趙潔云 龍步菊 袁維穎 劉思妤 李柯堯

(中國農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，北京100193)

引言

冬季是否集中供暖，中國一直以“秦嶺—淮河”線為界[1]。隨著中國社會經(jīng)濟的不斷發(fā)展，人民對高質(zhì)量生活的需求不斷提高。由于中國特殊的地理位置所致，冬季來自高緯度地區(qū)的冷空氣不僅活動頻繁，且在南下的過程中隨著濕度的增加，到達南方時更多表現(xiàn)為“濕冷”，南方居民對能在陰冷濕寒的冬季集中供暖的愿望從未停止。

對中國南方地區(qū)冬季供暖研究主要集中在供暖方式、能源消耗、建筑規(guī)范、經(jīng)濟環(huán)保、民生需求等方面，并且有較多的研究討論了受氣候變化影響的供暖時間和強度變化[2－4]。從地理特征、供暖方式和能源消耗看，中國南方?jīng)]有集中供暖的必要[5]，供暖南北波動界限依舊維持在“秦嶺—淮河”平原中部[6]。但從氣候、生理和民眾需求看，中國南方有集中供暖的必要[7]。部分省份如浙江省，其北部采暖期均值為31 d，南部均值為0 d，沒有達到供暖的標(biāo)準(zhǔn)[8]。

氣溫為表示空氣冷熱程度的物理量，其大小和變化對人體健康造成影響[9]。體感溫度不僅和氣溫有關(guān)，還與相對濕度、風(fēng)速等要素有關(guān)[10]。人體在熱量平衡條件下，對環(huán)境綜合作用下以熱感覺溫度的生物氣象指標(biāo)定義為體感溫度[11]，它考慮了各要素的綜合作用，較氣溫相比更能體現(xiàn)人體實際上對冷熱環(huán)境的感受。目前對體感溫度的研究主要包括其與各氣象要素的關(guān)系、分析方法和計算模型、時空變化、應(yīng)用等。氣溫和體感溫度成正相關(guān)關(guān)系，濕度對體感溫度的影響與氣溫有關(guān)，當(dāng)氣溫小于10℃時，濕度越大，體感溫度越低。氣溫較低時，風(fēng)冷指數(shù)隨風(fēng)速急劇降低，體感溫度降低[12]。在體感溫度的計算模型研究中，有用百葉箱的溫度代表體感溫度[13]、以人體熱量平衡為基礎(chǔ)的感熱溫度理論[14]、以旬為單位計算體感溫度[15]、基于“黃金分割法”建立人體舒適度等級計算體感溫度[16]等方法。體感溫度主要應(yīng)用在人體舒適度的預(yù)報、旅游環(huán)境、建筑能源、社會問題等方面[17－20]。在供暖的應(yīng)用上，王汶等[21]首次利用體感溫度重新界定了公里級的中國供暖需求分區(qū)，研究表明長江中下游地區(qū)供暖需求高。

在以往對供暖劃分的研究中，大多數(shù)根據(jù)《民用建筑供暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計規(guī)范》(GB50736—2012)中的供暖標(biāo)準(zhǔn)，從氣溫角度考慮，并且使用絕對通過5℃的方法計算供暖期，沒有使用規(guī)范中的滑動5 d平均穩(wěn)定通過5℃的方法計算采暖期。供暖中的“南方地區(qū)”常指處于夏熱冬冷地區(qū)的長江流域，針對此地區(qū)集中供暖分區(qū)問題，本文根據(jù)1961—2017年中國各省市701個完整時間序列逐日氣象資料的臺站數(shù)據(jù)，以GB50736—2012中的供暖標(biāo)準(zhǔn)為指標(biāo)[22]，采用滑動5 d平均法，計算中國各臺站采暖期，從氣溫和體感溫度分析中國南方集中供暖必要性，為中國南方解決集中供暖問題提供參考。

1 資料與方法

1.1 數(shù)據(jù)來源

1961—2017年氣象資料日值數(shù)據(jù)來自中國氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng)的中國地面氣候資料日值數(shù)據(jù)集(V3.0)，主要包括逐日平均氣溫(℃)、最高氣溫(℃)、最低氣溫(℃)、降水量(mm)、日照時數(shù)(h)、相對濕度(%)和風(fēng)速(m·s－1)等。數(shù)據(jù)集經(jīng)過嚴格質(zhì)量控制和檢查，缺測率為1‰，缺測的氣象要素采用MATLAB編程進行訂正:若缺測時間序列小于5 d，缺測值使用線性插值方法所得值代替；若缺測時間序列大于或等于5 d，使用同一日值的多年平均值代替[23]。

圖1 研究區(qū)氣象臺站的空間分布Fig.1 Spatial distribution of weather stations in this study

1.2 體感溫度計算模型

體感溫度的計算使用一種基于黃金分割法構(gòu)建人體舒適度的方法，該方法考慮了溫度、濕度、風(fēng)速、海拔、緯度等因素[16]。

最佳舒適溫度數(shù)學(xué)表達式為:

式(1)中，Ts為最佳舒適溫度；φ為緯度；M為月份；H為海拔高度。

具體體感溫度計算數(shù)學(xué)表達式為:

式(2)和式(3)中，系數(shù)A＝36.75×(1－0.618)≈14，Tg為體感溫度；Ta為平均溫度；Ts為最佳舒適溫度；V為平均風(fēng)速；RH為相對濕度；RHs為最適相對濕度(無降水時RHs＝0.5，有降水時RHs＝0.618)。

1.3 普通克里金插值法

普通克里金插值法能考慮到空間相關(guān)性的問題，其將空間分布作為觀測數(shù)據(jù)的函數(shù)，在結(jié)合地形影響因素的氣象要素空間插值中具有較高的效率和準(zhǔn)確率。對比反距離權(quán)重、樣條函數(shù)等方法，普通克里金插值法能在站點分布不均勻且稀少的情況下獲得更好的插值效果。

1.4 集中供暖必要性劃分依據(jù)

根據(jù)《民用建筑供暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計規(guī)范》(GB50736—2012)規(guī)定，如果一個地區(qū)的累年日平均氣溫穩(wěn)定低于或等于5℃的日數(shù)大于或等于90 d，則應(yīng)采用集中供暖。而部分不滿足此條件的地區(qū)的幼兒園、養(yǎng)老院、中小學(xué)校、醫(yī)療機構(gòu)等建筑如果滿足累年日平均氣溫穩(wěn)定低于或等于5℃的日數(shù)為60—89 d的條件也可以采用集中供暖[21]。

在本文中，用TW代表地區(qū)累年日平均體感溫度穩(wěn)定≤5℃的日數(shù)，TJ代表地區(qū)累年日平均體感溫度絕對≤5℃的日數(shù)，QW代表地區(qū)累年日平均氣溫穩(wěn)定≤5℃的日數(shù)，QW代表地區(qū)累年日平均氣溫絕對≤5℃的日數(shù)。用QW－QJ表示QW減QJ的差值，TW－TJ表示TW減TJ差值，TW－QW表示TW減QW差值，TJ－QJ表示TJ減QJ差值。用這些差值來表示兩種方法計算采暖期的結(jié)果差異，以及計算氣溫和體感溫度得到的采暖期的差異，可以從讓人更舒適的角度看，體感溫度與氣溫之間的差別以及氣溫的波動都會讓人產(chǎn)生不舒適的感覺。

1.5 5 d滑動平均法和日平均氣溫絕對通過法

春季(秋季)第一次出現(xiàn)大于(低于)某界限溫度之日起，向前推4 d，按日序依次計算出每連續(xù)5 d的日平均氣溫的平均值。這樣得到的平均值為5 d滑動平均值。當(dāng)界限溫度為5℃，計算某一年冬季穩(wěn)定通過5℃的日數(shù)方法如下:(1)計算日平均氣溫5 d滑動平均值；(2)計算秋季5 d滑動平均值中第一段連續(xù)5 d≤5℃的序列出現(xiàn)的日期，挑選最先一個日平均氣溫≥5℃出現(xiàn)的日期，為穩(wěn)定通過5℃出現(xiàn)的初日；(3)計算第二年春季5 d滑動平均值中第一段連續(xù)5 d大于等于5℃的序列出現(xiàn)的日期，挑選最后一個日平均氣溫≥5℃出現(xiàn)的日期，為穩(wěn)定通過5℃出現(xiàn)的終日；(4)計算初日和終日之間的天數(shù)即為采暖期。在本文中，用此方法簡稱為“穩(wěn)定通過”。

用日平均氣溫絕對通過法計算采暖期時，當(dāng)界限溫度為5℃，直接計算某一年全年日平均氣溫小于等于5℃的日數(shù)，即為采暖期。在本文中，用此方法簡稱為“絕對通過”。

2 結(jié)果分析

2.1 基于氣溫的供暖劃分

1961—2017年中國江蘇省、安徽省北部、四川省西部、貴州省西部QW大于等于90 d，達到了集中供暖的標(biāo)準(zhǔn)；湖北省、湖南省、江西省北部浙江省北部、安徽省南部、貴州省四周邊緣等地區(qū)QW為60—89 d，達到了公共設(shè)施集中供暖的標(biāo)準(zhǔn)(圖2a)。江蘇省北部、安徽省南部等地區(qū)QJ為60—89 d，達到了公共設(shè)施集中供暖的標(biāo)準(zhǔn)，其余大部分地區(qū)沒有達到集中供暖的標(biāo)準(zhǔn)(圖2b)。

圖2 1961—2017年中國南方地區(qū)累年日平均氣溫穩(wěn)定低于或等于(a)和絕對低于或等于(b)5℃的日數(shù)空間分布Fig.2 Spatial distribution of day number of daily air temperature stably below or equal(a)and absolutely below or equal(b)to 5℃averaged from 1961 to 2017 in South China

2.2 基于體感溫度的供暖劃分

1961—2017年中國江蘇省、安徽省、湖北省東部和北部、湖南省中部、貴州省中部、四川省西部、浙江省北部等地區(qū)TW大于或等于90 d，達到了集中供暖的標(biāo)準(zhǔn)；湖北省西部、重慶市邊緣、湖南省邊緣、貴州省邊緣、江西省北部和中部、浙江省南部等大部分地區(qū)TW為60—89 d，達到了公共設(shè)施集中供暖的標(biāo)準(zhǔn)(圖3a)。江蘇省北部、四川省東部等地區(qū)TJ大于等于90 d，達到了集中供暖的標(biāo)準(zhǔn)；安徽省北部、江蘇省南部、湖北省北部、貴州省中西部TJ為60—89 d，達到了公共設(shè)施集中供暖的標(biāo)準(zhǔn)，其余的大部分南方地區(qū)沒有達到集中供暖的標(biāo)準(zhǔn)(圖3b)。

2.3 供暖必要性

對比1961—2017年中國基于穩(wěn)定通過與基于絕對通過達到供暖標(biāo)準(zhǔn)的區(qū)域，從氣溫計算的采暖期看，原湖南省、江西省北部、貴州省中部、湖北省、安徽省南部、浙江省等沒有達到集中供暖標(biāo)準(zhǔn)的地區(qū)達到了公共設(shè)施集中供暖的標(biāo)準(zhǔn)；“秦嶺—淮河”周圍地區(qū)達到了集中供暖的標(biāo)準(zhǔn)(圖2)。湖南省中部QW－QJ在40 d以上，以此為最大值向兩側(cè)減少，四川省相對最小，為20—35 d。其中，浙江省北部、安徽省南部、江西省西北部、湖北省東南部等地區(qū)QW－QJ為36—40 d，浙江省南部、江蘇省北部、安徽省北部等地區(qū)為31—35 d(圖4a)。這些南方各省份的平均值與中國全國其他省份相比，QW－QJ明顯偏大(表1)。從體感溫度計算的采暖期看，原沒有達到供暖標(biāo)準(zhǔn)的浙江省、江西省、湖南省、貴州省、湖北省的不同地區(qū)不同程度地達到集中供暖的標(biāo)準(zhǔn)和公共設(shè)施集中供暖的標(biāo)準(zhǔn)；安徽省、江蘇省均達到了集中供暖的標(biāo)準(zhǔn)(圖4)。湖南省中部、江西省中北部等地區(qū)TW－TJ為40 d以上，以此為最大值向兩側(cè)減少，四川省相對最小，為26—35 d。其中湖南省北部、湖北省東南部、安徽省南部、浙江省北部、貴州省中部等地區(qū)TW－TJ為36—40 d(圖4b)。與氣溫類似，這些中國南方各省份的平均值與全國其他省份相比，TW－TJ明顯偏大(表1)。

中國南方地區(qū)在冬季時，氣溫和體感溫度波動較大。當(dāng)溫度穩(wěn)定通過5℃進入冬季后，常常會升高到大于5℃，出現(xiàn)相對“溫暖”的一段時間，但隨著北方冷氣團南下，氣溫和體感溫度又降低到5℃以 下，伴隨著冷暖氣團的交匯出現(xiàn)降水，出現(xiàn)濕寒、體感舒適極差的一段時間。整個冬季如此循環(huán)反復(fù)，氣溫和體感溫度在5℃上下來回波動，使得QWQJ、TW－TJ數(shù)值較大，穩(wěn)定通過5℃的天數(shù)遠大于絕對通過5℃的天數(shù)。

圖4 1961—2017年中國南方地區(qū)累年日平均氣溫穩(wěn)定低于或等于5℃的日數(shù)減累年日平均氣溫絕對低于或等于5℃(a)和累年日平均體感溫度穩(wěn)定低于或等于5℃的日數(shù)減累年日平均體感溫度絕對低于或等于5℃(b)的日數(shù)空間分布Fig.4 Spatial distribution of day number of daily air temperature stably below or equal to 5℃minus that of daily air temperature absolutely below or equal to 5℃(a)，and the same as apparent temperature(b)averaged from 1961 to 2017 in South China

表1 1961—2017年中國部分省市TW－TJ、QW－QJ、TJ－QJ、TW－QW平均值Table 1 Mean values of TW-TJ，QW-QJ，TJ-QJ，and TWQW from 1961 to 2017 in some provinces and cities in China d

對比1961—2017年基于從體感溫度計算的采暖期和基于從氣溫計算的采暖期達到供暖標(biāo)準(zhǔn)的區(qū)域，在穩(wěn)定通過上，新增了達到集中供暖標(biāo)準(zhǔn)的地區(qū)，主要集中在中國湖南省中部、湖北省中部、安徽省、江蘇省、貴州省；達到公共設(shè)施集中供暖標(biāo)準(zhǔn)的地區(qū)，由原來主要集中在“秦嶺—淮河”線南移到中國南方中部省份；沒有達到供暖標(biāo)準(zhǔn)的地區(qū)減少(圖2a和圖3a)。四川省南部、江西省東北部和浙江省南部等地區(qū)TW－QW為17—25 d，四川省北部、湖南省中部、重慶市南部等地區(qū)TW－QW為13—16 d，偏北的省份如湖北省、安徽省、江蘇省等地區(qū)TW－QW較小(圖4a)。貴州省、湖南省、江西省、四川省、浙江省的平均值與中國全國其他省份相比，TW－QW偏大(表1)。在絕對通過上，達到公共設(shè)施集中供暖標(biāo)準(zhǔn)的地區(qū)北界南移1—2個緯度；江蘇北部等地區(qū)達到集中供暖的標(biāo)準(zhǔn)(圖2b和圖3b)。四川省北部TJ－QJ為17—20 d，貴州省北部、湖南省中北部、江西省北部、浙江省中部等地區(qū)TJQJ為13—16 d，此范圍內(nèi)區(qū)域成條狀，自東北西南走向，其兩側(cè)區(qū)域TJ－QJ相對減小(圖4b)。湖南省、江蘇省、四川省、浙江省的平均值與中國全國其他省份相比，TJ－QJ偏大(表1)。

中國南方地區(qū)的體感溫度和氣溫相差較大，特別在四川省、湖南省、江西省、浙江省，兩者差別突出。體感溫度低于氣溫，即TW－QW和TJ－QJ偏大，使得一些原沒有達到集中供暖標(biāo)準(zhǔn)的地區(qū)達到了標(biāo)準(zhǔn)。而如果單純從氣溫角度考慮供暖的標(biāo)準(zhǔn)，忽視實際人體感受到的溫度，將會降低標(biāo)準(zhǔn)的適用性。

對中國南方地區(qū)部分臺站如貴陽、杭州、合肥、樂山、南昌、武漢、徐州和長沙站進行采暖期年際變化趨勢分析發(fā)現(xiàn)，貴陽站QW、QJ、TW、TJ呈現(xiàn)波動上升趨勢，上升率分別為2.2 d/10 a，1.2 d/10 a，1.5 d/10 a，1.8 d/10 a(圖6)。其余臺站QW、QJ、TW、TJ呈現(xiàn)波動下降趨勢，下降率為－5.6～－1.0 d/10 a，最快為杭州站的TJ下降率為－5.6 d/10 a，最慢為樂山站的QJ下降率為－1.0 d/10 a(圖6)。

圖5 1961—2017年中國南方地區(qū)累年日平均體感溫度穩(wěn)定低于或等于5℃的日數(shù)減累年日平均氣溫穩(wěn)定低于或等于5℃(a)和累年日平均氣溫絕對低于或等于5℃的日數(shù)減累年日平均氣溫絕對低于或等于5℃(b)的日數(shù)空間分布Fig.5 Spatial distribution of day number of daily apparent temperature stably below or equal to 5℃minus that of daily air temperature stably below or equal to 5℃(a)，and the same as that absolutly below or equal to 5℃(b)averaged from 1961 to 2017 in South China

圖6 1961—2017年杭州(a)、樂山(b)、合肥(c)、貴陽(d)、南昌(e)、武漢(f)、徐州(g)、長沙(h)QW、QJ、TW、TJ年際變化Fig.6 Variation of annual mean QW，QJ，TW and TJ in Hangzhou(a)，Leshan(b)，Hefei(c)，Guiyang(d)，Nanchang(e)，Wuhan(f)，Xuzhou(g)，and Changsha(h)from 1961 to 2017

實際在集中供暖需求呼吁較大的中國南方緯度較高的省份，氣溫和體感溫度穩(wěn)定通過5℃的日數(shù) 遠大于絕對通過5℃的日數(shù)，兩者數(shù)值相差較大，導(dǎo)致南方冬季溫度的劇烈波動被忽視。再加上體感溫度小于氣溫，造成在人們的感知中，南方的冬季氣溫比較高，人體感受比較溫暖，即使是低溫也比北方溫暖許多，不用集中供暖也能較為舒適地度過。但是，氣溫小于10℃時，濕度越大，體感溫度越低，由于南方相對濕度大，體感溫度也比氣溫小很多，人體感受不舒適，而沒有暖氣供暖，只能靠空調(diào)、電爐等設(shè)備分戶取暖。但這種取暖方式價格高昂，對于大部分居民來說是一筆不小的開銷。雖然在氣候變化的背景下部分臺站的采暖日呈下降趨勢，并且中國南方冬季的極端低溫事件在逐漸減少[24]，但是，類似2008年持續(xù)性低溫降水與冰凍災(zāi)害的極端低溫事件，對于沒有集中供暖的中國南方，不僅會造成經(jīng)濟上的損失，還會直接影響人體健康。特別是在一些高海拔地區(qū)，如四川省和貴州省的高寒山區(qū)，影響更明顯。

中國南方的大多數(shù)建筑不同于北方，為了適應(yīng)其氣候特點，導(dǎo)致南方的建筑在保暖性能上遠不如北方，如果實施集中供暖，要達到同北方室溫18℃的標(biāo)準(zhǔn)，相對應(yīng)的能源消耗必定會巨大，而在集中供暖的北方，能源供應(yīng)已較為緊張。同時，用于供暖的燃煤燃燒會產(chǎn)生大量CO2、SO2、煙塵等氣體和污染物，對冬季的環(huán)境問題帶來負面影響。并且，由于南方大多數(shù)城市構(gòu)造以及建筑已經(jīng)成型，如果按照集中供暖的要求重新修建管道等供暖系統(tǒng)，顯然較難實現(xiàn)。雖然從氣溫和體感溫度角度上看，部分南方地區(qū)已經(jīng)達到了集中供暖的標(biāo)準(zhǔn)，但是這種取暖方式在南方并不適用。

中國南方要解決“集中”供暖問題，可以參考住建部提倡的南方夏熱冬冷的地區(qū)因地制宜地采用分散、局部的供暖方式。分戶式供暖獨立供熱，方式靈活自由，能源消耗較集中供熱少，并且在華東、華中和西南等地區(qū)已有居民在使用。小區(qū)的集中供暖熱源可以選取熱電廠發(fā)電余熱、天然氣、地源熱泵、工業(yè)廢熱和太陽能等，而居民的分散式供暖方式可以選取空氣源熱泵、壁掛爐采暖和電熱膜采暖等。

綜上所述，淮河附近的江蘇省、安徽省北部、四川省西部和貴州省的部分高海拔地區(qū)實施方式靈活的集中供暖政策是完全有必要的。這些地區(qū)冬季嚴寒，人體感受濕寒陰冷，并且通過氣溫和體感溫度計算的采暖期長度均達到了集中供暖的標(biāo)準(zhǔn)，加上已有局部小區(qū)集中供暖的采暖方式在部分地區(qū)得到實施，在進行南方集中供暖政策的推廣中應(yīng)該首要考慮這些地區(qū)。

3 結(jié)論與討論

(1)1961—2017年中國各省氣溫數(shù)據(jù)的分析表明，中國江蘇省、安徽省北部、四川省西部、貴州省西部有集中供暖的必要性。1961—2017年中國各省體感溫度數(shù)據(jù)的分析表明，中國江蘇省、安徽省、湖北省東部和北部、湖南省中部、貴州省中部、四川省西部、浙江省北部有集中供暖的必要性。基于體感溫度數(shù)據(jù)達到供暖標(biāo)準(zhǔn)的地區(qū)面積大于基于氣溫數(shù)據(jù)達到供暖標(biāo)準(zhǔn)的地區(qū)面積。

(2)中國南方地區(qū)冬季濕度大，體感溫度普遍低于氣溫，并且氣溫和體感溫度在5℃上下波動較大，造成統(tǒng)計的TW－QW、TJ－TJ、QW－QJ、TW－TJ較大。在研究其冬季集中供暖的問題上，應(yīng)關(guān)注體感溫度偏低和氣溫波動對人體造成的不適。但是，中國南方地區(qū)不適合北方集中供暖的模式，應(yīng)結(jié)合實際情況采取分散、局部的供暖方式。

(3)本文研究中國南方集中供暖的必要性，嚴格按照供暖的標(biāo)準(zhǔn)計算各地區(qū)符合規(guī)定的日數(shù)，并且從氣溫和體感溫度兩個角度出發(fā)，既可對目前供暖區(qū)劃進行科學(xué)檢驗，也可從人體感受角度出發(fā)提供供暖區(qū)劃的參考。但是本研究只參考了目前供暖的標(biāo)準(zhǔn)，沒有考慮現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)是否適用于當(dāng)今社會，并且沒有研究與體感溫度聯(lián)系密切的人體舒適度，還有待于進一步的研究分析。

(致謝：感謝中國農(nóng)業(yè)大學(xué)胡琦提供的氣象數(shù)據(jù)以及徐琳在數(shù)據(jù)處理時提供的幫助)