基于体感温度的广州60年冷暖度日特征分析

胡琳，高晓荣，贾宁远，许泽铭

（1.广州市海珠区气象局，广东广州 511220；2.广州市气象台，广东广州 511430；3.广州市突发事件预警信息发布中心，广东广州 511430）

“度日数”是表征建筑供暖和制冷能耗的重要气象参数之一，是指室外日平均气温高于或低于室内设计温度的度数累积值，基于干球气温统计得到。国内外度日法已被广泛应用于研究气候或气候变化与能源消耗的关系［1-4］。传统度日法均基于干球温度，但有研究表明单纯基于干球温度计算的冷度日并不能完全反映夏季制冷能耗，需综合考虑多种气象要素，特别是相对湿度、太阳辐射、风速等要素的影响［5］。国外有研究分析不同基础温度下度日数的时空特征，结合人体舒适度探讨建筑物冬夏最优室内设计温度，用来评估各地区用能需求及能源分配［6-8］；国内也有学者或提出了除温湿日数的概念，结合冷度日综合表征夏季空调降温和除湿能耗［9］，或引入湿球温度提出一种新的表征制冷能耗的冷度日。研究结果表明，对于冬暖夏热地区，比如广州而言，湿球冷度日较干球冷度日能更好地反映制冷能耗［10-11］。

然而，针对我国不同建筑气候区，尤其是对冬暖夏热地区，对通常提到的湿冷、湿热等等，还未建立一个可靠的气候指标来精准反映实际建筑能耗。本研究选取广州作为冬暖夏热的代表区域，并提出一种基于体感温度的度日计算方法，对比分析基于气温和体感温度的冷或暖度日分布特征的共性和差异性，以此定性评估基于体感温度的度日反映冬暖夏热地区的适用性，进而为“能耗双控”背景下，提供决策参考。

1 资料与方法

1.1 数据来源

本研究选取广州国家气象观测站1961—2020年逐日平均气温、相对湿度、平均风速以及日雨量等观测数据。

1.2 体感温度计算模型

本研究的体感温度是参考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。在考虑纬度效应和季节效应后，认为最佳的舒适温度为某一地区的当月的最佳舒适温度［12］，见式（1）。

其中，ts为最佳舒适温度（℃）；φ为纬度（°）；M为月份；H为海拔高度（m）。

“黄金分割法”计算体感温度的表达式为

当ta≥ts时

其中，tg为体感温度（℃），认为是人体皮肤裸露时感受到的环境温度；ta为日平均气温（℃）；ts为最佳舒适温度（℃）；V为平均风速（m／s）；RH为相对湿度；RHs为最适相对湿度（有降水时，RHs＝0.618；无降水时，RHs＝0.5）。

1.3 采暖和制冷度日的计算方法

度日是每日的平均温度与规定的基础温度的离值（℃·d）。因此，某一天的度日数就是该天的日平均温度与基础温度的差［13］。为了方便研究，度日又分为两种类型，即采暖度日（heating degree-day，HDD）和制冷度日（cooling degreeday，CDD）。在本研究中，根据《广东省居住建筑节能设计标准》中夏季居住空间室内设计计算温度26℃及冬季采暖居住空间室内设计计算温度16℃［14］，故本研究分别以16和26℃作为采暖度日和制冷度日的基准温度［15-16］。具体计算公式为

其中，ta为日平均气温（℃）；tg为体感温度（℃）；n为天数（d）；HDDta为基于日平均气温的采暖度日总值（℃·d）；HDDtg为基于体感气温的采暖度日总值（℃·d）；CDDta为基于日平均气温的制冷度日总值（℃·d）；CDDtg为基于体感温度的制冷度日总值（℃·d）。

2 结果与分析

2.1 HDD和CDD的变化特征

1）月际变化。

逐月的体感温度不同，因而采暖（或制冷）的需求也不同。统计分析1961—2020年HDD和CDD的多年平均逐月变化（图1）可知，基于日平均气温和体感温度的度日月际变化趋势一致。广州地区HDD主要集中在11月至次年3月，其中1月最大，为6 509.7℃·d；其次是12和2月。广州地区CDD主要集中在4—10月，7月CDD最大，为6 460.8℃·d；其次是8和6月。

图1 1961—2020年月平均HDD、CDD的逐月变化

2）年际变化。

度日指标是反映采暖或制冷强度的指标，当研究温度与能源消耗关系时，常采用采暖期或制冷期长度，即采暖日数或制冷日数［17-18］。基于体感温度的广州多年平均采暖日数为76.64 d（图略），略高于基于日平均气温的采暖日数（71.77 d）；基于体感温度的广州多年平均制冷日数为142.18 d（图略），高于基于日平均气温的制冷日数（130.89 d）。采暖期的长期变化呈显著减少的趋势，基于体感温度的采暖日数减少率为每10年2.06 d（图2a）；而制冷期的长期变化则呈上升的趋势，基于体感温度的制冷日数增长率为每10年2.02 d（图2b）。

图2 1961—2020年HDD与采暖日数（a）以及CDD与制冷日数（b）的年际变化

广州属于南亚热带季风气候，夏热冬暖，且夏季长冬季短。采暖度日越大，表明供暖季节的温度低，所需消耗的能源就越多；而采暖度日越小，则说明供暖期的温度高，所需的能源就越少。

广州多年采暖度日呈下降趋势，基于体感温度HDDtg的下降率为每10年10.96℃·d，略高于HDDTa（图2a）。广州多年平均HDDtg为308.4℃·d，远低于重庆（1 138.8℃·d）和北京（2 922.6℃·d）［19］，这也从侧面反映了华南地区（广州）采暖的能耗是远远低于西南地区（重庆）和京津冀区域（北京）。广州多年制冷度日呈上升趋势，CDDtg的上升率为每10年13.57℃·d（图2b）。广州多年平均CDDtg为385.20℃·d（图略），远大于华东地区CDD值（约160℃·d）［20］。上述对比分析表明，广州作为华南地区的代表，制冷所需能耗是显著大于同期华东地区。

基于体感温度和日平均气温计算HDD或CDD（采暖或制冷日数）相比，前者更高，其中制冷度日差值更突出，故在广州地区研究其夏季制冷的问题上，应更关注湿热、闷热等湿度因素及静风等带来的人体不适，进而增加能耗。

2.2 HDD和CDD与体感温度的关系

1）与体感温度的相关系数。

相关系数是反映变量之间相关关系密切程度的统计指标。HDDtg和CDDtg与体感温度的相关系数均较高，其中HDDtg的气温系数为-0.813，体感温度系数为-0.815；CDDtg温度系数为0.679，体感温度系数为0.687，且通过α＝0.01的显著性检验。

2）与气温的年代际变化。

随着1960年代以后平均气温明显升高，制冷度日也呈上升的趋势，而采暖度日从1960年代至1990年代保持平稳，1990至2000年代呈下降趋势，后再转上升趋势（图3a-b），这也间接反映了全球变暖这一不可避免的趋势。

图3 HDD ta和CDD ta、ta（a）和HDD tg和CDD tg、tg（b）的年代际变化

3 结论

1）广州地区HDD主要集中在11月至次年3月，其中1月最大，多年变化呈现显著下降趋势，量化分析表明HDDta减少率为每10年1.87 d、HDDtg减少率为每10年2.06 d；广州地区CDD主要集中在4—10月，其中7月的制冷度日最大，多年变化呈现上升趋势，量化分析表明CDDta增长率为每10年2.39 d、CDDtg增长率为每10年2.02 d。

2）广州多年平均HDDta和HDDtg为269.5、308.4℃·d，远低于重庆（1 138.8℃·d）和北京（2 922.6℃·d），这也从侧面反映了华南地区（广州）采暖的能耗远远低于西南地区（重庆）和京津冀区域（北京）的。

3）随着1960年代以后平均气温明显升高，制冷度日也呈上升的趋势，而采暖度日从1960—1990年代保持平稳，1990—2000年代呈下降趋势，这也间接反映了全球变暖这一不可避免的趋势。

4）在广州地区，基于体感温度和日平均气温计算HDD或CDD（采暖或制冷日数）相比，前者更高，其中制冷度日差值更突出，故在广州地区研究其夏季制冷的问题上，应更关注湿热、闷热等湿度因素及静风等带来的人体不适，进而增加能耗，基于体感温度的度日对夏热冬暖地区的制冷或采暖的能耗的适用性更好。