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采暖制冷能耗日变化与新疆空间分布特征

随着世界石油等能源价格的不断提高,节约能源和提高能源利用效率已成为社会各界的共识。目前,我国采暖与制冷能耗已占全国能源消费总量的近27.6%,随着社会经济的发展,采暖、制冷能耗还会继续增加。多年来的研究和实践证明,建筑节能在各种节能途径中是潜力最大也最为直接有效的方式。因此,准确确定建筑采暖与制冷基准温度、正确计算建筑物采暖与制冷能耗,对于提高暖通空调系统的能源利用效率,扭转建筑用能严重浪费的局面,实现国家节约能源和保护环境的战略具有重要意义。由于建筑物的能耗与采暖/制冷度日数之间呈近似的线性关系,所以度日法多用于估计采暖和制冷能源需求。有关采暖/制冷度日数的计算及其空间分布规律的研究已有很多报道,但专门针对新疆的研究还未见。鉴于新疆位于中纬度内陆干旱区,境内很多地区属于酷热、或边远严寒地区,不仅有很高的冬季采暖需要,而且有夏季制冷降温的要求。这就导致区域内的建筑热工能耗(包括采暖和制冷能耗)占建筑总能耗的比例很高。因此,本文主要依据日最高和最低温度观测值计算新疆16个主要城市的采暖和制冷度日数,并探讨其空间分布特征,以期为下一步进行能耗分析、研究建筑节能途径奠定基础。1数据和方法1.1资料不连续站补。根据对于既有补资料来源于中国气象局国家气象中心资料室整编的全疆54个测站的逐日最高、最低气温记录。为了保证资料的均一性,首先剔出了缺测比较严重以及时间覆盖不够的测站,然后对资料不连续的台站进行适当插补,插补方法为:对单日缺测,用本站前后各1天的值取平均做为该缺测值;对于两日以上连续缺测值,采用缺测站与相邻站进行线性回归的方法来插补。这样,全疆有16个主要城市台站资料连续性较好,台站信息、缺测情况与缺测值的处理方式见表1。1.2基准温度的确定从原理上讲,度日值是建筑物采暖或制冷能源需求的一种量度。一段时期(月、季和年等)的采暖度日数是指室外日平均气温与采暖基准温度之差值在这段时期内的和。凡平均温度低于基准温度的均计入采暖度日数,而高于基准温度的均计入制冷度日数。有关采暖和制冷度日数的计算方法已有很多报道。最简便的方法是利用日平均气温与基准温度的比较;而相对复杂的方法是基于气温的日格局与基准温度的比较。在本研究中,利用简便方法,即采用日平均气温与基准温度相比较的方式来计算采暖度日数(HDD)和制冷度日数(CDD)。对于所考虑的具有日数n的时段,计算采暖度日数的具体公式为:HDD=∑i=1n(Tb?Tmeani)ΗDD=∑i=1n(Τb-Τmeani),(1)式中:第i日的日平均温度取为第i日的日最高温与最低温的平均值,即Tmeani=(Tmaxi+Tmini)/2;Tb为基准温度,本文分别取10℃、12℃、14℃、16℃、18℃和20℃。同样,计算制冷度日数的公式为:CDD=∑i=1n(Tmeani?Tb)CDD=∑i=1n(Τmeani-Τb),(2)式中:的基准温度Tb本文分别取18℃、20℃、22℃、24℃、26℃和28℃。值得说明的是,目前,世界各国和地区在基准温度的选取上存在比较大的差异,如约旦在计算采暖度日数时采用15.5℃作为基准温度,而沙特选择17.8-21.1℃。世界上多数国家采用18.3℃作为计算采暖度日数的基准温度。我国则分别采用18℃和26℃作为计算采暖度日数和制冷度日数的基准温度。本文虽然计算了上述所有基准温度下的采暖和制冷度日数,但只重点分析基准温度18℃和24℃下的采暖与制冷度日数。2结果与讨论2.1新疆南部的阿勒泰城市依据相关的气象数据和公式(1),计算出了新疆16个主要城市的不同基准温度(8、10、12、14、16和18℃)下的年和季采暖度日数。表2列出了新疆主要城市1959~2004年基准温度18℃下的年采暖度日数的统计特征。从表2的数据可以看出,基准温度18℃下,新疆16个城市的多年平均年采暖度日数在2700.3~5220.5℃·d之间,以位于北部的阿勒泰市最高,位于北疆东部的奇台次之,位于西南部的和田市最低。大致存在采暖度日数由南向北随纬度的增加而增大的趋势。其它基准温度下的多年平均年采暖度日数的分布特征与上述18℃下的类似。在相同基准温度下,不同城市采暖度日数之间存在明显差异。例如,阿勒泰市(位于新疆北部)18℃基准温度下的年采暖度日数为5216.5℃·d,而和田市(位于新疆南部)的值却为2700.3℃·d。这说明,位于阿勒泰市的建筑物需要消耗比和田市相同建筑物约多2倍的采暖能量。阿勒泰市的建筑物和和田市的相比,更应该进外墙的包封绝热,并充分地利用太阳能。从标准差和变幅来看,以阿勒泰的最大,塔城次之,而库车最小(表2)。总体上北疆城市的年采暖度日数的变化幅度要明显地高于南疆城市。天山南坡城市的年采暖度日数的变幅为全疆最低,其次为昆仑山北麓的城市,而阿勒泰山南麓的城市变幅最大。说明平均年采暖度日数高的城市,其年际变化越大、采暖度日数越不恒定。从年采暖度日数随基准温度的变化来看,采暖度日数随基准温度的增大而增大(图1)。基准温度从8℃升高到18℃,位于新疆北部的阿勒泰市的年采暖度日数增加2274.13℃·d,即基准温度每增加1℃,年采暖度日数大约增加227℃·d。反之,亦反。而位于新疆南部的和田市,这一增加大约为1662.4℃·d,即基准温度每增加1℃,年采暖度日数大约增加166℃·d。由此说明,在相同的基准温度增幅下,越往北年采暖度日数的增加量越大,从而节能潜力就越大。从节能的角度来讲,人们应依据建筑物的热特征选择尽可能低地的基准温度。也可将温空装置设置到舒适区域的低端。另外,还应该对建筑物实施热绝缘并使空气泄露最小。由于获得太阳辐射能的多少是影响基准温度值的另一个因素,故在建筑物的建造方式上,应使建筑物在采暖季节接收到尽可能多的太阳辐射,而在制冷季节尽可能的少。新疆主要城市多年平均年采暖度日数随纬度的升高而增大。简单线性回归分析表明,基准温度18℃下的年采暖度日数与纬度之间的Pearson相关系数为0.826,达到0.001的显著水平(图2)。年采暖度日数也随经度的增加而大致增大。简单线性回归分析揭示,年采暖度日数与经度之间的Pearson相关系数为0.461,达到0.05的显著水平。此外,年采暖度日数也随高度的增加而大致增大,简单线性回归得到的二者之间的Pearson相关系数为0.442,达到0.05的显著水平。用年采暖度日数与纬度、经度和高度进行多元线性回归拟合,得到年采暖度日数的推算公式:Yh=-12567.5+287.903X1W+37.850X2+0.989X3(3)式中Yh为年采暖度日数;X1、X2和X3分别代表纬度、经度和海拔高度。该推算方程的复相关系数为0.881,达到极显著水平(信度0.001),相对误差小于18.1%,大致可以满足推算其它无观测资料地点年采暖度日数的需要。2.2基准温度的选择依据相关的气象数据和方程(2),计算出了新疆16个主要城市的不同基准温度(28、26、24、22、20和18℃)下的年制冷度日数。表2列出了基准温度24℃下年制冷度日数的统计特征。总体上,新疆16个主要城市的制冷度日数比较低。从表3的数据可以看出,基准温度24℃下,新疆16个城市的多年平均年制冷度日数位于25.9~746.4℃·d之间,以北疆北部的阿勒泰市最少,西部的伊宁市次之;位于中部的吐鲁番市最多,克拉玛依次之。在相同的基准温度下,不同城市制冷度日数之间存在明显差异。例如,基准温度24℃下年致冷暖度日数最高的吐鲁番(792.12℃·d)是年采暖度日数最低的阿勒泰(25.94℃·d)的约31倍,是位于新疆南部的和田市(174.8℃·d)的约4.5倍(表4)。这意味着吐鲁番的建筑物每年需要消耗比阿勒泰市同类建筑物约多31倍、比和田多4.5倍的制冷能源。从年制冷度日数的标准差和变幅来看,以吐鲁番的最大,乌鲁木齐次之,克拉玛依的也比较高,而伊宁最小,阿勒泰也比较小(表2)。说明平均年制冷度日数越高的城市,其年际变化越大、制冷度日数越不恒定。新疆主要城市年制冷度日数随基准温度的增大而降低(图3)。基准温度从18℃升高到28℃,16个主要城市的年制冷度日数明显减少,减少量在1391~322℃·d之间,平均为712℃·d,其中吐鲁番最多为1390.6℃·d,平均每升温1℃,制冷度日数大约减少139℃·d。而阿勒泰的减少量大约为322℃·d,即平均每升温1℃,制冷度日数大约减少32℃·d。由此可见,制冷度日数越高的城市通过调高基准温度而节能的潜力要明显高于制冷度日数低的城市。因此,为了在制冷季节节能,居住者应按建筑物的热特征尽可能地选择较高的基准温度。新疆主要城市多年平均年制冷度日数随纬度和经度的变化趋势不明显,参见图4a与4b。简单线性回归分析表明,基准温度26℃下的年制冷度日数与纬度之间的Pearson相关系数为0.009;与经度之间的Pearson相关系数也仅为0.255,达不到0.05显著相关的水平。此外,年采暖度日数随高度的增加而减小,简单线性回归得到的二者之间的Pearson相关系数为0.563,达到了0.02的显著水平,参见图4c。用年制冷度日数与纬度、经度和高度进行多元线性回归拟合,得到年制冷度日数的推算公式:Yc=2060.862-39.996X1+0.924X2-0.425X3(4)式中Yc为年制冷度日数;X1、X2和X3分别代表纬度、经度和海拔高度。该推算方程的复相关系数为0.831,达到极显著水平(信度0.002),但回归拟合的相对误差很大,无法满足推算其它无观测资料地点年制冷度日数的需要。3结论3.1新疆16个主要城市的制冷粒度数和+n基准温度18℃下,新疆16个城市的多年平均年采暖度日数在2700.3~5220.5℃·d之间,以位于北部的阿勒泰市最高,位于北疆东部的奇台次之,位于西南部的和田市最低。新疆16个主要城市的制冷度日数比较低,基准温度24℃下的多年平均年制冷度日数位于25.9~746.4℃·d之间,以北疆北部的阿勒泰市最少,西部的伊宁市次之;位于中部的吐鲁番市最多,克拉玛依次之。3.2基准温度对年采暖粒度数的影响基准温度从8℃升高到18℃,位于新疆北部的阿勒泰市的年采暖度日数增加2274.1℃·d,即基准温度每增加1℃,年采暖度日数大约增加227℃·d;而位于新疆南部的和田市,这一增加大约为1662.4℃·d,即基准温度每增加1℃,年采暖度日数大约增加166℃·d。由此说明,在相同的基准温度增幅下,越往北年采暖度日数的增加量越大,从而节能潜力就越大。新疆主要城市年制冷度日数随基准温度的增大而降低。基准温度从18℃升高到28℃,16个主要城市的年制冷度日数明显减少,减少量在1391~322℃·d之间。3.3年制冷粒度数《城市用年采暖度日数与纬度、经度和高度进行多元线性回归拟合,得到的年采暖度日数的推算方程的复相关系数为0.881,达到了极显著水平(信度0.001),相对误差小于18.1%,基本可以满足推算其它无观测资料地点年采暖度日数的需要。新疆主要城市多年平均年制冷度日数随纬度和经度的变化趋势不明显,但随高度的增加而明显减小。用年制冷度日数与纬度、经度和高度进行多元线性回归拟合,得到的年制冷度日数的推算方程的复相关系数为0.831,达到极显著水平(信度0.002),但回归拟合的相对误差很大,无法满足推算其它无观测资料地点年制冷度日数的需要。

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