银川市采暖期变化及供暖气象指数分析

2022-01-23杨文军肖云清任柏帆

宁夏工程技术 2021年4期

杨文军，肖云清，陈荣，任柏帆

（1.中国气象局旱区特色农业气象灾害监测预警与风险管理重点实验室，宁夏银川 750002；2.宁夏气象防灾减灾重点实验室，宁夏银川 750002；3.贺兰县气象局，宁夏银川 750200；4.银川市气象局，宁夏银川 750002；5.中国电信股份有限公司宁夏分公司，宁夏银川 750002）

在我国北方，城镇采暖能耗占全国城镇建筑总能耗的40%[1]。采暖期、采暖强度直接影响能源消耗量，从而影响气候变化和空气质量。在全球气候变暖的大背景下，气候变化对采暖能耗量的高低也有重大的影响[2]。气候变暖可使采暖期缩短，从而减少能源消耗和环境污染[3-5]。近年来，许多专家、学者在气候变化对采暖时间和节能减排的影响等问题上进行了大量分析和研究。张洪杰等[6]研究表明，随着乌海市年平均气温的升高，采暖长度不断缩短，平均可减少能源消耗20%左右,气象节能潜力较大。陈莉等[7]研究表明，由气候变暖导致我国北方地区冬季采暖耗能降低了5%～30%。孙佳丽等[8]提出江苏省气温变率与采暖度日变率呈负相关，与降温度日变率呈正相关。王素艳等[9]指出，近53 年来宁夏采暖初日推后，终日提前，因气候变暖，减少冬季采暖能耗12.8%～16.5%。

目前，宁夏冬季供暖一直沿袭“按日历供暖”的机制。其中，银川市供暖日期固定在每年11 月1日至次年3 月31 日，采暖期约为151 d。据2020 年统计年鉴数据显示，银川市三区居民供暖面积为7 510 万m2，若每年每平方米节约供暖费1 元，则全年城镇居民取暖费用可节约7 510 万元，加之室内公共活动场所采暖费用，节约的能源消耗量相当可观。近年来，强降温和极端最低气温的出现时间具有破记录、跨季节趋势，因此，按照温度变化，合理、科学地调控采暖期对节约能源、减少污染，提高人民生活质量具有重要意义。

1 资料及方法

本文利用银川市1961—2020 年国家气象观测站采暖期的气温数据，运用数理统计方法分析了银川市供暖初、终日期，采暖期变化，通过相关性分析研究了对供暖调节有较大影响的气象因子，确定供暖气象风险等级，为相关供暖部门在供暖期合理调节供热量提供了科学参考，以期优化资源配置，节能减排。

1.1 资料选取

本文选取1961—2020 年银川市三区、灵武市、永宁县和贺兰县4 个国家气象观测站地面观测数据作为分析资料，分析采暖初终日、采暖期变化特征，探究影响采暖期的关键气象因子及其相关性。

1.2 采暖期初终日的确定

根据中华人民共和国标准《民用建筑采暖通风与空气调节设计规范》（GB 50736—2012）规定，供暖日数按当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，一般民用建筑和工业建筑的采暖室外临界温度为5 ℃。根据连续5 d 滑动平均法，以秋季日平均气温稳定≤5 ℃的首个5 d中的第1 日为采暖初日，以春季日平均气温稳定≥5℃的首个5 d 中最后1 日为采暖终日。初终日之间的日数为采暖日数，即采暖期。

2 采暖指标分析

2.1 银川市采暖初终日变化特征

银川市实际供暖基本上统一从每年11 月1 日开始，至次年3 月31 日结束，供暖期基本上为151 d。银川市各地采暖初终日特征量的变化如表1 所示。可以看出，1961—2020 年银川市三区平均采暖初日为10 月30 日，比实际供暖初日早2 d，采暖初日最早出现在10 月18 日，最晚出现在11 月19 日，两者相差23 d。60 年来，灵武市、贺兰县与银川市三区平均采暖初日相同，均为10 月30 日。对于最早采暖初日和最晚采暖初日，贺兰县和银川市三区相同，分别为10 月18 日和11 月19 日；灵武市和永宁县相同，分别为10 月19 日和11 月18 日。

表1 银川市各地采暖初终日特征量变化统计表

60 年来，银川市三区平均采暖终日为3 月19日，比实际供暖终日早13 d，采暖终日最早出现在2月25 日，最迟出现在4 月9 日，二者相差68 d。除了灵武市平均采暖终日为3 月20 日，其他地区平均采暖终日均和银川市三区相同。最早采暖终日除灵武市出现在2 月23 日外，其他地区和银川市三区一致，均为2 月25 日。各地区最晚采暖终日一致，均出现在1993 年4 月9 日。

本文将采暖初日、终日采用年内第多少天表达（例如，10 月22 日为年内第296 d）。从图1 中的年际变化特征来看，银川市采暖初日在年内的天数呈上升趋势，采暖终日在年内的天数呈下降趋势，表明采暖初日逐年推迟，采暖终日逐年提前。由此可知，由于气候变化，采暖初终日变化较大。适时调整采暖期的起止日期，可节约能源，减少排放，减轻大气污染。

图1 银川市1961—2020 年采暖初终日变化特征图

2.2 银川市采暖期变化特征

由于采暖期跨年，将1961 年10 月至1962 年4月这一时段定义为1961 年采暖期，以此类推。由图2中1961—2020 年采暖期变化曲线可知，近60 年来，采暖期呈现逐年缩短趋势。平均采暖期为140 d，比常规供暖期少11 d，最长为173 d（1992 年），最短为106 d（2019 年），低于120 d 有5 次，分别为1998年、2007 年、2017 年、2019 年和2020 年。采暖期长短变化情况和王素艳等[9]分析的北部引黄灌区采暖初日年际变化情况较为一致，突变时间为1989 年，较平均气温突变滞后3 d；突变后的年际波动较大，1992 年达到极值；2002 年以后采暖期缩短，2017 年以后采暖期缩短更加明显。

图2 银川市1961—2020 年采暖期变化曲线图

1961—2020 年采暖期与实际供暖日数距平值特征如图3 所示。可以看出，采暖期与实际供暖天数相等的有3 a，占5%；采暖期超过实际供暖天数的有14 a，占23%，最长为22 d（1992 年）；采暖期低于实际供暖天数的有43 a，占72%，最长为45 d（2009年）。

图3 银川市1961—2020 年采暖期与供暖日数的距平值变化特征图

3 采暖期气象条件相关性分析

采暖服务行业更加关注冬季的冷暖程度和寒冷持续的时间，从而可以获知供暖期需要的热量。本文将采暖期内气温低于0 ℃的日平均气温之和定义为采暖期平均气温负积温。通过分析采暖期与平均气温负积温的相关性得出，二者呈明显负相关，如图4所示。相关系数为-0.42（P<0.01），即平均气温负积温越小，温度负值的累积越多，其采暖期越长，反之亦然。

图4 银川市1961—2020 年采暖期与平均气温负积温变化特征图

4 银川市供暖气象等级划分

经过调研，并通过与供暖部门技术合作，利用气温、风速、天气状况和城市区位环境条件等可以预报节能温度[10]。利用节能温度划分供暖气象指数的等级，见表2，还可以计算单位面积供热量等。节能温度公式为

表2 供暖气象等级划分及供暖负荷指南

式中：Tj为节能温度，℃；T 为预报温度，℃；ΔT 为城市热岛强度（目前银川市城市热岛对节能温度的影响可忽略不计）；Tv为风力对环境温度的修正量（Tv＝-0.2V，V 为平均风速），℃；Tr为辐射对环境温度的修正量（白天晴天为1.5 ℃，雨雪天为-1.5 ℃，夜间则为0 ℃）。T50，T75，T100计算公式为

式中：T50为供暖负荷率为50%时对应的节能温度值，℃；T75为供暖负荷率为75%时对应的节能温度值，℃；T100为供暖负荷率为100%时的节能温度值，℃；Tin为室内温度，℃；Tw为室外温度，℃。

对于银川市而言，室内温度Tin=20 ℃，室外温度Tw=-15℃，因此可得：T50=2.5℃，T75=-6.25℃，T100=-15 ℃。

对于供热小区或热电厂供热辖区，所需日总供热量＝单位面积供热量×供热区面积。按照目前银川市供热要求，室内标准温度为20 ℃。银川市单位面积日供热量W 计算公式为

式中：W 为单位面积日供热量，W；a 为供热系数，取a=1.53，W/（m2·h·℃）；Tb为目前银川市冬季室温标准，取Tb=20 ℃；S 为供热面积，m2；t 为一天的小时数，t=24 h。

5 供暖量气象风险指标分析

通过调研和实地分析，发现供暖气象风险主要与最高气温、最低气温、风速、天空云量等气象要素有关。造成供暖紧张风险的气象因子主要是最低气温低于-15 ℃且持续3 d 以上的情况。通过文献调研、行业问卷调查等方法确定了供暖气象风险服务指标，按供暖单位的需求设计供暖气象风险等级为4 级，见表3。2020 年开展气象服务供暖业务试运行，主要服务机制为使用户能够根据次日夜、早、中、晚及周专业天气预报控制供暖，优化燃料配置；根据采暖期、下周逐日气温变化，提前有计划地准备燃料、维修设备和安排工作。由此不但能够节约相当可观的能源，还可以减少大气污染排放，对减缓气候变暖、改善大气环境质量，尤其是减少冬季雾霾有重要意义。