王亚婷，马鸿青，高万泉，徐义国

(保定市气象局 河北保定 071100)

0 引 言

在全球气候变暖的大背景下，气候变化对能源需求的影响日益受到关注[1]。中国的能源消费量一直位于世界前列，据统计，采暖耗能约占全国商品能源总耗能的15%[2]。随着城镇化的快速发展，城市范围和居民供热面积逐年增加，如何兼顾供暖质量和节能减排的环境效益是全社会关注的重点问题。有国内学者通过分析气候条件变化对城镇采暖的影响计算了采暖期耗煤变化率[3-5]。张家诚等[6]根据采暖的气候条件，将我国划分为2个采暖带，并对采暖气候指标进行了研究；周自江[7]分析了冬季集中采暖对城市热岛的影响；张雪梅等[8]基于均生函数模型，对哈尔滨采暖期气温进行了预测试验；李岚等[9]研究建立了沈阳地区供热量预报方程，并投入应用；李瑞萍等[10]指出有必要根据实况气温重新订正、设计采暖参数，以改变传统的采暖模式。

保定市地处河北中部，冬季气候寒冷，采暖期较长。本文系统分析了采暖期内气温变化特征，计算确定了理论采暖期的初、终日，并结合本地供暖指标，进行了保定地区节能潜力的分析，以期为积极应对气候变化、指导科学供暖和节能降耗等决策提供参考。

1 资料方法与相关指标

1.1 资料与方法

本文所用资料为保定国家基准气象站(54602) 1970—2020年的地面观测记录的逐日气温，数据连续完整。采暖供热的数据资料由保定市供热办和相关供热公司提供。

采用线性倾向率法分析保定地区采暖期气候的变化趋势；采用非参数检验方法曼-肯德尔法(Mann-Kendall)对保定地区采暖期平均气温的突变情况进行检验。

1.2 理论采暖初、终日及采暖期长度

据《采暖通风与空气调节设计规范》GB 50019—2003[11]对于一般民用建筑采暖标准的相关要求，采暖日数应为当年至次年日平均气温稳定低于或等于室外5℃的总日数。

采用连续5日滑动平均法计算得出保定地区日平均气温≤5℃的天数，并将之作为采暖期日数。将日平均气温稳定通过5℃的初、终日作为采暖初、终日。由于保定地区采暖期跨年度，故本文定义1970年11月至1971年3月的采暖期为1970年采暖期，依此类推。

1.3 采暖期度日

20世纪50年代初，Thom[12]首次提出将度日作为一种表征热状况的计算单位，可以用来研究能源消费与温度的关系。采暖期度日是指计算采暖期内每日平均气温与18℃的差值度数乘以1 d，并逐日累加。故采暖期度日(D)可表示为：

其中：n为采暖期日数，d；Ti为日平均气温，℃。

2 实际采暖期气候变化特征分析

2.1 实际采暖期平均气温逐年变化特征

近50年保定地区实际采暖期(11月15日—次年3月15日)的平均气温为-0.05℃，且逐年波动上升，气候倾向率为0.21℃/10 a(图1)，符合气候变暖的背景规律。采暖期平均气温年际波动较大，变化范围为-2.3～2.8℃。

图1 保定地区近50年逐年采暖期平均气温变化趋势 Fig.1 Variation trend of average temperature during heating period in Baoding region in recent 50 years

保定地区实际采暖期平均气温的年代际演变整体为升高趋势，21世纪初达到近50年最大值，为0.84℃，比平均值高0.89℃。1980—1990年的上升幅度最大，达1.2℃。采暖期平均气温年代际方差值的上升趋势，也表征着其年代际波动程度逐渐增大。这是由于全球气候持续变暖、我国极端天气事件频繁发生，同时也给采暖工作高效完成增加了难度。

2.2 实际采暖期平均气温逐月变化特征

从各月平均气温变化来看，采暖期内11月份平 均气温变动幅度不大，平均每10 a降低0.02℃，其余各月平均气温均呈逐年上升趋势，其中12月份和 1月份的平均气温每10 a升高0.13～0.14℃，增幅不明显；2月份和3月份的平均气温每10 a升高0.41～0.55℃，增幅较为显著。说明保定地区寒冷期开始和结束的时间均逐年提前，春季回温尤其明显。

2.3 实际采暖期平均气温突变检验

利用Mann-Kendall法对保定地区实际采暖期平均气温进行分析和突变检验(图2)。1970—1975年采暖期气温整体呈现波动上升趋势，1975年之后开始明显下降。1985年至21世纪初，采暖期平均气温持续增高，1990年初期增高趋势信度达到95%，直至2010年开始下降，并维持至今。UB和UF的变化趋势表明保定地区采暖期的平均气温在1972年发生了突变，1984年平均气温存在突变趋势，但并未发生实际突变。

图2保定地区采暖期平均气温Mann-Kendall突变检验(黑色实线为α＝0.05显著性水平临界线) Fig.2 Mann-kendall test statistics of average temperature during heating period in Baoding region(the black solid line is α＝0.05 significance horizontal critical line)

3 理论采暖期特征

3.1 理论采暖初、终日的确定及其特征

根据上述资料和计算方法可得：保定地区的理论采暖期初日最早出现在10月28日，最晚出现在11月22日，二者相差25 d；平均初日为11月10日，较实际初日提早5 d；理论采暖期终日最早出现在2月 25日，最晚出现在3月30日，二者相差33 d；平均终日为3月12日，比实际终日提早3 d。保定地区理论采暖初、终日的年际波动十分明显。

3.2 理论采暖初、终日的变化趋势

分析保定地区理论采暖期初、终日变化趋势可以看出，采暖起始和终止日期均呈提前趋势，平均每10 a分别提前0.3 d和2.1 d，且终日变化幅度明显大于初日。从保定地区理论采暖期初、终日的年代际变化特征来看(表1)，平均采暖初日小幅度提前；平均采暖终日提前趋势较明显，2000年相较于1990年平均提前6 d。

由以上变化特征可知保定市寒冷天气的到来和结束均逐渐提前，尤其是进入21世纪后，春季回暖升温明显提前，采暖期需求逐年缩短。

3.3 理论采暖期长度特征

经计算可知，近50年保定市理论平均采暖长度为122.6 d，比实际采暖日数(121 d)多1.6 d，且整体呈缩短趋势，平均每10 a缩短1.7 d。理论采暖期长度的年际变幅较大，最长为142 d，出现在1990年；最短为106 d，出现在2007年；两者相差36 d。

从年代际变化趋势来看(表1)，尽管理论采暖期的初、终日出现存在年际振荡，但采暖期长度整体依旧为缩短态势。尤其是21世纪后，采暖期长度较 20世纪明显缩短，这与全球变暖的气候背景密切相关。

3.4 采暖期度日特征

采暖期内的热量需求除与采暖日数有关外，还与采暖期度日总量成正比[15]，因此采暖期度日值可以用来表征采暖期气候冷暖程度和采暖耗能需求的变化。经计算，近50年保定地区采暖期度日平均值为2 187.2℃·d，其最大值2 462.1℃·d和最小值1 842.6℃·d分别出现在1970年和2001年。采暖期度日的逐年波动降低，平均每10 a减少25.6℃·d；11月、12月和1月的平均采暖度日年代际变化偏小，减少幅度在1℃·d左右；而2月和3月的平均采暖度日年代际降低较为显著，约为2.5℃·d。采暖度日的变化趋势与全球变暖的气候背景和上文保定地区春季回暖明显的结论相符。

4 节能减排潜力分析

采暖供热系统的热负荷受外界环境气温的直接影响，可以根据环境气温变化来调整供热量，在保证供热量达标的前提下，同时研究节能降耗与减排环保潜力。

4.1 气温变化对采暖需求的影响

采暖供热能耗的高低受到采暖期日平均气温的直接影响。研究表明采暖期度日变率一般与采暖期平均气温或冬季最冷月平均气温关系较为密切[16]，分析其相关关系可得出：

式中：Y为采暖度日变率；X1为采暖期平均气温，℃；X2为12月平均气温，℃。

其相关系数分别达到0.99和0.55，均通过0.01显著性水平的检验。从(1)、(2)式可以看出采暖期或12月平均气温越高，采暖期度日变率越小，供热能耗越低，符合实际情况。

根据保定地区近50年采暖度日变率和采暖期温度变化特征，将保定市采暖能源需求状况分为5个等级(表2)。

表2 保定地区近50年采暖能源需求状况 Tab.2 Energy demand for heating in Baoding region in recent 50 years

从表2可以看出，保定地区正常采暖能源需求的年份占大多数，约为62%；偏多或偏少的年份约占22%，异常偏多或偏少的年份出现概率较低，仅占16%。说明保定市采暖期出现异常冷、暖的年份出现较少，以正常或略偏暖、偏冷气候为主。偏多和异常偏多年份主要出现在1970年和1980年，异常偏少年份则主要出现在本世纪。说明1980年以后保定地区采暖期温度持续增高，相应的采暖能源需求持续减少，2010年采暖能源需求量反弹增加。因此，可根据每年采暖期的平均气温预测计算当年的采暖度日变率，并确定采暖能源需求等级，然后初步预测当年的能耗需求量，为积极应对气候变化、指导科学供暖和节能降耗等决策提供参考依据。

4.2 采暖期气温升高的减排潜力与环境效益

当前保定供热公司使用的采暖热指标[17]为20.5 W/m2，计算采暖期室外平均温度为-0.6℃。据了解，2020年保定主城区居民供热面积为6 447万m2，其中集中供热面积约为4 963万m2，规定采暖期为121 d，每天按24 h计算，集中供热的热量需求为：

其他供热热量需求为：

按照标准煤产热率29.3 G J/t，天然气标准热值38.87 MJ/m3[17]，热效率90%计算，则采暖期平均气温每升高1℃，可减少燃煤约2.2万t、天然气 488.8万m3。根据国家发改委公布的数据，每吨燃煤可产生CO22.6 t，SO20.008 5 t，NxO 0.007 4 t。整个采暖期平均气温每升高1℃，能够减少产生CO26.7万t、SO2187 t、NxO 162.8 t、粉尘1 100 t(按单位5%计算)。

4.3 采暖期缩短的节能减排效应

由上文可知，采暖期缩短一日的节能效应，即正常供暖一日的能源消耗量。可节约燃煤0.3万t、燃气75.1万m3，能够减少产生CO21万t、SO228.1 t、NxO 24.42 t，粉尘165 t。

需要说明的是，以上数据中采暖面积仅为主城区的供暖面积，保定区域各县、市(区)的总供暖面积更加庞大，并且还有一些分布式自主供暖和半集中式单栋住宅供暖等供暖面积。加之分户燃气运行产生的电费、水费等一些次级能耗，所以实际节能减排效益将更为可观。

4.4 采暖度日减少的影响

采暖能源消耗除与采暖期内日平均气温≤5℃的负积温成正比。前文数据可知，气温突变之后，即1972年之后，保定地区的采暖度日减少了204.7℃，达平均采暖度日10%左右。从年代际分析，21世纪初相较于20世纪70年代，采暖度日减少了近10%，相应的采暖能耗和CO2、SO2、粉尘等污染物的排放量也减少了近10%，经济成本大幅降低，气候变化导致的采暖度日减少对保定地区城乡供暖带来的环境和社会经济效益十分显著。

5 结论与讨论

①近50年保定市实际采暖期平均气温呈逐年波动上升趋势，气候倾向率为0.2℃/10 a，并存在突变现象，突变的具体时间为1972年。

②保定地区理论采暖期初、终日均呈提前趋势，理论采暖期长度存在年际振荡，但总体呈缩短趋势，平均每10 a缩短1.6 d。保定地区春季升温回暖趋势日益显著。

③保定地区采暖期度日变化有降低趋势，平均每10 a减少25.6℃。保定地区的采暖能源需求以正常年份居多，异常偏多或偏少年份出现概率较低。根据每年采暖期的平均气温预报可初步预测当年的能耗需求量，为积极应对气候变化、指导科学供暖和节能降耗等决策提供参考依据。

④保定地区采暖期的节能减排潜力和效益十分可观。建议在保证供暖质量的前提下，根据气候特点和气象预报的平均气温变化动态调整采暖初、终日期，合理规划采暖期煤炭用量，提高供暖效率，实现科学采暖、节能增效。