基于體感溫度的廣州60年冷暖度日特征分析

胡琳，高曉榮，賈寧遠，許澤銘

（1.廣州市海珠區氣象局，廣東廣州 511220；2.廣州市氣象臺，廣東廣州 511430；3.廣州市突發事件預警信息發布中心，廣東廣州 511430）

“度日數”是表征建筑供暖和制冷能耗的重要氣象參數之一，是指室外日平均氣溫高于或低于室內設計溫度的度數累積值，基于干球氣溫統計得到。國內外度日法已被廣泛應用于研究氣候或氣候變化與能源消耗的關系［1-4］。傳統度日法均基于干球溫度，但有研究表明單純基于干球溫度計算的冷度日并不能完全反映夏季制冷能耗，需綜合考慮多種氣象要素，特別是相對濕度、太陽輻射、風速等要素的影響［5］。國外有研究分析不同基礎溫度下度日數的時空特征，結合人體舒適度探討建筑物冬夏最優室內設計溫度，用來評估各地區用能需求及能源分配［6-8］；國內也有學者或提出了除溫濕日數的概念，結合冷度日綜合表征夏季空調降溫和除濕能耗［9］，或引入濕球溫度提出一種新的表征制冷能耗的冷度日。研究結果表明，對于冬暖夏熱地區，比如廣州而言，濕球冷度日較干球冷度日能更好地反映制冷能耗［10-11］。

然而，針對我國不同建筑氣候區，尤其是對冬暖夏熱地區，對通常提到的濕冷、濕熱等等，還未建立一個可靠的氣候指標來精準反映實際建筑能耗。本研究選取廣州作為冬暖夏熱的代表區域，并提出一種基于體感溫度的度日計算方法，對比分析基于氣溫和體感溫度的冷或暖度日分布特征的共性和差異性，以此定性評估基于體感溫度的度日反映冬暖夏熱地區的適用性，進而為“能耗雙控”背景下，提供決策參考。

1 資料與方法

1.1 數據來源

本研究選取廣州國家氣象觀測站1961—2020年逐日平均氣溫、相對濕度、平均風速以及日雨量等觀測數據。

1.2 體感溫度計算模型

本研究的體感溫度是參考一種基于黃金分割法構建人體舒適度的方法，該方法考慮了溫度、濕度、風速、海拔、緯度等因素。在考慮緯度效應和季節效應后，認為最佳的舒適溫度為某一地區的當月的最佳舒適溫度［12］，見式（1）。

其中，ts為最佳舒適溫度（℃）；φ為緯度（°）；M為月份；H為海拔高度（m）。

“黃金分割法”計算體感溫度的表達式為

當ta≥ts時

其中，tg為體感溫度（℃），認為是人體皮膚裸露時感受到的環境溫度；ta為日平均氣溫（℃）；ts為最佳舒適溫度（℃）；V為平均風速（m／s）；RH為相對濕度；RHs為最適相對濕度（有降水時，RHs＝0.618；無降水時，RHs＝0.5）。

1.3 采暖和制冷度日的計算方法

度日是每日的平均溫度與規定的基礎溫度的離值（℃·d）。因此，某一天的度日數就是該天的日平均溫度與基礎溫度的差［13］。為了方便研究，度日又分為兩種類型，即采暖度日（heating degree-day，HDD）和制冷度日（cooling degreeday，CDD）。在本研究中，根據《廣東省居住建筑節能設計標準》中夏季居住空間室內設計計算溫度26℃及冬季采暖居住空間室內設計計算溫度16℃［14］，故本研究分別以16和26℃作為采暖度日和制冷度日的基準溫度［15-16］。具體計算公式為

其中，ta為日平均氣溫（℃）；tg為體感溫度（℃）；n為天數（d）；HDDta為基于日平均氣溫的采暖度日總值（℃·d）；HDDtg為基于體感氣溫的采暖度日總值（℃·d）；CDDta為基于日平均氣溫的制冷度日總值（℃·d）；CDDtg為基于體感溫度的制冷度日總值（℃·d）。

2 結果與分析

2.1 HDD和CDD的變化特征

1）月際變化。

逐月的體感溫度不同，因而采暖（或制冷）的需求也不同。統計分析1961—2020年HDD和CDD的多年平均逐月變化（圖1）可知，基于日平均氣溫和體感溫度的度日月際變化趨勢一致。廣州地區HDD主要集中在11月至次年3月，其中1月最大，為6 509.7℃·d；其次是12和2月。廣州地區CDD主要集中在4—10月，7月CDD最大，為6 460.8℃·d；其次是8和6月。

圖1 1961—2020年月平均HDD、CDD的逐月變化

2）年際變化。

度日指標是反映采暖或制冷強度的指標，當研究溫度與能源消耗關系時，常采用采暖期或制冷期長度，即采暖日數或制冷日數［17-18］?；隗w感溫度的廣州多年平均采暖日數為76.64 d（圖略），略高于基于日平均氣溫的采暖日數（71.77 d）；基于體感溫度的廣州多年平均制冷日數為142.18 d（圖略），高于基于日平均氣溫的制冷日數（130.89 d）。采暖期的長期變化呈顯著減少的趨勢，基于體感溫度的采暖日數減少率為每10年2.06 d（圖2a）；而制冷期的長期變化則呈上升的趨勢，基于體感溫度的制冷日數增長率為每10年2.02 d（圖2b）。

圖2 1961—2020年HDD與采暖日數（a）以及CDD與制冷日數（b）的年際變化

廣州屬于南亞熱帶季風氣候，夏熱冬暖，且夏季長冬季短。采暖度日越大，表明供暖季節的溫度低，所需消耗的能源就越多；而采暖度日越小，則說明供暖期的溫度高，所需的能源就越少。

廣州多年采暖度日呈下降趨勢，基于體感溫度HDDtg的下降率為每10年10.96℃·d，略高于HDDTa（圖2a）。廣州多年平均HDDtg為308.4℃·d，遠低于重慶（1 138.8℃·d）和北京（2 922.6℃·d）［19］，這也從側面反映了華南地區（廣州）采暖的能耗是遠遠低于西南地區（重慶）和京津冀區域（北京）。廣州多年制冷度日呈上升趨勢，CDDtg的上升率為每10年13.57℃·d（圖2b）。廣州多年平均CDDtg為385.20℃·d（圖略），遠大于華東地區CDD值（約160℃·d）［20］。上述對比分析表明，廣州作為華南地區的代表，制冷所需能耗是顯著大于同期華東地區。

基于體感溫度和日平均氣溫計算HDD或CDD（采暖或制冷日數）相比，前者更高，其中制冷度日差值更突出，故在廣州地區研究其夏季制冷的問題上，應更關注濕熱、悶熱等濕度因素及靜風等帶來的人體不適，進而增加能耗。

2.2 HDD和CDD與體感溫度的關系

1）與體感溫度的相關系數。

相關系數是反映變量之間相關關系密切程度的統計指標。HDDtg和CDDtg與體感溫度的相關系數均較高，其中HDDtg的氣溫系數為-0.813，體感溫度系數為-0.815；CDDtg溫度系數為0.679，體感溫度系數為0.687，且通過α＝0.01的顯著性檢驗。

2）與氣溫的年代際變化。

隨著1960年代以后平均氣溫明顯升高，制冷度日也呈上升的趨勢，而采暖度日從1960年代至1990年代保持平穩，1990至2000年代呈下降趨勢，后再轉上升趨勢（圖3a-b），這也間接反映了全球變暖這一不可避免的趨勢。

圖3 HDD ta和CDD ta、ta（a）和HDD tg和CDD tg、tg（b）的年代際變化

3 結論

1）廣州地區HDD主要集中在11月至次年3月，其中1月最大，多年變化呈現顯著下降趨勢，量化分析表明HDDta減少率為每10年1.87 d、HDDtg減少率為每10年2.06 d；廣州地區CDD主要集中在4—10月，其中7月的制冷度日最大，多年變化呈現上升趨勢，量化分析表明CDDta增長率為每10年2.39 d、CDDtg增長率為每10年2.02 d。

2）廣州多年平均HDDta和HDDtg為269.5、308.4℃·d，遠低于重慶（1 138.8℃·d）和北京（2 922.6℃·d），這也從側面反映了華南地區（廣州）采暖的能耗遠遠低于西南地區（重慶）和京津冀區域（北京）的。

3）隨著1960年代以后平均氣溫明顯升高，制冷度日也呈上升的趨勢，而采暖度日從1960—1990年代保持平穩，1990—2000年代呈下降趨勢，這也間接反映了全球變暖這一不可避免的趨勢。

4）在廣州地區，基于體感溫度和日平均氣溫計算HDD或CDD（采暖或制冷日數）相比，前者更高，其中制冷度日差值更突出，故在廣州地區研究其夏季制冷的問題上，應更關注濕熱、悶熱等濕度因素及靜風等帶來的人體不適，進而增加能耗，基于體感溫度的度日對夏熱冬暖地區的制冷或采暖的能耗的適用性更好。