基于气候的采暖空调耗能及室外计算参数研究

论文摘要

气候与能源的关系是当今世界各国政府和学者关注的热点问题之一。一方面能源的开发利用影响气候变化,另一方面气候变化也影响到能源的消耗。目前我国的建筑能耗已约占全社会总耗能的30%,其中主要是采暖和空调能耗,而采暖、空调能耗是与气候变化直接相关的。在全球变暖的大背景下,近年来的气候变化形势更加剧烈复杂,研究气候变化对采暖空调耗能的影响具有重要的现实意义。本文在国家863计划（2006AA05Z221）和国家自然基金项目（50778144）的资助下,从国家气象中心获取了194个台站的近40年（1961年-2000年）原始气象资料,选择全国主要省会城市,根据《民用建筑热工设计规范》的分区,对严寒、寒冷、夏热冬冷、夏热冬暖和温和区这五个建筑热工分区分别采用度日法分析研究了近年来我国的气候变化情况及其对冬季采暖和夏季空调耗能的影响。在分析气候学的一般规律基础上,利用概率论和数理统计的方法,用耿贝尔分布对极端温度建立了统计模型。进行了不同保证率下采暖、空调室外计算温度参数的研究以及极端温度情况下的能耗分析。主要内容及成果如下:（1）通过对全国主要城市1961-2000年气温变化的统计分析,得到并分析了我国五个热工分区40年来平均温度、采暖度日HDD和空调度日CDD的变化趋势规律以及平均温度变化与采暖、空调度日变化的相关关系。根据统计得到的度日数变化趋势方程可对度日数进行预测。（2）采用度日分析法研究了我国典型城市和各热工分区气温变化对冬季采暖耗能的影响。主要工作和结论有:①采暖度日与冬季气温之间具有良好的线性相关关系。采暖度日变率与冬季各月的平均气温均呈现出高度显著的线性相关性,2月份的相关性较12月和1月密切。线性回归是显著的。②通过对所建立的各热工分区采暖耗能评估模型分析发现,温度变化相同时各热工分区的采暖耗能降低幅度是不同的,严寒地区、寒冷地区、夏热冬冷地区、温和和夏热冬暖地区呈依次增加趋势。③以北京市冬季单位面积采暖销售量为例,对采暖度日与采暖耗能的关系进行了研究,两者线性相关显著。④暖冬对采暖耗能的影响明显。（3）采用度日分析法研究了我国典型城市和各热工分区气温变化对夏季空调耗能的影响。主要工作和结论有:①空调度日与夏季气温之间相关关系显著。空调度日变率与夏季的平均气温距平线性相关性最为密切,线性回归是显著的。②通过对所建立的各热工分区空调耗能评估模型分析发现,温度变化相同时各热工分区的空调耗能变化幅值随夏热冬冷地区、夏热冬暖地区、寒冷地区、严寒地区及温和地区呈依次增加趋势。③以上海市用电量为例,对室外平均温度和电力耗能关系进行了相关研究。④以西安某建筑为例分析了室外平均温度变化对建筑物空调能耗的影响,计算表明气候变暖对夏季空调能耗影响已经成为空调设计和节能计算所需考虑的重要因素。（4）运用气候学、概率论及数理统计学原理及方法,以我国典型城市的原始气象数据为基础,引入频率分析法,采用耿贝尔分布建立了我国极端气温统计模型,得到了极端温度频率的计算公式及概率分布曲线图,曲线与实测数据吻合良好且通过显著水平α=0.05的x2检验,结果表明,使用耿贝尔分布函数对极端温度的频率分布进行模拟是合理和准确的。（5）对全国五个热工分区建立了基于极端温度统计模型的室外计算温度正态分布简化计算模型,得到各热工分区室外计算温度保证率和极端温度重现期的相关性方程。通过编程对不同温度重现期下建筑能耗的变化进行了计算和分析。主要工作和结论有:①对所选取城市近年来的极端温度进行统计计算,得到各个城市不同重现率的极端温度值统计值。②根据极端温度统计模型建立了采暖、空调室外计算温度的正态简化模型并进行了实例验证。结果表明模型是合理和准确的。③得到了冬季采暖室外计算温度、夏季空调室外计算干球温度和夏季空调室外计算日平均温度的现行规范统计值在不同温度重现期下的保证率。分析比较了各热工分区采暖空调室外计算参数在不同温度重现期下的保证率变化趋势和规律,给出了量化的经验计算公式。④以北京市某建筑物为例,编程对不同温度重现期下建筑能耗的变化进行了计算。结果表明,在进行空调设计和计算时应该考虑极端气候条件对空调能耗的影响。通过本文的研究,初步揭示了我国气候变化规律及气候变化对采暖和空调耗能变化的影响。对这一问题的研究,有助于明确气候变化对能源消耗影响的具体情况,不但可以了解气候正常情况下能源需求的变化规律,还可以预测气候异常变化特别是异常寒冬或炎热发生时能源需求的变化情况,为决策部门应对气候变化带来的能源需求调整提供了参考,为采暖空调系统在保证安全性的前提下进行节能优化设计提供了依据,同时也为相关问题的深入研究打下了基础。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 课题的提出及研究意义
• 1.2 研究现状及存在问题
• 1.2.1 气候变化研究现状及存在问题
• 1.2.2 气候变化对采暖空调耗能影响的研究现状及存在问题
• 1.3 研究方法
• 1.4 本文的主要内容
• 2 我国气候分析及度日变化研究
• 2.1 我国的气候特点
• 2.1.1 北方地区气候特点
• 2.1.2 南方地区气候特点
• 2.2 我国的气候分区
• 2.2.1 建筑气候区划
• 2.2.2 建筑热工设计分区
• 2.2.3 建筑气候区划与建筑热工设计分区的关系
• 2.3 气候变化分析
• 2.3.1 全球气候变化分析
• 2.3.2 中国的气候变化分析
• 2.3.3 极端气候事件的变化分析
• 2.4 我国近40年来温度及度日变化研究
• 2.4.1 我国近40年来温度的变化
• 2.4.2 我国近40年来度日的变化
• 2.4.3 平均温度及度日的相关性分析
• 2.5 本章小结
• 3 气候变化对采暖耗能的影响
• 3.1 研究方法
• 3.1.1 数据资料来源
• 3.1.2 采暖度日定义及基础温度设定
• 3.1.3 采暖度日统计时段确定
• 3.2 我国冬季采暖耗能研究
• 3.2.1 各典型城市采暖强度与温度的关系
• 3.2.2 各典型城市采暖强度与温度线性相关性检验
• 3.2.3 各典型城市的采暖耗能评估模型
• 3.2.4 各热工分区采暖强度与温度的关系
• 3.2.5 各热工分区的采暖耗能评估模型
• 3.3 采暖度日与耗能的关系研究
• 3.4 暖冬对能源消耗的影响
• 3.5 本章小结
• 4 气候变化对空调耗能的影响
• 4.1 研究方法
• 4.1.1 数据资料来源
• 4.1.2 空调度日定义及基础温度设定
• 4.1.3 空调度日统计时段确定
• 4.2 我国夏季空调耗能研究
• 4.2.1 各典型城市空调强度与温度的关系
• 4.2.2 各典型城市空调强度与温度线性相关性检验
• 4.2.3 各典型城市的空调耗能评估模型
• 4.2.4 各热工分区空调强度与温度的关系
• 4.2.5 各热工分区空调耗能评估模型
• 4.3 室外平均温度与空调耗能关系研究
• 4.4 气候变暖对空调耗能的影响
• 4.5 本章小结
• 5 我国极端气温统计模型研究
• 5.1 极端气候现状及其影响
• 5.2 极端气温统计原理
• 5.2.1 统计目的
• 5.2.2 选样方法
• 5.2.3 频率分布曲线的选择
• 5.3 极端气温统计模型的建立
• 5.3.1 相关理论
• 5.3.2 公式推导
• 5.3.3 实测经验分布
• 5.3.4 极端温度频率分布公式
• 5.4 极端气温模型保证率曲线
• 5.4.1 日均极端温度模型保证率曲线
• 5.4.2 日极端温度模型保证率曲线
• 2检验'>5.5 极端气温模型适配度的x²检验
• 2检验的原理'>5.5.1 x²检验的原理
• 2检验'>5.5.2 耿贝尔模型适配度的x²检验
• 5.6 本章小结
• 6 极端气温条件下采暖空调室外计算温度研究及能耗分析
• 6.1 极端温度的重现期
• 6.2 室外计算温度简化计算模型相关理论
• 6.2.1 模型建立的理论依据
• 6.2.2 模型均值的确定
• 6.2.3 模型均方差（标准差）的确定
• 6.3 室外计算温度简化计算模型的建立
• 6.3.1 冬季采暖室外计算温度简化计算模型
• 6.3.2 夏季空调室外计算干球温度简化计算模型
• 6.3.3 夏季空调室外计算日平均温度简化计算模型
• 6.3.4 模型的实例验证
• 6.3.5 模型误差的t检验
• 6.4 不同温度重现期的室外计算温度保证率分析
• 6.4.1 不同温度重现期的冬季采暖室外计算温度保证率分析
• 6.4.2 不同温度重现期的夏季空调室外计算干球温度保证率分析
• 6.4.3 不同温度重现期的夏季空调室外计算日平均温度保证率分析
• 6.5 不同极端温度重现期的能耗变化分析
• 6.6 本章小结
• 7 结论
• 7.1 本文的研究结论
• 7.2 课题展望
• 致谢
• 参考文献
• 博士研究生学习阶段发表论文及主要科研工作
• 附录