同濟(jì)大學(xué) 劉東京 周偉國(guó) 張中秀

0 前言

天然氣是一種優(yōu)質(zhì)、高效、清潔的低碳能源，由于燃煤造成的酸雨、霧霾等環(huán)境問(wèn)題越來(lái)越嚴(yán)重，使天然氣的需求逐年增加，我國(guó)能源“十三五”規(guī)劃顯示，到 2020年天然氣占一次能源比例將力爭(zhēng)達(dá)到10%。由于天然氣利用與供應(yīng)之間的矛盾愈發(fā)顯著，準(zhǔn)確預(yù)測(cè)城市天然氣用氣負(fù)荷就變得十分關(guān)鍵，而氣象因素對(duì)燃?xì)庳?fù)荷預(yù)測(cè)的影響十分大，氣象因素變化對(duì)燃?xì)庳?fù)荷的作用除了直接影響，還包括間接影響，即通過(guò)改變?nèi)梭w對(duì)環(huán)境的舒適度感覺(jué)和心理感受而實(shí)現(xiàn)對(duì)用氣負(fù)荷的調(diào)整，特別是對(duì)于末端可控制的燃?xì)饪照{(diào)、采暖、制備熱水設(shè)備，氣象因素與用氣負(fù)荷的變化之間是以人為紐帶的。

人類在大氣環(huán)境中活動(dòng)，經(jīng)受著氣象要素的綜合作用，盡管人們通常用氣溫高低來(lái)表示環(huán)境冷熱，但是，人體對(duì)外界冷熱的舒適感，并不能僅僅根據(jù)氣溫或其他任何單一的氣象要素來(lái)評(píng)價(jià)，而是受溫度、濕度和風(fēng)力等諸多因素綜合影響，但同時(shí)上述各因素又不處于同等重要的地位。另外，在人體冷熱舒適度綜合評(píng)價(jià)方面，已有大量的理論和實(shí)驗(yàn)研究，在此基礎(chǔ)上提出了多種綜合氣象指標(biāo)，并得到了廣泛的應(yīng)用。為科學(xué)地評(píng)價(jià)氣象環(huán)境對(duì)人的生理影響，在燃?xì)庳?fù)荷特性分析中引入溫濕指數(shù)、風(fēng)寒指數(shù)、人體舒適度、累積溫度等綜合氣象指標(biāo)，研究其對(duì)城市燃?xì)庳?fù)荷的影響。

1 綜合氣象指標(biāo)簡(jiǎn)介

1.1 溫濕指數(shù)

溫濕指數(shù)考慮了相對(duì)濕度對(duì)人體舒適度的影響，是熱應(yīng)力的舒適指標(biāo)，反映了人對(duì)環(huán)境的熱感受，其計(jì)算公式如下：

式中：T——干球溫度，F(xiàn)；

RH——相對(duì)濕度，%。

將華氏溫標(biāo)轉(zhuǎn)換為攝氏溫標(biāo)，則：

式中，T的單位為℃。當(dāng)夏季的THI<21.1時(shí)，幾乎無(wú)人有不舒適感；THI≥21.1時(shí)，隨著THI的增大，具有不舒適感的人增多；THI達(dá)到23.9時(shí)，約有 50%的人感到不舒適；THI達(dá)到 26.7 時(shí)幾乎無(wú)人感到舒適；特別是THI達(dá)到29.5時(shí)，酷熱難忍。許多國(guó)家政府甚至將這一值作為工廠企業(yè)、商店等停業(yè)的下限指標(biāo)，THI與舒適度的劃分標(biāo)準(zhǔn)如表 1所示：

表1 溫濕指數(shù)的舒適度評(píng)價(jià)

1.2 風(fēng)寒指數(shù)

風(fēng)寒指數(shù)根據(jù)影響室外人體冷熱舒適感覺(jué)的主要因素是溫度和風(fēng)速的特點(diǎn)而提出，是反映風(fēng)速及氣溫對(duì)人體失熱影響的指標(biāo)，計(jì)算公式為：

式中：H——風(fēng)寒指數(shù)，即人體表單位面積的散熱量，kcal/(m2h)；

t——干球溫度，℃；

u——風(fēng)速，m/s；

ta——人體皮膚溫度，一般取30～33℃。

不同風(fēng)寒指數(shù)下人體的感覺(jué)和反應(yīng)，見(jiàn)表2。

表2 不同風(fēng)寒指數(shù)下人體的感覺(jué)和反應(yīng)

1.3 人體舒適度

人體舒適度指數(shù)能夠綜合考慮氣溫、相對(duì)濕度、風(fēng)速、日照時(shí)數(shù)等氣象因子對(duì)人體舒適度的影響，表征人體在大氣環(huán)境中舒適與否，夏季人體舒適度指數(shù)計(jì)算公式為：

冬季的人體舒適度采用夏季人體舒適度指標(biāo)的修正式，在氣溫、相對(duì)濕度和風(fēng)速的基礎(chǔ)上，考慮了日照因素的影響，計(jì)算公式為：

式中：t——干球溫度，℃；

RH——相對(duì)濕度；

u——風(fēng)速，m/s；

S——日照時(shí)數(shù)，h。

1.4 累積溫度

反映氣溫累積效應(yīng)的累積溫度，能表述連續(xù)高溫、連續(xù)低溫及持續(xù)波動(dòng)變化等情況下，由于用氣量滯后反應(yīng)而造成的影響，計(jì)算公式為：

式中：ti——前i天的氣溫，℃；

wi——前i天氣溫的權(quán)值。

2 綜合氣象指標(biāo)對(duì)燃?xì)庳?fù)荷變化的影響

2.1 溫濕指數(shù)的影響

溫濕指數(shù)與夏季燃?xì)庳?fù)荷的相關(guān)性較好，相關(guān)系數(shù)在0.8左右，但與冬季燃?xì)庳?fù)荷的相關(guān)性相對(duì)較差。這是由于夏天的高濕天氣更容易使人感到悶熱，增加了人體的不舒適度，引起直燃空調(diào)用氣負(fù)荷的上升，而冬季氣候干燥，相對(duì)濕度對(duì)的負(fù)荷影響相對(duì)較小。圖1和圖2是某市連續(xù)兩年夏季燃?xì)馊肇?fù)荷與溫濕指數(shù)的變化關(guān)系。

圖1 第一年夏季燃?xì)馊肇?fù)荷與溫濕指數(shù)的變化

圖2 第二年夏季燃?xì)馊肇?fù)荷與溫濕指數(shù)的變化

燃?xì)庳?fù)荷與溫濕指數(shù)間呈較好的正相關(guān)關(guān)系，溫濕指數(shù)達(dá)18以上時(shí)，燃?xì)馊肇?fù)荷開(kāi)始明顯增加，且隨溫濕指數(shù)升高的速率有增長(zhǎng)趨勢(shì)。但第一年夏季當(dāng)溫濕指數(shù)達(dá) 28以上時(shí)，燃?xì)庳?fù)荷增加的趨勢(shì)減緩，這與高溫區(qū)間內(nèi)，由于燃?xì)饪照{(diào)的裝機(jī)容量和調(diào)節(jié)能力有限，負(fù)荷無(wú)法進(jìn)一步同步提高等因素有關(guān)。

2.2 風(fēng)寒指數(shù)的影響

風(fēng)速與燃?xì)庳?fù)荷也有一定的相關(guān)性，特別是夏季低風(fēng)速區(qū)間的燃?xì)庳?fù)荷負(fù)相關(guān)性較好，風(fēng)寒指數(shù)也與夏季燃?xì)庳?fù)荷取得了較好的相關(guān)關(guān)系。冬季風(fēng)速對(duì)燃?xì)庳?fù)荷的影響相對(duì)較小，風(fēng)寒指數(shù)也沒(méi)有表現(xiàn)出更好的相關(guān)性。圖3和圖4是某市連續(xù)兩年夏季燃?xì)馊肇?fù)荷與風(fēng)寒指數(shù)的變化關(guān)系。

圖3 第一年夏季燃?xì)馊肇?fù)荷與風(fēng)寒指數(shù)的變化

圖4 第二年夏季燃?xì)馊肇?fù)荷與風(fēng)寒指數(shù)的變化

燃?xì)庳?fù)荷與風(fēng)寒指數(shù)之間呈較好的負(fù)相關(guān)關(guān)系，溫濕指數(shù)達(dá) 30以上時(shí)，燃?xì)馊肇?fù)荷開(kāi)始隨風(fēng)寒指數(shù)的增大(風(fēng)速增大，氣溫降低)明顯降低，負(fù)荷下降速率隨風(fēng)寒指數(shù)的增大而減小，但當(dāng)溫濕指數(shù)低于 30時(shí)，燃?xì)庳?fù)荷與風(fēng)寒指數(shù)間有一定的正相關(guān)關(guān)系，這主要與高溫區(qū)間內(nèi)的兩種作用因素有關(guān)：一是由于燃?xì)饪照{(diào)的裝機(jī)容量和調(diào)節(jié)能力有限，負(fù)荷無(wú)法進(jìn)一步同步提高，燃?xì)庳?fù)荷與風(fēng)寒指數(shù)間的相關(guān)性減弱，這與溫濕指數(shù)在高溫區(qū)間變化的規(guī)律是類似的；二是高溫天氣區(qū)間下(一般日平均氣溫在30 ℃以上，最高氣溫在35 ℃以上)，速度相對(duì)較高的熱風(fēng)反而使人體感覺(jué)不舒適，建筑物冷量損失大，引起空調(diào)負(fù)荷的增加。同時(shí)，也說(shuō)明衛(wèi)生學(xué)和氣象學(xué)意義上的綜合氣象指標(biāo)未必能夠完全適用于燃?xì)庳?fù)荷系統(tǒng)，如果能夠根據(jù)燃?xì)庳?fù)荷的變化規(guī)律提出面向負(fù)荷特性分析與預(yù)測(cè)的綜合氣象指標(biāo)，更有實(shí)際意義。

2.3 人體舒適度的影響

人體舒適度與夏季燃?xì)庳?fù)荷的相關(guān)性較好，相關(guān)系數(shù)在0.8以上，但與冬季燃?xì)庳?fù)荷的相關(guān)性一般。這是由于夏季、冬季影響燃?xì)庳?fù)荷變化的氣象因子不同造成的，特別是冬季相對(duì)濕度和最大風(fēng)速對(duì)燃?xì)庳?fù)荷變化的直接影響與氣溫相比較小，效果也不明顯。某市連續(xù)兩年夏季燃?xì)馊肇?fù)荷與舒適度指數(shù)的變化如圖5和圖6所示。

圖5 第一年夏季燃?xì)馊肇?fù)荷與舒適度指數(shù)的變化

圖6 第二年夏季燃?xì)馊肇?fù)荷與溫濕指數(shù)的變化

燃?xì)庳?fù)荷與溫濕指數(shù)間呈較好的正相關(guān)關(guān)系，舒適度指數(shù)達(dá) 57以上時(shí)，燃?xì)馊肇?fù)荷開(kāi)始隨舒適度指數(shù)的增加(溫度、濕度上升，風(fēng)速下降)明顯增加，且隨溫濕指數(shù)升高的速率有增長(zhǎng)趨勢(shì)。但當(dāng)溫濕指數(shù)達(dá) 75以上時(shí)，燃?xì)庳?fù)荷增加的趨勢(shì)減緩，這與高溫區(qū)間內(nèi)，由于燃?xì)饪照{(diào)的裝機(jī)容量和調(diào)節(jié)能力有限，負(fù)荷無(wú)法進(jìn)一步同步提高有關(guān)。

2.4 累積溫度的影響

累積溫度與冬季燃?xì)庳?fù)荷的相關(guān)性較好，相關(guān)系數(shù)在0.97左右，累積溫度與夏季燃?xì)庳?fù)荷的相關(guān)性一般。圖7是某市第一年冬季燃?xì)馊肇?fù)荷與累積溫度的變化關(guān)系，冬季燃?xì)庳?fù)荷與累積溫度的相關(guān)性較好，從數(shù)據(jù)點(diǎn)的密集程度來(lái)看，冬季負(fù)荷受氣象因素變化影響的規(guī)律性要高于夏季。累積溫度對(duì)的燃?xì)庳?fù)荷的影響可分為三個(gè)區(qū)間，當(dāng)累積溫度高于 10 ℃時(shí)，燃?xì)庳?fù)荷隨氣溫變化的趨勢(shì)不明顯，此時(shí)氣溫相對(duì)較高，燃?xì)馊∨?fù)荷較少，氣象敏感負(fù)荷所占比例較低；當(dāng)累積溫度低于-2 ℃時(shí)，燃?xì)庳?fù)荷隨氣溫降低增加的趨勢(shì)減緩，這與低溫區(qū)間內(nèi)，由于燃?xì)獠膳O(shè)備的裝機(jī)容量和調(diào)節(jié)能力有限，負(fù)荷無(wú)法進(jìn)一步同步提高有關(guān)；溫度在-2～10 ℃區(qū)間內(nèi)，燃?xì)庳?fù)荷與累積溫度呈二次指數(shù)的負(fù)相關(guān)關(guān)系，隨著氣溫的降低，燃?xì)庳?fù)荷增加的趨勢(shì)減緩。燃?xì)庳?fù)荷的這種變化規(guī)律與其氣溫響應(yīng)特性是吻合的。在燃?xì)庳?fù)荷預(yù)測(cè)中，常采用的解釋變量之一是前一日負(fù)荷，用來(lái)表示燃?xì)庳?fù)荷變化的連續(xù)性。而在前一日負(fù)荷中，自然涵蓋了累積溫度的影響。因此，在實(shí)際的負(fù)荷分析與預(yù)測(cè)中，是否有必要在引入前一日負(fù)荷之后再引入累積溫度，仍需經(jīng)過(guò)主因子選擇后才能確定。值得注意的是，在夏季的高溫區(qū)間和冬季的低溫區(qū)間內(nèi)，隨著極端氣溫的出現(xiàn)，都用氣負(fù)荷飽和的情況出現(xiàn)，這與氣象敏感負(fù)荷設(shè)備的裝機(jī)容量有關(guān)。隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展人民生活水平的提高，燃?xì)饪照{(diào)和采暖設(shè)備的普及和裝機(jī)容量加大，這種情況有可能隨之改變。

圖7 第一年冬季燃?xì)馊肇?fù)荷與累積溫度的變化

3 結(jié)語(yǔ)

研究了溫濕指數(shù)、風(fēng)寒指數(shù)、人體舒適度等 4項(xiàng)綜合氣象指標(biāo)對(duì)城市燃?xì)庳?fù)荷的影響，燃?xì)庳?fù)荷與溫濕指數(shù)、舒適度指數(shù)之間呈較好的正相關(guān)關(guān)系，燃?xì)庳?fù)荷與風(fēng)寒指數(shù)、累積溫度之間呈較好的負(fù)相關(guān)關(guān)系。