保定地區采暖期氣候變化特征及節能潛力分析

王亞婷，馬鴻青，高萬泉，徐義國

(保定市氣象局 河北保定 071100)

0 引 言

在全球氣候變暖的大背景下，氣候變化對能源需求的影響日益受到關注[1]。中國的能源消費量一直位于世界前列，據統計，采暖耗能約占全國商品能源總耗能的15%[2]。隨著城鎮化的快速發展，城市范圍和居民供熱面積逐年增加，如何兼顧供暖質量和節能減排的環境效益是全社會關注的重點問題。有國內學者通過分析氣候條件變化對城鎮采暖的影響計算了采暖期耗煤變化率[3-5]。張家誠等[6]根據采暖的氣候條件，將我國劃分為2個采暖帶，并對采暖氣候指標進行了研究；周自江[7]分析了冬季集中采暖對城市熱島的影響；張雪梅等[8]基于均生函數模型，對哈爾濱采暖期氣溫進行了預測試驗；李嵐等[9]研究建立了沈陽地區供熱量預報方程，并投入應用；李瑞萍等[10]指出有必要根據實況氣溫重新訂正、設計采暖參數，以改變傳統的采暖模式。

保定市地處河北中部，冬季氣候寒冷，采暖期較長。本文系統分析了采暖期內氣溫變化特征，計算確定了理論采暖期的初、終日，并結合本地供暖指標，進行了保定地區節能潛力的分析，以期為積極應對氣候變化、指導科學供暖和節能降耗等決策提供參考。

1 資料方法與相關指標

1.1 資料與方法

本文所用資料為保定國家基準氣象站(54602) 1970—2020年的地面觀測記錄的逐日氣溫，數據連續完整。采暖供熱的數據資料由保定市供熱辦和相關供熱公司提供。

采用線性傾向率法分析保定地區采暖期氣候的變化趨勢；采用非參數檢驗方法曼-肯德爾法(Mann-Kendall)對保定地區采暖期平均氣溫的突變情況進行檢驗。

1.2 理論采暖初、終日及采暖期長度

據《采暖通風與空氣調節設計規范》GB 50019—2003[11]對于一般民用建筑采暖標準的相關要求，采暖日數應為當年至次年日平均氣溫穩定低于或等于室外5℃的總日數。

采用連續5日滑動平均法計算得出保定地區日平均氣溫≤5℃的天數，并將之作為采暖期日數。將日平均氣溫穩定通過5℃的初、終日作為采暖初、終日。由于保定地區采暖期跨年度，故本文定義1970年11月至1971年3月的采暖期為1970年采暖期，依此類推。

1.3 采暖期度日

20世紀50年代初，Thom[12]首次提出將度日作為一種表征熱狀況的計算單位，可以用來研究能源消費與溫度的關系。采暖期度日是指計算采暖期內每日平均氣溫與18℃的差值度數乘以1 d，并逐日累加。故采暖期度日(D)可表示為：

其中：n為采暖期日數，d；Ti為日平均氣溫，℃。

2 實際采暖期氣候變化特征分析

2.1 實際采暖期平均氣溫逐年變化特征

近50年保定地區實際采暖期(11月15日—次年3月15日)的平均氣溫為-0.05℃，且逐年波動上升，氣候傾向率為0.21℃/10 a(圖1)，符合氣候變暖的背景規律。采暖期平均氣溫年際波動較大，變化范圍為-2.3～2.8℃。

圖1 保定地區近50年逐年采暖期平均氣溫變化趨勢 Fig.1 Variation trend of average temperature during heating period in Baoding region in recent 50 years

保定地區實際采暖期平均氣溫的年代際演變整體為升高趨勢，21世紀初達到近50年最大值，為0.84℃，比平均值高0.89℃。1980—1990年的上升幅度最大，達1.2℃。采暖期平均氣溫年代際方差值的上升趨勢，也表征著其年代際波動程度逐漸增大。這是由于全球氣候持續變暖、我國極端天氣事件頻繁發生，同時也給采暖工作高效完成增加了難度。

2.2 實際采暖期平均氣溫逐月變化特征

從各月平均氣溫變化來看，采暖期內11月份平 均氣溫變動幅度不大，平均每10 a降低0.02℃，其余各月平均氣溫均呈逐年上升趨勢，其中12月份和 1月份的平均氣溫每10 a升高0.13～0.14℃，增幅不明顯；2月份和3月份的平均氣溫每10 a升高0.41～0.55℃，增幅較為顯著。說明保定地區寒冷期開始和結束的時間均逐年提前，春季回溫尤其明顯。

2.3 實際采暖期平均氣溫突變檢驗

利用Mann-Kendall法對保定地區實際采暖期平均氣溫進行分析和突變檢驗(圖2)。1970—1975年采暖期氣溫整體呈現波動上升趨勢，1975年之后開始明顯下降。1985年至21世紀初，采暖期平均氣溫持續增高，1990年初期增高趨勢信度達到95%，直至2010年開始下降，并維持至今。UB和UF的變化趨勢表明保定地區采暖期的平均氣溫在1972年發生了突變，1984年平均氣溫存在突變趨勢，但并未發生實際突變。

圖2保定地區采暖期平均氣溫Mann-Kendall突變檢驗(黑色實線為α＝0.05顯著性水平臨界線) Fig.2 Mann-kendall test statistics of average temperature during heating period in Baoding region(the black solid line is α＝0.05 significance horizontal critical line)

3 理論采暖期特征

3.1 理論采暖初、終日的確定及其特征

根據上述資料和計算方法可得：保定地區的理論采暖期初日最早出現在10月28日，最晚出現在11月22日，二者相差25 d；平均初日為11月10日，較實際初日提早5 d；理論采暖期終日最早出現在2月 25日，最晚出現在3月30日，二者相差33 d；平均終日為3月12日，比實際終日提早3 d。保定地區理論采暖初、終日的年際波動十分明顯。

3.2 理論采暖初、終日的變化趨勢

分析保定地區理論采暖期初、終日變化趨勢可以看出，采暖起始和終止日期均呈提前趨勢，平均每10 a分別提前0.3 d和2.1 d，且終日變化幅度明顯大于初日。從保定地區理論采暖期初、終日的年代際變化特征來看(表1)，平均采暖初日小幅度提前；平均采暖終日提前趨勢較明顯，2000年相較于1990年平均提前6 d。

由以上變化特征可知保定市寒冷天氣的到來和結束均逐漸提前，尤其是進入21世紀后，春季回暖升溫明顯提前，采暖期需求逐年縮短。

3.3 理論采暖期長度特征

經計算可知，近50年保定市理論平均采暖長度為122.6 d，比實際采暖日數(121 d)多1.6 d，且整體呈縮短趨勢，平均每10 a縮短1.7 d。理論采暖期長度的年際變幅較大，最長為142 d，出現在1990年；最短為106 d，出現在2007年；兩者相差36 d。

從年代際變化趨勢來看(表1)，盡管理論采暖期的初、終日出現存在年際振蕩，但采暖期長度整體依舊為縮短態勢。尤其是21世紀后，采暖期長度較 20世紀明顯縮短，這與全球變暖的氣候背景密切相關。

3.4 采暖期度日特征

采暖期內的熱量需求除與采暖日數有關外，還與采暖期度日總量成正比[15]，因此采暖期度日值可以用來表征采暖期氣候冷暖程度和采暖耗能需求的變化。經計算，近50年保定地區采暖期度日平均值為2 187.2℃·d，其最大值2 462.1℃·d和最小值1 842.6℃·d分別出現在1970年和2001年。采暖期度日的逐年波動降低，平均每10 a減少25.6℃·d；11月、12月和1月的平均采暖度日年代際變化偏小，減少幅度在1℃·d左右；而2月和3月的平均采暖度日年代際降低較為顯著，約為2.5℃·d。采暖度日的變化趨勢與全球變暖的氣候背景和上文保定地區春季回暖明顯的結論相符。

4 節能減排潛力分析

采暖供熱系統的熱負荷受外界環境氣溫的直接影響，可以根據環境氣溫變化來調整供熱量，在保證供熱量達標的前提下，同時研究節能降耗與減排環保潛力。

4.1 氣溫變化對采暖需求的影響

采暖供熱能耗的高低受到采暖期日平均氣溫的直接影響。研究表明采暖期度日變率一般與采暖期平均氣溫或冬季最冷月平均氣溫關系較為密切[16]，分析其相關關系可得出：

式中：Y為采暖度日變率；X1為采暖期平均氣溫，℃；X2為12月平均氣溫，℃。

其相關系數分別達到0.99和0.55，均通過0.01顯著性水平的檢驗。從(1)、(2)式可以看出采暖期或12月平均氣溫越高，采暖期度日變率越小，供熱能耗越低，符合實際情況。

根據保定地區近50年采暖度日變率和采暖期溫度變化特征，將保定市采暖能源需求狀況分為5個等級(表2)。

表2 保定地區近50年采暖能源需求狀況 Tab.2 Energy demand for heating in Baoding region in recent 50 years

從表2可以看出，保定地區正常采暖能源需求的年份占大多數，約為62%；偏多或偏少的年份約占22%，異常偏多或偏少的年份出現概率較低，僅占16%。說明保定市采暖期出現異常冷、暖的年份出現較少，以正常或略偏暖、偏冷氣候為主。偏多和異常偏多年份主要出現在1970年和1980年，異常偏少年份則主要出現在本世紀。說明1980年以后保定地區采暖期溫度持續增高，相應的采暖能源需求持續減少，2010年采暖能源需求量反彈增加。因此，可根據每年采暖期的平均氣溫預測計算當年的采暖度日變率，并確定采暖能源需求等級，然后初步預測當年的能耗需求量，為積極應對氣候變化、指導科學供暖和節能降耗等決策提供參考依據。

4.2 采暖期氣溫升高的減排潛力與環境效益

當前保定供熱公司使用的采暖熱指標[17]為20.5 W/m2，計算采暖期室外平均溫度為-0.6℃。據了解，2020年保定主城區居民供熱面積為6 447萬m2，其中集中供熱面積約為4 963萬m2，規定采暖期為121 d，每天按24 h計算，集中供熱的熱量需求為：

其他供熱熱量需求為：

按照標準煤產熱率29.3 G J/t，天然氣標準熱值38.87 MJ/m3[17]，熱效率90%計算，則采暖期平均氣溫每升高1℃，可減少燃煤約2.2萬t、天然氣 488.8萬m3。根據國家發改委公布的數據，每噸燃煤可產生CO22.6 t，SO20.008 5 t，NxO 0.007 4 t。整個采暖期平均氣溫每升高1℃，能夠減少產生CO26.7萬t、SO2187 t、NxO 162.8 t、粉塵1 100 t(按單位5%計算)。

4.3 采暖期縮短的節能減排效應

由上文可知，采暖期縮短一日的節能效應，即正常供暖一日的能源消耗量。可節約燃煤0.3萬t、燃氣75.1萬m3，能夠減少產生CO21萬t、SO228.1 t、NxO 24.42 t，粉塵165 t。

需要說明的是，以上數據中采暖面積僅為主城區的供暖面積，保定區域各縣、市(區)的總供暖面積更加龐大，并且還有一些分布式自主供暖和半集中式單棟住宅供暖等供暖面積。加之分戶燃氣運行產生的電費、水費等一些次級能耗，所以實際節能減排效益將更為可觀。

4.4 采暖度日減少的影響

采暖能源消耗除與采暖期內日平均氣溫≤5℃的負積溫成正比。前文數據可知，氣溫突變之后，即1972年之后，保定地區的采暖度日減少了204.7℃，達平均采暖度日10%左右。從年代際分析，21世紀初相較于20世紀70年代，采暖度日減少了近10%，相應的采暖能耗和CO2、SO2、粉塵等污染物的排放量也減少了近10%，經濟成本大幅降低，氣候變化導致的采暖度日減少對保定地區城鄉供暖帶來的環境和社會經濟效益十分顯著。

5 結論與討論

①近50年保定市實際采暖期平均氣溫呈逐年波動上升趨勢，氣候傾向率為0.2℃/10 a，并存在突變現象，突變的具體時間為1972年。

②保定地區理論采暖期初、終日均呈提前趨勢，理論采暖期長度存在年際振蕩，但總體呈縮短趨勢，平均每10 a縮短1.6 d。保定地區春季升溫回暖趨勢日益顯著。

③保定地區采暖期度日變化有降低趨勢，平均每10 a減少25.6℃。保定地區的采暖能源需求以正常年份居多，異常偏多或偏少年份出現概率較低。根據每年采暖期的平均氣溫預報可初步預測當年的能耗需求量，為積極應對氣候變化、指導科學供暖和節能降耗等決策提供參考依據。

④保定地區采暖期的節能減排潛力和效益十分可觀。建議在保證供暖質量的前提下，根據氣候特點和氣象預報的平均氣溫變化動態調整采暖初、終日期，合理規劃采暖期煤炭用量，提高供暖效率，實現科學采暖、節能增效。