典型海水溫度年計(jì)算方法及其應(yīng)用

端木琳　徐 飛

(大連理工大學(xué)土木工程學(xué)院　大連　116024)

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典型海水溫度年計(jì)算方法及其應(yīng)用

端木琳徐 飛

(大連理工大學(xué)土木工程學(xué)院大連116024)

海水溫度是海水源熱泵系統(tǒng)方案論證和系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，其與系統(tǒng)的運(yùn)行效率和運(yùn)行安全密切相關(guān)。因此，獲取具有代表性的海水溫度數(shù)據(jù)對(duì)海水源熱泵系統(tǒng)設(shè)計(jì)工作有重要意義。本文提出了典型海水溫度年的概念并分析了其特點(diǎn)，然后給出了獲取典型海水溫度年的思路。并以近10年大連市近海海水溫度數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，計(jì)算得到了該地區(qū)的典型海水溫度年。分析發(fā)現(xiàn)計(jì)算結(jié)果在分布規(guī)律、月平均溫度和數(shù)據(jù)連續(xù)性等特點(diǎn)上均有較好的代表性。

海水溫度；水源熱泵；典型溫度年；累計(jì)分布函數(shù)

海水源熱泵系統(tǒng)是一種清潔能源利用系統(tǒng)，在沿海地區(qū)推廣應(yīng)用該系統(tǒng)，對(duì)緩解目前面臨的能源壓力有重要意義。海水溫度是海水源熱泵系統(tǒng)成功的關(guān)鍵，是系統(tǒng)方案論證和工程設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，對(duì)系統(tǒng)能否安全高效運(yùn)行起決定性作用。目前國(guó)內(nèi)外的熱泵供熱設(shè)計(jì)時(shí)要求海水溫度不得低于2 ℃[1](少數(shù)熱泵產(chǎn)品可以在-4 ℃以上運(yùn)行)。海水溫度越高，熱泵機(jī)組的制熱系數(shù)越大，效率越高。國(guó)外學(xué)者Chow T T等[2]在研究中指出，當(dāng)熱泵機(jī)組的冷卻水溫度由30 ℃降到20 ℃時(shí)，機(jī)組的制冷COP增加了20%，平均每降低1 ℃將會(huì)導(dǎo)致機(jī)組COP增加2%。對(duì)于供暖系統(tǒng)，不同的海水溫度在供暖系統(tǒng)設(shè)計(jì)形式上也會(huì)存在差異，這直接影響到系統(tǒng)的投資和運(yùn)行費(fèi)用。

目前海水溫度獲取方法通常有現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)、查閱當(dāng)?shù)睾Ｑ髿庀蟛块T公布數(shù)據(jù)和查閱相關(guān)文獻(xiàn)等方法。通過現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)獲取的溫度數(shù)據(jù)量有限，需要進(jìn)行大量長(zhǎng)期的實(shí)測(cè)，獲得的溫度數(shù)據(jù)才具有一般代表性。而在文獻(xiàn)中可查閱的海水溫度數(shù)據(jù)多為歷年月平均溫度或者多年累計(jì)月平均溫度。月平均溫度易受溫度極值的影響，并不能全面的反映當(dāng)月溫度變化情況。國(guó)內(nèi)學(xué)者夏華永等[3]通過對(duì)廣西沿海海洋溫度實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，北海1960年～1979年1月份海水平均溫度為15.6 ℃，最高溫度為25.4 ℃，最低溫度為7.6 ℃，極差為17.8 ℃。在如此大的溫差情況下，如果還完全以月平均溫度作為海水源熱泵設(shè)計(jì)依據(jù)，顯然是不夠合理的。

另外，海洋溫度也是不斷變化的，國(guó)內(nèi)外不少學(xué)者均指出，受全球氣候變暖的影響，海水溫度也呈現(xiàn)出緩慢上升趨勢(shì)[4-5]。而近40年我國(guó)東海和渤海等海域表層海水溫度同樣呈緩慢升高趨勢(shì)[6-7]。因此海水溫度數(shù)據(jù)需要隨全球氣候環(huán)境變化同步更新，如果還以過去的數(shù)據(jù)資料指導(dǎo)現(xiàn)在的工程設(shè)計(jì)，顯然是不合適的。

由以上分析可知，由于海水溫度對(duì)海水源熱泵設(shè)計(jì)的重要性以及目前可獲取的海水溫度資料所面臨的問題，獲取最新更詳細(xì)并且具有代表性的海水溫度數(shù)據(jù)，為海水源熱泵系統(tǒng)的設(shè)計(jì)工作奠定基礎(chǔ)是一件十分有意義的工作。基于以上思考，本文提出典型海水溫度年，并給出了典型海水溫度年的計(jì)算方法。

1 典型海水溫度年

海水源熱泵利用的是海水表面以下幾米到十幾米的海水，而在豎直方向上海水存在溫度梯度。但通過表層海水的溫度可以模擬分析近表層海水的溫度，因此，表層海水溫度可作為分析設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。表層海水溫度是隨時(shí)間變化的，每年都會(huì)有一定的差異。為了滿足工程設(shè)計(jì)需要，需要從過去多年的溫度數(shù)據(jù)當(dāng)中得到具有代表性的一整年溫度數(shù)據(jù)，即典型海水溫度年。典型海水溫度年是以過去多年的海水溫度實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)計(jì)算得到的具有代表性的一整年海水溫度數(shù)據(jù)，由12個(gè)具有代表性的月份組成，這12個(gè)月份可以來自不同的年份。

為使數(shù)據(jù)具有一定代表性，典型海水溫度年不僅需要考慮全年不同月份之間海水溫度變化，同時(shí)也要考慮不同年份之間海水溫度的差異。因此，典型海水溫度年的溫度變化趨勢(shì)和分布規(guī)律應(yīng)該要與過去多年溫度整體變化趨勢(shì)和分布規(guī)律相符。

相對(duì)于平均溫度，逐時(shí)溫度數(shù)據(jù)包含的信息更多，能夠更全面更準(zhǔn)確的反映溫度全年變化情況。若以逐時(shí)溫度作為海水源熱泵設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，將有助于提高系統(tǒng)設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確性，但這同時(shí)也增加了數(shù)據(jù)處理量和數(shù)據(jù)處理難度。由于海水溫度日波動(dòng)幅度很小(根據(jù)目前已掌握的數(shù)據(jù)，日波動(dòng)不超過0.4 ℃)，為了減少數(shù)據(jù)處理量，本文以天為步長(zhǎng)，以海水逐日平均溫度為計(jì)算對(duì)象。

典型年海水溫度為全年逐日海水溫度值，因此該溫度應(yīng)該具有良好的連續(xù)性。溫度是一個(gè)連續(xù)變化的物理量，不應(yīng)出現(xiàn)跳躍突變的現(xiàn)象，因此計(jì)算得到的逐日典型年溫度也應(yīng)該滿足連續(xù)性的條件，不應(yīng)該出現(xiàn)溫度突變跳躍現(xiàn)象。

典型海水溫度年的計(jì)算過程是從多年累計(jì)的數(shù)據(jù)當(dāng)中找出具有代表性的一整年數(shù)據(jù)，為了保證典型年的挑選不受算法的影響，因此計(jì)算得到的典型年溫度數(shù)據(jù)，完全來自于海水溫度實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)。

綜上所述，典型海水溫度年是以過去多年實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)的一整年連續(xù)的逐日海水溫度數(shù)據(jù)，并且該溫度全年變化趨勢(shì)和分布規(guī)律與過去多年溫度變化趨勢(shì)和分布相似，能夠反映過去多年海水溫度的變化情況。

2 典型年計(jì)算方法

采用FS(Finkelstein-Schafe)統(tǒng)計(jì)方法[10-13]來計(jì)算典型海水溫度年，該方法基本思想是通過對(duì)比所選月份的逐年累積分布函數(shù)與該月份多年累積分布函數(shù)的接近程度來確定典型年。計(jì)算方法步驟如下：

1)計(jì)算各月份溫度累計(jì)分布函數(shù)。以月份為組距將溫度數(shù)據(jù)分為12個(gè)組，并將各組數(shù)據(jù)按照升序排序，然后用下面的公式計(jì)算各月份長(zhǎng)期累計(jì)分布函數(shù)和各月月累計(jì)分布函數(shù)。

(1)

式中：CDF(x)為數(shù)據(jù)x的累積分布函數(shù)值；n為數(shù)據(jù)總個(gè)數(shù)；k為數(shù)據(jù)x在所有數(shù)據(jù)中以升序排列的序號(hào)。

2)計(jì)算各月份的Fs值。Fs值的大小反映各月溫度分布規(guī)律與過去多年累計(jì)分布規(guī)律的相似程度，F(xiàn)s值越小說明二者分布規(guī)律越接近，其定義式如下：

(2)

式中：Fs(m，y)為y年m月份的Fs值；n為計(jì)算月份數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)，如1月n為31；xi為各月份按照升序排列的第i個(gè)溫度值；CDFm(xi)為m月溫度x(i)的多年累計(jì)分布函數(shù)值；CDFm，y(xi)為y年m月溫度x(i)的累月分布函數(shù)值。

3)找到各個(gè)月份最小的Fs值，其對(duì)應(yīng)的月份作為典型年的組成月份。如Fs(m1，y1)在所有Fs(m1，y)中值最小，則y1年的m1月即作為典型年的m1月。同理1～12月可以找到12個(gè)這樣的月份，由這些最小Fs值對(duì)應(yīng)的月份組成典型年。

通過FS統(tǒng)計(jì)方法選取具有最小Fs值的月份作為典型月，由12個(gè)不同的典型月組成典型年。由計(jì)算過程可知，F(xiàn)s值的大小反映當(dāng)月數(shù)據(jù)分布規(guī)律與多年累計(jì)分布規(guī)律的相似程度，F(xiàn)s值越小，其所在月份溫度分布規(guī)律就與該月份過去多年長(zhǎng)期分布越接近，二者分布規(guī)律越相似。因此選取Fs值最小的月份為典型年組成月份，保證了典型年的溫度分布規(guī)律與過去多年海水溫度的長(zhǎng)期分布規(guī)律相似。

3 典型年計(jì)算

本文以天為步長(zhǎng)收集整理了近10年(2005～2014)大連市市區(qū)黃海海域近海岸表層海水溫度，海水溫度數(shù)據(jù)源于大連市海洋漁業(yè)局網(wǎng)站。對(duì)于個(gè)別天數(shù)溫度數(shù)據(jù)缺失的情況，采用Akima插值方法[16]進(jìn)行數(shù)據(jù)補(bǔ)充修正。

根據(jù)整理得到的數(shù)據(jù)，采用上述典型年計(jì)算方法計(jì)算了大連市市區(qū)近海岸近10年典型海水溫度年，計(jì)算結(jié)果見表1和表2。表1為各月份Fs值計(jì)算結(jié)果，表中用黑體注明的為該月份Fs最小值。表2為根據(jù)Fs計(jì)算結(jié)果選出典型海水溫度年。

表1 海水溫度Fs計(jì)算值

4 計(jì)算結(jié)果分析

對(duì)比典型年各月份海水溫度累計(jì)分布(CDFm，y)和海水溫度多年累計(jì)分布(CDFm)，可以直觀的比較典型年海水溫度分布規(guī)律與海水溫度多年累計(jì)分布規(guī)律的相似度。圖1～圖8為典型年部分月份溫度累計(jì)分布與該月份多年累計(jì)分布對(duì)比圖。限于篇幅選取的月份為供暖月和制冷月。

圖1　1月典型年與多年累計(jì)溫度分布對(duì)比圖Fig.1 Comparison of typical year CDF with long term CDF in January

圖2　2月典型年與多年累計(jì)溫度分布對(duì)比圖Fig.2 Comparison of typical year CDF with >long term CDF in February

圖3　3月典型年與多年累計(jì)溫度分布對(duì)比圖Fig.3 Comparison of typical year CDF with long term CDF in March

圖4　6月典型年與多年累計(jì)溫度分布對(duì)比圖Fig.4 Comparison of typical year CDF with long term CDF in June

圖5　7月典型年與多年累計(jì)溫度分布對(duì)比圖Fig.5 Comparison of typical year CDF with long term CDF in July

圖6　8月典型年與多年累計(jì)溫度分布對(duì)比圖Fig.6 Comparison of typical year CDF with long term CDF in August

圖7　11月典型年與多年累計(jì)溫度分布對(duì)比圖Fig.7 Comparison of typical year CDF with long term CDF in November

圖8　12月典型年與多年累計(jì)溫度分布對(duì)比圖Fig.8 Comparison of typical year CDF with long term CDF in December

圖中，典型分布年曲線對(duì)應(yīng)表1中Fs值最小月份的溫度分布曲線，最差分布年曲線對(duì)應(yīng)Fs值最大月份溫度分布曲線，累計(jì)分布曲線是該月份的10年(2005～2014)溫度累計(jì)分布曲線。從圖中可以看到典型年的溫度分布規(guī)律與多年累計(jì)溫度分布規(guī)律相似度高。Fs值越小，其溫度分布規(guī)律與累計(jì)分布規(guī)律相似度越高。例如2012年11月和2008年12月Fs值分別為0.0261和0.0318，是12個(gè)月份中Fs值最小的兩個(gè)月，結(jié)合圖7和圖8中的分布曲線圖可以看到，這兩個(gè)月的溫度分布規(guī)律與溫度長(zhǎng)年累計(jì)分布規(guī)律相似性度最高，概率分布曲線變化趨勢(shì)與累計(jì)分布曲線最接近。

對(duì)典型年月平均溫度和長(zhǎng)年累計(jì)月平均溫度進(jìn)行對(duì)比，可以進(jìn)一步觀察典型年溫度分布規(guī)律與溫度長(zhǎng)年累計(jì)分布規(guī)律的相似性。圖9是月平均溫度對(duì)比曲線圖，從圖中可以看到典型年各月平均溫度與該月累計(jì)平均溫度很接近,兩條曲線幾乎重合。平均溫度最大差值在4月，為0.47 ℃。因此典型年月平均溫度能較好的反映過去多年海水溫度的平均水平。從月平均溫度表(表3)中也可以得到類似結(jié)論。

圖10為典型海水溫度年逐日海水溫度與典型氣象年月平均氣溫變化曲線圖。圖中曲線是根據(jù)溫度數(shù)據(jù)擬合得到的溫度變化趨勢(shì)線，擬合趨勢(shì)線均為4次多項(xiàng)式，擬合R2均大于0.98。從圖中可以看到，逐日海水溫度沿著海水全年變化趨勢(shì)線變化，雖然海水溫度在趨勢(shì)線附近來回波動(dòng)，但是整體連續(xù)性較好，未出現(xiàn)大的溫度突變或跳躍現(xiàn)象。從圖中還可以看到，與全年氣溫變化趨勢(shì)相比，首先海水溫度全年變化幅度較氣溫小，全年海水溫度約在2～25 ℃范圍內(nèi)變化，而月平均溫度變化范圍約為-5～24 ℃；其次，比較海水溫度曲線和月平均溫度曲線的波峰與波谷可知，海水溫度變化相對(duì)于氣溫變化存在延遲，最低氣溫出現(xiàn)在1月，而最低海水溫度出現(xiàn)在2月。

表2 典型海水溫度年組成

表3 月平均溫度

圖9 月平均溫度對(duì)比曲線圖Fig.9 Comparison of average temperature

圖10 典型海水溫度年逐日海水溫度與典型氣象年月平均氣溫變化曲線圖Fig.10 Comparison of TSTY daily seawater temperature with monthly mean temperature of TMY

5 結(jié)論

通過分析海水溫度數(shù)據(jù)的現(xiàn)狀，首先提出了典型海水溫度年的概念，并分析了典型海水溫度年的特點(diǎn)。然后根據(jù)海水多年累計(jì)分布規(guī)律，提出了典型海水溫度年的計(jì)算思路，并以近10年大連市近海逐日海水溫度數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，通過該方法計(jì)算得到了大連市典型海水溫度年。對(duì)計(jì)算結(jié)果分析發(fā)現(xiàn)，首先典型年溫度分布規(guī)律與10年累計(jì)分布規(guī)律相符，它們的分布曲線相似度較高；其次典型年各月平均溫度與10年累計(jì)月平均溫度差值小，典型年月平均溫度能夠較好的反映過去10年該地區(qū)海水平均溫度情況；最后得到的典型年逐日海水溫度具有較好的連續(xù)性，未出現(xiàn)大的數(shù)據(jù)突然或者跳躍現(xiàn)象。因此通過該方法計(jì)算得到的典型年能夠反映過去多年海水溫度的變化情況，典型年溫度數(shù)據(jù)具有代表性。

本文提出的是一種典型海水溫度年的計(jì)算方法，并以大連為例進(jìn)行了應(yīng)用。由于國(guó)內(nèi)海水源熱泵的應(yīng)用近十年才開始，有針對(duì)性的海水溫度數(shù)據(jù)積累也剛剛開始，若能獲取更多更全面的海水溫度數(shù)據(jù)，建立健全我國(guó)各海域的典型海水溫度年數(shù)據(jù)庫，這將為以后海水源熱泵相關(guān)的設(shè)計(jì)工作提供便利，為海水源熱泵系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和方案論證提供數(shù)據(jù)支持，同時(shí)也將有助于海水源熱泵技術(shù)在我國(guó)的推廣。

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About the corresponding author

Duanmu Lin，female，professor，School of Civil Engineering, Dalian University of Technology, +86 411-84709612，E-mail: duanmu@ dlut.edu.cn．Research fields: heat pump and the application of renewable energy in buildings．

Caculation and Its Application of Typical Seawater Temperature Year

Duanmu LinXu Fei

(School of Civil Engineering, Dalian University of Technology, Dalian, 116024, China)

Seawater temperatures are the base data for the design and feasibility research of seawater source heat pump system. It's crucial to the operating efficiency and safety. Getting typical seawater temperature year has significance for system design. This paper puts forward the concept of typical seawater temperature and presents the generation of typical seawater temperature year by analyzing its characteristics. Then this article gets the typical seawater temperature year of Dalian basing on the recent decade seawater temperature data of this area. It shows that the cumulative distribution, mean monthly temperature and data continuity of the results are representative.

sea temperature; water source heat pump; typical temperature year; cumulative distribution function

0253- 4339(2016) 03- 0006- 06

10.3969/j.issn.0253- 4339.2016.03.006

國(guó)家科技部“十二五”國(guó)家科技支撐計(jì)劃(2014BAJ01B04)資助項(xiàng)目。(The project was supported by Key Projects in the National Science & Technology Pillar Program during the Twelfth Five-year Plan Period(No.2014BAJ01B04).)

2015年10月7日

TQ051.5; P731.11

A

簡(jiǎn)介

端木琳，女，教授，大連理工大學(xué)土木工程學(xué)院，(0411)84709612， E-mail: duanmu@ dlut.edu.cn。研究方向: 熱泵及可再生能源在建筑中的利用。