氣候變化對中國東北地區(qū)典型城市辦公建筑能耗的影響

崔妍 敖雪 曹經(jīng)福2 周曉宇 李明財2 趙春雨 劉鳴彥 林蓉

(1.沈陽區(qū)域氣候中心，遼寧 沈陽 110166； 2.天津市氣象科學研究所，天津 300074)

引言

建筑能源消耗是社會能源消耗的重要組成部分，截止2016年中國建筑能源消費(8.99×109t標準煤)占全國能源消費總量的20.6%，其中公共建筑能耗占比接近4成(38%)[1]。隨著城市擴建和城市化水平不斷提升，人類對生活工作環(huán)境要求日益增加，未來建筑能耗將不可避免地進一步增加[2]。建筑能耗不僅受到圍護結構、室內(nèi)環(huán)境及設備等建筑設計的影響，還與氣溫、風速、太陽輻射等氣象因素密切相關，氣候及氣候變化已經(jīng)在建筑設計、建筑運行等諸多方面產(chǎn)生影響，是發(fā)展建筑節(jié)能技術的重要影響因素之一[3-6]。IPCC第五次評估報告指出，1880—2012年全球地表溫度升高了0.85 ℃(0.65—1.06 ℃)，且這種變暖趨勢在21世紀仍將持續(xù)[7]。因此，研究氣候變化對東北地區(qū)辦公建筑能耗的影響不僅可以揭示東北地區(qū)建筑能耗的變化規(guī)律，也可以為地方政府及設計主管部門制定相關的節(jié)能減排政策提供科學參考。

近年來，氣候變化與能耗的關系已經(jīng)引起了國內(nèi)外學者的廣泛關注，并取得了眾多研究成果。早期進行建筑能耗研究時多采用靜態(tài)能耗計算方法，其中應用最廣泛的是度日法。度日是一個地區(qū)氣候寒冷和炎熱程度的指標，可以在一定程度上反映區(qū)域和城市尺度的能源消耗[8]。采暖度日與居民建筑電力耗能和取暖用油量呈顯著正相關，溫度是短期能耗波動的主要原因[9]，若氣溫降低0.5 ℃或者1 ℃，采暖需求將分別增加9.6%和19.6%[10-11]。采用日平均氣溫得到的采暖度日分布與希臘供暖日數(shù)實測數(shù)據(jù)具有較高的一致性，且其地理分布與希臘因地形變化而造成的氣候變化是一致的[12]。一些學者[13-14]采用度日法分析了氣候變化對建筑制冷和采暖能耗的影響發(fā)現(xiàn)，隨著氣候變暖中國建筑的采暖/空調(diào)度日呈下降/上升趨勢，采暖區(qū)建筑采暖能耗明顯下降，與采暖度日變化趨勢一致[13,15]；氣候變暖導致我國北方地區(qū)冬季采暖能耗降低了5%—30%，長江中下游降低了30%以上[16]；雖然氣候變暖使得采暖能耗減少，但是夏季空調(diào)制冷能耗則有可能增加[14]。度日法由于其簡單的計算方法和操作的便利性[17]被廣泛應用于能耗研究中，但其考慮要素過于單一(氣溫)[8]，缺乏風向、風速等其他氣象要素和建筑本身特點的考慮[18]，不能很好地模擬建筑與外界的傳熱過程。隨著建筑空間日益增加和建筑結構日益復雜，僅僅采用度日指標的靜態(tài)能耗計算方法局限性不斷顯現(xiàn)[17]。因此，基于動態(tài)能耗模擬方法的研究越來越多，國外的研究者[19-20]利用EnegyPlus模擬系統(tǒng)分別在美國和巴西開展了氣候變化建筑能耗的影響研究。Wan等[21]研究了香港地區(qū)辦公建筑制冷能耗受氣候變化的影響，指出氣候變暖背景下香港制冷能耗將增加6.6%—8.1%，同時提出了提高冷機效率等減緩措施以應對能耗的增加。李明財?shù)萚18]利用TRNSYS(Transient System Simulation Program，TRNSYS)軟件對天津市建筑能耗與氣候響應的研究表明，采暖期商場建筑熱負荷極值對總負荷極值的影響顯著減小，平均氣溫是影響建筑冬季熱負荷極值的主要因素；辦公建筑采暖極端能耗日數(shù)顯著下降而制冷極端能耗日數(shù)呈上升趨勢，采暖小時極端能耗對風速和輻射響應存在延遲[22]。

東北地區(qū)是中國采暖期最長、采暖需求最高的地區(qū)，近來年也開展了一些相關研究。如李倩等[23]利用歷史氣象資料分析了遼寧省冬季采暖期和采暖能耗的變化；高峰等[24]分析了東北地區(qū)自然采暖期氣溫和采暖指標的特征。但總體而言，東北地區(qū)氣候變化和采暖能耗的研究仍然相對較少，且大多數(shù)研究依然采用基于氣象資料的靜態(tài)能耗計算方法，動態(tài)能耗模擬方法及建筑能耗方面的研究仍比較缺乏。因此，本文以中國東北地區(qū)三個重要城市(哈爾濱、長春和沈陽)為代表，采用基于動態(tài)模擬軟件TRNSYS得到的辦公建筑能耗資料，分析了氣候變化對東北地區(qū)辦公建筑設計氣象參數(shù)和辦公建筑能耗的影響，探討了影響東北地區(qū)辦公建筑能耗主要氣象因子。不僅可以為建筑設計部門進行節(jié)能設計時考慮氣候變化影響提供參考，也可以為建筑能耗預測預估提供科學依據(jù)。

1 資料與方法

1.1 資料選取

所用研究資料包括氣象資料和建筑能耗資料。氣象資料來源于國家氣象信息中心，主要包括中國東北地區(qū)三個典型城市(哈爾濱、長春和沈陽)1961—2019年逐時氣溫、相對濕度、風速、風向以及太陽輻射等。1961年以來，長春站未遷站，哈爾濱站和沈陽站分別遷站2次，遷站前后距離均在8 km以內(nèi)。采用PMF方法對其進行均一性檢驗后，發(fā)現(xiàn)臺站數(shù)據(jù)未存在明顯斷點，資料質量和連續(xù)性均比較好。在自動化觀測之前，氣象臺站只有一日4次定時資料，因此需要對自動化觀測之前的資料進行逐時化處理。逐時化處理時對不同要素采用不同的處理方法，氣溫和相對濕度資料使用三次樣條曲線進行插值，風速和風向資料采用分段插值方法，太陽輻射資料則使用西安建筑大學閆友菲等[25]開發(fā)研制的太陽輻射逐時化軟件進行逐時化處理。

1.2 建筑設計氣象參數(shù)計算方法

按照《民用建筑供暖通風與空氣調(diào)節(jié)設計規(guī)范》(GB 50736—2012)[26]計算供暖及空調(diào)調(diào)節(jié)室外設計計算參數(shù)，各參數(shù)定義及計算方法如下：

夏季空調(diào)室外計算溫度：歷年平均不保證50 h的溫度(℃)；冬季空調(diào)室外計算溫度：歷年平均不保證1 d的日平均溫度(℃)；供暖室外計算溫度：歷年平均不保證5 d的日平均溫度(℃)。

1.3 供暖/制冷能耗計算方法

本文使用的能耗資料由能耗模擬軟件TRNSYS模擬得到，該軟件是由美國威斯康辛麥迪遜大學(Wisconsin-Madison)的太陽能實驗室(SEL)研發(fā)的動態(tài)仿真軟件，系統(tǒng)采用模塊化的分析方式，一個模塊實現(xiàn)一種特定功能，最后匯總實現(xiàn)整個系統(tǒng)的模擬分析[18]。在辦公建筑的能耗模擬中，調(diào)用了其中的氣象資料處理模塊、太陽輻射模塊以及輸入輸出模塊。輸入資料包括建筑參數(shù)和氣象資料。建筑參數(shù)包括維護結構、外窗熱工參數(shù)、熱負荷朝向訂正系數(shù)等[27](表1)。氣象資料包括逐時氣溫、相對濕度、風向風速、太陽輻射。在圍護結構和采暖/空調(diào)系統(tǒng)運行方式確定的情況下，建筑能耗很大程度上與外部環(huán)境，即室外氣象條件有關。室外空氣熱濕狀況通過熱交換和空氣交換對室內(nèi)空氣產(chǎn)生影響，從而影響辦公建筑供暖/制冷能耗。氣溫和太陽輻射通過不透明的圍護結構和透明的門窗與室內(nèi)環(huán)境直接進行熱量交換，風向風速則通過影響圍護結構表面對流換熱系數(shù)從而間接影響室內(nèi)環(huán)境[28]。一般而言，在一定的室內(nèi)環(huán)境設計條件下，氣溫和太陽輻射越強，建筑冬季供暖能耗越小而夏季制冷能耗越大；風速越大，墻體對室外溫度變化的衰減作用越明顯[29]，建筑供暖能耗越大。將氣象資料和建筑參數(shù)輸入TRNSYS軟件后，即可得到逐時建筑能耗資料，進一步統(tǒng)計即可得到冬季供暖能耗和夏季制冷能耗。該能耗數(shù)據(jù)可以比較客觀地反映辦公建筑供熱以及制冷能耗，由于在模擬過程中建筑參數(shù)保持固定不變，能耗數(shù)據(jù)僅由氣象參數(shù)決定，因此能夠實現(xiàn)氣候變化對建筑能耗影響的定量化評估。

表1 中國東北地區(qū)典型城市辦公建筑主要設計參數(shù)Table 1 Major office-building design parameters in typical cities in Northeast China

2 結果分析

2.1 氣候變化對辦公建筑設計氣象參數(shù)的影響

由于自動觀測之前氣象臺站采用一日4次定時觀測，供暖室外計算溫度和冬季空調(diào)室外計算溫度均以日平均溫度為基礎資料，因此日平均氣溫采用一日4次定時觀測平均值計算得到。而夏季空調(diào)室外計算溫度則以插值后的小時數(shù)據(jù)進行計算。

按照《民用建筑供暖通風與空氣調(diào)節(jié)設計規(guī)范》室外空氣計算參數(shù)計算規(guī)定，室外計算參數(shù)的統(tǒng)計年份宜取30 a。因此,為了解氣候變化對東北地區(qū)典型代表城市建筑節(jié)能設計參數(shù)的影響，分別選取了1961—1990年、1971—2000年，1981—2010年和1991—2019年4個氣候時段進行分析。如圖1所示，受氣候變暖影響，東北地區(qū)三個典型城市辦公建筑節(jié)能設計氣象參數(shù)有明顯變化。氣候變化對供暖室外計算溫度和冬季空調(diào)室外計算溫度的影響顯著，對哈爾濱和長春的影響大于沈陽地區(qū)。

圖1 1961—2019年哈爾濱(a)、長春(b)、沈陽(c)辦公建筑設計氣象參數(shù)的變化Fig.1 Variation of office-building design meteorological parameters in Harbin (a),Changchun (b),and Shenyang (c) in Northeast China from 1961 to 2019

與1961—1990年相比，近30 a(1991—2019年)哈爾濱和長春供暖室外計算溫度分別升高了2.1 ℃和1.7 ℃，冬季空調(diào)室外計算溫度分別升高了1.9 ℃和1.6 ℃，增幅均在1.5 ℃以上(表2)；氣候變暖對沈陽供暖室外溫度和冬季空調(diào)室外計算溫度影響有限，分別升高了0.2 ℃和0.8 ℃。對于夏季空調(diào)室外計算溫度，三個城市的增幅均比較小，分別為0.6 ℃(哈爾濱)、0.2 ℃(長春)和0.4 ℃(沈陽)。氣候變化對冬季空調(diào)室外計算溫度和供暖室外計算溫度的影響更加顯著，對夏季空調(diào)室外計算溫度影響相對較小，這一研究結果與華北地區(qū)基本一致。從影響程度看，氣候變化對冬季室外計算溫度的影響在東北地區(qū)略高于華北地區(qū)，對供暖室外溫度和夏季空調(diào)室外計算溫度則與華北地區(qū)相當[30-31]。

表2 1961—2019年氣候變化對中國東北地區(qū)典型城市辦公建筑設計氣象參數(shù)的影響Table 2 Impact of climate change on office-building design meteorological parameters in typical cities in Northeast China from 1961 to 2019 ℃

2.2 氣候變化對辦公建筑能耗的影響

為獲得適宜的生活工作環(huán)境，建筑會采取供暖和制冷措施從而消耗大量能源。辦公建筑能耗主要由冬季供暖能耗和夏季制冷能耗構成。供暖和制冷能耗是辦公建筑在冬季供暖期和夏季空調(diào)期用于建筑物供暖和制冷所消耗的能量，供暖期起止日期按照《民用建筑供暖通風與空氣調(diào)節(jié)設計規(guī)范》[26]確定。中國東北地區(qū)三個城市供暖期分別為10月17日至4月10日(哈爾濱)、10月20日至4月6日(長春)和10月30日至3月30日(沈陽)；制冷期三個城市均取6月1日至8月31日。

從東北地區(qū)城市辦公建筑供暖能耗年際變化中可以看出(圖2a)，哈爾濱和長春的供暖能耗明顯大于沈陽，這可能是由于哈爾濱和長春冬季氣溫更低，供暖需求更加強烈。1961—2017年東北地區(qū)三個城市辦公建筑冬季供暖能耗均呈減少趨勢，哈爾濱和長春減少速率分別為10.25 MJ·m-2/10 a和8.53 MJ·m-2/10 a(通過0.05信度檢驗)，沈陽減少速率遠低于哈爾濱和長春，為3.25 MJ·m-2/10 a(未通過0.05信度檢驗)；這可能是由于氣候變暖背景下高緯度地區(qū)增溫幅度大于低緯度地區(qū)[7]，哈爾濱和長春的冬季氣溫增暖率也遠大于沈陽[32]導致的。從各月供暖能耗變化趨勢看(表3)，哈爾濱和長春各月辦公建筑供暖能耗均呈減少趨勢，2月和3月的供暖能耗減少幅度相對較大；沈陽各月供暖能耗變化趨勢均不太顯著，變化幅度也較哈爾濱和長春偏小，2月供暖能耗以2.12 MJ·m-2/10 a的速率顯著減少。

與辦公建筑供暖能耗變化相反，1961—2017年東北地區(qū)夏季辦公建筑制冷能耗均呈增加趨勢(圖2b)，但其增加趨勢明顯低于供暖能耗的減少趨勢。哈爾濱增加趨勢最為顯著(5.23 MJ·m-2/10 a)，其次為長春(2.38 MJ·m-2/10 a)，沈陽制冷能耗增加趨勢相對最小，為1.26 MJ·m-2/10 a，且未通過0.05信度檢驗。從各月變化看(表3)，長春和沈陽制冷期各月制冷能耗雖呈現(xiàn)增加趨勢，但并未通過0.05信度檢驗；哈爾濱各月則均呈現(xiàn)顯著增加趨勢，8月的增加趨勢略高于其他兩個月份，為1.95 MJ·m-2/10 a。

在冬季供暖和夏季制冷的共同作用下，1961—2017年東北地區(qū)典型城市年總能耗(制冷能耗和供暖能耗之和)均呈減少趨勢(圖2c)。氣候變化對沈陽辦公建筑總能耗的影響遠低于哈爾濱和長春，且由于哈爾濱和長春的供暖能耗趨勢變化明顯高于制冷能耗，因此哈爾濱和長春年總能耗分別以5.02 MJ·m-2/10 a和6.15 MJ·m-2/10 a的速率顯著減少。而沈陽則由于其供暖和制冷能耗均沒有明顯變化而使得其年總能耗也呈不顯著變化趨勢。

圖2 1961—2017年中國東北地區(qū)典型城市辦公建筑供暖能耗(a)、制冷能耗(b)和年總能耗(c)年際變化Fig.2 Interannual variation of heating energy consumption (a),cooling energy consumption (b),and annual cumulative energy consumption (c) in typical cities in Northeast China from 1961 to 2017

表3 中國東北地區(qū)典型城市辦公建筑各月能耗變化趨勢Table 3 Trend of monthly heating energy consumption in an office building in typical cities in Northeast China MJ·m-2/10 a

2.3 辦公建筑能耗的影響因子

為了更好地分析氣候變化對辦公建筑能耗的影響，將能耗與氣溫、相對濕度、風速和太陽輻射分別建立回歸方程，識別影響辦公建筑供暖和制冷能耗的主要氣象因子。回歸模型的效果用決定系數(shù)進行評估，決定系數(shù)(擬合優(yōu)度)是指回歸方程中能被解釋的方差占總方差的比例，反映了因變量的波動在多大程度上能被自變量來描述。決定系數(shù)越大，擬合效果越好，自變量對因變量的驅動力越強，預測結果相對越可靠。

辦公建筑能耗受到氣溫因素的影響較大。對于冬季供暖能耗而言(表4)，三個城市供暖能耗和氣溫回歸方程的決定系數(shù)均在0.8以上，12月至翌年2月均在0.98以上。哈爾濱、長春和沈陽的供暖能耗的氣象主要影響因子分別為濕球溫度、氣溫和濕球溫度，決定系數(shù)分別為0.96、0.96、0.94。盡管濕球溫度為哈爾濱和沈陽主要影響因素，但其與氣溫之間的差異很小，很大程度上依然可以認為是氣溫起較大作用。三個城市氣溫決定系數(shù)分別為0.95、0.96和0.93，即氣溫可以解釋供暖能耗95%、96%和93%的變化，是影響供暖能耗的重要氣象因子，這一結果與華北地區(qū)的基本一致[18,22]。三個城市除哈爾濱1月外，冬季其他月份(12月至翌年4月)主要影響因素均為氣溫，對供暖耗能的貢獻率均在90%以上。除氣溫外，相對濕度、風速和太陽輻射也對供暖耗能產(chǎn)生影響，尤其是4月，相對濕度和太陽輻射的影響增加，但與氣溫相比，其影響仍然有限。

與供暖能耗一致，辦公建筑制冷能耗的主要氣象影響因子也為氣溫(表5)，但氣溫對制冷能耗的貢獻率低于供暖能耗，能耗解釋方差分別為72%、71%和72%。與供暖能耗相比，相對濕度和太陽總輻射對制冷能耗的作用明顯增加，尤其是6月，太陽輻射的決定系數(shù)分別為0.47、0.46和0.32；相對濕度對制冷能耗的貢獻率也有所增加，長春在6月相對濕度可以解釋制冷能耗54%的變化。可見與冬季供暖能耗單一的影響因素不同，對夏季制冷能耗而言，除氣溫外，相對濕度和太陽輻射也對制冷能耗產(chǎn)生重要影響[18]。

表4 中國東北地區(qū)典型城市辦公建筑冬季能耗氣象影響因子Table 4 Meteorological influencing factors of monthly office-building energy consumption in winter in typical cities in Northeast China

表5 中國東北地區(qū)典型城市辦公建筑夏季能耗氣象影響因子Table 5 Meteorological influencing factors of monthly office-building energy consumption in summer in typical cities in Northeast China

從東北地區(qū)三個城市能耗與氣溫的回歸分析中可以看出(圖3)，供暖能耗與氣溫呈明顯的負相關關系，制冷能耗則與氣溫呈現(xiàn)明顯的正相關關系。三個城市的供暖能耗與氣溫的回歸方程決定系數(shù)均在0.90以上，相關系數(shù)分別為-0.97(哈爾濱)、-0.98(長春)和-0.96(沈陽)；制冷能耗與氣溫的回歸方程決定系數(shù)雖然較冬季略低，但也達到了0.70以上，其相關系數(shù)分別為0.85(哈爾濱)、0.84(長春)和0.85(沈陽)，均達到了極顯著水平(P<0.001)。同時可以發(fā)現(xiàn)，在氣候變化背景下，如果氣溫升高1 ℃，則哈爾濱、長春和沈陽的采暖能耗將分別減少20.6 MJ·m-2、21 MJ·m-2和18.9 MJ·m-2；而其制冷能耗將分別增加15.1 MJ·m-2、16.1 MJ·m-2和18.8 MJ·m-2；在采暖和制冷的疊加作用下，三個城市辦公建筑年總能耗將分別減少5.5 MJ·m-2、4.9 MJ·m-2和0.1 MJ·m-2。哈爾濱和長春能耗對氣候變化的敏感性高于沈陽，從一定程度上看，氣候變暖對哈爾濱和長春節(jié)能減排的正面影響可能略大于其負面影響；但對于沈陽而言，溫度變化造成的能耗并無明顯變化，因此應當采取更廣泛的措施，如推廣綠色建筑、在建筑設計中采用更有效的采暖和制冷設備、充分利用新能源和新材料等，更好地實現(xiàn)節(jié)能減排的目標[33]。

圖3 哈爾濱(a)、長春(b)、沈陽(c)辦公建筑供暖和哈爾濱(d)、長春(e)、沈陽(f)制冷能耗與氣溫的關系Fig.3 Relationships of heating energy consumption and cooling energy consumption against air temperature in office buildings in Harbin (a,d),Changchun (b,e),and Shenyang (c,f) in Northeast China

3 結論與討論

(1)受全球氣候變暖影響，1961—2019年中國東北地區(qū)三個典型城市(哈爾濱、長春和沈陽)建筑設計氣象參數(shù)發(fā)生明顯變化，氣候變化對冬季空調(diào)室外計算溫度和供暖室外計算溫度的影響程度高于夏季空調(diào)室外計算溫度，對高緯度地區(qū)(哈爾濱和長春)的影響大于低緯度地區(qū)(沈陽)。與1961—1990年相比，近30 a(1991—2019年)三個城市辦公建筑室外設計計算參數(shù)均有所升高，供暖室外計算溫度分別升高了2.1 ℃、1.7 ℃和0.2 ℃，因此在建筑設計中應充分考慮氣候變化及其產(chǎn)生的影響，從而實現(xiàn)辦公建筑的節(jié)能減排。

(2)1961—2017年中國東北地區(qū)三個城市辦公建筑年總能耗和冬季供暖能耗均呈減少趨勢，而夏季制冷能耗呈增加趨勢。氣候變化對哈爾濱和長春能耗影響大于沈陽，三個城市的年總能耗減少速率分別為5.02 MJ·m-2/10 a、6.15 MJ·m-2/10 a和1.99 MJ·m-2/10 a。

(3)氣溫是影響東北地區(qū)辦公建筑能耗的主要氣象因子，其與冬季供暖能耗和夏季制冷能耗均有較好的相關性?？梢越忉屓齻€城市供暖能耗90%以上的變化和制冷能耗70%以上的變化。氣溫每升高1 ℃，三個城市的年總能耗將分別減少5.5 MJ·m-2、4.9 MJ·m-2和0.1 MJ·m-2。

(4)利用能耗模擬數(shù)據(jù)分析了中國東北地區(qū)城市辦公建筑能耗變化及其主要影響因子。與南方濕潤地區(qū)相比，氣溫對東北地區(qū)冬季供暖能耗有明顯指示作用，對夏季制冷能耗的貢獻度也高于南方城市[34]，但夏季能耗模型解釋方差仍有提升空間。因此如何進一步優(yōu)化能耗模型，從而利用動態(tài)能耗模擬技術實現(xiàn)辦公建筑能耗的預報預測和未來情景預估將是未來研究的重點方向。