天津市采暖空調(diào)系統(tǒng)日數(shù)變化分析

天津市采暖空調(diào)系統(tǒng)日數(shù)變化分析

0建筑采暖能耗根據(jù)聯(lián)合國(guó)政府間氣候變化專業(yè)委員會(huì)（picc）2001年發(fā)布的第三次評(píng)估報(bào)告，世界平均溫度在過(guò)去100年中增加了0.4.80。在過(guò)去的20年里，這是前100年中最溫暖的那一年。由于溫室氣體含量繼續(xù)增加，世界氣候繼續(xù)變化。據(jù)估計(jì)，到2000年，世界平均氣溫可以上升到1.4.5.8c。20世紀(jì)80年代以來(lái),北半球的迅速增溫已達(dá)到了統(tǒng)計(jì)學(xué)上的突變程度。中國(guó)是一個(gè)能源消費(fèi)大國(guó),氣候變暖將會(huì)改變能源的需求狀況。本文將從度日數(shù)的角度對(duì)建筑冷熱能耗進(jìn)行分析。室外的氣象條件實(shí)時(shí)地影響著建筑負(fù)荷,進(jìn)而影響到建筑能耗。許多文獻(xiàn)表明,現(xiàn)在建筑設(shè)計(jì)用氣象數(shù)據(jù)會(huì)導(dǎo)致對(duì)采暖負(fù)荷估算過(guò)高,對(duì)冷負(fù)荷估算過(guò)低。本文主要討論了在氣候變化的條件下,空調(diào)采暖期度日數(shù)年變化特征以及對(duì)未來(lái)10,20,30a的預(yù)測(cè)。1天津市海表市概況天津市位于北緯38°34′~40°15′,東經(jīng)116°43′~118°04′,市中心位于北緯39°10′,東經(jīng)117°10′。天津市是我國(guó)海拔最低的城市,全市一般海拔2~5m。本文采用的氣象資料源自天津市氣象臺(tái)站1951~2010年的氣溫資料,日平均溫度為每天4個(gè)時(shí)刻溫度的算術(shù)平均值,以此進(jìn)行度日數(shù)的計(jì)算。2近年來(lái)冷季的變化特征2.1采暖期最大粒度數(shù)d度日數(shù)是一種簡(jiǎn)化算法,當(dāng)室內(nèi)溫度、內(nèi)部得熱量和空調(diào)系統(tǒng)效率恒定時(shí)能較好地估算建筑能耗。這種方法假定能耗和基準(zhǔn)溫度與室外平均溫度之差成正比,分析度日數(shù)可以間接地表征建筑能耗的變化規(guī)律。根據(jù)《民用建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》采用的采暖度日數(shù)基準(zhǔn)溫度18℃,計(jì)算出每年的度日數(shù)如圖1所示。由圖1可見,采暖度日數(shù)總體上呈下降趨勢(shì),1980年后,采暖度日數(shù)幾乎均低于歷年平均值,大部分年份度日數(shù)波動(dòng)在2000℃·d左右。歷年采暖期最大度日數(shù)在1956年,為2830℃·d,最小度日數(shù)在2007年,為1587℃·d,兩者相差1243℃·d;60年的平均采暖度日數(shù)為2168℃·d。雖然采暖度日數(shù)大體是下降的趨勢(shì),但是波動(dòng)性很大。為了更好地把握度日數(shù)的變化規(guī)律,將1951~2005年的55a數(shù)據(jù)每10a一次平均處理,即1951~1960年,1952~1961年,1953~1962年,……,依此類推,剩余的2006~2010年數(shù)據(jù)作為檢驗(yàn)?zāi)Ｐ偷臏?zhǔn)確性。從圖2可以看出,R2=0.7959,表明10a平均采暖度日數(shù)具有強(qiáng)線性相關(guān)。在1963~1972年的10a平均采暖度日數(shù)最大,為2393℃·d;1995~2004年的10a采暖度日數(shù)最小,為1893℃·d,比1963~1972年平均采暖度日數(shù)少20.9%。由表1可見,用線性回歸模型預(yù)測(cè)未來(lái)平均采暖度日數(shù)產(chǎn)生的相對(duì)誤差在5%以內(nèi),從而檢驗(yàn)了線性回歸模型的準(zhǔn)確性。上述5個(gè)10a,采暖度日數(shù)產(chǎn)生的平均誤差MBE=70℃·d,產(chǎn)生的均方差為RMSE=73.4。用平均采暖度日數(shù)回歸模型預(yù)測(cè)未來(lái)10a(2011~2020年),20a(2021~2030年),30a(2031~2040年)的平均度日數(shù)為1832℃·d,1732℃·d,1632℃·d,即每10a平均采暖度日數(shù)下降100℃·d。2.2采暖期平均冷粒度數(shù)顯色率以26℃為基準(zhǔn)溫度計(jì)算的每年冷度日數(shù)如圖3所示。由圖3可見,1951~1990年的冷度日數(shù)幾乎在一個(gè)均值上波動(dòng),平均度日數(shù)為71℃·d。在近20年內(nèi),冷度日數(shù)發(fā)生了陡然變化,跳躍到一個(gè)較高的均值,平均度日數(shù)為124℃·d,平均增幅為75.2%。1976年的冷度日數(shù)最小,為26.6℃·d,1997年的冷度日數(shù)最大,為214.9℃·d。與采暖期度日數(shù)一樣,將1951~2005年的55a冷度日數(shù)據(jù)每10a一次平均處理,得到圖4的曲線,其中R2=0.884,表明冷度日數(shù)與全球氣候變暖的趨勢(shì)是吻合的,平均度日呈強(qiáng)二次多項(xiàng)式增加的趨勢(shì)。1996~2005年的平均冷度日數(shù)最大,為138℃·d,1969~1978年最小,為58℃·d,冷度日數(shù)最大值是冷度日數(shù)最小值的2倍多。1951~2005年每隔10a的平均冷度日數(shù)的回歸關(guān)系式為y=0.0892x2-3.0982x+86.994,x=1,2,3…(1代表1951~1960年,2代表1952~1961年,…,依此類推)。用此回歸模型預(yù)測(cè)1997~2006,1998~2007,1999~2008,2000~2009,2001~2010年的平均冷度日數(shù)如表2所示。從表2可以看出,隨著年份的推移,冷度日數(shù)的相對(duì)誤差越來(lái)越大,最大值達(dá)到了25.2%。預(yù)測(cè)值普遍偏高與氣候波動(dòng)性和冷度日數(shù)較小有關(guān),即使很小的絕對(duì)誤差也會(huì)產(chǎn)生較大的相對(duì)誤差。盡管某時(shí)間段的預(yù)測(cè)值與實(shí)際值的偏差較大,但是從長(zhǎng)遠(yuǎn)看,平均冷度日數(shù)有沿著二次方程式增長(zhǎng)的趨勢(shì)。3太陽(yáng)的顯著性測(cè)試3.1m-k檢驗(yàn)和udk檢驗(yàn)M-K法(Mann-Kendall)是一種非參數(shù)檢驗(yàn)的方法,它不需要樣本遵從一定的分布規(guī)律,也不受少數(shù)異常值的干擾,適用于類型變量和順序變量。M-K檢驗(yàn)是在氣候序列平穩(wěn)的前提下,定義了一個(gè)統(tǒng)計(jì)量:式中:mi表示第i個(gè)樣本xi大于xj(1≤j≤i)的累計(jì)值。在原序列的隨機(jī)獨(dú)立等假定下,dk的均值和方差為在原序列隨機(jī)獨(dú)立的假設(shè)下,將dk標(biāo)準(zhǔn)化為U(dk),所有U(dk)(1≤k≤N)將組成一條曲線。給定一顯著性水平α0,當(dāng)α1<α0時(shí),則拒絕原假設(shè),它表示此序列將存在一個(gè)強(qiáng)的增長(zhǎng)或減少趨勢(shì)。3.2日數(shù)據(jù)的測(cè)試3.2.1udk給定顯著性水平α=0.05,即|U±(1-α/2)|=1.96,當(dāng)U1-α/2>1.96或U-(1-α/2)<-1.96時(shí),表明序列存在明顯的增長(zhǎng)或減少趨勢(shì)。從圖5可以發(fā)現(xiàn),尤其在1970年后的幾十年中,U(dk)均小于0,表明采暖度日數(shù)減少,并且呈逐年降低的趨勢(shì)。若以α=0.05的顯著水平來(lái)識(shí)別變化是否顯著,圖5顯示:約從1991年以后,U(dk)<-1.96,度日數(shù)顯著減小,1991年后比與1991年前平均采暖度日數(shù)降低了15.3%,這與逐年采暖度日數(shù)的變化是一致的。3.2.2冷粒度數(shù)年度變化特征用M-K方法檢驗(yàn)的分析結(jié)果如圖6所示。若仍以α=0.05的顯著水平進(jìn)行檢驗(yàn),圖6大致顯示如下:1951~1995年,U(dk)<0,表明在這一時(shí)間段內(nèi)冷度日數(shù)變化趨勢(shì)是減少的;1996年以后,U(dk)>0,表明冷度日數(shù)呈逐年上升的趨勢(shì);大約在2005年以后,冷度日數(shù)U(dk)>1.96,表明冷度日數(shù)開始發(fā)生了顯著的增加,與冷度日數(shù)逐年變化特征基本吻合。2005年后的冷度日數(shù)比2005年前增加了68.7%。4冷粒度數(shù)美日率的變化在氣候變化的背景下,冷暖度日數(shù)發(fā)生了顯著的變化。在過(guò)去的60a中,10a平均采暖度日數(shù)呈線性下降的趨勢(shì)。1963~1972年的10a間,平均采暖度日數(shù)最大,為2393℃·d;1995~2004年的10a間,采暖度日數(shù)最小,為1893℃·d,比1963~1972年的平均采暖度日數(shù)減少了20.9%。用平均采暖度日數(shù)回歸模型預(yù)測(cè)未來(lái)的平均度日數(shù)顯示,每10a的平均度日數(shù)下降100℃·d。然而,在過(guò)去的60a中,冷度日數(shù)呈逐年上升的趨勢(shì),1996~2005年的平均冷度日數(shù)最大,為138℃·d;1969~1978年的平均度日數(shù)最小,為58℃·d;冷度日數(shù)最大值是冷度日數(shù)最小值的2倍多。用M-K檢驗(yàn)方法,在α=0.05的顯著水平下檢驗(yàn)度日數(shù)變化的顯著性表明,采暖度日數(shù)從1991年后顯著減少,1991年前后相比平均采暖度日數(shù)降低了15.3%;2005年后冷度日數(shù)顯著增加,2005年后比2005年