宋明月，劉光遠(yuǎn)，王建城，趙杰，蘇盛

(智能電網(wǎng)運(yùn)行與控制湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(長(zhǎng)沙理工大學(xué))，長(zhǎng)沙市 410004)

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氣溫變化對(duì)石家莊市供暖式霧霾的影響及防污閃潛力分析

宋明月，劉光遠(yuǎn)，王建城，趙杰，蘇盛

(智能電網(wǎng)運(yùn)行與控制湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(長(zhǎng)沙理工大學(xué))，長(zhǎng)沙市 410004)

針對(duì)近年來冬季霧霾引發(fā)的電力系統(tǒng)污閃事故日漸頻繁嚴(yán)重的問題，利用1973年至2012年地面氣象觀測(cè)數(shù)據(jù)，從冬季采暖耗能排污的角度，結(jié)合Mann-Kendall法分析了氣候變暖背景下石家莊市冬季采暖日與采暖度日的長(zhǎng)時(shí)間尺度演化規(guī)律，并推算出更加靈活的供暖時(shí)限，以期降低由供暖式霧霾引起的污閃事故發(fā)生的頻率。結(jié)果表明，受長(zhǎng)時(shí)間尺度上氣候變化所致冬季增溫效應(yīng)影響，石家莊市采暖日和采暖度日整體呈下降趨勢(shì)，采暖耗能排污減少，有利于減輕霧霾現(xiàn)象。由于傳統(tǒng)上石家莊市統(tǒng)一采用固定120 d時(shí)限的供暖制度，而用5日滑動(dòng)平均法計(jì)算石家莊市實(shí)際采暖日數(shù)和采暖度日數(shù)均少于固定時(shí)限下的采暖日和采暖度日，因此，對(duì)石家莊市而言，如若取消一直沿用的固定采暖初、終日，根據(jù)天氣條件試行靈活供暖，可能明顯降低冬季采暖耗能排污，有助于消解供暖式霧霾，減輕霧霾天氣給電力設(shè)備帶來的不利影響。

采暖需求；供暖式霧霾；污閃

0 引 言

近年來，隨著當(dāng)前經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，工業(yè)化、城鎮(zhèn)化進(jìn)程的加快，環(huán)境污染問題日益嚴(yán)重，帶來的危害也越來越明顯。自1985年以來，石家莊電網(wǎng)輸電線路污閃事故頻繁發(fā)生。其中1990年2月11日大霧，石家莊地區(qū)14條22萬V、30條11萬V輸電線路發(fā)生“污閃”，閃絡(luò)掉閘達(dá)215次，是石家莊電網(wǎng)有史以來最嚴(yán)重的大面積污閃[1]。石家莊電網(wǎng)針對(duì)嚴(yán)重的濃霧天氣提出“霧中含污穢物濃度高，在水平方向上由于風(fēng)的作用形成水平通量積聚在絕緣子表面，形成濕沉降”，氣象部門根據(jù)濕沉降的理論，對(duì)霧的“臟污”程度進(jìn)行了初步估算。而今天所謂的霧霾天氣，就是當(dāng)年所講的“污霧”(含酸霧)以及“積聚在絕緣子表面”的“濕沉降”[2]。

霧是由大量懸浮在近地面空氣中的微小水滴或冰晶組成的氣溶膠系統(tǒng)，是近地面層空氣中水汽凝結(jié)而成的產(chǎn)物；霾是一種大氣光學(xué)現(xiàn)象，通常是由于地面揚(yáng)塵或大量干粒子污染物構(gòu)成的氣溶膠粒子散射陽光產(chǎn)生的大氣渾濁現(xiàn)象，又稱“灰霾”[3]。根據(jù)氣象觀測(cè)規(guī)范定義[4]，霧是指大量微小水滴浮游空中，使水平能見度小于1.0 km的天氣現(xiàn)象；霾是大量極細(xì)微的干塵粒等均勻地浮游在空中，使水平能見度小于10.0 km，造成空氣普遍渾濁的天氣現(xiàn)象。霧霾，是霧和霾的組合詞。隨著空氣質(zhì)量的惡化，陰霾天氣現(xiàn)象增多，危害加重，中國(guó)不少地區(qū)把陰霾天氣現(xiàn)象并入霧一起作為災(zāi)害性天氣預(yù)警預(yù)報(bào)。統(tǒng)稱為“霧霾天氣”。發(fā)生霧霾時(shí)，相對(duì)濕度一般低于80%，但其水分能使復(fù)合絕緣子表面污穢物潮濕，故可將霧霾視為污穢霧[5]。

調(diào)研報(bào)告表明[6]，霧霾對(duì)電力系統(tǒng)的影響主要體現(xiàn)在兩方面：一是霧的影響，即濕度的影響，體現(xiàn)在導(dǎo)致電力系統(tǒng)設(shè)備外絕緣表面受潮，外絕緣水平下降，從而造成污閃現(xiàn)象；二是霾的影響，即大氣中污穢物的影響，體現(xiàn)在使電力系統(tǒng)設(shè)備外絕緣表面污穢度增加，與高濕度環(huán)境疊加后，也可能造成污閃。而大面積污閃事故對(duì)電力系統(tǒng)的破壞卻是災(zāi)難性的。

自20世紀(jì)80年代以來，大面積污閃事故始終是導(dǎo)致我國(guó)電力大面積停電的首要原因[6]，可見由霧霾天氣所致的污閃事故對(duì)電力系統(tǒng)危害很大。從而霧霾也被電網(wǎng)稱為“隱形殺手”。因此本文針對(duì)近年來霧霾所引起的大面積污閃事故的問題，從采暖耗能排污方面分析長(zhǎng)時(shí)間尺度上采暖日和采暖度日的變化趨勢(shì)，以期得出較為合理的供暖時(shí)限，有效降低由供暖式霧霾所致的電網(wǎng)污閃事故的頻率。

1 資料和方法

1.1 資料

研究所用資料為國(guó)家基本/基準(zhǔn)站氣象站1973年至2011年逐時(shí)氣溫?cái)?shù)據(jù)，用于分析氣候變暖背景下石家莊地區(qū)采暖日和采暖度日的變化趨勢(shì)。

1.2 采暖日

采暖通風(fēng)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，建筑設(shè)計(jì)用采暖期天數(shù)按累年日均溫度穩(wěn)定低于或等于采暖室外臨界溫度的總?cè)諗?shù)確定[7]。采暖期長(zhǎng)度為采暖初日至采暖終日的天數(shù)，可用作反映采暖期耗能的度量指標(biāo)。在假定不同環(huán)境溫度中采暖耗能不變的前提下，采暖期長(zhǎng)短可反映采暖耗能大小。采暖期長(zhǎng)則耗能多；采暖期短則耗能少。本文確定采暖初、終日時(shí)，采用連續(xù)5天滑動(dòng)平均法來確定采暖初、終日，具體步驟詳述如下：

(1)采暖初日確定：

1)在頭年降溫季節(jié)中找出日最高溫度第1次≤5 ℃的日期，向前推4天，按日序依次算出5日滑動(dòng)平均溫度。

2)從1年中最長(zhǎng)的1段大于該界限的序列中選取第1個(gè)≤5 ℃的5日滑動(dòng)平均溫度。

3)從組成該5日滑動(dòng)平均溫度的5天中，選取第1個(gè)日最高溫度≤5 ℃的日期。

(2)采暖終日確定：

1)在次年升溫季節(jié)中找出日最高溫度第1次>5 ℃的日期，向前推4天，按日序依次計(jì)算出5日滑動(dòng)平均溫度，直到出現(xiàn)第一個(gè)5日滑動(dòng)平均溫度>5 ℃。

2)選取最后一個(gè)>5 ℃的5日滑動(dòng)平均溫度，從組成該5日滑動(dòng)平均溫度的5天中選取最后1個(gè)日最高溫度>5 ℃的日期。

1.3 采暖度日

采暖度日(heating degree days，HDD)是指一段時(shí)間日平均溫度低于臨界溫度的累積度數(shù)，是一種反映供暖能源需求狀態(tài)的熱量單位。利用度日可將能源消費(fèi)和溫度關(guān)聯(lián)起來進(jìn)行能耗變化預(yù)測(cè)和能量管理[8]。采暖度日的計(jì)算方式如式(1)所示：

(1)

式中T0為臨界溫度，一般取18 ℃；Ti為第i日平均溫度，如日均溫度高于臨界值，則rd=0，反之，rd=1。

年HDD一般定義為每年各月HDD之和。某時(shí)段的采暖度日總量一般與該時(shí)段總加熱量成正比。因此，一般認(rèn)為度日和燃料消耗及采暖排污間具有線性關(guān)系[8]。

1.4 Mann-Kendall法原理與計(jì)算步驟

作為一種基于秩的非參數(shù)檢驗(yàn)方法，Mann-Kendall統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)法不要求樣本遵從一定的分布，也不受少數(shù)異常值的干擾，計(jì)算簡(jiǎn)便、檢測(cè)范圍寬[9]，適用于水文、氣象等非正態(tài)分布數(shù)據(jù)，并已在氣溫、降水、徑流、水質(zhì)等水文氣象時(shí)間序列資料的長(zhǎng)期變化趨勢(shì)預(yù)測(cè)上得到的廣泛應(yīng)用[10-12]。本文應(yīng)用Mann-Kendall法進(jìn)行統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)，分析冬季采暖耗能排塵及影響污染擴(kuò)散風(fēng)速的變化趨勢(shì)。

Mann-Kendall檢驗(yàn)中，檢驗(yàn)的統(tǒng)計(jì)變量Sk計(jì)算如式(2)所示，即

(2)

其中：

秩序列SK是第i時(shí)刻值大于第j時(shí)刻值個(gè)數(shù)的累計(jì)數(shù)。在時(shí)間序列隨機(jī)獨(dú)立前提下，定義統(tǒng)計(jì)量：

(3)

式中：UF1=0;E(Sk)、Var(Sk)分別為累計(jì)數(shù)Sk的均值和方差，在x1，x2，…，xn相互獨(dú)立且有相同連續(xù)分布時(shí)，可由式(4)算出：

(4)

UFk為標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布，它是按時(shí)間序列x的順序x1，x2，…，xn計(jì)算出的統(tǒng)計(jì)量序列。在給定顯著水平a=0.05下(U0.05=1.96)，若|UFk|>U0.05，則表明序列存在明顯的趨勢(shì)變化。按時(shí)間序列x的逆序xn，xn-1，…，x1，重復(fù)上述過程，同時(shí)使序列逆序值UBk=-UFk(k=n，n-1，…，1)，UB1= 0。

根據(jù)上述步驟，即可求得順序時(shí)間序列UFk和逆序時(shí)間序列UBk；將UFk、UBk曲線和U0.05臨界值繪制成圖后，即可根據(jù)圖形判斷數(shù)據(jù)序列的變化趨勢(shì)和突變點(diǎn)時(shí)刻。

(1)UFk>0，則序列呈上升趨勢(shì)；

(2)UFk<0，則序列呈下降趨勢(shì)；

(3)UFk超過U0.05臨界線時(shí)，上升或下降趨勢(shì)顯著；

(4)UFk和UBk出現(xiàn)交點(diǎn)且交點(diǎn)在臨界線之間，則交點(diǎn)對(duì)應(yīng)時(shí)刻即為突變開始時(shí)刻；

(5)曲線UFk和UBk出現(xiàn)多個(gè)交點(diǎn)且交點(diǎn)在臨界線之間，同時(shí)改變時(shí)間尺度后突變時(shí)間點(diǎn)基本穩(wěn)定，則確系突變點(diǎn)，否則為干擾雜點(diǎn)[9，11]。

2 結(jié)果分析

2.1 氣溫變化對(duì)采暖期長(zhǎng)度影響分析

氣溫是氣候變化的重要因子之一，氣溫變化的一個(gè)顯著特征是地表平均溫度升高。觀測(cè)表明，我國(guó)冬季平均溫度上升明顯高于夏季[13]，容易形成暖冬，縮短采暖期長(zhǎng)度，導(dǎo)致采暖需求和采暖排污下降。

圖1為1973～2011年石家莊市逐年采暖日數(shù)變化趨勢(shì)圖，其中，點(diǎn)線是以傳統(tǒng)計(jì)算方式，采用固定120天(頭年的11月15日至次年的3月15日)時(shí)限的供暖制度而得來的采暖日數(shù)，折線為5日滑動(dòng)平均法計(jì)算而得到的實(shí)際采暖日數(shù)，虛線為實(shí)際值的擬合直線。由圖1可見，5日滑動(dòng)平均法計(jì)算得到的采暖日數(shù)要比傳統(tǒng)方式下的采暖日數(shù)低得多，并且在1994年達(dá)到40年來的最低谷，與傳統(tǒng)的120天相差甚遠(yuǎn)。同時(shí)采暖日數(shù)整體變化趨勢(shì)可表達(dá)為氣候傾向率-4.215 ℃·d/10 a，可見，石家莊市實(shí)際年采暖日數(shù)呈顯著下降趨勢(shì)。

圖1 石家莊市年采暖日數(shù)變化趨勢(shì)Fig.1 Variation trend of annual heating days in Shijiazhuang

石家莊市實(shí)際采暖初終日年代變化列如表1所示，由表1可以看到，與傳統(tǒng)采暖初日11月15日相比，實(shí)際采暖初日除00年代略有延遲外，其他均差別不大。與傳統(tǒng)的采暖終日3月15日相比，實(shí)際采暖終日均有較大提前，且提前的天數(shù)也在逐漸加大。其中到00年代采暖終日提前到2月23日，與固定采暖期相比，終日提前了43天。由于氣候變化所致冬季增溫效應(yīng)影響，石家莊市的實(shí)際采暖日數(shù)整體呈下降趨勢(shì)且均少于固定的120天供暖期，因此相比傳統(tǒng)方式下，其采暖耗能排污相對(duì)減少，有利于降低粉塵污染排放，減輕供暖式霧霾發(fā)生的頻率和強(qiáng)度，從而降低其對(duì)電力系統(tǒng)帶來的不利影響。

表1 石家莊市年代平均采暖初日、終日及采暖日變化情況

Table 1 Change of average age date of heating days along with its first day and last day in Shijiazhuang

2.2 氣溫變化對(duì)采暖度日影響分析

5日滑動(dòng)法所得出的采暖期天數(shù)雖與傳統(tǒng)采暖期天數(shù)不同，但是氣候變化引起的采暖日變化并不直接影響供暖持續(xù)時(shí)間，采暖日的變化對(duì)冬季采暖耗能排污影響并不明顯。因此需要另一指標(biāo)采暖度日來衡量氣候變化背景下冬季采暖耗能排污的程度。

采暖期能耗的大小主要是由采暖期長(zhǎng)度和采暖期度日值的高低決定[14]。有關(guān)研究[15]表明：與氣候有關(guān)的采暖需求可以用采暖度日指數(shù)來加以估算。將整個(gè)取暖季節(jié)的度日值累加起來，可用作全年取暖需求的一個(gè)指標(biāo)，一個(gè)時(shí)段的采暖度日總量與該時(shí)段加熱量成正比。因此，一般認(rèn)為度日和燃料消耗及采暖排污間具有線性關(guān)系[8]，即采暖度日值變化可以反映出采暖能耗的變化。

因石家莊市按固定時(shí)限進(jìn)行供暖，氣候變化引起的采暖日變化并不會(huì)對(duì)采暖耗能排污造成直接影響，為分析受固定采暖期制度約束而變化的采暖耗能，類似計(jì)算了固定采暖時(shí)限下的采暖度日數(shù)和實(shí)際采暖期下的采暖度日數(shù)，并繪制HDD及變化趨勢(shì)圖如圖2所示。其中，點(diǎn)線代表傳統(tǒng)方式固定采暖期得來的采暖度日數(shù)，折線為實(shí)際采暖期計(jì)算而得到的實(shí)際采暖度日數(shù)。由圖2可知石家莊市實(shí)際采暖度日基本低于傳統(tǒng)方式下的采暖度日，且受全球氣候變暖的影響，采暖度日和采暖日一樣呈下降趨勢(shì)，且采暖度日實(shí)際變化率為-92.36 ℃·d/10 a。

圖2 石家莊市HDD及其變化趨勢(shì)圖Fig.2 Variation trend of HDD in Shijiahuang

為比較實(shí)際采暖期與固定采暖期在各個(gè)年代際上對(duì)采暖度日的影響，還計(jì)算了各年代際石家莊市實(shí)際采暖度日與固定采暖期下對(duì)應(yīng)的采暖度日，其變化率見表2。

表2 實(shí)際采暖度日較固定采暖期差異

Table 2 Difference in calculated HDD &HDD of fixed heat day

由表2可見，實(shí)際的采暖度日和固定采暖時(shí)限計(jì)算的采暖度日差別較大，實(shí)際采暖度日始終低于固定時(shí)限下的采暖度日，并且實(shí)際采暖度日變化率更為明顯，達(dá)-92.36 ℃·d/10 a，而采用固定時(shí)限的采暖度日變化率為-45.32 ℃·d/10 a。因此，對(duì)石家莊市而言，合理修正固定時(shí)限的供暖制度，可以明顯降低采暖耗能排污，有助于消解供暖式霧霾，確保電網(wǎng)安全穩(wěn)定的運(yùn)行。

2.3 長(zhǎng)時(shí)間尺度下采暖度日突變分析

為深入分析，以下還借助Mann-Kendall法對(duì)典型城市年均采暖度日進(jìn)行變化趨勢(shì)檢驗(yàn)，繪制UFk、UBk曲線如圖3所示。

圖3 石家莊市HDD Mann-Kendall統(tǒng)計(jì)量曲線Fig.3 Statistical curve of HDD Mann-Kendall in Shijiazhuang

對(duì)比圖3和圖2可見：

(1)1992年以前，石家莊市UFk值波動(dòng)頻繁，此后UFk<0，采暖度日數(shù)持續(xù)下降，并在2003年后超過a=0.05 (U0.05=±1.96)的顯著性水平，下降趨勢(shì)明顯。

(2)改變逐年采暖度日數(shù)時(shí)間尺度為1975～2005、1975～2010、1980～2005和1980～2010后，均在1992年前后檢測(cè)到UFk和UBk的交點(diǎn)，因此可判定石家莊市采暖度日數(shù)在1992年存在由波動(dòng)上升到下降的突變，結(jié)果與表2基本相符。

3 結(jié) 論

為減輕冬季霧霾引發(fā)的電力系統(tǒng)污閃事故，本文從冬季采暖耗能排污的角度，分析了氣候變暖背景下石家莊市冬季采暖日與采暖度日的長(zhǎng)時(shí)間尺度演化規(guī)律。結(jié)果表明，受全球氣候變暖的影響，石家莊市采暖日和采暖度日整體呈下降趨勢(shì)，采暖耗能排污減少，有利于減輕供暖式霧霾發(fā)生的頻率。由于傳統(tǒng)上石家莊市統(tǒng)一采用固定120天時(shí)限的供暖制度，而石家莊市實(shí)際采暖日數(shù)和采暖度日數(shù)均少于固定時(shí)限下的采暖日和采暖度日，因此，對(duì)石家莊市而言，如若根據(jù)氣候變化特點(diǎn)，取消一直沿用的固定采暖初、終日，試行靈活供暖，有望化解固定供暖期導(dǎo)致虛耗采暖耗能排污，有助于消解供暖式霧霾，減輕霧霾天氣對(duì)電力設(shè)備帶來的不利影響。

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(編輯：張媛媛)

Influence of Temperature Change on Heating Haze in Shijiazhuang and Prevention Potential of Pollution Flashover

SONG Mingyue， LIU Guangyuan， WANG Jiancheng， ZHAO Jie， SU Sheng

(Hunan Key Laboratory of Smart Grids Operation & Control, Changsha University of Science & Technology, Changsha 410004, China)

Weather observation data of North China from 1973 to 2012 were investigated to analyze long term variation trend of haze related meteorological conditions which arised the frequency of pollution flashover on power system. The Mann-Kendall test was utilized to estimate a more flexible heating policy and reduce the frequency of pollution flashover on power system by analyzing the variation trends and mutation points of haze. It is uncovered that the escalated surface temperature in winter leads to the reduction in heating days and heating degree days (HDD) and the associated reduction in heating demand and the air pollution under the context of climate change. Traditionally, a fixed 120 heating days has been carried out in Shijiazhuang area all the time, however, the actual heating days and HDD calculated by the method of five days moving average put a reduction when compared to the fixed one. Therefore, for Shijiazhuang, the cancel of the traditional fixed heating first day, last day and the implementation of a flexible heating policy can have a notable reduction in heating demand and air pollution as well as a reduction in the pollution flashover on power system caused by heating haze.

heating demand; heating haze; pollution flashover

TK 01

A

1000-7229(2015)06-0119-05

10.3969/j.issn.1000-7229.2015.06.020

2015-04-02

2015-04-30

宋明月(1991)，女，碩士研究生，主要研究方向?yàn)闅夂蜃兓瘜?duì)能源及電力系統(tǒng)的影響；

劉光遠(yuǎn)(1990)，男，碩士研究生，主要研究方向?yàn)闅夂蜃兓瘜?duì)能源及電力系統(tǒng)的影響；

王建城(1989)，男，碩士研究生，主要研究方向?yàn)闅夂蜃兓瘜?duì)能源及電力系統(tǒng)的影響；

趙杰(1991)，男，碩士研究生，主要研究方向?yàn)闅夂蜃兓瘜?duì)能源及電力系統(tǒng)的影響；

蘇盛(1975)，男，博士，副教授，主要研究方向?yàn)闅夂蜃兓瘜?duì)能源及電力系統(tǒng)的影響。