基于气温和体感温度的中国南方地区供暖必要性分析

赵洁云 龙步菊 袁维颖 刘思妤 李柯尧

(中国农业大学资源与环境学院，北京100193)

引言

冬季是否集中供暖，中国一直以“秦岭—淮河”线为界[1]。随着中国社会经济的不断发展，人民对高质量生活的需求不断提高。由于中国特殊的地理位置所致，冬季来自高纬度地区的冷空气不仅活动频繁，且在南下的过程中随着湿度的增加，到达南方时更多表现为“湿冷”，南方居民对能在阴冷湿寒的冬季集中供暖的愿望从未停止。

对中国南方地区冬季供暖研究主要集中在供暖方式、能源消耗、建筑规范、经济环保、民生需求等方面，并且有较多的研究讨论了受气候变化影响的供暖时间和强度变化[2－4]。从地理特征、供暖方式和能源消耗看，中国南方没有集中供暖的必要[5]，供暖南北波动界限依旧维持在“秦岭—淮河”平原中部[6]。但从气候、生理和民众需求看，中国南方有集中供暖的必要[7]。部分省份如浙江省，其北部采暖期均值为31 d，南部均值为0 d，没有达到供暖的标准[8]。

气温为表示空气冷热程度的物理量，其大小和变化对人体健康造成影响[9]。体感温度不仅和气温有关，还与相对湿度、风速等要素有关[10]。人体在热量平衡条件下，对环境综合作用下以热感觉温度的生物气象指标定义为体感温度[11]，它考虑了各要素的综合作用，较气温相比更能体现人体实际上对冷热环境的感受。目前对体感温度的研究主要包括其与各气象要素的关系、分析方法和计算模型、时空变化、应用等。气温和体感温度成正相关关系，湿度对体感温度的影响与气温有关，当气温小于10℃时，湿度越大，体感温度越低。气温较低时，风冷指数随风速急剧降低，体感温度降低[12]。在体感温度的计算模型研究中，有用百叶箱的温度代表体感温度[13]、以人体热量平衡为基础的感热温度理论[14]、以旬为单位计算体感温度[15]、基于“黄金分割法”建立人体舒适度等级计算体感温度[16]等方法。体感温度主要应用在人体舒适度的预报、旅游环境、建筑能源、社会问题等方面[17－20]。在供暖的应用上，王汶等[21]首次利用体感温度重新界定了公里级的中国供暖需求分区，研究表明长江中下游地区供暖需求高。

在以往对供暖划分的研究中，大多数根据《民用建筑供暖通风与空气调节设计规范》(GB50736—2012)中的供暖标准，从气温角度考虑，并且使用绝对通过5℃的方法计算供暖期，没有使用规范中的滑动5 d平均稳定通过5℃的方法计算采暖期。供暖中的“南方地区”常指处于夏热冬冷地区的长江流域，针对此地区集中供暖分区问题，本文根据1961—2017年中国各省市701个完整时间序列逐日气象资料的台站数据，以GB50736—2012中的供暖标准为指标[22]，采用滑动5 d平均法，计算中国各台站采暖期，从气温和体感温度分析中国南方集中供暖必要性，为中国南方解决集中供暖问题提供参考。

1 资料与方法

1.1 数据来源

1961—2017年气象资料日值数据来自中国气象科学数据共享服务网的中国地面气候资料日值数据集(V3.0)，主要包括逐日平均气温(℃)、最高气温(℃)、最低气温(℃)、降水量(mm)、日照时数(h)、相对湿度(%)和风速(m·s－1)等。数据集经过严格质量控制和检查，缺测率为1‰，缺测的气象要素采用MATLAB编程进行订正:若缺测时间序列小于5 d，缺测值使用线性插值方法所得值代替；若缺测时间序列大于或等于5 d，使用同一日值的多年平均值代替[23]。

图1 研究区气象台站的空间分布Fig.1 Spatial distribution of weather stations in this study

1.2 体感温度计算模型

体感温度的计算使用一种基于黄金分割法构建人体舒适度的方法，该方法考虑了温度、湿度、风速、海拔、纬度等因素[16]。

最佳舒适温度数学表达式为:

式(1)中，Ts为最佳舒适温度；φ为纬度；M为月份；H为海拔高度。

具体体感温度计算数学表达式为:

式(2)和式(3)中，系数A＝36.75×(1－0.618)≈14，Tg为体感温度；Ta为平均温度；Ts为最佳舒适温度；V为平均风速；RH为相对湿度；RHs为最适相对湿度(无降水时RHs＝0.5，有降水时RHs＝0.618)。

1.3 普通克里金插值法

普通克里金插值法能考虑到空间相关性的问题，其将空间分布作为观测数据的函数，在结合地形影响因素的气象要素空间插值中具有较高的效率和准确率。对比反距离权重、样条函数等方法，普通克里金插值法能在站点分布不均匀且稀少的情况下获得更好的插值效果。

1.4 集中供暖必要性划分依据

根据《民用建筑供暖通风与空气调节设计规范》(GB50736—2012)规定，如果一个地区的累年日平均气温稳定低于或等于5℃的日数大于或等于90 d，则应采用集中供暖。而部分不满足此条件的地区的幼儿园、养老院、中小学校、医疗机构等建筑如果满足累年日平均气温稳定低于或等于5℃的日数为60—89 d的条件也可以采用集中供暖[21]。

在本文中，用TW代表地区累年日平均体感温度稳定≤5℃的日数，TJ代表地区累年日平均体感温度绝对≤5℃的日数，QW代表地区累年日平均气温稳定≤5℃的日数，QW代表地区累年日平均气温绝对≤5℃的日数。用QW－QJ表示QW减QJ的差值，TW－TJ表示TW减TJ差值，TW－QW表示TW减QW差值，TJ－QJ表示TJ减QJ差值。用这些差值来表示两种方法计算采暖期的结果差异，以及计算气温和体感温度得到的采暖期的差异，可以从让人更舒适的角度看，体感温度与气温之间的差别以及气温的波动都会让人产生不舒适的感觉。

1.5 5 d滑动平均法和日平均气温绝对通过法

春季(秋季)第一次出现大于(低于)某界限温度之日起，向前推4 d，按日序依次计算出每连续5 d的日平均气温的平均值。这样得到的平均值为5 d滑动平均值。当界限温度为5℃，计算某一年冬季稳定通过5℃的日数方法如下:(1)计算日平均气温5 d滑动平均值；(2)计算秋季5 d滑动平均值中第一段连续5 d≤5℃的序列出现的日期，挑选最先一个日平均气温≥5℃出现的日期，为稳定通过5℃出现的初日；(3)计算第二年春季5 d滑动平均值中第一段连续5 d大于等于5℃的序列出现的日期，挑选最后一个日平均气温≥5℃出现的日期，为稳定通过5℃出现的终日；(4)计算初日和终日之间的天数即为采暖期。在本文中，用此方法简称为“稳定通过”。

用日平均气温绝对通过法计算采暖期时，当界限温度为5℃，直接计算某一年全年日平均气温小于等于5℃的日数，即为采暖期。在本文中，用此方法简称为“绝对通过”。

2 结果分析

2.1 基于气温的供暖划分

1961—2017年中国江苏省、安徽省北部、四川省西部、贵州省西部QW大于等于90 d，达到了集中供暖的标准；湖北省、湖南省、江西省北部浙江省北部、安徽省南部、贵州省四周边缘等地区QW为60—89 d，达到了公共设施集中供暖的标准(图2a)。江苏省北部、安徽省南部等地区QJ为60—89 d，达到了公共设施集中供暖的标准，其余大部分地区没有达到集中供暖的标准(图2b)。

图2 1961—2017年中国南方地区累年日平均气温稳定低于或等于(a)和绝对低于或等于(b)5℃的日数空间分布Fig.2 Spatial distribution of day number of daily air temperature stably below or equal(a)and absolutely below or equal(b)to 5℃averaged from 1961 to 2017 in South China

2.2 基于体感温度的供暖划分

1961—2017年中国江苏省、安徽省、湖北省东部和北部、湖南省中部、贵州省中部、四川省西部、浙江省北部等地区TW大于或等于90 d，达到了集中供暖的标准；湖北省西部、重庆市边缘、湖南省边缘、贵州省边缘、江西省北部和中部、浙江省南部等大部分地区TW为60—89 d，达到了公共设施集中供暖的标准(图3a)。江苏省北部、四川省东部等地区TJ大于等于90 d，达到了集中供暖的标准；安徽省北部、江苏省南部、湖北省北部、贵州省中西部TJ为60—89 d，达到了公共设施集中供暖的标准，其余的大部分南方地区没有达到集中供暖的标准(图3b)。

2.3 供暖必要性

对比1961—2017年中国基于稳定通过与基于绝对通过达到供暖标准的区域，从气温计算的采暖期看，原湖南省、江西省北部、贵州省中部、湖北省、安徽省南部、浙江省等没有达到集中供暖标准的地区达到了公共设施集中供暖的标准；“秦岭—淮河”周围地区达到了集中供暖的标准(图2)。湖南省中部QW－QJ在40 d以上，以此为最大值向两侧减少，四川省相对最小，为20—35 d。其中，浙江省北部、安徽省南部、江西省西北部、湖北省东南部等地区QW－QJ为36—40 d，浙江省南部、江苏省北部、安徽省北部等地区为31—35 d(图4a)。这些南方各省份的平均值与中国全国其他省份相比，QW－QJ明显偏大(表1)。从体感温度计算的采暖期看，原没有达到供暖标准的浙江省、江西省、湖南省、贵州省、湖北省的不同地区不同程度地达到集中供暖的标准和公共设施集中供暖的标准；安徽省、江苏省均达到了集中供暖的标准(图4)。湖南省中部、江西省中北部等地区TW－TJ为40 d以上，以此为最大值向两侧减少，四川省相对最小，为26—35 d。其中湖南省北部、湖北省东南部、安徽省南部、浙江省北部、贵州省中部等地区TW－TJ为36—40 d(图4b)。与气温类似，这些中国南方各省份的平均值与全国其他省份相比，TW－TJ明显偏大(表1)。

中国南方地区在冬季时，气温和体感温度波动较大。当温度稳定通过5℃进入冬季后，常常会升高到大于5℃，出现相对“温暖”的一段时间，但随着北方冷气团南下，气温和体感温度又降低到5℃以 下，伴随着冷暖气团的交汇出现降水，出现湿寒、体感舒适极差的一段时间。整个冬季如此循环反复，气温和体感温度在5℃上下来回波动，使得QWQJ、TW－TJ数值较大，稳定通过5℃的天数远大于绝对通过5℃的天数。

图4 1961—2017年中国南方地区累年日平均气温稳定低于或等于5℃的日数减累年日平均气温绝对低于或等于5℃(a)和累年日平均体感温度稳定低于或等于5℃的日数减累年日平均体感温度绝对低于或等于5℃(b)的日数空间分布Fig.4 Spatial distribution of day number of daily air temperature stably below or equal to 5℃minus that of daily air temperature absolutely below or equal to 5℃(a)，and the same as apparent temperature(b)averaged from 1961 to 2017 in South China

表1 1961—2017年中国部分省市TW－TJ、QW－QJ、TJ－QJ、TW－QW平均值Table 1 Mean values of TW-TJ，QW-QJ，TJ-QJ，and TWQW from 1961 to 2017 in some provinces and cities in China d

对比1961—2017年基于从体感温度计算的采暖期和基于从气温计算的采暖期达到供暖标准的区域，在稳定通过上，新增了达到集中供暖标准的地区，主要集中在中国湖南省中部、湖北省中部、安徽省、江苏省、贵州省；达到公共设施集中供暖标准的地区，由原来主要集中在“秦岭—淮河”线南移到中国南方中部省份；没有达到供暖标准的地区减少(图2a和图3a)。四川省南部、江西省东北部和浙江省南部等地区TW－QW为17—25 d，四川省北部、湖南省中部、重庆市南部等地区TW－QW为13—16 d，偏北的省份如湖北省、安徽省、江苏省等地区TW－QW较小(图4a)。贵州省、湖南省、江西省、四川省、浙江省的平均值与中国全国其他省份相比，TW－QW偏大(表1)。在绝对通过上，达到公共设施集中供暖标准的地区北界南移1—2个纬度；江苏北部等地区达到集中供暖的标准(图2b和图3b)。四川省北部TJ－QJ为17—20 d，贵州省北部、湖南省中北部、江西省北部、浙江省中部等地区TJQJ为13—16 d，此范围内区域成条状，自东北西南走向，其两侧区域TJ－QJ相对减小(图4b)。湖南省、江苏省、四川省、浙江省的平均值与中国全国其他省份相比，TJ－QJ偏大(表1)。

中国南方地区的体感温度和气温相差较大，特别在四川省、湖南省、江西省、浙江省，两者差别突出。体感温度低于气温，即TW－QW和TJ－QJ偏大，使得一些原没有达到集中供暖标准的地区达到了标准。而如果单纯从气温角度考虑供暖的标准，忽视实际人体感受到的温度，将会降低标准的适用性。

对中国南方地区部分台站如贵阳、杭州、合肥、乐山、南昌、武汉、徐州和长沙站进行采暖期年际变化趋势分析发现，贵阳站QW、QJ、TW、TJ呈现波动上升趋势，上升率分别为2.2 d/10 a，1.2 d/10 a，1.5 d/10 a，1.8 d/10 a(图6)。其余台站QW、QJ、TW、TJ呈现波动下降趋势，下降率为－5.6～－1.0 d/10 a，最快为杭州站的TJ下降率为－5.6 d/10 a，最慢为乐山站的QJ下降率为－1.0 d/10 a(图6)。

图5 1961—2017年中国南方地区累年日平均体感温度稳定低于或等于5℃的日数减累年日平均气温稳定低于或等于5℃(a)和累年日平均气温绝对低于或等于5℃的日数减累年日平均气温绝对低于或等于5℃(b)的日数空间分布Fig.5 Spatial distribution of day number of daily apparent temperature stably below or equal to 5℃minus that of daily air temperature stably below or equal to 5℃(a)，and the same as that absolutly below or equal to 5℃(b)averaged from 1961 to 2017 in South China

图6 1961—2017年杭州(a)、乐山(b)、合肥(c)、贵阳(d)、南昌(e)、武汉(f)、徐州(g)、长沙(h)QW、QJ、TW、TJ年际变化Fig.6 Variation of annual mean QW，QJ，TW and TJ in Hangzhou(a)，Leshan(b)，Hefei(c)，Guiyang(d)，Nanchang(e)，Wuhan(f)，Xuzhou(g)，and Changsha(h)from 1961 to 2017

实际在集中供暖需求呼吁较大的中国南方纬度较高的省份，气温和体感温度稳定通过5℃的日数 远大于绝对通过5℃的日数，两者数值相差较大，导致南方冬季温度的剧烈波动被忽视。再加上体感温度小于气温，造成在人们的感知中，南方的冬季气温比较高，人体感受比较温暖，即使是低温也比北方温暖许多，不用集中供暖也能较为舒适地度过。但是，气温小于10℃时，湿度越大，体感温度越低，由于南方相对湿度大，体感温度也比气温小很多，人体感受不舒适，而没有暖气供暖，只能靠空调、电炉等设备分户取暖。但这种取暖方式价格高昂，对于大部分居民来说是一笔不小的开销。虽然在气候变化的背景下部分台站的采暖日呈下降趋势，并且中国南方冬季的极端低温事件在逐渐减少[24]，但是，类似2008年持续性低温降水与冰冻灾害的极端低温事件，对于没有集中供暖的中国南方，不仅会造成经济上的损失，还会直接影响人体健康。特别是在一些高海拔地区，如四川省和贵州省的高寒山区，影响更明显。

中国南方的大多数建筑不同于北方，为了适应其气候特点，导致南方的建筑在保暖性能上远不如北方，如果实施集中供暖，要达到同北方室温18℃的标准，相对应的能源消耗必定会巨大，而在集中供暖的北方，能源供应已较为紧张。同时，用于供暖的燃煤燃烧会产生大量CO2、SO2、烟尘等气体和污染物，对冬季的环境问题带来负面影响。并且，由于南方大多数城市构造以及建筑已经成型，如果按照集中供暖的要求重新修建管道等供暖系统，显然较难实现。虽然从气温和体感温度角度上看，部分南方地区已经达到了集中供暖的标准，但是这种取暖方式在南方并不适用。

中国南方要解决“集中”供暖问题，可以参考住建部提倡的南方夏热冬冷的地区因地制宜地采用分散、局部的供暖方式。分户式供暖独立供热，方式灵活自由，能源消耗较集中供热少，并且在华东、华中和西南等地区已有居民在使用。小区的集中供暖热源可以选取热电厂发电余热、天然气、地源热泵、工业废热和太阳能等，而居民的分散式供暖方式可以选取空气源热泵、壁挂炉采暖和电热膜采暖等。

综上所述，淮河附近的江苏省、安徽省北部、四川省西部和贵州省的部分高海拔地区实施方式灵活的集中供暖政策是完全有必要的。这些地区冬季严寒，人体感受湿寒阴冷，并且通过气温和体感温度计算的采暖期长度均达到了集中供暖的标准，加上已有局部小区集中供暖的采暖方式在部分地区得到实施，在进行南方集中供暖政策的推广中应该首要考虑这些地区。

3 结论与讨论

(1)1961—2017年中国各省气温数据的分析表明，中国江苏省、安徽省北部、四川省西部、贵州省西部有集中供暖的必要性。1961—2017年中国各省体感温度数据的分析表明，中国江苏省、安徽省、湖北省东部和北部、湖南省中部、贵州省中部、四川省西部、浙江省北部有集中供暖的必要性。基于体感温度数据达到供暖标准的地区面积大于基于气温数据达到供暖标准的地区面积。

(2)中国南方地区冬季湿度大，体感温度普遍低于气温，并且气温和体感温度在5℃上下波动较大，造成统计的TW－QW、TJ－TJ、QW－QJ、TW－TJ较大。在研究其冬季集中供暖的问题上，应关注体感温度偏低和气温波动对人体造成的不适。但是，中国南方地区不适合北方集中供暖的模式，应结合实际情况采取分散、局部的供暖方式。

(3)本文研究中国南方集中供暖的必要性，严格按照供暖的标准计算各地区符合规定的日数，并且从气温和体感温度两个角度出发，既可对目前供暖区划进行科学检验，也可从人体感受角度出发提供供暖区划的参考。但是本研究只参考了目前供暖的标准，没有考虑现标准是否适用于当今社会，并且没有研究与体感温度联系密切的人体舒适度，还有待于进一步的研究分析。

(致谢：感谢中国农业大学胡琦提供的气象数据以及徐琳在数据处理时提供的帮助)