氣候變化背景下黑龍江省采暖期變化特征研究

關(guān)鍵詞：氣候變化；采暖；能源消耗

中圖分類號：X51 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B

前言

隨著中國經(jīng)濟(jì)發(fā)展和城鎮(zhèn)化水平的提高，建筑能耗總量逐年增加。2005年-2020年間，全國建筑全過程碳排放由22.3億tCO₂，上升至50.8億tCO₂，擴(kuò)大2.3倍，年均增速為5.6%，建筑能耗的增加對中國碳達(dá)峰和碳中和目標(biāo)帶來了嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，同時(shí)也對中國建筑節(jié)能的發(fā)展提出了更高要求。建筑作為能源消耗的主要部門，在節(jié)能和碳減排方面具有巨大的潛力。除了人口、經(jīng)濟(jì)、城市化進(jìn)程、能源結(jié)構(gòu)等因素的影響外，氣候條件對建筑能源消耗也有重要影響。

建筑對氣候變化敏感，是受全球氣候變化影響的重要基礎(chǔ)設(shè)施之一。在氣候變化的背景下，氣候發(fā)生顯著的變化，建筑領(lǐng)域采暖能耗需求也將發(fā)生改變。Chen等發(fā)現(xiàn)RCP4.5中等排放情境下，2006年-2050年采暖期長度、采暖度日數(shù)呈下降趨勢。唐文惠等發(fā)現(xiàn)近40年柴達(dá)木盆地顯著增暖，采暖初日推遲、終日提前，年采暖期長度縮短，采暖強(qiáng)度顯著下降。盡管國內(nèi)外對氣候變換背景下采暖期變化特征進(jìn)行了一些研究，但缺乏對黑龍江省近60年的分析研究。為深入了解氣候變暖背景下黑龍江省采暖期的變化規(guī)律，此研究分析1961年-2023年氣候變化背景下黑龍江省采暖期變化特征，并預(yù)估2020年-2035年RCP4.5中等排放情景下的采暖期變化情況，研究結(jié)果為指導(dǎo)科學(xué)供暖和建筑節(jié)能降耗等決策提供參考依據(jù)。

1資料與方法

1.1數(shù)據(jù)來源

此研究所用數(shù)據(jù)主要由黑龍江省觀測資料數(shù)據(jù)和氣候模式RegCM4集成數(shù)據(jù)構(gòu)成。觀測資料為1961年1月-2024年5月黑龍江省62個(gè)臺站逐日平均氣溫?cái)?shù)據(jù)，常年值為1991年-2020年30年均值，此數(shù)據(jù)來源于黑龍江省氣象數(shù)據(jù)中心。模式資料包括模擬資料和預(yù)估資料，模擬資料為當(dāng)前氣候背景時(shí)段下的資料（1986年-2005年），預(yù)估資料為2020年-2035年RCP4.5中等排放情景下的氣溫資料，分析距平值均采用相對1986年-2005年模擬氣候場的變化值。

1.2供暖氣候指標(biāo)

參照《采暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50019-2003），此研究將連續(xù)5日滑動平均法將日平均氣溫穩(wěn)定≤5℃的初日為采暖初日，將日平均氣溫穩(wěn)定≥5℃的終日為采暖終日。采暖期長度為采暖初日和終日之間的天數(shù)。

采暖度日（HDD）是日平均氣溫低于基礎(chǔ)溫度的值，即采暖期度日。參考《民用建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)（采暖居住建筑部分）》（JCJ26-95），基礎(chǔ)溫度定為18℃（即室內(nèi)基礎(chǔ)溫度）。具體計(jì)算公式如式（1）：

2結(jié)果與分析

2.1采暖期時(shí)間變化特征

1961年-2023年黑龍江省平均采暖初日日期為10月20日，采暖初日呈顯著推遲趨勢，平均每10年推遲1.1天，近63年推遲了約6.9天（如圖1（a）所示）。從年代際變化來看，20世紀(jì)60年至80年代中期整體處于偏早階段，1978年出現(xiàn)最早，日期為10月10日，80年代后期以來，采暖初日在波動變化中逐漸推遲，2011年最晚，日期為10月31日。黑龍江省平均采暖終日日期為4月8日，采暖終日呈顯著提前趨勢，平均每10年提前1.6天，近63年提前了10.1天（如圖1（b）所示）。20世紀(jì)60、70年代處于偏晚時(shí)段，80年代至今采暖終日波動變化明顯，2014年以來，采暖終日處于偏早時(shí)段，2010年和2013年并列最晚年份，日期為4月21日，2023年為采暖終日最早年，日期為3月23日。黑龍江省平均采暖長度為172天，采暖長度呈顯著減少趨勢，平均每10年減少2.8天，近63年減少了17.6天（如圖1（c）所示）。20世紀(jì)60年代至80年代后期采暖期長度較常年偏多，80年代末期以來呈波動減少，其中2013年以來持續(xù)偏少。采暖長度最小年份為2013年，為149天，1972年為最大年份，采暖長度為187天。黑龍江省平均采暖度日為5005.6℃·d，采暖度日呈顯著減少趨勢，平均每10年減少112.6℃·d，近63年減少了709.4℃·d（如圖1（d）所示）。20世紀(jì)60年代至80年代后期采暖度日較常年偏多，1965年采暖度日最大，為5 657.6℃·d，80年代末期以來呈波動減少，2001年最小，為4 323.7℃·d，2009年-2012年較常年偏多，2013年以來整體偏少。

如表1所示，從20世紀(jì)70年代以來，黑龍江省采暖初日呈逐年代推遲，平均推遲了5天，采暖終日呈逐年提前態(tài)勢，采暖長度和采暖度日呈逐年代減少趨勢。

2.2采暖期空間分布特征

1961年-2023年，黑龍江省采暖初日從北向南先后發(fā)生，漠河采暖初日發(fā)生在9月末，大興安嶺大部地區(qū)發(fā)生在10月上旬，黑河、伊春、松嫩平原北部、三江平原西北部發(fā)生在10月中旬，松嫩平原南部、三江平原大部、牡丹江發(fā)生在10月下旬。黑龍江省采暖終日從南向北先后發(fā)生，松嫩平原大部、三江平原大部、牡丹江出現(xiàn)在4月上旬，大興安嶺南部、黑河、伊春及個(gè)別市縣出現(xiàn)在4月中旬，大興安嶺北部出現(xiàn)在4月下旬。伊春南部、松嫩平原南部、三江平原大部、牡丹江采暖長度為170天以下，黑河、伊春、松嫩平原北部及三江平原北部采暖長度為170～190天，大興安嶺為190天以上，其中漠河為200天以上。松嫩平原西南部和南部、三江平原中部和南部、牡丹江采暖度日數(shù)為5000℃·d以下，黑河、伊春、松嫩平原北部及三江平原北部采暖度日數(shù)為5000～6000℃·d，大興安嶺采暖度日數(shù)在6000℃·d以上，其中漠河在7000℃·d以上。（見表2）

1961年-2023年，黑龍江省大部地區(qū)采暖初日呈推遲趨勢。黑龍江省大部地區(qū)推遲速率為0.5天/10a～1天/10a，松嫩平原西部推遲速率為1.5天/10a以上，其中甘南、龍江、齊齊哈爾市區(qū)推遲速率為2天/10a以上，漠河和鶴崗?fù)七t不明顯；黑龍江省采暖終日均呈提前趨勢，且大部地區(qū)提前速率為1～2天/10a，孫吳和甘南提前速率為2天/10a以上，只有漠河和五營前速率不足1天／10a；黑龍江省采暖期長度均呈縮短趨勢，且大部地區(qū)減少速率為2～3天/10a，齊齊哈爾大部、大慶、綏化大部、哈爾濱西部減少速率為3天/10a以上，漠河不足1天/10a；黑龍江省采暖度日數(shù)均呈減少趨勢，大興安嶺、黑河、松嫩平原西部減少速率為-160℃～-120℃·d/10a，伊春、松嫩平原大部、牡丹江減少速率為-120℃～-100℃·d/10a，三江平原減少速率不足-100℃·d/10a。

如表3所示，1961年-2023年黑龍江省采暖初日、終日、采暖期長度、度日變化具有顯著（通過0.05顯著性檢驗(yàn)）趨勢的臺站個(gè)數(shù)和站數(shù)占總站數(shù)（62個(gè)站）的百分比。采暖初日顯著推后趨勢的臺站有38個(gè)，占總臺站數(shù)的69%，采暖終日顯著提前趨勢的臺站有56個(gè)，占總臺站數(shù)的90%，采暖長度和采暖度日減少趨勢最明顯，分別有60個(gè)和61個(gè)臺站，占總臺站數(shù)的97%和98%。

2.3未來黑龍江省采暖期變化特征

在RCP4.5中等排放情景下，黑龍江省2020年-2035年采暖初日、采暖終日、采暖長度、采暖度日變化的空間分布預(yù)估結(jié)果。2020年-2035年采暖初日推遲4.3天，采暖終日提前2.2天，采暖期縮短6.9天，采暖度日減少323.7℃·d。黑龍江省采暖初日均推遲，且大部地區(qū)推遲2～6天，黑河中部和伊春大部地區(qū)推遲2天以下，松嫩平原西南部及大興安嶺北部部分地區(qū)推遲6～7天。采暖終日黑龍江省大部地區(qū)提前，北部提前，西部和東部總體推后，大小興安嶺、齊齊哈爾東北部、牡丹江南部提前3～12天，松嫩平原中南部、三江平原部分地區(qū)推后3天以下。黑龍江省采暖期長度基本縮短，大部地區(qū)縮短3～9天，大興安嶺北部、齊齊哈爾東北部等地區(qū)縮短9天以上。黑龍江省采暖度日均減少，且大部地區(qū)減少300～400℃·d，大興安嶺采暖度日減少400℃·d以上，哈爾濱、牡丹江及三江平原南部減少300℃·d以下。

2.4建筑采暖耗能與環(huán)境效益分析

2.4.1建筑采暖耗能分析

黑龍江省建筑氣候分區(qū)依照《黑龍江省民用建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)實(shí)施細(xì)則》（DB23 T 120-2001）的要求劃分為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ類分區(qū)，Ⅰ類區(qū)采暖設(shè)計(jì)熱負(fù)荷指標(biāo)為55W／m²，Ⅱ、Ⅲ類區(qū)采暖設(shè)計(jì)熱負(fù)荷指標(biāo)為50W／m²。

此研究基于采暖耗煤量指標(biāo)公式，分別計(jì)算Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ類分區(qū)建筑采暖耗能情況。結(jié)果表明，2010年-2023年與20世紀(jì)60年代相比，Ⅰ類分區(qū)建筑采暖耗煤量降低1.290 k/m²，平均每10年降低0.215kg/m²；Ⅱ、Ⅲ類分區(qū)建筑采暖耗煤量降低1.173kg/m²，平均每10年降低0.195 kg/m²。在RCP4.5中等排放情境下，Ⅰ類分區(qū)建筑采暖耗煤量降低0.685 kg/m²，平均每10年降低0.137kg/m²；Ⅱ、Ⅲ類分區(qū)建筑采暖耗煤量降低0.623kg/m²，平均每10年降低0.125 kg/m²。由于氣候變化的影響，一方面冬季氣溫升高，熱負(fù)荷下降，冬季取暖需求在未來幾年將呈現(xiàn)下降趨勢，這種趨勢有助于降低建筑采暖耗能，并且十分有利于黑龍江省冬季熱舒適度的改善。另一方面政府供熱主管部門可根據(jù)氣象部門提供的采暖初日的推遲和采暖終日的提前情況，制定更科學(xué)的供熱規(guī)劃，精準(zhǔn)供暖時(shí)間，避免能源的不必要浪費(fèi)。同時(shí)氣候變化也將對未來的建筑節(jié)能政策的制定和建筑氣候區(qū)屬產(chǎn)生一定的影響。