南充市体感温度变化及对建筑温控能耗的影响

游 泳，税攀恒，李卫朋

(西华师范大学 a.国土资源学院；b.区域环境演变与保护研究中心，四川 南充 637009)

人体对外界冷热的舒适或不适感受，是由气温、风速、湿度及太阳辐射等多种气象要素综合作用的结果[1-2]。当气温超过人体表温度(通常为32 ℃左右)，人体就会感觉到热。但事实上人体对环境温度的感知随着湿度、风速的变化是有较大差异的：如气温同样为 35 ℃，当相对湿度达到50%左右，风速为3 m/s以上，一般不会有明显热的感觉；而当相对湿度超过70%且无风时，一般的人就会有明显的闷热感。相比单纯的温度指标，作为一种可反映不同气象条件下多气象要素协同作用的人体舒适程度综合指标，体感温度能够更确切地测度人体对环境冷热的实际感受[3]。Kalkstein等[4]利用气温、露点温度和风速计算体感温度以评价最不舒适气象条件的发生频率和大小。吕伟林[5]提出了体感温度的经验计算公式，涉及气温、人们的着装颜色、风速、空气湿度、太阳辐射5种气象要素。蔚丹丹等[6]认为体感 “分级标准”应“因人而异”和“因地制宜”，需根据地域实际进行必要的改进优化，并提出季节锚点法，通过温湿指数(Temperature Humidity Index)和风效指数(Wind Effect Index)，求得气候舒适期、冷/热不舒适期。张志薇等[7]考虑了海拔、纬度和季节等因素的气候效应，提出更为精确的“黄金分割”舒适度指数计算方法。

体感温度目前主要应用于气候变化与呼吸道疾病发生的关联[8-10]、人口出生率[11-12]与死亡率[13]等与人体健康直接关联的研究，如体感温度上升情况下人口自然增长率会受到一定的抑制[13]。我国当前正处于城市化快速发展的进程中，建筑能耗已占社会总能耗的30%[14]，然而目前，体感温度变化与建筑控温能耗领域的研究相对较少。基于此，本文对南充的近年来的体感温度、冷热度日及其建筑温控能耗进行了计算，分析了体感温度及其对建筑控温能耗的影响，以期为区域节能减排和可持续发展提供参考。

1 研究区域与研究方法

1.1 研究区域

南充市位于四川盆地东北、嘉陵江中游，30°35′～31°51′N，105°27′～106°58′E。本文所用气象数据资料为南充市2005—2017年逐日气象数据，包括温度、降水、湿度、风速等气象要素。

1.2 研究方法

1.2.1 体感温度计算方法

本文采用王式功等[15]提出的用黄金分割法构建人体舒适度的方法来计算体感温度，步骤如下：

首先以长期生活在热带地区、 健康裸露的正常人体表面感觉到的最舒适环境温度作为理论上的“最佳舒适温度”(T=36.75×0.618，即正常人体的平均体温与黄金分割率的乘积)22.75 ℃为基准，而实际的“最佳舒适温度”TS会随着纬度、海拔和季节发生变化，需通过对理论上的“最佳舒适温度”进行这三方面的校准而求得，见公式(1)：

(1)

式中，TS表示校准后的最佳舒适度，φ表示纬度大小，M表示月份，H表示海拔高度。通常情况下，如果海拔高度低于500 m，可忽略海拔因素的影响[15]。经计算，南充市最佳舒适度最大值为12月份的21.22 ℃，最小值为10月份的20.94 ℃。

具体计算体感温度表达式如下：

Ta≥TS时，

Tg=Ta+A(exp(0.05(Ta-TS)(RH-RHs))-1)-0.03(Ta-TS)V

(2)

Ta

Tg=Ta-A(exp(0.013(TS-Ta)(RH-RHs))-1)-0.01(TS-Ta)V

(3)

式中，系数A为常数(A=36.75×(1-0.618)≈14)，Tg表示体感温度，Ta表示平均气温，V表示平均风速，RH表示相对湿度，RHs表示最适相对湿度(无降水时，RHs=0.5；有降水时，RHs=0.618)。

基于体感温度Tg和人体舒适度划分标准[8]，将南充市体感温度划分为以下等级(表1)。

表1 人体体感等级划分标准

注：Dt表示某地实际最佳舒适温度与理论上最佳舒适温度的差值(Dt=22.7-TS)。

1.2.2 建筑温控能耗计算方法

建筑温控能耗指建筑物单位面积年制冷/采暖所需的能耗(Electricity for cooling/heating,Ec/Eh)，可通过冷度日(Heating degree day,HDD)和热度日(Cooling degree day,CDD)计算[16]。

EC=11.839+0.074 6×CDD

(4)

Eh=-6.705 9+0.022 3×HDD

(5)

2 结果

2.1 南充市近年体感温度变化情况

如图1A所示，南充市近年的平均气温呈上升趋势，且变化幅度较大，在2013年和2015年达到两个峰值，分别为20.17 ℃和20.04 ℃，2016年和2017年的平均气温较以前有所降低。近年的最高气温也呈上升趋势，并且在上升的过程中波动幅度减小，自2009年以来，年最高气温都接近40 ℃(图1B)。近年的最低气温总体在上升，但是相对变化幅度较大，从-3 ℃ 到3 ℃ ，最冷年份为2016年，最低气温达到了-3 ℃(图1C)。

相应地，2005—2017年的年均体感温度呈上升趋势，最近5年表现的波动尤其明显。多年平均体感温度为17.86 ℃，最低年平均体感温度是2017年的17.26 ℃，最高的一年为2015年，年平均体感温度18.9 ℃。就季节变化而言(图2)，春、夏和冬3个季节的年均体感温度都有不同程度的上升趋势，其中冬季体感温度上升的幅度最大，多年平均7.28 ℃，最高是2015年冬季平均8.68 ℃，比最低的2008年冬季平均体感温度5.57 ℃高出3.11 ℃；变化最小的是夏季，多年夏季平均体感温度为27.11 ℃，最高体感温度2006年为28.59 ℃。体感温度与平均气温(图1D)有着显著的正相关性(R2=0.92，P<0.01)，与最高气温(图1E)和最低气温(图1F)相关性不显著(R2<0.01和R2=0.04，P值分别为0.94和0.51)。将体感温度按表1的标准划分出不同感受等级(图3)，结果发现，南充市近十几年来，人体感受呈偏冷、偏热和酷热的天数都呈现出下降的趋势(多年平均天数分别为103 d，92 d和26 d，下降率分别为26.1 d/10 a，26.9 d/10 a和24.6 d/10 a)。而呈舒适感受的天数表现出上升的趋势(表2)，多年平均145 d，增长率为19.2 d/10 a，一年中的舒适感受大致可分为两个时段，其中上半年春季部分开始时间由3月初提前到了2月中旬，结束时间则无明显变化趋势；下半年秋季开始时间从8月上中旬，推迟到了8月末以及9月初，结束时间没有明显变化，一年中大部分时间体感温度处于“舒适”的区间范围内。

2.2 南充市近年建筑温控能耗变化情况

南充近年偏冷体感天数呈整体递减趋势，相应的采暖耗电量也呈现出下降趋势(图4)，最大值为2005年的kwh·m-2，最小值为2015年16 kwh·m-2，多年平均采暖耗电量为21.38kwh·m-2,。制冷耗电量的多年平均为27.45 kwh·m-2，最大的一年为2006年38.48 kwh·m-2，最小为2005年的21.76 kwh·m-2，且波动范围大，但总体没有明显的上升或下降趋势。总的建筑温控能耗多年平均为48.83 kwh·m-2(采暖耗电量和制冷耗电量分别占44%和56%，然而其所占的天数分别为159 d和62 d)，最大能耗出现在2006年60.48 kwh·m-2，并呈明显的下降趋势，与年均体感温度变化趋势相反。

表2 2005—2017年舒适体感等级起止时间

3 讨论及结论

3.1 讨论

在全球变暖背景下，我国气候表现出平均气温增高、极端气象事件的数量、频次、影响范围均有所增加的情况[17]，南充市近年来平均体感温度也呈整体上升趋势，但体感温度作为一个基于平均气温的统计概念，对极端的高温或者低温响应的敏感性有限，极端的高温或者低温只有持续一定时间，才会在体感温度的变化中有所体现，如2008年和2011年(图5)，南充不超过2 ℃雨雪临界气温[18-19]的低温日数分别为20 d和18 d，相应地，降雪日数分别为10 d和5 d，年均体感温度也相对较低(分别为17.46 ℃和17.43 ℃)；而2006年和2013年不超过2 ℃临界气温的天数较少，分别为11 d和14 d，降雪日数均为2 d，年均体感温度也相应较高(分别为18.27 ℃和18.87 ℃)。

平均体感温度的上升，使得每年人体感受为“偏冷”等级的持续天数下降，且体感温度增加值没有超出感受为“舒适”等级的阈值范围，因此，每年“舒适”等级的天数在持续增加。在季节尺度上，春季、秋季和冬季温控能耗和对应季节体感温度变化(图6C、E、F)都具有显著的负相关关系；夏季温控能耗与夏季体感温度变化(图6D)具有显著的正相关关系；这与这三个季节的主体温控能耗——采暖耗电量(春，秋，冬季分别占到其季节总温控能的96%、90%和100%)需求随着体感温度的上升减少有关；而在夏季，所有的温控能耗都是制冷耗电量，因而夏季温控能耗与体感温度的变化呈显著的正相关关系。在年尺度上，南充市全年建筑采暖耗电量(平均每年发生了159 d，占全年总温控能耗的44%)与年均体感温度呈显著性负相关(R2=0.67,P<0.01)(图6A)，即全年建筑采暖耗电量随体感温度的上升而降低；而建筑制冷耗电量(平均每年发生了62 d，占全年总温控能耗的56%)因发生天数相对较少，与年均体感温度的相关性并不显著(R2=0.1,P=028)(图6B)。总体上，体感温度与总温控能耗的相关性在年尺度上远不如在季节尺度上表现得那么显著，一方面，夏季的偏热和冬季的偏冷的体感温度信号在一定程度上被年体感温度的均值所过滤；另一方面，全年总温控能耗的变化主要受控于采暖耗电量减少和制冷耗电量增加量相对关系。目前南充全年建筑采暖能耗的减少量大于制冷能耗的增加量，整体上年温控能耗呈降低趋势。但是，体感温度若持续上升，建筑年总温控能耗的这种下降趋势就会减缓、停滞，甚至发生逆转(制冷耗电量增幅超过采暖耗电量减少量时)。

3.2 结论

1)南充市2005—2017年体感温度变化呈上升趋势，多年平均体感温度为17.86 ℃，最低年平均体感温度出现在2017年，为17.26 ℃，最高年平均体感温度出现于2015年，为18.9 ℃。其中，春、夏和冬3个季节的年均体感温度都有不同程度的上升趋势，冬季体感温度上升的幅度最大；秋季则呈轻微下降趋势。

2)体感温度的变化与平均气温的变化相关性显著，对极端的高温或者低温响应的敏感性有限，极端的高温或者低温只有持续一定时间，才会对体感温度的变化产生一定的影响。

3)南充市建筑采暖耗电量呈下降的趋势；建筑制冷耗电量呈上升趋势；建筑温控总能耗呈现降低的趋势。季节尺度上，春季，秋季和冬季温控能耗具有显著的负相关关系(对应的R2=0.64,P<0.01；R2=0.36,P<0.05；R2=0.99,P<0.01)，与夏季温控能耗具有显著的正相关关系(R2=0.78,P<0.01)；年尺度上，采暖耗电量与体感温度变化显著正相关关系(R2=0.67,P<0.01)，年制冷耗电量与体感温度变化相关性并不显著(R2=0.1,P=028)。

致谢：本文在前期数据处理和讨论环节得到了詹梨苹同学的热心帮助，在此表示感谢！

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