程海峰 陳守濤 何健 張舉

1 安徽建筑大學(xué)節(jié)能研究院教育部建筑能效控制與評(píng)估工程研究中心

2 安徽建筑大學(xué)環(huán)境與能源工程學(xué)院

0 引言

我國(guó)建筑占社會(huì)能耗近40%[1-2]。根據(jù)氣候條件合理有效控制建筑供暖空調(diào)能耗[3]，Thom 提出度日數(shù)方法對(duì)建筑能耗進(jìn)行研究[4]。度日數(shù)可作為建筑能耗衡量的重要指標(biāo)[5]，與建筑能耗指標(biāo)呈顯著的線(xiàn)性關(guān)系[6-7]。我國(guó)HDD/CDD 在區(qū)域間分布差異較大[8]，安徽合肥在同一年中沒(méi)有月份中出現(xiàn)溫差超過(guò)8℃以上的天氣[9]。

以往對(duì)采暖及制冷度日數(shù)進(jìn)行的研究不能判斷區(qū)域冷熱需求的時(shí)間分布，持續(xù)時(shí)間及需求量多少的問(wèn)題，且采暖及制冷度日數(shù)并沒(méi)有反映出采暖及制冷度日數(shù)在采暖制冷季的熱峰及冷峰的持續(xù)狀況。本文通過(guò)對(duì)宿州地區(qū)三十年的氣象參數(shù)進(jìn)行計(jì)算對(duì)比分析，定義了冷熱強(qiáng)度與程度的概念，解決了度日數(shù)無(wú)法反饋空調(diào)負(fù)荷的分布時(shí)間及程度多少的問(wèn)題，得出了該地采暖和制冷度日數(shù)在冷、熱強(qiáng)度極值和冷、熱程度上的分布特征。

1 氣象資料及平均年典型氣象年

1.1 宿州地理氣象條件

宿州市地處黃淮平原區(qū)域，屬暖溫帶半濕潤(rùn)季風(fēng)氣候區(qū)。東與江蘇省宿遷市接壤，西與河南省商丘市交界，西北毗鄰山東省菏澤市，南臨蚌埠市，北臨江蘇省徐州市。年平均降水量在774～896.3 mm 之間，總量雖較充沛，但各季降水分布極不均勻。太陽(yáng)輻射總量為124.1～129.4 kCal/cm2年之間，全年日照時(shí)數(shù)為2322.9 至2471.7 h，日照百分率為50%～60%。

1.2 平均年及典型氣象年

本文取宿州地區(qū)1986-2016 年間的氣象參數(shù)，計(jì)算分析出30 年月平均溫度，以計(jì)算的月平均值作為絕對(duì)平均年。選取年份中月平均溫度接近30 年的平均值月份作為平均年月份。根據(jù)《城市居住區(qū)熱環(huán)境設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》[10]，典型氣象年Typical Meteorological Year（TMY），是以近30 年的月平均值為依據(jù)，從近10 年的數(shù)據(jù)中選取一年各月接近30 年的平均值作為典型氣象年。表1 為宿州地區(qū)1986-2016 平均年及氣象年日平均溫度。

從表1 中可以看出，宿州溫度分布差異明顯，冬季時(shí)間月份為12 月至2 月，平均年最低氣溫月為1 月日均氣溫為1.5 ℃，氣象年氣溫最低月也發(fā)生在1 月日均氣溫為1.6 ℃。夏季時(shí)間月份為6 月至8 月，平均年及氣象年最高溫度月為7 月日均氣溫達(dá)到27.7℃。對(duì)比分析可發(fā)現(xiàn)宿州地區(qū)冬季氣溫于典型氣象年中高于絕對(duì)平均年和平均年，呈上升趨勢(shì)。

表1 宿州地區(qū)1986-2016 平均年及氣象年日平均溫度

2 采暖度日數(shù)（HDD）及制冷度日數(shù)（CDD）

2.1 度日數(shù)的定義

當(dāng)氣溫超過(guò)人類(lèi)生產(chǎn)、生活的舒適性范圍，就需要通過(guò)人為手段將溫度調(diào)控至適宜范圍，在天氣過(guò)冷時(shí)需要采暖，天氣過(guò)熱時(shí)則需要制冷。人體適宜的溫度閾值，稱(chēng)之為基準(zhǔn)溫度，而用以衡量某具體溫度工況下制冷或供暖需求強(qiáng)度的指標(biāo)稱(chēng)之為度日數(shù)。度日即是指當(dāng)日溫度與規(guī)定的適宜溫度的基準(zhǔn)溫度閾值之差與天的量綱乘積，分為熱度日（Heating Degree Day，HDD）和冷度日（Cooling Degree Day，CDD）[11]。根據(jù)《民用建筑熱工設(shè)計(jì)規(guī)范GB50176-2016》[12]，度日數(shù)分為CDD26 以26 ℃為基準(zhǔn)的制冷度日數(shù)，HDD18 以18 ℃為基準(zhǔn)的采暖度日數(shù)。

式中：i 為某一天；n 為所求期間的總天數(shù)；T 為某天的平均溫度；Th為HDD 閾值溫度，Th=18 ℃；Tc為CDD閾值溫度，Tc=26 ℃。

3 度日數(shù)的計(jì)算分析及分布特征

3.1 采暖度日數(shù)的計(jì)算分析

表2 則為宿州地區(qū)平均年以及典型氣象年采暖度日數(shù)。

表2 宿州地區(qū)平均年及典型氣象年采暖度日數(shù)

通過(guò)表2 計(jì)算典型氣象年中：

1）持續(xù)時(shí)間為9 月份至5 月份，共有9 個(gè)月發(fā)生采暖度日數(shù)，全年累計(jì)為2009.4 ℃·d。

2）5、6 月份與9 月份發(fā)生度日數(shù)且數(shù)值較小，分別為7.9 ℃·d，0.3 ℃·d 和6.0 ℃·d，說(shuō)明出現(xiàn)個(gè)別天數(shù)日均氣溫較低的異?，F(xiàn)象。

3）1 月份出現(xiàn)極大值508.5 ℃·d 占全年度日數(shù)1/4，12 月至2 月發(fā)生的采暖度日數(shù)占全年的2/3。

平均年中全年累計(jì)為2046.5 ℃·d，5 月與10 月采暖度日數(shù)發(fā)生比典型氣象年小，同時(shí)6 月份沒(méi)有發(fā)生采暖度日數(shù)。

分析可得宿州地區(qū)采暖度日數(shù)的分布域較廣。對(duì)比分析出采暖度日數(shù)強(qiáng)度總量下降，但過(guò)渡季節(jié)冷量增加，最冷月冷峰小幅下降。反映出近年過(guò)渡季節(jié)異常天氣變多。

3.2 采暖度日數(shù)的冷強(qiáng)度及程度分布特征

以0 ℃、5 ℃、10 ℃、16 ℃溫度線(xiàn)為基準(zhǔn)縱向發(fā)生的累計(jì)度日數(shù)定義為冷強(qiáng)度，相同強(qiáng)度下的累計(jì)度日數(shù)定義為冷程度。圖2～4 為典型氣象年每日采暖度日數(shù)分布圖。

圖2 典型氣象年1-122 每日采暖度日數(shù)分布圖

圖3 典型氣象年123-244 每日采暖度日數(shù)分布圖

圖4 典型氣象年245-365 每日采暖度日數(shù)分布圖

從圖2～4 計(jì)算典型氣象年中每日采暖度日數(shù)：

1）冷強(qiáng)度極值發(fā)生在2 月8 日為22.4 ℃·d，此時(shí)對(duì)應(yīng)的日均氣溫為-4.4 ℃。

2）冷強(qiáng)度值為18 ℃·d（日均氣溫低于0 ℃）全年共有9 天，冷程度分布狀況：1 月5 日至8 日連續(xù)4 天冷程度值為81.7 ℃·d，2 月7 日至9 日連續(xù)3 天冷程度值為60.5 ℃·d 的情況發(fā)生。

3）冷強(qiáng)度值為13.0 ℃·d（日均氣溫低于5 ℃）共有77 天，冷程度分布狀況：11 月27 至28 日連續(xù)2 天冷程度值為30.6 ℃·d，12 月2 至12 日連續(xù)11 天冷程度值為161.0 ℃·d，12 月16 日至22 日連續(xù)7 天冷程度值為104.5 ℃·d，12 月26 日至1 月31 日連續(xù)37 天冷程度值為601.9 ℃·d，2 月3 日至15 日連續(xù)13 天冷程度值為211.7 ℃·d，2 月18 至20 連續(xù)3 天冷程度值為43.9 ℃·d，3 月1 日至4 日連續(xù)4 天冷程度值為57.4 ℃·d。

4）冷強(qiáng)度值為8.0 ℃·d（日均溫度低于10 ℃）共123 天，冷程度分布狀況：11 月10 日至11 日連續(xù)2 天冷程度值為17.1 ℃·d，11 月16 日至20 日連續(xù)5 天冷程度值為54.8 ℃·d，11 月22 日至24 日連續(xù)3 天冷程度值為24.5 ℃·d，天11 月26 日至2 月24 日連續(xù)91天冷程度值為1356.5 ℃·d，3 月1 日至3 月11 日連續(xù)11 天冷程度值為124.9 ℃·d，3 月14 日至3 月15 日連續(xù)2 天冷程度值為16.0 ℃·d，3 月20 日至3 月25 日連續(xù)6 天冷程度值為56.8 ℃·d。

5）冷強(qiáng)度值為2.0 ℃·d 時(shí)冷程度值為1995.8 ℃·d全年占比99.3%。冷強(qiáng)度值為8.0 ℃·d 時(shí)冷程度值為1685.9 ℃·d 全年占比83.9%。冷強(qiáng)度值為13.0 ℃·d 時(shí)冷程度值為1208.6 ℃·d 全年占比60.1%。冷強(qiáng)度值為18.0 ℃·d 時(shí)冷程度值為178.6 ℃·d 全年占比8.9%。

平均年全年共有9 天每日采暖度日數(shù)大于18 ℃·d（日均溫度低于10 ℃），冷強(qiáng)度極值發(fā)生在2 月1 日為20.5 ℃·d，此時(shí)對(duì)應(yīng)的日均氣溫為-2.5 ℃。冷強(qiáng)度值為13.0 ℃·d（日均氣溫低于5 ℃）共發(fā)生76 天，冷強(qiáng)度值為8.0 ℃·d（日均溫度低于10 ℃）共發(fā)生126 天。通過(guò)對(duì)比可發(fā)現(xiàn)近年采暖度日數(shù)總量數(shù)呈下降趨勢(shì)。但采暖度日數(shù)極值在上升說(shuō)明極端寒冷天氣更加極端化。同時(shí)過(guò)渡季節(jié)天氣異常頻次明顯增多。

3.3 制冷度日數(shù)的計(jì)算分析

表3 為宿州地區(qū)典型氣象年制冷度日數(shù)。

表3 宿州地區(qū)典型氣象年制冷度日數(shù)

通過(guò)表3 計(jì)算典型氣象年中：

1）制冷度日數(shù)發(fā)生在5 月份至9 月份，總共有5個(gè)月發(fā)生制冷度日數(shù)，全年制冷度日數(shù)累計(jì)為155.8℃·d。

2）5 月、9 月份發(fā)生度日數(shù)且數(shù)值較小，為2.5 ℃·d 和1.3 ℃·d，出現(xiàn)少數(shù)日均氣溫較高現(xiàn)象。

3）7 月份出現(xiàn)制冷度日數(shù)極大值68.1 ℃·d 占全年度日數(shù)43.7%，6 月至9 月發(fā)生的制冷度日數(shù)占全年的97.6%。

平均年中全年制冷度日數(shù)累計(jì)為121.6 ℃·d，發(fā)生在6 月份至9 月份共4 個(gè)月。9 月份發(fā)生度日數(shù)且數(shù)值較小，為1.3 ℃·d，說(shuō)明出現(xiàn)個(gè)別日均氣溫較高現(xiàn)象。分析可得宿州地區(qū)采暖度日數(shù)的分布域較窄。對(duì)比分析性出制冷度日數(shù)總量呈增加趨勢(shì)，最熱月熱峰小幅上升，且5 月出現(xiàn)度日數(shù)。反映出極端炎熱氣溫愈發(fā)變高，過(guò)渡季節(jié)異常天氣頻次增多。

3.4 制冷度日數(shù)的強(qiáng)度及持續(xù)程度分布特征

以28 ℃、30 ℃、32 ℃溫度線(xiàn)為基準(zhǔn)縱向發(fā)生的累計(jì)度日數(shù)定義為熱強(qiáng)度，相同強(qiáng)度下的累計(jì)度日數(shù)定義為熱程度。

圖5 為典型氣象年全年每日制冷度日數(shù)分布圖。

圖5 典型氣象年全年每日制冷度日數(shù)分布圖

從圖5 計(jì)算典型氣象年中每日制冷度日數(shù)：

1）熱強(qiáng)度極值發(fā)生在7 月2 日為7.1 ℃·d，此時(shí)對(duì)應(yīng)的日均氣溫為33.1 ℃。

2）全年共有2 天熱強(qiáng)度值高于6.0 ℃·d（日均氣溫高于32 ℃），為6 月30 日和7 月2 日，間隔的時(shí)間較短。

3）熱強(qiáng)度值為4.0 ℃·d（日均氣溫高于30 ℃）共有14 天，熱程度分布狀況：6 月28 至7 月3 日連續(xù)6 天熱程度值為34.1 ℃·d，7 月23 日至26 日連續(xù)4 天熱程度值為19.3 ℃·d，8 月2 日至5 日連續(xù)4 天熱程度值為20.7 ℃·d。

4）熱強(qiáng)度值為2.0 ℃·d（日均溫度高于28 ℃）共有34 天，熱程度分布狀況：6 月15 日至6 月23 日連續(xù)9天熱程度值為22.8 ℃·d，6 月27 日至7 月3 日連續(xù)7天熱程度值為37.4 ℃·d，7 月8 日至12 日連續(xù)4 天熱程度值為13.2 ℃·d，7 月22 日至26 日連續(xù)5 天熱程度值為22.2 ℃·d，7 月28 日至8 月5 日連續(xù)9 天熱程度值為38.1 ℃·d。

5）熱強(qiáng)度值為2.0 ℃·d 時(shí)熱程度為132.4 ℃·d 全年占比85.0%。熱強(qiáng)度值為4.0 ℃·d 時(shí)熱程度值為82.9 ℃·d 全年占比53.2%。熱強(qiáng)度值為6.0 ℃·d 時(shí)熱程度值為13.1 ℃·d 全年占比8.4%。

平均年全年共有2 天日采暖度日數(shù)大于6.0 ℃·d（日均氣溫高于32 ℃）。熱強(qiáng)度極值發(fā)生在7 月18 日為6.9 ℃·d，此時(shí)對(duì)應(yīng)的日均氣溫為32.9 ℃。熱強(qiáng)度值為4.0 ℃·d（日均氣溫高于30 ℃）共12 天。強(qiáng)度值大于2.0 ℃·d（日均溫度高于28 ℃）共24 天。通過(guò)對(duì)比可發(fā)現(xiàn)近年制冷度日數(shù)總量數(shù)呈下降趨勢(shì)。但制冷度日數(shù)熱強(qiáng)度極值在上升說(shuō)明極端炎熱天氣更加極端化。同時(shí)過(guò)渡季節(jié)天氣異常頻次明顯增多。

4 結(jié)論

目前對(duì)HDD/CDD 值得研究無(wú)法表明區(qū)域的冷熱需求時(shí)間分布，持續(xù)程度及需求量。本文定義了以0 ℃、5 ℃、10 ℃、16 ℃溫度線(xiàn)為基準(zhǔn)縱向發(fā)生的累計(jì)度日數(shù)為冷強(qiáng)度，相同強(qiáng)度下的累計(jì)度日數(shù)為冷程度。以28 ℃、30 ℃、32 ℃溫度線(xiàn)為基準(zhǔn)縱向發(fā)生的累計(jì)度日數(shù)為熱強(qiáng)度，相同強(qiáng)度下的累計(jì)度日數(shù)為熱程度。為能耗分析研究及能源方案設(shè)計(jì)提供新的數(shù)據(jù)參照方法。

1）宿州地區(qū)30 年典型氣象年采暖度日數(shù)累計(jì)為2009.4 ℃·d。最冷天度日數(shù)為22.4 ℃·d。1 月采暖度日數(shù)為采暖期峰值，占全年采暖度日數(shù)1/4。強(qiáng)度值大于2.0 ℃·d 共1995.8 ℃·d 全年占比99.3%。強(qiáng)度值大于8.0 ℃·d 共1685.9 ℃·d 全年占比83.9%。強(qiáng)度值大于13.0 ℃·d 共1208.6 ℃·d 全年占比60.1%。強(qiáng)度值大于18.0 ℃·d 共178.6 ℃·d 全年占比8.9%。

2）典型年中全年制冷度日數(shù)為155.8 ℃·d。最熱天度日數(shù)為7.1 ℃·d。7 月制冷度日數(shù)為制冷期峰值，占全年制冷度日數(shù)近1/2。強(qiáng)度值大于2.0 ℃·d 共132.4 ℃·d 全年占比85.0%。強(qiáng)度值大于4.0 ℃·d 共82.9 ℃·d 全年占比53.2%。強(qiáng)度值大于6.0 ℃·d 共13.1 ℃·d 全年占比8.4%。

3）冷強(qiáng)度值為13.0 ℃·d，即日均氣溫低于5 ℃，共有77 天，其冷程度最大值分布在12 月26 日至1 月31 日連續(xù)37 天冷程度值為601.9 ℃·d。全年占比達(dá)30.0%。

4）制冷度日數(shù)持續(xù)時(shí)間有6.28 日至7.3 日6 天，7月4 天，8 月3 天的強(qiáng)度大于4 ℃·d 情況發(fā)生。有6 月9 天，6.27 日后11 天，7 月5 天，7.28 日后9 天的強(qiáng)度大于2 ℃·d 發(fā)生。

5）熱強(qiáng)度值為4.0 ℃·d，即日均氣溫低于30 ℃，共有14 天，其熱程度最大值分布在6 月28 至7 月3日連續(xù)6 天熱程度值為34.1 ℃·d，全年占比達(dá)21.9%。

6）全年中5 月6 月與9 月份均有采暖及制冷度日數(shù)發(fā)生，表明相同月份中存在日均溫差超過(guò)8.0 ℃的異常天氣頻次變多，但強(qiáng)度不大。

7）對(duì)比分析可得近年來(lái)該地區(qū)采暖度日數(shù)呈下降趨勢(shì)，制冷度日數(shù)呈上升趨勢(shì)。極端天氣趨于更加極端化現(xiàn)象。相同強(qiáng)度下的采暖度日持續(xù)程度降低，制冷度日持續(xù)程度上升，表明氣溫呈上升趨勢(shì)。