气候变化对中国东北地区典型城市办公建筑能耗的影响

崔妍 敖雪 曹经福2 周晓宇 李明财2 赵春雨 刘鸣彦 林蓉

(1.沈阳区域气候中心，辽宁 沈阳 110166； 2.天津市气象科学研究所，天津 300074)

引言

建筑能源消耗是社会能源消耗的重要组成部分，截止2016年中国建筑能源消费(8.99×109t标准煤)占全国能源消费总量的20.6%，其中公共建筑能耗占比接近4成(38%)[1]。随着城市扩建和城市化水平不断提升，人类对生活工作环境要求日益增加，未来建筑能耗将不可避免地进一步增加[2]。建筑能耗不仅受到围护结构、室内环境及设备等建筑设计的影响，还与气温、风速、太阳辐射等气象因素密切相关，气候及气候变化已经在建筑设计、建筑运行等诸多方面产生影响，是发展建筑节能技术的重要影响因素之一[3-6]。IPCC第五次评估报告指出，1880—2012年全球地表温度升高了0.85 ℃(0.65—1.06 ℃)，且这种变暖趋势在21世纪仍将持续[7]。因此，研究气候变化对东北地区办公建筑能耗的影响不仅可以揭示东北地区建筑能耗的变化规律，也可以为地方政府及设计主管部门制定相关的节能减排政策提供科学参考。

近年来，气候变化与能耗的关系已经引起了国内外学者的广泛关注，并取得了众多研究成果。早期进行建筑能耗研究时多采用静态能耗计算方法，其中应用最广泛的是度日法。度日是一个地区气候寒冷和炎热程度的指标，可以在一定程度上反映区域和城市尺度的能源消耗[8]。采暖度日与居民建筑电力耗能和取暖用油量呈显著正相关，温度是短期能耗波动的主要原因[9]，若气温降低0.5 ℃或者1 ℃，采暖需求将分别增加9.6%和19.6%[10-11]。采用日平均气温得到的采暖度日分布与希腊供暖日数实测数据具有较高的一致性，且其地理分布与希腊因地形变化而造成的气候变化是一致的[12]。一些学者[13-14]采用度日法分析了气候变化对建筑制冷和采暖能耗的影响发现，随着气候变暖中国建筑的采暖/空调度日呈下降/上升趋势，采暖区建筑采暖能耗明显下降，与采暖度日变化趋势一致[13,15]；气候变暖导致我国北方地区冬季采暖能耗降低了5%—30%，长江中下游降低了30%以上[16]；虽然气候变暖使得采暖能耗减少，但是夏季空调制冷能耗则有可能增加[14]。度日法由于其简单的计算方法和操作的便利性[17]被广泛应用于能耗研究中，但其考虑要素过于单一(气温)[8]，缺乏风向、风速等其他气象要素和建筑本身特点的考虑[18]，不能很好地模拟建筑与外界的传热过程。随着建筑空间日益增加和建筑结构日益复杂，仅仅采用度日指标的静态能耗计算方法局限性不断显现[17]。因此，基于动态能耗模拟方法的研究越来越多，国外的研究者[19-20]利用EnegyPlus模拟系统分别在美国和巴西开展了气候变化建筑能耗的影响研究。Wan等[21]研究了香港地区办公建筑制冷能耗受气候变化的影响，指出气候变暖背景下香港制冷能耗将增加6.6%—8.1%，同时提出了提高冷机效率等减缓措施以应对能耗的增加。李明财等[18]利用TRNSYS(Transient System Simulation Program，TRNSYS)软件对天津市建筑能耗与气候响应的研究表明，采暖期商场建筑热负荷极值对总负荷极值的影响显著减小，平均气温是影响建筑冬季热负荷极值的主要因素；办公建筑采暖极端能耗日数显著下降而制冷极端能耗日数呈上升趋势，采暖小时极端能耗对风速和辐射响应存在延迟[22]。

东北地区是中国采暖期最长、采暖需求最高的地区，近来年也开展了一些相关研究。如李倩等[23]利用历史气象资料分析了辽宁省冬季采暖期和采暖能耗的变化；高峰等[24]分析了东北地区自然采暖期气温和采暖指标的特征。但总体而言，东北地区气候变化和采暖能耗的研究仍然相对较少，且大多数研究依然采用基于气象资料的静态能耗计算方法，动态能耗模拟方法及建筑能耗方面的研究仍比较缺乏。因此，本文以中国东北地区三个重要城市(哈尔滨、长春和沈阳)为代表，采用基于动态模拟软件TRNSYS得到的办公建筑能耗资料，分析了气候变化对东北地区办公建筑设计气象参数和办公建筑能耗的影响，探讨了影响东北地区办公建筑能耗主要气象因子。不仅可以为建筑设计部门进行节能设计时考虑气候变化影响提供参考，也可以为建筑能耗预测预估提供科学依据。

1 资料与方法

1.1 资料选取

所用研究资料包括气象资料和建筑能耗资料。气象资料来源于国家气象信息中心，主要包括中国东北地区三个典型城市(哈尔滨、长春和沈阳)1961—2019年逐时气温、相对湿度、风速、风向以及太阳辐射等。1961年以来，长春站未迁站，哈尔滨站和沈阳站分别迁站2次，迁站前后距离均在8 km以内。采用PMF方法对其进行均一性检验后，发现台站数据未存在明显断点，资料质量和连续性均比较好。在自动化观测之前，气象台站只有一日4次定时资料，因此需要对自动化观测之前的资料进行逐时化处理。逐时化处理时对不同要素采用不同的处理方法，气温和相对湿度资料使用三次样条曲线进行插值，风速和风向资料采用分段插值方法，太阳辐射资料则使用西安建筑大学闫友菲等[25]开发研制的太阳辐射逐时化软件进行逐时化处理。

1.2 建筑设计气象参数计算方法

按照《民用建筑供暖通风与空气调节设计规范》(GB 50736—2012)[26]计算供暖及空调调节室外设计计算参数，各参数定义及计算方法如下：

夏季空调室外计算温度：历年平均不保证50 h的温度(℃)；冬季空调室外计算温度：历年平均不保证1 d的日平均温度(℃)；供暖室外计算温度：历年平均不保证5 d的日平均温度(℃)。

1.3 供暖/制冷能耗计算方法

本文使用的能耗资料由能耗模拟软件TRNSYS模拟得到，该软件是由美国威斯康辛麦迪逊大学(Wisconsin-Madison)的太阳能实验室(SEL)研发的动态仿真软件，系统采用模块化的分析方式，一个模块实现一种特定功能，最后汇总实现整个系统的模拟分析[18]。在办公建筑的能耗模拟中，调用了其中的气象资料处理模块、太阳辐射模块以及输入输出模块。输入资料包括建筑参数和气象资料。建筑参数包括维护结构、外窗热工参数、热负荷朝向订正系数等[27](表1)。气象资料包括逐时气温、相对湿度、风向风速、太阳辐射。在围护结构和采暖/空调系统运行方式确定的情况下，建筑能耗很大程度上与外部环境，即室外气象条件有关。室外空气热湿状况通过热交换和空气交换对室内空气产生影响，从而影响办公建筑供暖/制冷能耗。气温和太阳辐射通过不透明的围护结构和透明的门窗与室内环境直接进行热量交换，风向风速则通过影响围护结构表面对流换热系数从而间接影响室内环境[28]。一般而言，在一定的室内环境设计条件下，气温和太阳辐射越强，建筑冬季供暖能耗越小而夏季制冷能耗越大；风速越大，墙体对室外温度变化的衰减作用越明显[29]，建筑供暖能耗越大。将气象资料和建筑参数输入TRNSYS软件后，即可得到逐时建筑能耗资料，进一步统计即可得到冬季供暖能耗和夏季制冷能耗。该能耗数据可以比较客观地反映办公建筑供热以及制冷能耗，由于在模拟过程中建筑参数保持固定不变，能耗数据仅由气象参数决定，因此能够实现气候变化对建筑能耗影响的定量化评估。

表1 中国东北地区典型城市办公建筑主要设计参数Table 1 Major office-building design parameters in typical cities in Northeast China

2 结果分析

2.1 气候变化对办公建筑设计气象参数的影响

由于自动观测之前气象台站采用一日4次定时观测，供暖室外计算温度和冬季空调室外计算温度均以日平均温度为基础资料，因此日平均气温采用一日4次定时观测平均值计算得到。而夏季空调室外计算温度则以插值后的小时数据进行计算。

按照《民用建筑供暖通风与空气调节设计规范》室外空气计算参数计算规定，室外计算参数的统计年份宜取30 a。因此,为了解气候变化对东北地区典型代表城市建筑节能设计参数的影响，分别选取了1961—1990年、1971—2000年，1981—2010年和1991—2019年4个气候时段进行分析。如图1所示，受气候变暖影响，东北地区三个典型城市办公建筑节能设计气象参数有明显变化。气候变化对供暖室外计算温度和冬季空调室外计算温度的影响显著，对哈尔滨和长春的影响大于沈阳地区。

图1 1961—2019年哈尔滨(a)、长春(b)、沈阳(c)办公建筑设计气象参数的变化Fig.1 Variation of office-building design meteorological parameters in Harbin (a),Changchun (b),and Shenyang (c) in Northeast China from 1961 to 2019

与1961—1990年相比，近30 a(1991—2019年)哈尔滨和长春供暖室外计算温度分别升高了2.1 ℃和1.7 ℃，冬季空调室外计算温度分别升高了1.9 ℃和1.6 ℃，增幅均在1.5 ℃以上(表2)；气候变暖对沈阳供暖室外温度和冬季空调室外计算温度影响有限，分别升高了0.2 ℃和0.8 ℃。对于夏季空调室外计算温度，三个城市的增幅均比较小，分别为0.6 ℃(哈尔滨)、0.2 ℃(长春)和0.4 ℃(沈阳)。气候变化对冬季空调室外计算温度和供暖室外计算温度的影响更加显著，对夏季空调室外计算温度影响相对较小，这一研究结果与华北地区基本一致。从影响程度看，气候变化对冬季室外计算温度的影响在东北地区略高于华北地区，对供暖室外温度和夏季空调室外计算温度则与华北地区相当[30-31]。

表2 1961—2019年气候变化对中国东北地区典型城市办公建筑设计气象参数的影响Table 2 Impact of climate change on office-building design meteorological parameters in typical cities in Northeast China from 1961 to 2019 ℃

2.2 气候变化对办公建筑能耗的影响

为获得适宜的生活工作环境，建筑会采取供暖和制冷措施从而消耗大量能源。办公建筑能耗主要由冬季供暖能耗和夏季制冷能耗构成。供暖和制冷能耗是办公建筑在冬季供暖期和夏季空调期用于建筑物供暖和制冷所消耗的能量，供暖期起止日期按照《民用建筑供暖通风与空气调节设计规范》[26]确定。中国东北地区三个城市供暖期分别为10月17日至4月10日(哈尔滨)、10月20日至4月6日(长春)和10月30日至3月30日(沈阳)；制冷期三个城市均取6月1日至8月31日。

从东北地区城市办公建筑供暖能耗年际变化中可以看出(图2a)，哈尔滨和长春的供暖能耗明显大于沈阳，这可能是由于哈尔滨和长春冬季气温更低，供暖需求更加强烈。1961—2017年东北地区三个城市办公建筑冬季供暖能耗均呈减少趋势，哈尔滨和长春减少速率分别为10.25 MJ·m-2/10 a和8.53 MJ·m-2/10 a(通过0.05信度检验)，沈阳减少速率远低于哈尔滨和长春，为3.25 MJ·m-2/10 a(未通过0.05信度检验)；这可能是由于气候变暖背景下高纬度地区增温幅度大于低纬度地区[7]，哈尔滨和长春的冬季气温增暖率也远大于沈阳[32]导致的。从各月供暖能耗变化趋势看(表3)，哈尔滨和长春各月办公建筑供暖能耗均呈减少趋势，2月和3月的供暖能耗减少幅度相对较大；沈阳各月供暖能耗变化趋势均不太显著，变化幅度也较哈尔滨和长春偏小，2月供暖能耗以2.12 MJ·m-2/10 a的速率显著减少。

与办公建筑供暖能耗变化相反，1961—2017年东北地区夏季办公建筑制冷能耗均呈增加趋势(图2b)，但其增加趋势明显低于供暖能耗的减少趋势。哈尔滨增加趋势最为显著(5.23 MJ·m-2/10 a)，其次为长春(2.38 MJ·m-2/10 a)，沈阳制冷能耗增加趋势相对最小，为1.26 MJ·m-2/10 a，且未通过0.05信度检验。从各月变化看(表3)，长春和沈阳制冷期各月制冷能耗虽呈现增加趋势，但并未通过0.05信度检验；哈尔滨各月则均呈现显著增加趋势，8月的增加趋势略高于其他两个月份，为1.95 MJ·m-2/10 a。

在冬季供暖和夏季制冷的共同作用下，1961—2017年东北地区典型城市年总能耗(制冷能耗和供暖能耗之和)均呈减少趋势(图2c)。气候变化对沈阳办公建筑总能耗的影响远低于哈尔滨和长春，且由于哈尔滨和长春的供暖能耗趋势变化明显高于制冷能耗，因此哈尔滨和长春年总能耗分别以5.02 MJ·m-2/10 a和6.15 MJ·m-2/10 a的速率显著减少。而沈阳则由于其供暖和制冷能耗均没有明显变化而使得其年总能耗也呈不显著变化趋势。

图2 1961—2017年中国东北地区典型城市办公建筑供暖能耗(a)、制冷能耗(b)和年总能耗(c)年际变化Fig.2 Interannual variation of heating energy consumption (a),cooling energy consumption (b),and annual cumulative energy consumption (c) in typical cities in Northeast China from 1961 to 2017

表3 中国东北地区典型城市办公建筑各月能耗变化趋势Table 3 Trend of monthly heating energy consumption in an office building in typical cities in Northeast China MJ·m-2/10 a

2.3 办公建筑能耗的影响因子

为了更好地分析气候变化对办公建筑能耗的影响，将能耗与气温、相对湿度、风速和太阳辐射分别建立回归方程，识别影响办公建筑供暖和制冷能耗的主要气象因子。回归模型的效果用决定系数进行评估，决定系数(拟合优度)是指回归方程中能被解释的方差占总方差的比例，反映了因变量的波动在多大程度上能被自变量来描述。决定系数越大，拟合效果越好，自变量对因变量的驱动力越强，预测结果相对越可靠。

办公建筑能耗受到气温因素的影响较大。对于冬季供暖能耗而言(表4)，三个城市供暖能耗和气温回归方程的决定系数均在0.8以上，12月至翌年2月均在0.98以上。哈尔滨、长春和沈阳的供暖能耗的气象主要影响因子分别为湿球温度、气温和湿球温度，决定系数分别为0.96、0.96、0.94。尽管湿球温度为哈尔滨和沈阳主要影响因素，但其与气温之间的差异很小，很大程度上依然可以认为是气温起较大作用。三个城市气温决定系数分别为0.95、0.96和0.93，即气温可以解释供暖能耗95%、96%和93%的变化，是影响供暖能耗的重要气象因子，这一结果与华北地区的基本一致[18,22]。三个城市除哈尔滨1月外，冬季其他月份(12月至翌年4月)主要影响因素均为气温，对供暖耗能的贡献率均在90%以上。除气温外，相对湿度、风速和太阳辐射也对供暖耗能产生影响，尤其是4月，相对湿度和太阳辐射的影响增加，但与气温相比，其影响仍然有限。

与供暖能耗一致，办公建筑制冷能耗的主要气象影响因子也为气温(表5)，但气温对制冷能耗的贡献率低于供暖能耗，能耗解释方差分别为72%、71%和72%。与供暖能耗相比，相对湿度和太阳总辐射对制冷能耗的作用明显增加，尤其是6月，太阳辐射的决定系数分别为0.47、0.46和0.32；相对湿度对制冷能耗的贡献率也有所增加，长春在6月相对湿度可以解释制冷能耗54%的变化。可见与冬季供暖能耗单一的影响因素不同，对夏季制冷能耗而言，除气温外，相对湿度和太阳辐射也对制冷能耗产生重要影响[18]。

表4 中国东北地区典型城市办公建筑冬季能耗气象影响因子Table 4 Meteorological influencing factors of monthly office-building energy consumption in winter in typical cities in Northeast China

表5 中国东北地区典型城市办公建筑夏季能耗气象影响因子Table 5 Meteorological influencing factors of monthly office-building energy consumption in summer in typical cities in Northeast China

从东北地区三个城市能耗与气温的回归分析中可以看出(图3)，供暖能耗与气温呈明显的负相关关系，制冷能耗则与气温呈现明显的正相关关系。三个城市的供暖能耗与气温的回归方程决定系数均在0.90以上，相关系数分别为-0.97(哈尔滨)、-0.98(长春)和-0.96(沈阳)；制冷能耗与气温的回归方程决定系数虽然较冬季略低，但也达到了0.70以上，其相关系数分别为0.85(哈尔滨)、0.84(长春)和0.85(沈阳)，均达到了极显著水平(P<0.001)。同时可以发现，在气候变化背景下，如果气温升高1 ℃，则哈尔滨、长春和沈阳的采暖能耗将分别减少20.6 MJ·m-2、21 MJ·m-2和18.9 MJ·m-2；而其制冷能耗将分别增加15.1 MJ·m-2、16.1 MJ·m-2和18.8 MJ·m-2；在采暖和制冷的叠加作用下，三个城市办公建筑年总能耗将分别减少5.5 MJ·m-2、4.9 MJ·m-2和0.1 MJ·m-2。哈尔滨和长春能耗对气候变化的敏感性高于沈阳，从一定程度上看，气候变暖对哈尔滨和长春节能减排的正面影响可能略大于其负面影响；但对于沈阳而言，温度变化造成的能耗并无明显变化，因此应当采取更广泛的措施，如推广绿色建筑、在建筑设计中采用更有效的采暖和制冷设备、充分利用新能源和新材料等，更好地实现节能减排的目标[33]。

图3 哈尔滨(a)、长春(b)、沈阳(c)办公建筑供暖和哈尔滨(d)、长春(e)、沈阳(f)制冷能耗与气温的关系Fig.3 Relationships of heating energy consumption and cooling energy consumption against air temperature in office buildings in Harbin (a,d),Changchun (b,e),and Shenyang (c,f) in Northeast China

3 结论与讨论

(1)受全球气候变暖影响，1961—2019年中国东北地区三个典型城市(哈尔滨、长春和沈阳)建筑设计气象参数发生明显变化，气候变化对冬季空调室外计算温度和供暖室外计算温度的影响程度高于夏季空调室外计算温度，对高纬度地区(哈尔滨和长春)的影响大于低纬度地区(沈阳)。与1961—1990年相比，近30 a(1991—2019年)三个城市办公建筑室外设计计算参数均有所升高，供暖室外计算温度分别升高了2.1 ℃、1.7 ℃和0.2 ℃，因此在建筑设计中应充分考虑气候变化及其产生的影响，从而实现办公建筑的节能减排。

(2)1961—2017年中国东北地区三个城市办公建筑年总能耗和冬季供暖能耗均呈减少趋势，而夏季制冷能耗呈增加趋势。气候变化对哈尔滨和长春能耗影响大于沈阳，三个城市的年总能耗减少速率分别为5.02 MJ·m-2/10 a、6.15 MJ·m-2/10 a和1.99 MJ·m-2/10 a。

(3)气温是影响东北地区办公建筑能耗的主要气象因子，其与冬季供暖能耗和夏季制冷能耗均有较好的相关性。可以解释三个城市供暖能耗90%以上的变化和制冷能耗70%以上的变化。气温每升高1 ℃，三个城市的年总能耗将分别减少5.5 MJ·m-2、4.9 MJ·m-2和0.1 MJ·m-2。

(4)利用能耗模拟数据分析了中国东北地区城市办公建筑能耗变化及其主要影响因子。与南方湿润地区相比，气温对东北地区冬季供暖能耗有明显指示作用，对夏季制冷能耗的贡献度也高于南方城市[34]，但夏季能耗模型解释方差仍有提升空间。因此如何进一步优化能耗模型，从而利用动态能耗模拟技术实现办公建筑能耗的预报预测和未来情景预估将是未来研究的重点方向。