西安供暖節能氣象等級劃分研究

劉敏茹，張 楠，龐菲菲，鄧小麗

(西安市氣象局，西安 710016)

隨著社會經濟發展和人民群眾生活水平提高，北方城市居民供暖面積不斷擴大，供暖排放對冬季霧霾天氣的發生有著不可忽視的影響。如何加強供暖節能減排，推進生態文明建設已成為政府和社會公眾關注的重點問題；因此，大力推進供暖氣象服務研究工作，并將其引入北方城市集中供熱工作中，對解決當前日益嚴峻的環保形勢與我國北方冬季供暖需求之間的矛盾具有重要意義。目前，國內很多專家學者就氣象要素與冬季供暖之間的關系進行了大量研究。馮濤等[1]對北京地區氣象要素與供暖之間的關系進行了研究；王保民等[2]對節能溫度、供熱氣象指數、供熱參數進行了研究，得出了供熱氣象指數等級劃分的標準； 李瑞萍等[3]對太原冬季采暖期氣溫變化特征與節能效應進行了分析和研究； 劉和平等[4]對鄭州市冬季采暖期氣候變化特征及節能潛力進行了分析和研究。陳正洪等[5]對城市熱島強度訂正與供熱量預報進行了分析和研究。吳素良等[6]研究了西安采暖期氣溫變化對供暖的影響，龐文保[7]研究了西安市冬季冷暖的歷史演變對采暖的影響。而針對西安地區供暖部門提供專業性的供暖氣象服務方面的研究還不多見。2012年起，西安市公共氣象服務中心每年為西安燃氣供熱處提供供暖氣象服務，為供熱節能、維持室內溫度、減輕城市空氣污染發揮了一定的積極作用；但由于預報服務模型考慮的氣象要素較為單一，缺乏太陽輻射、風速等修正量，造成供暖氣象服務存在一定局限。本文利用2009—2019年西安相關氣象觀測資料，引入節能溫度來分析建立本地節能溫度計算模型，探討本地供暖節能氣象等級劃分，對開展西安市供暖氣象預報服務提供較好的技術支撐，也為節約能源、減少大氣污染排放做出一定貢獻。

1 資料與方法

1.1 資料

氣象資料選取西安涇河氣象觀測站2009—2018年10個供暖季(當年11月15日至第二年3月15日)的日平均氣溫、日平均風速、天氣現象等氣象觀測資料。

1.2 研究方法

節能溫度是綜合氣溫、城市熱島強度、風和輻射影響因子的修正溫度[2]。在供暖時段，綜合考慮某一地區某時段的氣溫、城市熱島效應、風和輻射等因子對供暖溫度的影響，得到一個修正后的溫度，即為當地的節能溫度。

西安和北京都屬于北方城市，氣候上均屬于溫帶半濕潤大陸性季風氣候，氣候特點較為相似。西安冬季寒冷，風速較小，多霧霾，少雨雪。最冷月份為1月，月平均氣溫為-1.2～0.5 ℃。冬季，冷空氣來自高緯度大陸區，多偏北風，寒冷干燥。北京地區冬季氣溫低，降水少，晴天多。最冷月份是1月，月平均氣溫-4.7 ℃。冬季平均風速為2.5 m/s，冬季常年風向以偏北或西北風為主。因此，參考《北京市節能氣象等級》(DB11/T 1233—2015)[8]中的節能溫度計算方法及公式，建立西安本地的節能溫度計算模型。

1.2.1 節能溫度計算公式 節能溫度計算公式為

TJ=Tp+TR+TV，

(1)

其中，TJ、Tp、TR、TV分別代表節能溫度、某時段的平均氣溫、太陽輻射對氣溫的修正量、風速對氣溫的修正量，單位均為℃。

1.2.2 太陽輻射修正量 由于夜間沒有太陽輻射，因此太陽輻射對節能溫度的修正量主要考慮白天的影響，夜晚為零。晴天時，太陽輻射修正量為1.3 ℃；陰天、多云且有中度霾、重度霧/霾天氣時太陽輻射修正量為0 ℃；雨雪天氣時為-1.3 ℃。

1.2.3 風速修正量 風會造成供熱量的耗散，風速每增加1 m/s，風速修正量為0.2 ℃。由于風速增大致使耗熱量增大，故風速修正量為負值，TV=-0.2V℃，V為某時段的平均風速值。

2 節能溫度

選取西安涇河氣象站2009—2018年10個供暖季(11月15日—第二年3月15日)的日平均氣溫、日平均風速、天氣現象等氣象觀測資料，并結合太陽輻射修正量、風速修正量等代入公式(1)，計算得到西安本地10個供暖季每天的日節能溫度TJ(為了便于計算平均值，將閏年2月29日略去，下同)。

從2009—2018年西安供暖季的日節能溫度結果中可以看出，最小日節能溫度為-7.48 ℃，出現在2018年1月28日，其次為2018年1月26日的-6.48 ℃。最大日節能溫度為19.16 ℃，出現在2013年3月8日，其次為2018年3月14日的18.58 ℃。10個供暖季中，日節能溫度小于0 ℃的日數占總供暖日數(由于將閏年2月29日忽略，總供暖日日數1 210 d)的20%；日節能溫度大于等于10 ℃的日數占總供暖日數的8%，日節能溫度大于等于8 ℃的日數占總供暖日數的16%。

進一步統計2009—2018年供暖季同一日的日平均節能溫度情況來看，日平均節能溫度小于0 ℃的日數占供暖季供暖日數(供暖日數121 d，下同)的4%，日平均節能溫度≥8 ℃的日數占供暖日數的9%(圖1)。由此可見，不同年份供暖季節能溫度的分布存在較大差異。

圖1 2009—2018年西安供暖季日平均節能溫度變化

3 供暖節能氣象等級劃分探討

根據2009—2018年西安供暖季的日節能溫度分布情況，并結合西安本地氣候特點和供暖實際情況，對供暖節能氣象等級進行劃分。從2009—2018年西安供暖季的日節能溫度分布情況可知，日節能溫度<0 ℃和≥8 ℃的日數均等于或接近總供暖日數的20%，日節能溫度≥0 ℃且<8 ℃的日數占64%。因此，將日節能溫度≥8 ℃定義為一級，日節能溫度<0 ℃定義為五級，日節能溫度在0～8 ℃之間的平均劃分為三個等級，即共五級：一級，TJ≥8 ℃；二級，5 ℃≤TJ<8 ℃；三級，2 ℃≤TJ<5 ℃；四級，0 ℃≤TJ<2 ℃；五級，TJ<0 ℃(表2)。

按照該標準對西安供暖季的供暖節能氣象等級進行統計，得到2009—2018年西安供暖季供暖節能氣象等級分布情況(表2、圖2)。由表2可見，總體來看供暖節能氣象等級三級占比最大，達27%，一級占比最少，為16%。由圖2可見，不同等級的供暖節能氣象等級日數隨著時間的變化趨勢不完全一致，不同年份之間存在一定的差異。這與實際情況相符合。

表1 西安供暖節能氣象等級劃分標準及各等級在2009—2018年的占比

圖2 2009—2018年西安供暖季各供暖節能氣象等級分布

考慮了太陽輻射、風速等影響因素對人體舒適程度影響以及城市氣候局部差異的節能溫度，能夠滿足對人體舒適度和節能兩方面的要求[9]。利用節能溫度模型得到的西安供暖季供暖節能氣象等級的等級劃分方法，能夠較好地反映出氣象條件對西安實際供暖需求的影響，應用于西安供暖專業服務業務中，取得較好的效果，獲得相關部門的認可。

4 結論與討論

(1)2009—2018年供暖季西安最小日節能溫度為-7.48 ℃(2018年1月28日)，最大的日節能溫度為19.16 ℃(2013年3月8日)；日節能溫度<0 ℃的日數占總供暖日數的20%，日節能溫度≥8 ℃的日數占總供暖日數16%。

(2)西安供暖節能氣象等級劃分為五級：一級，TJ≥8 ℃，低量，早晚供暖；二級，5 ℃≤TJ<8 ℃，較低量，間斷性供暖；三級，2 ℃≤TJ<5 ℃，中量，全天供暖；四級，0 ℃≤TJ<2 ℃，大量，全天供暖；五級，TJ<0 ℃，高量，全天供暖。

(3)本文使用的太陽輻射對氣溫的修正量1.3 ℃，這一修正量是實驗結果，適用于北京地區。因為太陽輻射隨著緯度、季節等的變化而變化，不同緯度的太陽輻射有一定差異，北京和西安的太陽輻射也有差異，其對溫度的貢獻是不同的。從地理位置來看，西安的修正值應該比北京的要大一些。目前，沒有找到與西安相近緯度的太陽輻射修正量，在以后的研究中，需要根據西安的實驗數據，找到更加適合西安本地的太陽輻射修正量。

(4)考慮了太陽輻射、風速等氣象條件影響的節能溫度以及相應的對供暖節能氣象等級的劃分方法，在一定程度上使西安城市供熱的經濟與環保效益進一步提升；但是，由于該研究主要依據氣象數據對西安本地供暖溫度進行計算及等級劃分，缺乏供暖量數據的支持，也未考慮地理信息等資料的描述等，研究還不夠充分和全面，還需在以后的研究中不斷改進和完善。