度,1991～2000、2001～2010年较参考时段可节省采暖能耗的10.3%和8.5%。3气候变化对采暖期的影响通过对济南市采暖指标的分析,得出以下结论:1)1952-2010年济南采暖期平均气温整体表现为显著上升趋势,济南采暖期初日略呈推后趋势,采暖期终日呈显著提前趋势,与此同时,采暖期天数、采暖期度日数也成显著减小的趋势。2)气候变化特别是冬季气温升高,使得济南采暖期显著缩短,理论上较目前实际可节约采暖能耗18.3%～24.2%;济南采暖度日数的减少,理论上较1980年前参考时段可节约采暖能耗8.5%～10.3%。建议可采取弹性采暖期且弹性调节供暖强度的方式合理规划采暖能源使用以达到节能目的。值得注意的是,21世纪初的十年无论是济南的冬季气温还是采暖期平均气温都较20世纪90年代略有降低,