空调负荷与城市微气象的交互影响

（广东电网公司佛山供电局，佛山,528000）

空调负荷与城市微气象的交互影响

刘尚勇

（广东电网公司佛山供电局，佛山,528000）

城市微气象对负荷的耗电量有重要影响，改善城市微气象可以显著的达到节能减排的效果。本文通过考虑热岛效应、累积效应、以及温湿效应三者对微气象的影响，讨论空调负荷与城市微气象的交互影响，探索空调负荷与城市微气象间的恶性循环转为良性循环的措施，通过减少空调负荷的使用量，降低电力系统的脆弱性、减少温室气体以及污染物的排放，间接实现对环境的保护。

微气象;空调负荷;节能减排;交互影响

0 引言

影响人类用电的环境主要指微气象中所发生的一切影响电力负荷的物理现象和过程，如温度、相对湿度、雨雪、冰雹、热岛效应、累积效应、温室效应等，夏季时温度、相对湿度以及在其基础上产生的热岛效应、累积效应和温湿效应的影响最为突出。

一般情况下将负荷分为四大类：基本正常负荷、特别事件负荷、随机分量负荷以及天气敏感负荷。夏季时正常负荷一般情况下会稳定持续在一定范围，特别事件负荷与随机分量负荷在电力负荷中的比率很小，天气敏感负荷则所占比重较大（高峰负荷时期，大多数城市的空调负荷的比例达到30%-50%）且随环境变化最为明显，因此掌握了天气敏感负荷的变化规律，就能够预测短期内的负荷走向。只要研究变化负荷，再加上稳定负荷，也就可以掌握整体负荷水平以及整体负荷结构。

图1 某地区年用电负荷分布曲线

负荷分布具有明显的波动性，引起波动的因素很多，主要因素包括：气候的变化，经济活动的变化等。图1所示为某地区的年日耗电量曲线，可知四月份是全年耗电量的最低点，其原因为四月份是该地区的气候最宜人的时期，没必要通过增加用电以改善生活适宜度。但从五月份开始，空调负荷的日耗电量逐月攀升，七月八月时达到顶峰，这是与当地的日气温升高的趋势相近；紧接着随着气温的下降，空调负荷的使用率下降，日耗电量也紧随下降。按照常理，该地区十月份的气候与四月份接近，气温一般不会出现骤变，但是从图中值比较来看，较于四月份十月份平均日耗电量有所提升，这其中是由于经济活动的增加，致使用电量的增加。这也体现了基本负荷正常增长。

通过上述的分析可知，空调负荷的使用量大，并且与气象关系密切，具有显著的分布规律。本文探讨城市微气象与空调负荷的交互影响，为城市节能减排，保护环境提出一些建议与措施。1℃，增加的空调负荷相对较小。参考文献[1]给出权重系数λ与气温T的函数关系式，如式(3)，图2为变化曲线。

1 热岛效应

城市热岛是城市对其微气象影响的主要因素之一。城市热岛效应的程度可用“热岛强度（HII）”来表征，即待测点气温与参照点之间的气温差。文献[7]以待测点所在城区的平均气温与参照点的气温之差作为热岛强度，计算公式见式(1)，其中参考点气温为城市周围多个郊区的气温平均值。

文献[3][4]以北京和上海为例，研究表明北京上海热岛效应在逐年增加，北京的热岛强度为1℃左右，上海年平均热岛强度为1.17摄氏度。

城市热岛主要受城市的建筑群密度，植被覆盖率，街道的走向，工厂生产等影响。产生城市热岛效应的直接原因是下垫面的热惯量差异，不同下垫面对热岛的影响也不相同。目前城市的下垫面的种类越来越多，结构也随之变得复杂，工业用电、空调负荷的使用率的增加致使工业废热、温室气体，粉尘污染物等排放强度增强，汽车的使用量增加，同样使得汽车尾气等污染物大量排放于大气中，所有这些都将致使城市不同区域的温度差异增大，城市的热岛效应变得越来越明显，对城市微气象的影响也越加不能忽视。

图2 权重λ与环境气温T的函数关系图

累积效应对空调负荷的影响并不是单向的，短期内不是一定会增加空调负荷的耗电量。在持续高温的情况下，累积效应会相应的增加空调负荷的用电量；但是如果是多日低温后出现的高温，则受累积效应的影响人体的感觉温度低于实际温度，空调负荷用电量比预想的高温情况要低。所以需要对上述的公式进行修正：

（a）连续高温时，因人体的感知滞后于气温的变化应采用式（4）对连续的高温进行放大。

2 累计效应

气温累计效应对于夏季负荷具有不可忽视的影响，某些情况下甚至是主要因素。根据历史统计数据显示，空调负荷所占负荷比率越高，气温的累积效应就越明显。

气温累计考虑的是当天前联系几日的气温平均加权值，如式(2)：

式中，i为包括当天在内的邻接的3天；n为处于连续高温中的第几天。对于不同时期的连续高温，需要区别对待。本文定义初夏时为35℃，盛夏时为32℃。

（b）地区降雨的特点对空调负荷的影响。夏季时持续降雨和雷阵雨给人的感受是不同的。故不同的降雨情况，其权重取值需不同，对于持续降雨以及暴雨的情况，权重系数选取为6。

3 温湿效应

式中：λ为气温累计效应权重，其对不同温度T取不同的值。一般近似认为，气温越高，其对人体的感知温度影响则越大，相应的权重系数λ越大。实际历史统计显示，λ与气温T不是简单的线性正相关，实际中不可忽略气温对空调负荷的影响度。

温度区间在[22, 32]摄氏度时，空调调节效果最好，所以当平均气温在区间内时，温度对空调负荷的影响较大，此时气温每上升1℃，空调负荷就会相应的增加。在区间外时，气温每上升

学者Yagtou根据人对不同气温、风速以及相对湿度的感觉，提出了反映人体热感觉指标，即实感温度，包含三个量：当前气温、相对湿度及当前风速。根据静止饱和大气条件（相对湿度=100%，风速=0 m/s时）下，人体达到舒适感觉的温度来代表使人体产生同样感觉的特定气温、风速和相对湿度。1978年，George Winterling首次提出利用温湿指数，综合反映温度和相对湿度两个因子对人体热感的影响。研究表明：气温适中时，相对湿度对人体的实感温度影响较小，而当温度较高或者较低时，相对湿度对人体的实感温度影响较大。George Winterling提出一个考虑温湿效应的温度计算公式，如式(5)所示：

该式中，HI 为华氏温湿指数，T 为华氏温度，R为相对湿度(百分数)。

4 交互影响

空调属于间接的污染，其所消耗的电能在发电过程中会产生大量的温室气体与气体污染物质。夏季时空调负荷会大量投入，同时城市热岛效应，温室效应以及气温的累计效应越加明显，进而加速了空调的使用，给环境带来如下危害：(1)空调使用过程中会产生大量的废热；(2)空调负荷大量投入增加了电能的消耗，从而间接的通过发电厂向环境中排放了温室气体，酸性气体，粉尘以及其他的环境污染物；(3)空调负荷多为尖峰负荷，增加电力系统的脆弱性。所有这些废热，废气，温室气体，粉尘等最后又反过来加剧城市热岛效应、气温的累积效应以及温湿效应，至此便形成了一个恶性循环。

5 结语

通过对城市微气象与空调负荷交互影响的探讨，对于怎样才能使得空调负荷与城市微气象间的恶性循环变为良性循环，本文提出了如下的建议与措施：

(1)城市大空间尺度的节能减排。夏季时电力空调负荷的节能对整个家庭用电的节能将起到关键性的作用。传统针对单台空调的节能有以下方法：A）根据实际的空间大小选择恰当容量的空调，容量过大产生浪费，容量过小影响空调效率与使用寿命。B）空调使用过程中使用密封性能好的门窗，避免热量通过气体对流，定期清洗、更换过滤网。C）设置适当的温度、风速，减少不必要的低温和强风设置增加空调负荷的电量消耗与废热排放。

(2)在城市规划中的应用。A）在建造房屋、道路以及其他城市构建中，广泛使用具有反光功能的材料，通过反射直射阳光，减小城市的热岛效应。B）增加城市的绿化面积有利于改变垫层面，以及可以遮蔽阳光，增加增发量率，从而达到降低城市温度的效果。C）合理规划城市建筑物的密度，通过自然风的流通，可降低该地区的气温。

(3)社会管理方面的应用。A）增加公共交通的投入使用，减少汽车尾气以及废热的排放，有利于减小城市的热岛效应。B）社会应该鼓励使用绿色污染的交通公交，比如自行车以及电动车。

(4)积极推广绿色能源以及分布式电源的发电。中国的风电以及光伏发电的资源充足，在减少风力发电机与光伏电池板生产环节所产生的污染物的前提下，国家应该鼓励风电以及光伏的接入与并网。

[1]刘玙.高温季节城市微气象与电力空调负荷的交互影响规律：[硕士学位论文]．长沙：湖南大学，2012.

[2]黎灿兵，尚金成，朱守真，杜力，吴春阳．气温影响电力负荷的累积效应导致的能效分析．电力系统自动化，2010，34(20)：30-33.

[3]林学椿，于淑秋，北京地区气温的年代际变化和热岛效应[J],地球物理学报，2005,48(1):39-45.

[4] 张艳，鲍文杰，余琦，马蔚纯,超大城市热岛效应的季节变化特征及其年际差异[J],地理物理学报，2012,55(4):1121-1128.

[5] 徐心馨,李小娟,孟丹,北京市不同下垫面类型对热岛效应及人体舒适度的影响[J],首都师范大学学报(自然科学版)，2013,34(3):47-53.

[6] 黎灿兵，杨朋，刘玮，李大勇，王瑜,短期负荷预测中考虑夏季气温累积效应的方法[J],电力系统自动化，2009,33(9):96-99.

[7] 胡长洪.考虑实时气象因素的短期负荷预测：[硕士学位论文]．北京：浙江大学，2010.

[8] 何介南，肖毅峰，吴耀兴，吴立潮，康文星,4种城市绿地类型缓解热岛效应比较[J],中国农学通报，2011，27(16):70-74.

Interrelationship Between Urban Micro-climate and Air-conditioning Load

Liu Shangyong
(Guangdong Grid Co Foshan Power Supply Bureau,Foshan,528000)

Urban microclimate has a major impact on the air-conditioning load,improving the urban microclimate can achieve significant effects of energy-saving and emission-reduction.In this paper, considering the heat island effect,humidity effect,and cumulative effect etc.,focusing on the interaction between urban microclimate and air-conditioning load,explore the vicious cycle of urban microclimate and air-conditioning load into a virtuous cycle approach,and achieve reducing the vulnerability of the power system to reduce air pollution,indirect achieving protection of the environment.

microclimate;air-conditioning load;energy-saving and emission-reduction;interrelationship