乌海市采暖期变化特征及气象节能潜力分析

张洪杰，赵旭春

(乌海市气象局，内蒙古 乌海 016000)

采暖时间的长短、采暖强度的大小直接影响能源消耗，而能源消耗也会直接影响到空气质量。北方地区许多城市供暖一直沿袭着“按日历供暖”、任气温变化，供暖强度却一成不变的粗放式的供暖机制，既浪费能源，又污染环境，市民室内温度也未达到最佳。近年来，许多专家学者进行了气候变化对采暖时间长短影响的分析研究，内蒙古气象局专家白美兰等[1]进行了内蒙古地区采暖期变化特征及预测分析，许多专家学者[2～6]分析了气候变化对采暖期的影响及气象节能潜力。陈莉等[7]的研究表明1984年～2004年气候变暖理论上使我国北方地区冬季供热耗能需求降低的比率普遍在5%～20%之间。目前许多气象部门也在采暖期内发布供暖气象服务信息，供暖部门根据气象服务信息对各个换热站的进水温度和回水温度进行调整，实现弹性供暖，在温度降低的时候开始供暖或多供暖，在天气暖和的时候晚供暖或少供暖，这种灵活的模式住户感到舒适，还可避免能源浪费，减少温室气体排放和环境污染。

笔者利用乌海市实测资料，分析了1961年～2016年采暖期的气温、采暖起止日期、采暖长度及强度的变化，从气象角度分析了采暖节能的可能性，为相关部门应对气候变化及节能减排等决策提供参考。

1 资料来源及计算方法

选取乌海市1961年～2017年逐日平均气温资料，根据《采暖通风与空气调节设计规范(GB50019-2003)》规定，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℃[8]，因此，文中采暖室外气温取5℃。

采用连续5日滑动平均法确定采暖期的初、终日。从秋季至次年春季的时间内，在5日滑动平均值都小于等于5℃的最长时间序列中选取第一个≤5℃的滑动平均值，从组成该5日滑动平均温度的5d中，选取第一个日平均温度≤5℃的日期为初日，出现在秋季，选取最后一个≤5℃的滑动平均值，从组成该5日滑动平均温度的5d中，选取最后一个日平均温度≤5℃的日期为终日，出现在春季。

采暖期跨年度，故定义为1961年秋季至1962年春季的采暖期为1961年采暖期，采暖期长度为1961年秋季采暖初日和1962年春季终日之间的日数，依此类推。

根据《严寒和寒冷地区居住建筑节能设计标准》(JGJ26-2010)，采暖度日数定义为：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1d，并将此乘积累加[9]。采暖度日值(用D表示)可以反映采暖期温度的高低，温度越低，供给的热量越多，采暖强度越大，因此，采暖度日数的变化直接反映采暖需求的变化，采暖期能耗的高低。

其中：n为采暖期天数，Ti为采暖期每日平均气温。

若每一度日数所耗能量基本相同，则可用度日数减少的百分率表示因气候变暖在整个冬季的建筑物供热节能率，用St表示。

利用M-K法对乌海地区1961年～2016年实际采暖期的平均温度进行突变检验，选取突变之前的年份区间作为参考时段，突变之后的年份区间作为变暖时段。

文中所采用的采暖期初终日、采暖期天数、度日数均采用上述方法计算所得，为计算采暖期。

2 实际采暖期气象条件分析

2.1 平均气温变化特征

1961年～2016年实际采暖期(10月15日～次年4月15日，共6个月)平均气温整体呈上升趋势(见图1)，增长率0.3℃(10a)，年最低气温-4.3℃(1967年)，最高气温2.0℃(2001年)，二者相差6.3℃，反映出采暖期外界气温变化波动较大。从年代际变化来看，实际采暖期平均气温分别为：-2.1℃、-1.4℃、-1.0℃、0.2℃、-0.8℃，20世纪80年代前平均气温等于或低于平均值(-1.0)，90年代上升幅度明显，达到峰值，其后的21世纪00年代和10年代有所下降，但仍高于平均值。90年代末期是我国气温达到近百年来最暖的时期[10，11]，在这样的气候变暖大背景下，乌海1996年～2002年连续7年采暖期平均气温在0℃以上，与我国气候背景一致。

图1 实际采暖期平均气温年际变化

利用M-K法[12]对1961年～2016年实际采暖期的平均气温进行突变检验，直线为a=0.05显著性水平临界值μ0.05=±1.96线。

由图2中UF曲线可知，20世纪70年代开始，乌海市平均气温有增暖趋势，80年代末期开始增暖趋势均大于显著性水平临界值，可知乌海市气温上升趋势还是明显的，根据UF和UB曲线的交点位置确定80年代以后的增暖是一突变现象，具体是从1980年开始的，因此，笔者以1979年为分界点，将1961年～1979年作为参考时段，1980年～2016年作为增暖时段进行划分。

图2 年平均气温M-K统计量曲线

乌海市平均气温增暖趋势与发生突变的时间与全球气候突然变暖的大趋势是一致的[13]。

2.2 采暖期积温变化

从图3可以看出，负积温数值以59℃/10a的趋势在减少，最低值-786.5℃(1967年)，最高值355.6℃(2001年)，1996年～2002年连续7a出现正积温，之后积温数值有所下降，但总体上乌海市冬季变暖趋势明显。

图3 实际采暖期积温变化

3 采暖指标分析

3.1 采暖初终日变化特征

从采暖初终日逐年变化图(见图4)可以看出，采暖初日略有所后推，不明显，波动较大。最早出现在1981年10月21日，最晚出现在1961年和1980年11月18日，二者相差27d，平均日期11月7日，比实际日期推后22d；采暖终日提前明显，波动较大，最早出现在1996年3月7日，最晚出现在1978年和2009年4月13日，二者相差37d，平均日期3月28日，比实际日期提前18d。由此可知，由于气候变化，每一年采暖初终日变化较大，适时调整采暖的起止日期，可节约能源，减少排放，减轻大气污染。

图4 采暖初终日逐年变化

3.2 采暖期长度变化特征

1961年～2016年采暖期日数总体呈缩短的趋势，最长是166d(1967年)，最短是117d(1996年)，最长最短日数相差49d；平均日数为143d，比实际采暖期缩短约39d。

图5 采暖日数逐年变化

从年代际看，20世纪60年代平均日数最长，90年代最短，进入21世纪后又略有上升，和平均日数相同。

3.3 采暖度日数变化

采暖期能源消耗和外界温度有关，采暖度日数可直观反映采暖期外界的冷暖程度。采暖期度日数高表示气温低，供暖耗能大，度日数低表示气温高，供暖能耗小，因此，采暖期的度日数与采暖期能耗关系密切。

1961年～2016年乌海市年平均采暖度日数为3 455.4℃·d，最大为4 080.5℃·d(1967年)，最小2 922.9℃·d(2001年)，相差1 157.6℃·d。由图6可知1961年～2016年度日数呈下降趋势，表示冬季寒冷程度降低，采暖强度减弱。从年代际看，20世纪80年代前采暖强度高于平均值，90年代减少至最低，进入21世纪度日数有所增高，但仍低于平均值，表明乌海市采暖期能源需求呈下降趋势。

图6 采暖度日数逐年变化

4 气象节能潜力分析

采暖期间，能源消耗在很大程度上取决于采暖期长度和采暖强度，也就是说能源消耗和外界环境温度密不可分，因此，可以充分利用外界环境温度变化规律，进行节能降耗、节能减排的研究。

4.1 采暖长度变化对采暖能耗的影响

1961年以来，乌海地区呈采暖初日推后、采暖终日提前的趋势，因此，采暖长度呈缩短趋势，平均长度为143d，比实际供暖日数少了39d，如果能耗按实际供暖的182d平均计算，供暖日数少39d，可减少能源消耗约21%，按历史上最长的166d供暖期计算，可减少能源消耗约9%，按历史上最短的117d供暖期计算，可减少能源消耗约36%。

4.2 采暖强度的变化对能耗的影响

实际采暖期每年的度日数不同，因此，供暖强度也应不同。如果采取相同强度的供暖方式，以20世纪60年代度日数为基准，20世纪70年代至21世纪00年代，采暖度日数下降了3%～11%，平均采暖能耗可降低约3%～11%。

从采暖节能率图7可以看出，总体上节能率呈上升趋势，但年节能率变化较大，平均节能率约为6%，其中有85%的年份能源消耗低于参考年代的均值，节能率最大值达到约19%(2001年)，其次是约18%(1998年)，能源消耗高于参考年代均值的占15%(2007年，2009年)，最多耗能是约5%(2007年)，和图1对比可知节能率中几个波动较大的转折点、极值点和气温变化吻合。

图7 采暖节能逐年变化

从年代际变化来看，节能率最高的在20世纪90年代，达到10%，最低在80年代4%，和气候趋势变化一致。

5 结论与讨论

①1961年～2016年乌海市采暖期平均气温呈上升趋势，气候倾向率为0.3℃/10a，在20世纪70年代末80年代初出现突变，90年代上升幅度最大；采暖期负积温值减少明显，1996年～2002年连续7a出现正积温。②计算采暖初日略有所后推，不明显，采暖终日提前明显，采暖期日数总体呈缩短的趋势，初终日、采暖日数年波动较大。③采暖度日数下降趋势明显，最大与最小相差1 157.6℃·d，表明采暖强度变化大，且下降明显。④由于气候变暖，理论上计算采暖初日推后、终日提前，采暖期长度缩短，平均可减少能源消耗20%；由于采暖度日数的变化，平均采暖能耗可降低3%～11%。⑤年节能率变化较大，总体上节能率呈上升趋势，理论上较1979年前参考时段平均节能率为6%，节能率最大值达到19%，多耗能最大值是5%。值得注意的是，在气候变暖的趋势下，2007年采暖期(2007年10月15日～2008年4月15日)平均气温和度日数是1961年以来第5低，进入21世纪的16a采暖期平均气温较20世纪90年代降低0.9℃，与此相应，采暖期天数增加7d、采暖期度日数增加了215℃·d。

这表明建议采用弹性采暖期和弹性供暖强度并不是一味减少采暖时间与强度。事实上，每年计算的采暖期天数和采暖强度都不同，且变化较大，因此，相关部门应根据当地的气候特点、当年的短期气候预测、中、短期天气预报，科学规划采暖，确定合理的采暖初终日、变化的供暖强度，达到科学供暖，最终市民有舒适的室温，还可节约能源，减少大气污染物排放量，达到节能减排的经济效益和社会效益。采暖期初终日、采暖强度的预测及服务是气象节能潜力研究的重点，需进行深入的研究。