气候与能源消耗

气候与能源消耗

1气候变化对建筑物供暖空调能耗的影响能源和气候的关系是全世界各国政府和科学家关注的中心问题之一。一方面能的开发利用影响气候,另一方面气候变化也影响到能源的消耗使用。在发达国家,建筑耗能、交通(汽车)耗能和工业耗能在其总耗能中各占三分之一左右。在建筑耗能中,供暖空调能所占比例较大,如上海的高层建筑空调耗能量占总耗能量1/4～1/3强。而建筑物供暖空调耗能是与气候变化直接相关的。全球气候变化在近100年来变暖0.3～0.6℃,近40年变暖0.2～0.3℃;我国1951年～1990年平均温升0.3℃,有的地区最低气温以0.5～0.9℃/10年上升。在城市,由于热岛效应的加剧,温升更为明显。因此,有必要研究气候变暖对建筑物供暖空调耗能的影响。目前,这一课题已引起了一些学者的注意并开始研究,如加拿大的Sanderson,美国的Scott、Linder、Loveland、Niemeyer,日本的Nishinomiya,新西兰的Mundy,德国的Gertis等等。他们的研究主要集中在气候变化对某个局部地区电力需求的影响,而没有提供计算这种影响的基本依据。其结论是:在较冷地区(即供热地区)每升高1℃,全年使用能量可减少2%;而在较热的气候地区,能量需求却有相当地增加。Scott等对美国四个不同气候区域的研究发现度日模型对于商业建筑供热因全球变暖节省能量的预测值偏高,而对供冷所需的能量的预测值偏低。Beizer等研究了气候变化对美国商业建筑耗能的影响。从这些研究可以看出,不同的研究者因采用模型不同,得出的结论有差异。关于这一课题,国内只有个别学者涉及,但尚未深入系统的研究。对这一问题的研究,有助于弄清气候变暖对冬季供暖能的消耗的减少以及夏季空调能源消耗的增加的具体情况,这对于一个城市或某一区域准确地供给建筑物供暖空调的能量有重大作用。2冬季供暖对加热能耗的影响2.1气候变化对能耗的影响影响采暖耗能的因数较多,如建筑物结构、供热方式(集中供暖或分散采暖)、热源种类(煤、油或电)以及气候条件。这里仅以气候条件为影响因素来讨论采暖能耗问题。就气候条件而言,采暖耗能不仅与采暖期长短有关,而且与采暖期内温度的高低有关。因此,采用采暖期天数和采暖度日数两个指标来研究气候变化对能耗的影响。根据《采暖通风与空气调节设计规范(GBJ19-87)》有关规定:采暖期天数应按累年日平均温度稳定低于或等于采暖室外临界温度的总日数确定。采暖室外临界温度的选取,一般民用建筑和生产厂房及辅助建筑物,宜采用5℃。室外计算参数的统计时期宜采用30年。日平均气温≤5℃的多年平均日数可以从逐日气象资料得到。由于采暖期间的度日数与这一期间的能耗在其他条件相同的情况下成正比。因此,在比较能耗时采用度日数比采暖期天数更合理。采暖期度日数可按下式确定:式中Z——采暖期度日数,℃·d;n——采暖期天数,d;tn——室内温度基数,℃;我国一般取18℃表1为若干城市多年冬季平均气温、供暖度日值及采暖期天数。2.2采暖期能耗及节能潜力分析根据历年气象资料,可以给出19871998年冬季平均气温、采暖期天数及度日值,并与19611990年多年的情况相比较,如表2所示。同时,为便于分析气温变化对采暖能耗的影响,求出了相应的变化量。由表2可知,1987～1998年近12年来,这几座城市采暖期度日数明显减少。若每一度日数所耗能量基本相同,则可用度日数减少的百分数表示因气候变暖在整个冬季的建筑物供热节能率Se,即Se=|ΔZ/Z|由上式可求出4个城市供暖节能率如表3所示。以城市A为例,整个采暖期耗用标准煤大约206.4×106kg,那么由于气候变暖,在采暖期内采暖度日数减少,则冬季采暖节约标准煤206.4×106×6.25%=12.9×106kg。可见,可节省能源,减轻空气污染。自1987年以来,我国已连续出现16年的暖冬,采暖期有缩短的趋势。供暖部门应关注气象部门的短期气候预测,并根据温度变化制定供暖计划,节省能源资源。3夏季空调能耗分析室外干、湿球温度以及太阳照度是影响建筑物空调能耗的主要气象因素。因此分析空调能耗比分析采暖能耗要复杂得多。表4列出了广州地区1951～1980年间的常年值与1986～1995年间的相关值。由表4可知;最热月平均气温有增加的趋势,日照率及相对湿度有减少的趋势。显然,仅采用度日数这一指标来分析夏季空调能耗不妥。事实上,含湿量和日照率对空调负荷有很大影响。如武汉市2001年8月7日气温最高37℃,而用电最大负荷却达300万kW,日用电5944万kWh;比7月10日气温达40℃时最大用电负荷294万kW还大。这是由于8月7日为立秋日,湿度大、天气闷热,空调使用较多所致。由于气候变暖,日较差有递减的趋势,如广州日较差递减率每10年递减0.4～0.6℃。这样,由于最低气温的上升会导致夏季空调能耗增加。此外,城市化引起的热岛效应会使中心城区温度增高,这也会增大空调能耗。李先庭等研究了城市化对住宅建筑空调负荷的影响。这一问题与本文中讨论的“气候变暖对空调能耗的影响”相似。为便于分析,不考虑湿度和日照率对建筑物空调能耗的影响。室外温度对建筑物空调能耗的影响主要在于通过围护结构的传热(包括外墙和窗玻璃)和新风负荷。当室内外温差小的时候,室外温度对这两项负荷影响较大。由于建筑物夏季空调能耗由空调冷负荷确定,而冷负荷与得热量直接相关。因此仅对气候变暖对建筑物得热量作简单分析。若某建筑物室内设计温度tN=27℃,αN=8.72W/m2.K;围护结构传热系数K=1.95W/m2·K,传热衰减度v1=12.9,传热相位延迟ε1=8.5h=127.5deg。设根据室外设计温度所确定的室外综合温度计算式为:式中τ——计算时间,小时。则通过围护结构单位面积的逐时传热得热量可用下式计算:将有关数据代入上式,得利用式(5)计算出通过围护结构单位面积的逐时传热得热量,如图1中曲线1所示。若因气候变暖,夏季空调室外计算日平均温度上升1℃,而其它条件保持不变,则利用式(4)计算出通过围护结构单位面积的逐时传热得热量,其结果见图1中曲线2所示。由图1可知,当考虑气候变暖引起夏季空调室外计算日平均温度升高1℃时,通过围护结构单位面积的逐时传热得热量增加11%～28%。可见由此增加的得热量会对室内负荷计算产生较大影响,这种影响对空调冷负荷以围护结构传热和新风为主的民用建筑是应加以考虑的。事实上,全球气候变暖会引起室外温度、含湿量和日照率的变化,由此会对建筑物得热量产生影响,并进而影响空调能耗,对此还需进一步的研究。4建立供热空调系统的必要性(1)气候变化对建筑物供暖空调能耗有很大影响。冬季气候变暖,可大大减少采暖耗能;而全球气候变暖对夏季空调耗能的影响,有可能使空调能耗增加。气候变暖对全年采暖和空调的能耗的影响是增加还是减少,有待进一步研究。(2)不同地区,由于气候变暖的程度不一样,对采暖能耗的影响程度也不一样。(3)供热部门应与气象部门密切联系,根据当年的气象特点,合理确定采暖期,以便于做好供热节能工作。(4)对这一问题的研究