程海峰 陈守涛 何健 张举

1 安徽建筑大学节能研究院教育部建筑能效控制与评估工程研究中心

2 安徽建筑大学环境与能源工程学院

0 引言

我国建筑占社会能耗近40%[1-2]。根据气候条件合理有效控制建筑供暖空调能耗[3]，Thom 提出度日数方法对建筑能耗进行研究[4]。度日数可作为建筑能耗衡量的重要指标[5]，与建筑能耗指标呈显著的线性关系[6-7]。我国HDD/CDD 在区域间分布差异较大[8]，安徽合肥在同一年中没有月份中出现温差超过8℃以上的天气[9]。

以往对采暖及制冷度日数进行的研究不能判断区域冷热需求的时间分布，持续时间及需求量多少的问题，且采暖及制冷度日数并没有反映出采暖及制冷度日数在采暖制冷季的热峰及冷峰的持续状况。本文通过对宿州地区三十年的气象参数进行计算对比分析，定义了冷热强度与程度的概念，解决了度日数无法反馈空调负荷的分布时间及程度多少的问题，得出了该地采暖和制冷度日数在冷、热强度极值和冷、热程度上的分布特征。

1 气象资料及平均年典型气象年

1.1 宿州地理气象条件

宿州市地处黄淮平原区域，属暖温带半湿润季风气候区。东与江苏省宿迁市接壤，西与河南省商丘市交界，西北毗邻山东省菏泽市，南临蚌埠市，北临江苏省徐州市。年平均降水量在774～896.3 mm 之间，总量虽较充沛，但各季降水分布极不均匀。太阳辐射总量为124.1～129.4 kCal/cm2年之间，全年日照时数为2322.9 至2471.7 h，日照百分率为50%～60%。

1.2 平均年及典型气象年

本文取宿州地区1986-2016 年间的气象参数，计算分析出30 年月平均温度，以计算的月平均值作为绝对平均年。选取年份中月平均温度接近30 年的平均值月份作为平均年月份。根据《城市居住区热环境设计标准》[10]，典型气象年Typical Meteorological Year（TMY），是以近30 年的月平均值为依据，从近10 年的数据中选取一年各月接近30 年的平均值作为典型气象年。表1 为宿州地区1986-2016 平均年及气象年日平均温度。

从表1 中可以看出，宿州温度分布差异明显，冬季时间月份为12 月至2 月，平均年最低气温月为1 月日均气温为1.5 ℃，气象年气温最低月也发生在1 月日均气温为1.6 ℃。夏季时间月份为6 月至8 月，平均年及气象年最高温度月为7 月日均气温达到27.7℃。对比分析可发现宿州地区冬季气温于典型气象年中高于绝对平均年和平均年，呈上升趋势。

表1 宿州地区1986-2016 平均年及气象年日平均温度

2 采暖度日数（HDD）及制冷度日数（CDD）

2.1 度日数的定义

当气温超过人类生产、生活的舒适性范围，就需要通过人为手段将温度调控至适宜范围，在天气过冷时需要采暖，天气过热时则需要制冷。人体适宜的温度阈值，称之为基准温度，而用以衡量某具体温度工况下制冷或供暖需求强度的指标称之为度日数。度日即是指当日温度与规定的适宜温度的基准温度阈值之差与天的量纲乘积，分为热度日（Heating Degree Day，HDD）和冷度日（Cooling Degree Day，CDD）[11]。根据《民用建筑热工设计规范GB50176-2016》[12]，度日数分为CDD26 以26 ℃为基准的制冷度日数，HDD18 以18 ℃为基准的采暖度日数。

式中：i 为某一天；n 为所求期间的总天数；T 为某天的平均温度；Th为HDD 阈值温度，Th=18 ℃；Tc为CDD阈值温度，Tc=26 ℃。

3 度日数的计算分析及分布特征

3.1 采暖度日数的计算分析

表2 则为宿州地区平均年以及典型气象年采暖度日数。

表2 宿州地区平均年及典型气象年采暖度日数

通过表2 计算典型气象年中：

1）持续时间为9 月份至5 月份，共有9 个月发生采暖度日数，全年累计为2009.4 ℃·d。

2）5、6 月份与9 月份发生度日数且数值较小，分别为7.9 ℃·d，0.3 ℃·d 和6.0 ℃·d，说明出现个别天数日均气温较低的异常现象。

3）1 月份出现极大值508.5 ℃·d 占全年度日数1/4，12 月至2 月发生的采暖度日数占全年的2/3。

平均年中全年累计为2046.5 ℃·d，5 月与10 月采暖度日数发生比典型气象年小，同时6 月份没有发生采暖度日数。

分析可得宿州地区采暖度日数的分布域较广。对比分析出采暖度日数强度总量下降，但过渡季节冷量增加，最冷月冷峰小幅下降。反映出近年过渡季节异常天气变多。

3.2 采暖度日数的冷强度及程度分布特征

以0 ℃、5 ℃、10 ℃、16 ℃温度线为基准纵向发生的累计度日数定义为冷强度，相同强度下的累计度日数定义为冷程度。图2～4 为典型气象年每日采暖度日数分布图。

图2 典型气象年1-122 每日采暖度日数分布图

图3 典型气象年123-244 每日采暖度日数分布图

图4 典型气象年245-365 每日采暖度日数分布图

从图2～4 计算典型气象年中每日采暖度日数：

1）冷强度极值发生在2 月8 日为22.4 ℃·d，此时对应的日均气温为-4.4 ℃。

2）冷强度值为18 ℃·d（日均气温低于0 ℃）全年共有9 天，冷程度分布状况：1 月5 日至8 日连续4 天冷程度值为81.7 ℃·d，2 月7 日至9 日连续3 天冷程度值为60.5 ℃·d 的情况发生。

3）冷强度值为13.0 ℃·d（日均气温低于5 ℃）共有77 天，冷程度分布状况：11 月27 至28 日连续2 天冷程度值为30.6 ℃·d，12 月2 至12 日连续11 天冷程度值为161.0 ℃·d，12 月16 日至22 日连续7 天冷程度值为104.5 ℃·d，12 月26 日至1 月31 日连续37 天冷程度值为601.9 ℃·d，2 月3 日至15 日连续13 天冷程度值为211.7 ℃·d，2 月18 至20 连续3 天冷程度值为43.9 ℃·d，3 月1 日至4 日连续4 天冷程度值为57.4 ℃·d。

4）冷强度值为8.0 ℃·d（日均温度低于10 ℃）共123 天，冷程度分布状况：11 月10 日至11 日连续2 天冷程度值为17.1 ℃·d，11 月16 日至20 日连续5 天冷程度值为54.8 ℃·d，11 月22 日至24 日连续3 天冷程度值为24.5 ℃·d，天11 月26 日至2 月24 日连续91天冷程度值为1356.5 ℃·d，3 月1 日至3 月11 日连续11 天冷程度值为124.9 ℃·d，3 月14 日至3 月15 日连续2 天冷程度值为16.0 ℃·d，3 月20 日至3 月25 日连续6 天冷程度值为56.8 ℃·d。

5）冷强度值为2.0 ℃·d 时冷程度值为1995.8 ℃·d全年占比99.3%。冷强度值为8.0 ℃·d 时冷程度值为1685.9 ℃·d 全年占比83.9%。冷强度值为13.0 ℃·d 时冷程度值为1208.6 ℃·d 全年占比60.1%。冷强度值为18.0 ℃·d 时冷程度值为178.6 ℃·d 全年占比8.9%。

平均年全年共有9 天每日采暖度日数大于18 ℃·d（日均温度低于10 ℃），冷强度极值发生在2 月1 日为20.5 ℃·d，此时对应的日均气温为-2.5 ℃。冷强度值为13.0 ℃·d（日均气温低于5 ℃）共发生76 天，冷强度值为8.0 ℃·d（日均温度低于10 ℃）共发生126 天。通过对比可发现近年采暖度日数总量数呈下降趋势。但采暖度日数极值在上升说明极端寒冷天气更加极端化。同时过渡季节天气异常频次明显增多。

3.3 制冷度日数的计算分析

表3 为宿州地区典型气象年制冷度日数。

表3 宿州地区典型气象年制冷度日数

通过表3 计算典型气象年中：

1）制冷度日数发生在5 月份至9 月份，总共有5个月发生制冷度日数，全年制冷度日数累计为155.8℃·d。

2）5 月、9 月份发生度日数且数值较小，为2.5 ℃·d 和1.3 ℃·d，出现少数日均气温较高现象。

3）7 月份出现制冷度日数极大值68.1 ℃·d 占全年度日数43.7%，6 月至9 月发生的制冷度日数占全年的97.6%。

平均年中全年制冷度日数累计为121.6 ℃·d，发生在6 月份至9 月份共4 个月。9 月份发生度日数且数值较小，为1.3 ℃·d，说明出现个别日均气温较高现象。分析可得宿州地区采暖度日数的分布域较窄。对比分析性出制冷度日数总量呈增加趋势，最热月热峰小幅上升，且5 月出现度日数。反映出极端炎热气温愈发变高，过渡季节异常天气频次增多。

3.4 制冷度日数的强度及持续程度分布特征

以28 ℃、30 ℃、32 ℃温度线为基准纵向发生的累计度日数定义为热强度，相同强度下的累计度日数定义为热程度。

图5 为典型气象年全年每日制冷度日数分布图。

图5 典型气象年全年每日制冷度日数分布图

从图5 计算典型气象年中每日制冷度日数：

1）热强度极值发生在7 月2 日为7.1 ℃·d，此时对应的日均气温为33.1 ℃。

2）全年共有2 天热强度值高于6.0 ℃·d（日均气温高于32 ℃），为6 月30 日和7 月2 日，间隔的时间较短。

3）热强度值为4.0 ℃·d（日均气温高于30 ℃）共有14 天，热程度分布状况：6 月28 至7 月3 日连续6 天热程度值为34.1 ℃·d，7 月23 日至26 日连续4 天热程度值为19.3 ℃·d，8 月2 日至5 日连续4 天热程度值为20.7 ℃·d。

4）热强度值为2.0 ℃·d（日均温度高于28 ℃）共有34 天，热程度分布状况：6 月15 日至6 月23 日连续9天热程度值为22.8 ℃·d，6 月27 日至7 月3 日连续7天热程度值为37.4 ℃·d，7 月8 日至12 日连续4 天热程度值为13.2 ℃·d，7 月22 日至26 日连续5 天热程度值为22.2 ℃·d，7 月28 日至8 月5 日连续9 天热程度值为38.1 ℃·d。

5）热强度值为2.0 ℃·d 时热程度为132.4 ℃·d 全年占比85.0%。热强度值为4.0 ℃·d 时热程度值为82.9 ℃·d 全年占比53.2%。热强度值为6.0 ℃·d 时热程度值为13.1 ℃·d 全年占比8.4%。

平均年全年共有2 天日采暖度日数大于6.0 ℃·d（日均气温高于32 ℃）。热强度极值发生在7 月18 日为6.9 ℃·d，此时对应的日均气温为32.9 ℃。热强度值为4.0 ℃·d（日均气温高于30 ℃）共12 天。强度值大于2.0 ℃·d（日均温度高于28 ℃）共24 天。通过对比可发现近年制冷度日数总量数呈下降趋势。但制冷度日数热强度极值在上升说明极端炎热天气更加极端化。同时过渡季节天气异常频次明显增多。

4 结论

目前对HDD/CDD 值得研究无法表明区域的冷热需求时间分布，持续程度及需求量。本文定义了以0 ℃、5 ℃、10 ℃、16 ℃温度线为基准纵向发生的累计度日数为冷强度，相同强度下的累计度日数为冷程度。以28 ℃、30 ℃、32 ℃温度线为基准纵向发生的累计度日数为热强度，相同强度下的累计度日数为热程度。为能耗分析研究及能源方案设计提供新的数据参照方法。

1）宿州地区30 年典型气象年采暖度日数累计为2009.4 ℃·d。最冷天度日数为22.4 ℃·d。1 月采暖度日数为采暖期峰值，占全年采暖度日数1/4。强度值大于2.0 ℃·d 共1995.8 ℃·d 全年占比99.3%。强度值大于8.0 ℃·d 共1685.9 ℃·d 全年占比83.9%。强度值大于13.0 ℃·d 共1208.6 ℃·d 全年占比60.1%。强度值大于18.0 ℃·d 共178.6 ℃·d 全年占比8.9%。

2）典型年中全年制冷度日数为155.8 ℃·d。最热天度日数为7.1 ℃·d。7 月制冷度日数为制冷期峰值，占全年制冷度日数近1/2。强度值大于2.0 ℃·d 共132.4 ℃·d 全年占比85.0%。强度值大于4.0 ℃·d 共82.9 ℃·d 全年占比53.2%。强度值大于6.0 ℃·d 共13.1 ℃·d 全年占比8.4%。

3）冷强度值为13.0 ℃·d，即日均气温低于5 ℃，共有77 天，其冷程度最大值分布在12 月26 日至1 月31 日连续37 天冷程度值为601.9 ℃·d。全年占比达30.0%。

4）制冷度日数持续时间有6.28 日至7.3 日6 天，7月4 天，8 月3 天的强度大于4 ℃·d 情况发生。有6 月9 天，6.27 日后11 天，7 月5 天，7.28 日后9 天的强度大于2 ℃·d 发生。

5）热强度值为4.0 ℃·d，即日均气温低于30 ℃，共有14 天，其热程度最大值分布在6 月28 至7 月3日连续6 天热程度值为34.1 ℃·d，全年占比达21.9%。

6）全年中5 月6 月与9 月份均有采暖及制冷度日数发生，表明相同月份中存在日均温差超过8.0 ℃的异常天气频次变多，但强度不大。

7）对比分析可得近年来该地区采暖度日数呈下降趋势，制冷度日数呈上升趋势。极端天气趋于更加极端化现象。相同强度下的采暖度日持续程度降低，制冷度日持续程度上升，表明气温呈上升趋势。