文献阅读 | 气候变化背景下供热和冷却的能源需求的趋势的不确定性

题目

Large uncertainties in trends of energy demand for heating and cooling under climate change

作者

Adrien Deroubaix, Inga Labuhn, Marie Camredon, Benjamin Gaubert, Paul-Arthur Monerie, Max Popp, Johanna Ramarohetra, Yohan Ruprich-Robert, Levi G. Silvers & Guillaume Siour

期刊

Nature Communications

时间

2021年

一作

单位

LMD - IPSL, École Polytechnique, Institut Polytechnique de Paris, ENS, IPSL Research University, Sorbonne Université, CNRS, Palaiseau, France

链接

https://doi.org/10.1038/s41467-021-25504-8

研究背景

在变暖的当今世界，许多地区经历了对建筑供热的能源需求减少而对建筑冷却的能源需求增加。了解这些变化能够帮助人们调整建筑和能源系统以适应未来气候。对建筑供热和冷却的能源需求是由气候成分，社会经济成分和技术成分三者共同驱动的。除了这三个成分的长期变化趋势以外，短期的能源需求及其关联的二氧化碳排放也与气候的可变性相关。

在影响能源需求的气候变量中，大气温度是最为显著的，或者更准确地说是大气温度和湿度的组合。每天的最低温和最高温是能源需求很好的预测者，因为它们代表大气温度的日周期变化。日周期变化的范围在干燥区域较大而在湿润区域较小。每天能源需求的变化取决于V曲线变化的温度以及人类最少的热量舒适度和其他社会经济、技术因素。因而对预测温度的趋势及其对能源需求的影响进行全面分析是可行的。

“度-天（DD）”的研究方法是前人用于测算建筑供热和冷却的能源需求。这个研究方法的一个重要假设是一天的平均气温是人类对热量的不舒适性乃至于每天能源需求的一个代替物。度-天意指室外温度与一定范围舒适的室内温度之差。换言之，度-天是某天低于标准温度而积累的温度，也就是所谓的供热度-天（HDD）；高于标准物温度时为冷却度-天（CDD）。在气候变化的背景下，对建筑能源需求的测算应该要包括气候驱动的能源需求。已经有人在气候模型模拟中测算21世纪美国和欧盟对建筑供热和冷却的能源需求。

大量前人研究已经证实了气候变化对未来能源需求的影响。尽管前人研究考虑了复杂的社会经济和技术因素，但气候因素在研究时太过于简化，比如在使用多元模型均值（MMM）时设置单个温室气体排放的情景而忽视了未来气温可能的变化范围。未来气温在气候预测中具有高度可变性，因而气候的不确定性需要在分析中被量化。当前，对这种不确定性的分析在文献中仍然缺失。

本文着重于由气候驱动的建筑供热和冷却的能源需求，从而对全球气温不确定性进行全面分析。从度-天方法得出的能源需求的代替物，是通过用30个CMIP5模型模拟地表温度和未来温室气体积聚的两种路径得出的。研究表明建筑的冷却能源需求的增长要强于供热能源需求的减少。当冷却需求的趋势最强时，CMIP5模型的可变性最高，以致于估算未来能源需求的不确定性增加。

研究方法

度-天的研究方法已经在很长一段时间用于估算供热和冷却的能源需求，这种研究方法依赖于人类对不舒适性的感觉和温度变化之间的联系。度-天研究方法的主要假设条件是年积累的超基准温度，或者它与每天的最低温和最高温结合，是由气候驱动的建筑供热和冷却需求的一个代替物。尽管将温度与其他气候变量（如云，风，降雨，雪）和非气候变量（如社会经济和技术）相结合对于准确计算建筑的最终能源需求是必需的，温度仍然是驱动建筑供热和冷却需求的主要气候因素。

美国的计算方法仅着重于每天的平均温度，作者设定供热和冷却的基准温度都为18.3℃；而英国的计算方法包含每天平均温度，最低温和最高温，作者设定供热的基准温度为15.5℃而冷却的基准温度为22℃。在正文中，作者的研究结果主要依据英国的计算方法，而附录展示了作者依据美国的计算方法得出的结果。

在度-天的研究方法中，作者估算了由温度变化引起的未来能源需求变化，依据IPCC设定四个研究阶段：1941-1960，1982-2000，2021-2040，2081-2100。尽管只有人类居住的区域才与供热和冷却相关，作者将所有陆地和海洋包含在分析中以更好的了解全球气候模式。总体而言，作者的研究方法分为五个步骤：

第一步，利用英国的方法计算每天的HDD和CDD。

第二步，将每天的HDD和CDD相加得到每年的HDD和CDD。

第三步，计算出每个20年时期的平均HDD和CDD。

第四步，利用python作出每个20年时期HDD和CDD在单位网格上的空间分布。

第五步，利用CMIP5模型计算出MMM的HDD和CDD。

根据CMIP5的模拟结果，作者设计了两个情景，即RCP8.5（通常情景）和RCP4.5（适度减排情景），以及两个研究的阶段2021-2040（不久的将来）和2081-2100（本世纪末）。

HDD和CDD的值在1981-2000与1941-1960阶段的绝对差异表示过去变化，其在2021-2040和1981-2000的绝对差异表示未来变化。供热和冷却的趋势分别用相对HDD和CDD差异表示，即相对于前期值的百分比变化。作者假定30个CMIP模拟结果的值在每个网格是呈现正态分布的，用t检验检测30个模拟的均值与两个比较的时期在95%的置信水平上是否具有显著差异。

为了计算HDD和CDD值的相对差异，作者设定的由气候驱动的能源趋势的代替物，需要满足以下两个条件：HDD和CDD值的绝对差异必须在统计检测上显著；早期的年平均HDD和CDD值作为相对差异的分母，必须大于1。

研究发现

通过HDD和CDD历史气候模拟得出的温度与观测值相符合。依据30个CMIP5气候模拟产生的日平均、最低和最高温度，作者将供热和冷却代替物分别定义为HDD和CDD之和。HDD和CDD的优势是能够在全球范围进行比较。供热和冷却代替物被当作多元模型均值（MMM）在3个20年研究阶段1941-1960，1981-2000，2021-2040）的平均值。供热和冷却代替物的MMM空间分布与全球范围的MMM温度密切相关。在三个研究阶段HDD的减少和CDD的增加与全球气候升温相一致。

为了将过去和未来的变化进行量化，作者使用供热和冷却在1981-2000和1941-1960（过去变化），以及2021-2040和1981-2000（未来变化）的绝对差异。在正文中，CMIP5历史模拟用于表示过去变化，而RCP8.5预测用于表示未来变化。在过去和未来的阶段，供热代替物减少而冷却代替物增加。

图1. 全球气候驱动的建筑供暖和制冷能源需求的变化

如上图a所示，在过去供热代替物在两极区域发生最显著的变化，而图b表明供热代替物在整个北半球发生显著的变化。图c显示出，在过去冷却代替物只发生少许变化，而图d显示在未来冷却代替物将在全球绝大多数地区（尤其中低纬度地区）发生显著变化。总体而言，供热和冷却代替物在过去和未来具有相同的趋势，而在未来发生变化的范围将扩大。供热和冷却代替物在中纬度地区都将发生显著变化。供热代替物没有发生显著变化的区域仅仅在热带海洋地区；与之相反，冷却代替物没有发生显著变化的区域在北纬40度以上和南纬40度以下的海洋。

即便在某些区域不同时间段趋势的绝对差异很小，趋势的差异仍然显著改变社会行为，比如广泛购置冷却系统，因为相对于过去人们感受到不同的热量舒适度。MMM供热代替物的下降趋势在过去为-20%—0%，而未来在所有地方至少发生-5%的变化。MMM冷却代替物的上升趋势在过去为0%—20%，在未来至少为10%，这其中在中纬度地区至少为20%，在北半球许多地区超过60%，而在中纬度海洋冷却代替物发生的变化将超过100%。

使用MMM必须小心谨慎，这是因为模拟的地表空气温度在不同模型间千差万别。作者选择全球主要人口密集的区域用于分析前述MMM结果的稳健性。作者用包含城市选址的网格单元，以分析模型之间过去和未来供热和冷却代替物的变化。在中纬度城市，30个模型中有超过20个模型显示下降趋势的供热代替物；在热带城市，供热代替物的负向趋势较弱，CMIP5模型的可变性在过去很大而在未来将缩小。对于上升趋势的冷却代替物，CMIP5模型的可变性，无论是在过去还是未来，在热带城市都将小于中纬度城市。

人类碳排放和气候预测的不确定性将导致未来由气候驱动的供热和冷却的能源需求预测范围较大。作者比较了通常情景和适度减排情景中供热和冷却代替物在不久的将来（2021-2040）和本世纪末（2081-2100）的趋势。在不久的将来，温度预测在两个情景中差距较小；然而在本世纪末，温度预测在两个情景中差距逐渐拉大。

在中纬度城市，供热代替物的趋势将在两个情景中类似，因而供热代替物的下降趋势具有稳健性并且能够在两个情景中作比较。在不久的将来，冷却代替物在热带城市的预测趋势是稳健的并且能在两个情景中作比较。与之相反，冷却代替物在中纬度城市的趋势具有很大的不确定性。

作者开展了五个检测以分析不同的方法对于预测的供热和冷却代替物的影响。检测结果表面，五个检测得出类似的MMM空间模式和趋势。模型间的可变性是能够被比较的，作者证实了研究结果对度-天计算方法设定的基准温度不敏感。作者认为对供热和冷却代替物的未来趋势进行量化的不确定性，主要在于模型间的可变性而不是方法上的细枝末节。

研究结论

本文在分析中考虑了温度预测的不确定性，因而能较为准确的量化由气候驱动的建筑供热和冷却的能源需求。研究表明在未来二十年内，能源需求的趋势是稳健的，因为所有的CMIP5模拟显示出下降的供热趋势和上升的冷却趋势。

作者利用了积累的地表温度以估算由气候驱动的能源需求的趋势。地表温度是影响需求的决定性因素，而大气湿度也是一个重要因素。通过一天的最低温和最高温，作者的研究在一定程度上包含了大气湿度，然而仍需要对湿度在未来能源需求的作用进一步研究。其他气候因素，比如降水和风力也很重要，然而这些因素与温度密切相关。

建筑供热和冷却的趋势有助于表明哪些区域将经历显著变化，从而能提高供热和冷却系统的工作效率。作者的研究表明冷却的上升趋势在北大西洋沿海尤其充满不确定性，这是因为受北冰洋冰层减少，北极地区的升温增加。减少温度预测的不确定性，对于估算未来建筑供热和冷却的能源需求具有重要意义。

编辑：陈抒炀

排版：张思露

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