典型海水溫度年計(jì)算方法及其應(yīng)用（續(xù)）

端木琳 賈 欣 馬偉強(qiáng) 王 蕓

（1 大連理工大學(xué)土木工程學(xué)院 大連 116024；2 大連大學(xué)建筑工程學(xué)院 大連 116622）

目前，我國(guó)傳統(tǒng)的區(qū)域供熱和供冷方式主要為鍋爐和冷凍機(jī)，該方式通常需要消耗大量化石能源且污染環(huán)境。在“雙碳”目標(biāo)之下，區(qū)域供熱和供冷方式的改革勢(shì)在必行，這使海水源熱泵的普及成為可能。在沿海地區(qū)，海水源熱泵系統(tǒng)雖然可以代替?zhèn)鹘y(tǒng)的鍋爐房和冷凍機(jī)為建筑物供熱、制冷，但并非任意從海洋中取出的海水都可作為熱泵系統(tǒng)的冷、熱源。

海水溫度對(duì)熱泵系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和運(yùn)行起著重要作用，是海水源熱泵技術(shù)應(yīng)用成敗的關(guān)鍵，主要考慮應(yīng)用海水源熱泵地區(qū)的海水的極端溫度[1-2]，極端溫度主要涉及海水最冷月和最熱月海水各層的溫度。我國(guó)大部分海域有很好的水溫條件，符合機(jī)組制冷和制熱對(duì)冷熱源溫度的要求[3]。海水源熱泵供熱設(shè)計(jì)時(shí)要求海水溫度不得低于2 ℃[4]，張莉等[5]針對(duì)青島市一海水源熱泵試點(diǎn)工程，通過(guò)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析青島市附近黃海海域海水作為熱泵系統(tǒng)熱源時(shí)系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性，由實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析可知，1、2月份氣溫最低的冬季，系統(tǒng)運(yùn)行可靠。陳高峰[6]對(duì)天津港附近渤海海域海水冬季水溫進(jìn)行了測(cè)試，冬季海水作為低溫?zé)嵩?，水溫較低，可能會(huì)出現(xiàn)結(jié)冰現(xiàn)象，設(shè)計(jì)中要考慮海水溫度過(guò)低系統(tǒng)無(wú)法運(yùn)行時(shí)的措施。因此，渤海海域海水源熱泵實(shí)際工程需要考慮不同的設(shè)計(jì)方案，主要有三種：1）熱泵機(jī)組+冬季板式換熱器市政熱網(wǎng)供暖；2）熱泵機(jī)組+冬季備用熱源（鍋爐、電加熱器等）；3）采用海岸井滲濾取水的海水源熱泵系統(tǒng)[7-11]。

海水溫度全年變化，而海水溫度條件的改變將對(duì)熱泵循環(huán)特性乃至機(jī)組性能產(chǎn)生影響。季節(jié)的變化對(duì)陸地和海洋溫度變化起著決定性的作用，因此海水溫度的變化具有顯著的季節(jié)特征[12]。胡瑩英[13]分析了東海不同區(qū)域、不同斷面和不同層次的海水溫度年際變化規(guī)律。為滿足工程設(shè)計(jì)需要，得到具有代表性的海水溫度數(shù)據(jù)，端木琳等[14]基于2005—2014年海水溫度數(shù)據(jù)提出了典型海水溫度年（簡(jiǎn)稱:2014年典型年），并給出了典型海水溫度年的計(jì)算方法，為海水源熱泵系統(tǒng)的設(shè)計(jì)工作奠定了基礎(chǔ)。但典型海水溫度年計(jì)算并非一勞永逸之事，全球氣候變暖，海洋溫度也隨之變化，根據(jù)其他國(guó)內(nèi)外多位學(xué)者的調(diào)查研究可知，近年來(lái)海水溫度一直處于上升趨勢(shì)[15-16]，我國(guó)的黃海、渤海海域也不例外，因此隨著全球氣候的變化，黃海、渤海海域典型海水溫度年需要進(jìn)行更新。

綜上所述，本文在前期工作[14]的基礎(chǔ)上，統(tǒng)計(jì)了2005—2021年大連市黃海、渤海近海海域海水溫度數(shù)據(jù)，計(jì)算出大連市黃海、渤海海域（本文提到的“黃海、渤海海域”，無(wú)特殊說(shuō)明均指大連地區(qū)近海海域）最新的典型海水溫度年并進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。

1 數(shù)據(jù)來(lái)源及處理

本文收集記錄了近17年（2005—2021年）大連市棒棰島海域、星海海域、付家莊海域和夏家河子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[17]。其中，以棒棰島、星海和付家莊海域近海岸表層海水溫度三者的平均值代表黃海海域海水溫度，以夏家河子海域近海岸表層海水溫度代表渤海海域海水溫度。

由于實(shí)測(cè)人員節(jié)假日休息或其他原因無(wú)法進(jìn)行實(shí)測(cè)記錄，導(dǎo)致個(gè)別天數(shù)溫度數(shù)據(jù)缺失，則利用線性內(nèi)插法對(duì)缺失數(shù)據(jù)進(jìn)行補(bǔ)充。夏家河子浴場(chǎng)個(gè)別年份1、2月的海水溫度數(shù)據(jù)缺失過(guò)多，采用差值法補(bǔ)充后導(dǎo)致計(jì)算誤差過(guò)大，計(jì)算結(jié)果不具有代表性，故未將這些年份的數(shù)據(jù)包含于累計(jì)分布函數(shù)。

2 典型年計(jì)算

本文沿用2014年典型年采用的FS（Finkelstein-Schafe）統(tǒng)計(jì)方法[18-20]進(jìn)行計(jì)算。以黃海為例，通過(guò)FS統(tǒng)計(jì)方法計(jì)算每個(gè)月份的Fs值，計(jì)算結(jié)果如表1所示。

表1 海水溫度Fs計(jì)算值Tab.1 Fs statistics of seawater temperature

續(xù)表1

由計(jì)算過(guò)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)律與該月份過(guò)去多年長(zhǎng)期分布越接近，二者分布規(guī)律越相似。因此，為保證典型年的溫度分布規(guī)律與過(guò)去多年海水溫度的長(zhǎng)期分布規(guī)律相似，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[14]，如表2所示。同理計(jì)算出渤海海域典型海水溫度年，如表3所示。

基于DataFit軟件對(duì)得到的典型年黃海、渤海海水逐日溫度進(jìn)行計(jì)算分析，得到黃海、渤海典型年海水溫度表達(dá)式：

（1）

式中：（1）對(duì)于黃海海域海水溫度，τ為天數(shù)（1月1日為起始）；a=12.52；b=-10.27；T=367.65；τ0=15.68；e=8.70，均為擬合系數(shù)。（2）對(duì)于渤海海域海水溫度，τ為天數(shù)（1月1日為起始）；a=12.04；b=-13.05；T=362.02；τ0=4.25；e=10.27，均為擬合系數(shù)。圖1所示為黃海、渤海海域典型年海水逐日溫度，其中散點(diǎn)表示典型年海水逐日溫度，實(shí)線表示擬合曲線。該公式能夠便于工程師根據(jù)實(shí)際工程設(shè)計(jì)需求計(jì)算海水溫度，作為工程設(shè)計(jì)基礎(chǔ)。

3 計(jì)算結(jié)果分析

3.1 數(shù)據(jù)代表性分析

表2 黃海典型海水溫度年組成Tab.2 Typical seawater temperature year in the Yellow Sea

表3 渤海典型海水溫度年組成Tab.3 Typical seawater temperature year in the Bohai Sea

對(duì)典型年月平均溫度和累年月平均溫度進(jìn)行對(duì)比，可以觀察典型年溫度分布規(guī)律與溫度累年分布規(guī)律的相似性。圖2所示為黃海、渤海海域海水的月平均溫度對(duì)比，由圖2可知，典型年各月平均溫度與該月累年平均溫度很接近，兩條曲線幾乎重合。黃海、渤海海域典型年月平均溫度和累年月平均溫度最大差值分別出現(xiàn)在2月和12月，為0.9 ℃和0.63 ℃。因此，本文計(jì)算確定的典型海水溫度年溫度全年變化趨勢(shì)和分布規(guī)律與過(guò)去17年里的溫度變化趨勢(shì)和分布相似，能夠反映過(guò)去多年海水溫度的變化情況，具有較好的代表性。

3.2 海水溫度極端年

參考《中國(guó)建筑熱環(huán)境分析專用氣象數(shù)據(jù)集》[21]中獲得極端氣象數(shù)據(jù)的方法，本文采用歷年海水月平均溫度最大的月份組成海水溫度極高年；歷年海水月平均溫度最小的月份組成海水溫度極低年；采用累年海水日最高溫度為極端最高溫度；采用累年海水日最低溫度為極端最低溫度。黃海海水溫度極高年和溫度極低年月平均海水溫度如圖2（a）所示。渤海海水溫度極高年和溫度極低年月平均海水溫度如圖2（b）所示。黃海海水極端最高溫度為26.2 ℃；極端最低溫度為-0.4 ℃。渤海海水極端最高溫度為28.6 ℃；極端最低溫度為-1.8 ℃。

3.3 海水溫度逐年變化分析

為研究近17年來(lái)海水溫度的變化趨勢(shì)，本文將2005—2021年的海水溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比。圖3（a）所示為黃海海域2月海水平均溫度的逐年變化，2005—2009這五年的海水平均溫度為3.22 ℃，而2017—2021近五年的海水平均溫度為3.83 ℃，上升了0.61 ℃；圖3（b）所示為黃海海域8月平均溫度的逐年變化，2005—2009這五年的海水平均溫度為22.82 ℃，而2017—2021近五年的海水平均溫度為23.5 ℃，上升了0.67 ℃；經(jīng)過(guò)同樣的方法分析得出，2005—2009這五年的渤海2月海水平均溫度為1.14 ℃，而2017—2021近五年的渤海海水平均溫度為-0.72 ℃，2005—2009這五年的渤海8月海水平均溫度為25.16 ℃，而2017—2021近五年的渤海海水平均溫度為26.27 ℃。渤海海域2月份海水平均溫度降低了1.86 ℃，8月份的海水平均溫度上升了1.11 ℃。

圖1 典型年海水逐日溫度Fig.1 Seawater temperature of the typical year

圖2 黃海、渤海海域海水月平均溫度對(duì)比Fig.2 Comparison of mean monthly seawater temperature in the Yellow Sea and Bohai Sea

本文通過(guò)將計(jì)算確定的典型年與2014年典型年進(jìn)行對(duì)比發(fā)現(xiàn)，除了2月、5月和6月這三個(gè)月份的典型月沒(méi)有改變，其他月份的典型月均發(fā)生了變化，且溫度值均增加，增幅最大的為1月，由原來(lái)的4.07 ℃變?yōu)?.05 ℃增加了0.98 ℃，具體數(shù)據(jù)如表4所示。

3.4 黃海、渤海海水溫度對(duì)比分析

受地理位置的影響，不同海域的海水溫度也存在差異。黃海海域海水全年月平均溫度約在2.8～22.9 ℃范圍內(nèi)變化，渤海海域海水全年月平均溫度約在-0.4～25.5 ℃范圍內(nèi)變化，渤海海域海水全年月平均溫度變化范圍大于黃海海域海水全年月平均溫變化范圍。黃海、渤海海域海水月平均溫度最大差值為5.8 ℃，出現(xiàn)在12月；最小差值為-0.7 ℃，出現(xiàn)在9月，具體數(shù)據(jù)如表5所示。圖4所示為黃海、渤海海域月平均溫度對(duì)比。由圖4可知，4—9月渤海海域海水月平均溫度高于黃海海域，10月至來(lái)年3月黃海海域海水月平均溫度高于渤海海域，即黃海海域海水夏季溫度更低，有利于熱泵夏季工況運(yùn)行效率的提升（海水作為冷卻水，降低了機(jī)組冷凝溫度，提高了機(jī)組效率），冬季溫度更高，有利于熱泵冬季工況運(yùn)行效率的提升（海水作為冷凍水，提高了機(jī)組蒸發(fā)溫度和效率），因此黃海近海海域更適合作為海水源熱泵系統(tǒng)的低位冷熱源。

圖3 黃海海域海水平均溫度逐年變化Fig.3 Changes in the mean seawater temperature in the Yellow Sea

表4 黃海海域典型海水溫度年月平均氣溫Tab.4 Mean monthly seawater temperature of the typical years in the Yellow Sea

表5 黃海、渤海海域典型海水溫度年月平均溫度Tab.5 Mean monthly seawater temperature of the 2021 typical year in the Yellow Sea and the Bohai Sea

圖4 黃海、渤海海域月平均溫度對(duì)比Fig.4 Comparison of mean monthly temperature of the Yellow Sea and the Bohai Sea

本文通過(guò)計(jì)算結(jié)果可知，黃海海域典型海水溫度年最低月平均溫度為2.8 ℃，海水極端最低溫度為-0.4 ℃。相比之下，渤海海域典型海水溫度年最低月平均溫度為-0.4 ℃，海水極端最低溫度為-1.8 ℃，這一點(diǎn)對(duì)于海水源熱泵系統(tǒng)是不利的[22]。

4 結(jié)論

1）本文以近17年（2005—2021年）大連市黃海、渤海近海逐日海水溫度數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，沿用2014年典型年的計(jì)算方法計(jì)算得到了大連市黃海、渤海近海海域最新的典型海水溫度年，經(jīng)過(guò)驗(yàn)證，本文計(jì)算得到的典型年能夠反映過(guò)去多年海水溫度的變化情況，典型年溫度數(shù)據(jù)具有較好的代表性，并獲得了典型年黃海、渤海逐日海水溫度表達(dá)式。

2）通過(guò)分析計(jì)算結(jié)果發(fā)現(xiàn)，近17年來(lái)，大連地區(qū)黃海近海海域的海水溫度均處于上升趨勢(shì)，黃海近海海域8月份近五年月平均溫度較2005—2009這五年上升約0.67 ℃，2月份上升約0.61 ℃，與2014年典型年相比，本文典型年月平均溫度除3個(gè)月份未發(fā)生改變之外，其他月份平均溫度均有不同程度的增加，其中1月增值最大，增加了0.98 ℃。大連地區(qū)渤海近海海域溫度變化趨勢(shì)與黃海近海海域不同，冬夏季海水溫差變大，2005—2009這五年的渤海近海海域2月海水平均溫度為1.14 ℃，而2017—2021近五年的渤海近海海域海水平均溫度為-0.72 ℃，2005—2009這五年的渤海近海海域8月海水平均溫度為25.16 ℃，而2017—2021近五年的渤海近海海域海水平均溫度為26.27 ℃。渤海近海海域2月份海水平均溫度降低了1.86 ℃，8月份的海水平均溫度上升了1.11 ℃。

3）根據(jù)大連市附近黃海、渤海海域海水溫度的特點(diǎn)，黃海海域夏季溫度更低，有利于熱泵夏季工況運(yùn)行效率的提升，冬季溫度更高，有利于熱泵冬季工況運(yùn)行效率的提升，因此黃海近海海域更適合作為海水源熱泵系統(tǒng)的低位冷熱源。但渤海近海海域冬季海水溫度較低，最低月平均溫度為-0.4 ℃，海水極端最低溫度為-1.8 ℃，海水不適合直接或單獨(dú)作為低位熱源，需要采用岸邊打井取水方式或具有其他輔助熱源的海水源熱泵形式。

典型海水溫度年為海洋能新能源系統(tǒng)、海水源熱泵系統(tǒng)、以海水為冷卻水的發(fā)電系統(tǒng)等相關(guān)設(shè)計(jì)和方案論證提供了數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。但典型海水溫度年的計(jì)算并不是一件簡(jiǎn)單的工作，不同海域的典型年不同，同一海域不同區(qū)域的典型年也不同，而且隨著時(shí)間的推移，由于氣候變化，典型年還會(huì)發(fā)生改變，因此建立我國(guó)各海域不同區(qū)域的典型海水溫度年數(shù)據(jù)庫(kù)，并不斷更新，為海洋能新能源系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，助力“雙碳”目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。

致謝

本文作者感謝大連市海洋漁業(yè)局大連市海洋預(yù)報(bào)臺(tái)提供的大連地區(qū)海水溫度數(shù)據(jù)，向其對(duì)海水源熱泵等海洋能利用技術(shù)的貢獻(xiàn)致敬。