基于气象因子的供暖温度调节模型研究

张 杰，赵玉兵，杨丽娜，路漫漫，牛禹心

邢台市气象局，河北邢台 054000

近年来，随着城市进程的加快，能源紧缺、环境污染等问题日益凸显，节能减排已成为社会关注的重点领域。对于北方城市来说，冬季供暖的能源消耗占很大的比重。而当供暖设备、输送管线、供暖面积和房屋条件达到一定标准时，气象条件便成为影响供暖质量——室温的唯一变量[1-3]。

国内外学者就气候变化对供暖节能的影响开展了相关研究[4-7]。2009年，国外学者等针对土耳其阿菲永地区的气候特点，选取室外温度、风速和太阳辐射3个气象参数进行研究，得到了能耗与这些气象参数的回归方程。2012年，冯涛等[8]利用北京2009年的气象和热力数据制作了各气象要素日平均值所对应的供、回水温度及其供回水温度差的表。2013年，李岚等[9]利用2008—2010 年气象和热力数据建立沈阳地区供热量预报方程与供热气象指数，近3年理论节煤率达9.1%。但由于不同的电网所处的气候条件不同，各地经济结构和发展水平各不相同，各地供暖温度与气象因子的关系也不尽相同。

利用邢台站1990—2020年的逐日4次平均气温数据，分析了邢台市供暖期气候变化特征，并建立基于气象因子的供暖温度作业调节表，以期为供暖期合理节能减排提供参考。

1 资料与方法

1.1 资料

所用的邢台站观测数据来源于邢台市气象局，包括最近30年（1990年冬季至2020年春季）逐日4次平均气温，2015年11月15日—2016年3月15日供暖季的逐日平均气温、相对湿度、风速、气压、降水量、总辐射量。供暖数据来源于邢台市供热公司，包括2015年11月15日至2016年3月15日的逐日供水温度、回水温度。

1.2 方法

气候趋势变化分析采用线性倾向率法，通过最小二乘法来计算线性趋势。

根据《采暖通风与空气调节设计规范》（GB 50019—2003）规定，设计计算用供暖期天数，应按累年日平均温度稳定≤供暖室外临界温度的总日数确定。其中。关于供暖室外临界温度的选取，一般民用建筑和工业建筑宜采用 5℃。在确定供暖初终日时，采用连续5 d滑动平均法[10]。在冬半年任意连续5 d日平均气温的平均值均≤5℃的最长一段时间内，在第一个5 d中，挑选第一个日平均气温≤5℃的日期为初日，在最后一个5 d 中，挑选最后一个日平均气温≤5℃的日期为终日。供暖初日和终日之间的日数为供暖时长。因为邢台地区供暖期跨年度，本研究定义1990年秋冬季至1991年春季的供暖期为1990年供暖期，以此类推。

所谓度日就是指某一时段内每日平均温度与基准温度之差的代数和。供暖期度日即供暖期内室内温度与室外温度的差值的累加[11-12]。根据沈阳地区供暖标准，室内温度取18℃，则供暖期度日（D）表示为：

式中：n为供暖期天数，Ti为供暖期每日平均气温。供暖期度日能较好地表征供暖期能耗。

2 结果与分析

2.1 供暖期气候变化的特征

邢台地区近30年供暖期（11月15日至翌年3月15日）平均气温波动性较大(图1a)，总体呈缓慢上升趋势，其气候倾向率为0.11℃/10年。供暖期平均气温最高出现在2003年，为3.0℃；最低值出现在2006年，为-0.5℃。30年供暖期平均气温为0.9℃。

1990—2019年供暖初日和终日存在年际变化，但总体呈现初日逐渐推后、终日提前、供暖日数缩短的趋势（图1b、c、d），其气候倾向率分别为1.34 d/10年、-1.47 d/10年、-2.76 d/10年。供暖初日最早为11月8日，出现在2000年；供暖初日最晚为12月4日，出现在2008年，前后相差26 d；近30年供暖初日平均为11月20日。目前，邢台市政府规定供暖初日为11月15日，根据当年的天气实况和预报，有时会提前供暖。供暖期终日最早为2月5日，出现在2001年，供暖终日最晚为3月15日，出现在2011年，最早和最晚终日前后相差38 d；近30年供暖终日平均为2月22日。目前，邢台市政府规定供暖初日为3月15日，根据供暖结束时的天气实况和预报，适时延长供暖期。供暖时长最短为66 d，出现在2008年；供暖时长最长为118 d，出现在1993年；近30年的平均供暖时长为95 d。

供暖能耗除与供暖期长短有关外，还与供暖强度有关，近30年邢台供暖度日的平均值为2 073.4℃·d（图1e）。其中，供暖度日最大值为2 294.9℃·d，出现在2009年，最小值为1 844.2 ℃·d，出现在2001年。从供暖期度日的年际变化来看（图5），近30年邢台地区供暖期度日呈减少趋势，其气候倾向率为-20.43 ℃/10年，供暖度日的变化趋势与全球气候变暖的结论相一致。

图1 1990—2019年供暖期年平均气温（a）、初日（b）、终日（c）、供暖日数（d）、度日（e）变化

2.2 供暖温度与气象因子的相关性分析

分别计算2015—2016年供暖季逐日各气象因子与供暖温度的相关系数（表1）：气温、风速、降水、辐射量与供、回水温度及供回水温度差呈现负相关性，其中气温与供、回水温度及供回水温度差的相关系数最大，逐日平均气温与供、回水温度及其差值的相关系数达到了-0.786、-0.746、-0.828，并且均通过了0.01水平的显著性检验；辐射量与供暖温度的相关系数次之；风速、降水量与供暖温度的相关系数最小，未通过显著性检验。气压、相对湿度与供、回水温度及供回水温度差呈现显著的正相关，其中，气压与供、回水温度及供回水温度差的相关系数通过了0.01水平的显著性检验。

表1 邢台市逐日供回水温度及其差值与各气象要素的相关系数

表2 邢台市日平均气温与对应的供、回水温度及其差值对应表 ℃

2.3 日平均气象要素的供、回水温度调节运行作业表

利用邢台市观测站和气象局小区2015—2016年供暖季气象要素日平均值资料与供、回水温度资料，整理了与供暖温度相关系数通过0.01水平显著性检验的各气象要素日平均值所对应的供暖温度（表2~表4）。该表可以作为供暖单位不同气象条件下供、回水温度调度表，根据表2~表4，在综合考虑未来各要素变化的基础上，为供暖单位提供供、回水温度设置建议，即可节约能源，保证合理供暖，又大大简化了管理程序。

表4 邢台市日总辐射量与对应的供、回水温度及其差值对应表

表3 邢台市日平均气压与对应的供、回水温度及其差值对应表

近30年 来（1990—2019年），邢 台地区供暖期平均气温呈现下降的趋势，总体上供暖初日推迟，提前供暖终日，供暖时长缩短，同时供暖度日减少（即所需供暖强度减小），建议相关部门参考该结论，适当调整供暖期和供暖强度，以减少能源的消耗。供暖温度与日平均气温、气压、总辐射量呈显著性相关，基于该4种气象因子制作了供回水温度调节运行作业表，为供暖企业调节供暖温度提供参考。