空調負荷與城市微氣象的交互影響

（廣東電網公司佛山供電局，佛山,528000）

空調負荷與城市微氣象的交互影響

劉尚勇

（廣東電網公司佛山供電局，佛山,528000）

城市微氣象對負荷的耗電量有重要影響，改善城市微氣象可以顯著的達到節能減排的效果。本文通過考慮熱島效應、累積效應、以及溫濕效應三者對微氣象的影響，討論空調負荷與城市微氣象的交互影響，探索空調負荷與城市微氣象間的惡性循環轉為良性循環的措施，通過減少空調負荷的使用量，降低電力系統的脆弱性、減少溫室氣體以及污染物的排放，間接實現對環境的保護。

微氣象;空調負荷;節能減排;交互影響

0 引言

影響人類用電的環境主要指微氣象中所發生的一切影響電力負荷的物理現象和過程，如溫度、相對濕度、雨雪、冰雹、熱島效應、累積效應、溫室效應等，夏季時溫度、相對濕度以及在其基礎上產生的熱島效應、累積效應和溫濕效應的影響最為突出。

一般情況下將負荷分為四大類：基本正常負荷、特別事件負荷、隨機分量負荷以及天氣敏感負荷。夏季時正常負荷一般情況下會穩定持續在一定范圍，特別事件負荷與隨機分量負荷在電力負荷中的比率很小，天氣敏感負荷則所占比重較大（高峰負荷時期，大多數城市的空調負荷的比例達到30%-50%）且隨環境變化最為明顯，因此掌握了天氣敏感負荷的變化規律，就能夠預測短期內的負荷走向。只要研究變化負荷，再加上穩定負荷，也就可以掌握整體負荷水平以及整體負荷結構。

圖1 某地區年用電負荷分布曲線

負荷分布具有明顯的波動性，引起波動的因素很多，主要因素包括：氣候的變化，經濟活動的變化等。圖1所示為某地區的年日耗電量曲線，可知四月份是全年耗電量的最低點，其原因為四月份是該地區的氣候最宜人的時期，沒必要通過增加用電以改善生活適宜度。但從五月份開始，空調負荷的日耗電量逐月攀升，七月八月時達到頂峰，這是與當地的日氣溫升高的趨勢相近；緊接著隨著氣溫的下降，空調負荷的使用率下降，日耗電量也緊隨下降。按照常理，該地區十月份的氣候與四月份接近，氣溫一般不會出現驟變，但是從圖中值比較來看，較于四月份十月份平均日耗電量有所提升，這其中是由于經濟活動的增加，致使用電量的增加。這也體現了基本負荷正常增長。

通過上述的分析可知，空調負荷的使用量大，并且與氣象關系密切，具有顯著的分布規律。本文探討城市微氣象與空調負荷的交互影響，為城市節能減排，保護環境提出一些建議與措施。1℃，增加的空調負荷相對較小。參考文獻[1]給出權重系數λ與氣溫T的函數關系式，如式(3)，圖2為變化曲線。

1 熱島效應

城市熱島是城市對其微氣象影響的主要因素之一。城市熱島效應的程度可用“熱島強度（HII）”來表征，即待測點氣溫與參照點之間的氣溫差。文獻[7]以待測點所在城區的平均氣溫與參照點的氣溫之差作為熱島強度，計算公式見式(1)，其中參考點氣溫為城市周圍多個郊區的氣溫平均值。

文獻[3][4]以北京和上海為例，研究表明北京上海熱島效應在逐年增加，北京的熱島強度為1℃左右，上海年平均熱島強度為1.17攝氏度。

城市熱島主要受城市的建筑群密度，植被覆蓋率，街道的走向，工廠生產等影響。產生城市熱島效應的直接原因是下墊面的熱慣量差異，不同下墊面對熱島的影響也不相同。目前城市的下墊面的種類越來越多，結構也隨之變得復雜，工業用電、空調負荷的使用率的增加致使工業廢熱、溫室氣體，粉塵污染物等排放強度增強，汽車的使用量增加，同樣使得汽車尾氣等污染物大量排放于大氣中，所有這些都將致使城市不同區域的溫度差異增大，城市的熱島效應變得越來越明顯，對城市微氣象的影響也越加不能忽視。

圖2 權重λ與環境氣溫T的函數關系圖

累積效應對空調負荷的影響并不是單向的，短期內不是一定會增加空調負荷的耗電量。在持續高溫的情況下，累積效應會相應的增加空調負荷的用電量；但是如果是多日低溫后出現的高溫，則受累積效應的影響人體的感覺溫度低于實際溫度，空調負荷用電量比預想的高溫情況要低。所以需要對上述的公式進行修正：

（a）連續高溫時，因人體的感知滯后于氣溫的變化應采用式（4）對連續的高溫進行放大。

2 累計效應

氣溫累計效應對于夏季負荷具有不可忽視的影響，某些情況下甚至是主要因素。根據歷史統計數據顯示，空調負荷所占負荷比率越高，氣溫的累積效應就越明顯。

氣溫累計考慮的是當天前聯系幾日的氣溫平均加權值，如式(2)：

式中，i為包括當天在內的鄰接的3天；n為處于連續高溫中的第幾天。對于不同時期的連續高溫，需要區別對待。本文定義初夏時為35℃，盛夏時為32℃。

（b）地區降雨的特點對空調負荷的影響。夏季時持續降雨和雷陣雨給人的感受是不同的。故不同的降雨情況，其權重取值需不同，對于持續降雨以及暴雨的情況，權重系數選取為6。

3 溫濕效應

式中：λ為氣溫累計效應權重，其對不同溫度T取不同的值。一般近似認為，氣溫越高，其對人體的感知溫度影響則越大，相應的權重系數λ越大。實際歷史統計顯示，λ與氣溫T不是簡單的線性正相關，實際中不可忽略氣溫對空調負荷的影響度。

溫度區間在[22, 32]攝氏度時，空調調節效果最好，所以當平均氣溫在區間內時，溫度對空調負荷的影響較大，此時氣溫每上升1℃，空調負荷就會相應的增加。在區間外時，氣溫每上升

學者Yagtou根據人對不同氣溫、風速以及相對濕度的感覺，提出了反映人體熱感覺指標，即實感溫度，包含三個量：當前氣溫、相對濕度及當前風速。根據靜止飽和大氣條件（相對濕度=100%，風速=0 m/s時）下，人體達到舒適感覺的溫度來代表使人體產生同樣感覺的特定氣溫、風速和相對濕度。1978年，George Winterling首次提出利用溫濕指數，綜合反映溫度和相對濕度兩個因子對人體熱感的影響。研究表明：氣溫適中時，相對濕度對人體的實感溫度影響較小，而當溫度較高或者較低時，相對濕度對人體的實感溫度影響較大。George Winterling提出一個考慮溫濕效應的溫度計算公式，如式(5)所示：

該式中，HI 為華氏溫濕指數，T 為華氏溫度，R為相對濕度(百分數)。

4 交互影響

空調屬于間接的污染，其所消耗的電能在發電過程中會產生大量的溫室氣體與氣體污染物質。夏季時空調負荷會大量投入，同時城市熱島效應，溫室效應以及氣溫的累計效應越加明顯，進而加速了空調的使用，給環境帶來如下危害：(1)空調使用過程中會產生大量的廢熱；(2)空調負荷大量投入增加了電能的消耗，從而間接的通過發電廠向環境中排放了溫室氣體，酸性氣體，粉塵以及其他的環境污染物；(3)空調負荷多為尖峰負荷，增加電力系統的脆弱性。所有這些廢熱，廢氣，溫室氣體，粉塵等最后又反過來加劇城市熱島效應、氣溫的累積效應以及溫濕效應，至此便形成了一個惡性循環。

5 結語

通過對城市微氣象與空調負荷交互影響的探討，對于怎樣才能使得空調負荷與城市微氣象間的惡性循環變為良性循環，本文提出了如下的建議與措施：

(1)城市大空間尺度的節能減排。夏季時電力空調負荷的節能對整個家庭用電的節能將起到關鍵性的作用。傳統針對單臺空調的節能有以下方法：A）根據實際的空間大小選擇恰當容量的空調，容量過大產生浪費，容量過小影響空調效率與使用壽命。B）空調使用過程中使用密封性能好的門窗，避免熱量通過氣體對流，定期清洗、更換過濾網。C）設置適當的溫度、風速，減少不必要的低溫和強風設置增加空調負荷的電量消耗與廢熱排放。

(2)在城市規劃中的應用。A）在建造房屋、道路以及其他城市構建中，廣泛使用具有反光功能的材料，通過反射直射陽光，減小城市的熱島效應。B）增加城市的綠化面積有利于改變墊層面，以及可以遮蔽陽光，增加增發量率，從而達到降低城市溫度的效果。C）合理規劃城市建筑物的密度，通過自然風的流通，可降低該地區的氣溫。

(3)社會管理方面的應用。A）增加公共交通的投入使用，減少汽車尾氣以及廢熱的排放，有利于減小城市的熱島效應。B）社會應該鼓勵使用綠色污染的交通公交，比如自行車以及電動車。

(4)積極推廣綠色能源以及分布式電源的發電。中國的風電以及光伏發電的資源充足，在減少風力發電機與光伏電池板生產環節所產生的污染物的前提下，國家應該鼓勵風電以及光伏的接入與并網。

[1]劉玙.高溫季節城市微氣象與電力空調負荷的交互影響規律：[碩士學位論文]．長沙：湖南大學，2012.

[2]黎燦兵，尚金成，朱守真，杜力，吳春陽．氣溫影響電力負荷的累積效應導致的能效分析．電力系統自動化，2010，34(20)：30-33.

[3]林學椿，于淑秋，北京地區氣溫的年代際變化和熱島效應[J],地球物理學報，2005,48(1):39-45.

[4] 張艷，鮑文杰，余琦，馬蔚純,超大城市熱島效應的季節變化特征及其年際差異[J],地理物理學報，2012,55(4):1121-1128.

[5] 徐心馨,李小娟,孟丹,北京市不同下墊面類型對熱島效應及人體舒適度的影響[J],首都師范大學學報(自然科學版)，2013,34(3):47-53.

[6] 黎燦兵，楊朋，劉瑋，李大勇，王瑜,短期負荷預測中考慮夏季氣溫累積效應的方法[J],電力系統自動化，2009,33(9):96-99.

[7] 胡長洪.考慮實時氣象因素的短期負荷預測：[碩士學位論文]．北京：浙江大學，2010.

[8] 何介南，肖毅峰，吳耀興，吳立潮，康文星,4種城市綠地類型緩解熱島效應比較[J],中國農學通報，2011，27(16):70-74.

Interrelationship Between Urban Micro-climate and Air-conditioning Load

Liu Shangyong
(Guangdong Grid Co Foshan Power Supply Bureau,Foshan,528000)

Urban microclimate has a major impact on the air-conditioning load,improving the urban microclimate can achieve significant effects of energy-saving and emission-reduction.In this paper, considering the heat island effect,humidity effect,and cumulative effect etc.,focusing on the interaction between urban microclimate and air-conditioning load,explore the vicious cycle of urban microclimate and air-conditioning load into a virtuous cycle approach,and achieve reducing the vulnerability of the power system to reduce air pollution,indirect achieving protection of the environment.

microclimate;air-conditioning load;energy-saving and emission-reduction;interrelationship