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气候变化对长沙地区采暖制冷耗能的影响

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气候变化对长沙地区采暖制冷耗能的影响
摘要：天气条件是影响电力负荷的重要因素，对于居民负荷特别是采暖制冷负荷需求具有突出的影响。长时间尺度上气候模式的变化可能显著改变冬季和夏季的天气条件，引起采暖制冷负荷需求的变化并影响电网的规划和调度运行。利用近40年气象观测数据，采用制冷日、制冷度日、采暖日和采暖度日指标，评价了长时间尺度气候变化对长沙地区采暖制冷负荷需求的影响。研究表明，因夏季采暖日和采暖度日增长明显，且昼夜温差缩小，夏季制冷负荷的增长可能对电网规划和调度运行产生明显影响。尽管冬季采暖日和采暖度日有所下降，但极寒天气概率上升，对电网影响可能更为突出。关键词：气候变化；采暖能耗；制冷能耗
Climatewarming’simpactonheating&coolingenergydemandinChangshaChenFeng1，HuJuan2，SuSheng11.StateGridCorporationofChina，ElectricpowercorporationofChangsha.2.ChinaEnergyEngineeringGroupHunanElectricPowerDesignInstituteCO.，LTD.，HunanChangsha，410007.Abstract：Powerloadcouldbedeterminedbytheclimateatlarge.Climatechangeoverlongtermcouldalterclimateinthesummerandwinter，andhence，changetheheatingandcoolingenergydemandinthewinterandsummer.40-yearmeteorologicaldataareutilizedtocalculateHeatingDay（），HeatingDegreeDay（HDD），CoolingDay（CD），andCoolingDegreeDay（CDD）inChangsha.ItisuncoveredthattherearenotableescalationinbothCDandCDD.Theescalationincoolingenergydemandcouldstresspowersystemobviously.Moreover，therearedeclineinbothHDandHDD.However，theescalationinlikelihoodofextremecoldeventscouldnegativeimpactpowersystemevenmore.Keywords：Climatewarming，Heatingdemand，Coolingdemand.

1引言
近百年来化石性能源消耗的大量增加，导致CO2等温室气体的排量增大，全球正经历着一次以变暖为主要特征的气候变化。联合国政府间气候变化专门委员会发布的评估报告[1]指出，根据全球地表温度量测资料，有记录以来10个最暖年份均发生在最近14年（2000-2013），而最近100年（1906年-2005年）的温度线性趋势为0.74℃（0.56℃到0.92℃之间），这一趋势大于《第三次评估报告》中的0.6℃（0.4℃到0.8℃之间）的相应趋势（1901-2000年）[1]。
伴随着经济的快速发展，居民生活水平和住房条件都得到了明显提高和改善，采暖、制冷空调设备的占有率及其能耗占总能耗的比例也随之水涨船高。目前，我国采暖、制冷等建筑能耗已达全国能耗总量的27.6%[2]。因气温高低直接关系到城市采暖和降温耗能[3]，全球气候变化将显著地改变能源需求的时域分布，已使得部分地区的冬高峰转换为夏高峰，并可能对电网规划等产生突出影响。
本文采用长沙地区1973至2012年逐时温度数据，借助制冷日数、制冷度日、采暖日和采暖度日等指标分析了长时间尺度下长沙地区采暖、制冷耗能的变化趋势。2采暖制冷耗能指标定义与计算方法2.1采暖期和制冷期
根据采暖通风与空气调节设计规范的规定，设计计算用采暖期及制冷期天数，应按累年日平均温度低于、等于采暖或制冷室外临界温度的总日数确定。当前，我国对民用建筑和工业建筑采暖室外临界温度一般取5℃，制冷临界温度取28℃[4]。
采暖期和制冷期的长度可以用作反映采暖、制冷耗能的度量指标。在假定采暖制冷耗能
强度均匀的情况下，采暖期和制冷期的长短即可反映采暖和制冷耗能的大小。采暖期或制冷期长，相应采暖制冷耗能就多；否则采暖制冷耗能较少[5]。
长沙地处南方，一般按家庭分散供暖而非集中供暖，因此计算确定采暖期长度可逐年累加日均温度小于5℃的日数。制冷期长度亦可采用类似方法，累加计算温度大于28℃的日数。需要指出的是，因制冷负荷主要由最高温度决定，计算制冷日数时按最高温度计算确定。2.2度日
因采暖、制冷耗能强度不均匀，采暖期和制冷期长度只能反应期间时长，难以反应所需制冷、采暖强度。为反应极端高温、低温的影响，还引入度日的概念。度日是某一时期内大于或小于某一界限温度的日平均温度的总和，分为空调度日CDD（CoolingDegreeDays）和采暖度日（HDD，HeatingDegreeDays），它是一种反映能源需求状态的热量单位[5]。采暖度日（HeatingDegreeDay，HDD）
采暖度日是指一段时间日均温度低于临界温度的累积度数。采暖需求可用采暖度日加以估算。一个时段的采暖度日总量一般与该时段总加热量成正比。如日均温度高于该值，则该天采暖度日为0，即rd=0；否则rd=1，其计算公式如（1）所示。其中，采暖室外基础温度T0一般采用5℃。制冷度日（CoolingDegreeDay，CDD）
制冷度日是指一段时间日平均温度高于某基础温度的累积度数。如果日最高温度低于该值，则该天空调度日为0，即rd=0，否则rd=1。制冷度日计算公式如（2）所示：因气象学上夏季的标志温度是28oC，临界温度T0选用28oC。CDD是暖季高温程度的描述，也可描述热季制冷需求，它反映了制冷期温度高低，制冷度日值大则制冷期温度高，制冷能耗大。
制冷度日总量大小反映制冷期温度高低。制冷度日大则制冷期温度高，制冷强度大。因此，空调期度日的变化能直接反映制冷能耗量的变化。研究表明[9]，制冷度日和电力消耗之间有着较高的相关关系。3资料分析
选取长沙气象站1973年到2012年地面观测数据。该数据集包含3小时间隔、每日8次的地面风速、温度观测数据，从中解析可以得出逐日平均温度和日最高温度。3.1温度变化趋势分析
由图可见：
年均气温和年均最高气温均有明显上升趋势。因两者均为全年气温的平均值，显著消除了部分极值和随机因素的影响，其数值多集中分布在较窄的区域之间。
年均温度上升率为0.272℃/10a，其增速明显高于年均日高温的增长率1.74℃/10a，表明夜间低温时段的温度增长趋势明显快于昼间。因冬季采暖以日均气温为依据，冬季采暖耗能下降速度可能会更快。
日均气温和日均最高温度两者增速的不一致，使得平均日夜温差缩小。日夜温差的缩小对于冬季采暖无明显影响，但对于夏季制冷负荷的时域分布可能产生明显影响。3.2制冷日数和制冷度日变化趋势分析
图2、图3为过去40年间长沙地区制冷日和制冷度日变化趋势线性拟合图。

由图可见：
受年均最高温度抬升影响，制冷日和制冷度日有明显的上升趋势。制冷日增速为3.78d/10a，制冷度日为17.674d℃/10a。
因制冷日日和制冷度日是依据每天最高温度是否超过28℃计算确定，它受气候随机性因素影响较大，数值分布区间较为发散。

因制冷日仅计及超门槛值温度日数，而制冷度日还体现超门槛值温度的程度，两者的趋势有一定差异。如2010、2011和2012年制冷日仅为101、111和106天，明显低于之前5年，但制冷度日基本上处于500d℃至600d℃区间之内。
3.3采暖日数和采暖度日变化趋势分析
因冬季采暖一般跨年，以下将相邻年份秋冬季制冷日累加处理，2012年初春数据并入2011年冬季并去除2012年记录。按以上流程计算得到采暖日和采暖度日数据后将其变化趋势线性拟合绘制如图4、图5。由图可见：
受年均温度抬升影响，采暖日和采暖度日亦有较为明显的下降趋势。采暖日降速为-1.30d/10a，采暖度日为-6.773d℃/10a。
采暖日和采暖度日的分布同样较为发散。采暖日在12到57天之间，而采暖度日在23d℃到201d℃之间。其中，1998年采暖日和采暖度日均为最低。
因制冷日日和制冷度日是依据每天最高温度是否超过28℃计算确定，它受气候随机性因素影响较大，数值分布区间较为发散。
尽管采暖日和采暖度日下降趋势较为明显，但仍存在相当概率的冬季极寒事件。如2004-2005和2007-2008冬季的极寒事件，不单引起冬季负荷，还造成了大面积覆冰，后者甚至还造成了电网大停电事故。4结论和讨论
本文分析长沙地区逐日平均温度和平均最高温度，得出如下结论：过去40年间，长沙地区年均气温和最高气温存在明显的上升趋势。
受最高气温抬升影响，制冷日和制冷度日均有明显上升趋势。与之前相比，近十年的采暖度日多在500d℃以上，有较明显抬升。此外，因昼夜温差减小，制冷能耗的增长可能超出制冷度日反应的程度，对电网的规划和调度运行可能造成较为明显的影响。
尽管采暖日和采暖度日存在下降的趋势，发生极寒事件的概率反而有所增加。而极寒条件下的架空线路大面积覆冰是威胁电力系统安全运行的突出因素。需要指出的是：
气候变化和城市的热岛效应都有可能造成城市地表平均温度和最高温度的上升，但要界定两者的作用尚需加入相邻地域未受城市化影响气象站点观测数据。
因经济发展迅速，居民生活水平快速提高，除气候条件的变化外，居民采暖制冷的行为模式和所用电器的演变对采暖制冷耗能同样有非常突出的影响。
我省即将接入特高压直流输电项目将大规模引入西北地区风电。因西北地区风电一般在冬季和春季大发，如此时冬季采暖耗能需求下降，可能对湖南电网的运行造成明显的影响。参考文献：
[1]IPCC；WGITheForthAssessmentReport：SummaryforPolicymakers2007.[2]张小玲，王迎春.北京夏季用电量与气象条件的关系及预报[J].气象与环境.200228（2）：17-21.[3]辛红.武汉盛夏高温与供电关系[J].