2012, 23 (5): 638-640
2. 山西省忻州市气象局，忻府 034000;
3. 青海省海北州气象台，西海 810200
利用高寒地区青海省刚察县2009—2011年热力-气象条件试验数据和1961—2010年气象观测资料，应用相关分析、回归分析等数理统计方法，分析了采暖热力指标与气象条件之间的关系及其在采暖运行中的应用。使外界气象条件的变化和供热采暖有机结合起来，充分发挥气象预报产品科学指导供暖运行的作用，使供热单位在供暖上变粗放管理为科学管理。
2 研究结果 2.1 日供暖时间与气象条件通过因子普查法，找出影响每日供暖时间长短的主要气象因子是当日最低气温，表现为气温越低，建筑物散热越快，需要延长供热时间，保持较为恒定的室内温度，预报方程为
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(1) |
式 (1) 中，Ytime为日供暖时间 (单位：min); Tmin为日最低气温 (单位：℃)。复相关系数R为0.5680，超过0.001显著性水平。
由式 (1) 可以看出，在高原地区冬天最低气温的高低是影响日采暖时间长短的主要因子，这与供暖经验结论相一致。
2.2 供水温度与气象条件供水温度与日平均气温之间存在负相关关系，分析还发现，供水温度与日平均风速表现为正相关关系，但回归效果未通过显著性检验，表现为室外日平均气温高，保持室内温度所需的供、回水温度就较低；风速大，室内的热量向外扩散迅速，需要提高供水温度以保持室内温度。为了综合考虑气温和风速对供水温度的综合效应，引入了Steadman风寒相当温度Te：
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(2) |
式 (2) 中，Te为风寒相当温度 (单位：℃)，v为日平均风速 (单位：m·s-1), T为日平均气温 (单位：℃)。利用式 (2) 计算出的风寒相当温度与供水温度建立预报方程如下：
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(3) |
式 (3) 中，T供为供水温度 (单位：℃)。R为0.4764，超过0.001显著性水平。
2.3 燃煤量与气象条件日平均气温高低直接影响着日燃煤量多少，表现为日平均气温越高，所需燃煤量越少，方程为
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(4) |
式 (4) 中，Q为日燃煤量 (单位：t)；Tmean为日平均气温 (单位：℃)。R为0.3490，超过0.01显著性水平。
2.4 采暖初、终日期与气象条件根据《采暖通风与空气调节设计规范 (GB50019—2003)》标准计算得出的刚察县采暖初、终日期与前期气象条件进行因子普查，筛选出关键气象因子，利用逐步回归建立该县采暖初、终日预测方程。采暖初日预测模式为
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(5) |
终日预测模式为
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(6) |
式 (5) 和 (6) 中，Y初和Y终表示距4月1日的天数；T5, T9为5月和9月平均气温，采暖初、终日预测模式均超过0.01显著性水平。
2.5 采暖能耗与气象条件采暖度日变率与冬季平均气温关系密切，分析两者的相关关系，可得出：
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(7) |
式 (7) 中，Y为采暖度日变率，Xw为冬季平均气温，二者相关系数r为-0.8828，超过0.001显著性水平。冬季平均气温越高，采暖度日变率越小，采暖能源需求越小。
2.6 模型检验选择2011年10月逐日气象资料和热力数据，利用式 (1)、式 (3) 和式 (4)，对逐日采暖指标预报效果进行检验 (图略)。发现预报值与实测值相对误差均在±10%以内，说明高寒地区刚察县供暖指标预报模型可以应用在供暖专业气象服务中。
利用2008—2011年刚察县地面观测资料与式 (5)~(7) 预测模型，计算近3年该地区采暖初日、终日及能源需求趋势预测，并与《采暖通风与空气调节设计规范 (GB50019—2003)》规定计算出的初、终日期进行比较，结果如表 1如示。利用模型预测出近3年的初日和终日与规范计算出的实况相差均在3 d之内，基本符合实际工作之需。采暖期能源消耗预测结果与实际调查结果接近。上述验证说明刚察县采暖期预测模型可应用在气候对采暖能源影响分析服务中。同时利用此预测模式，结合月动力延伸预报结果，可提早做出该县采暖起、止日期趋势预测，为供热部门合理安排燃煤运输、存储和开闭炉提供参考依据。
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表 1 刚察县采暖初、终日期及采暖能源需求预测模式验证 Table 1 The test on the forecast model of heating beginning and end date with heating energy demand in Gangcha County |
2.7 采暖气象指数
建筑物的耗热量受太阳辐射、气温、风速、相对湿度等因素的影响而发生变化。在建立采暖气象指数是着重考虑包含气温和风速的风寒相当温度。根据气温和风速计算的风寒相当温度，将刚察采暖气象指数分为5级 (表 2)。
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表 2 刚察县采暖气象指数 Table 2 The heating meteorological index in Gangcha County |
2.8 供暖运行曲线
对刚察县2000—2010年采暖季各月气温平均日变化进行分析 (图略)，发现采暖季各月变化规律较一致。07：00—08：00(北京时，下同) 气温达到最低值，此后气温逐步回升，日最高值出现在15：00—16：00，以后又呈下降趋势。分析刚察县采暖期温度变化呈中间低两头高的波谷。利用1961—2010年日平均气温，以不高于5℃作界限温度，以5℃为间隔温度可以将整个采暖期划分为7个气候阶段，即初寒期、前寒冷期、前严寒期、酷寒期、后严寒期、后寒冷期和末寒期 (图 1)。对于集中采暖系统可按这7个气候阶段每段确定一个流量进行分段量调节，如将酷寒期流量确定为100%，前、后严寒期流量定为90%，前、后寒冷期定为80%，初、末寒期定为70%。
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| 图 1. 刚察县采暖气候阶段划分 Fig 1. The classification of heating climate phase in Gangcha County | |
根据采暖季室外温度变化规律，结合一天中人在建筑物中活动的范围、方式等，将每天24 h的供暖运行划分为5个运行时段，以适应人在不同时段对室温的不同需求。即停止运行段、正常运行段、保温运行段、升温运行段和降温运行段。根据每个时段的不同特点，结合图 2和2000—2010年逐时平均气温变化规律，绘制不同采暖气候阶段供暖运行曲线，指导供暖单位合理安排供暖运行。
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| 图 2. 刚察县采暖运行曲线 Fig 2. The heating run curve in Gangcha County | |
图 2分别代表初、末寒期及前、后寒冷期采暖运行曲线，以初末寒期为例说明其运行方式。I—A′和A—B段时间为21：00—次日06：00，此时段停止供暖，但在酷寒期此阶段按正常运行温度的50%进行供暖；从06：00—08：00以及17：00—18：00为升温阶段，对锅炉进行燃煤加热，当供水温度达到运行标准时，可转入正常运行阶段；08：00—10：00，18：00—19：00为正常运行阶段，此时供水温度可根据式 (6) 计算，在实际运行中正常运行时长可根据日供暖时间预报结果做适当调整；D—E和H—I段为降温运行段，可调整锅炉运行，使供水温度下降；11：00—17：00，即E—F段为保温运行阶段，将供水温度控制在正常运行温度的60%~70%。供暖运行曲线于2011年采暖季在刚察县供热服务中心供暖运行中得到试运行检验，运行人员反映该曲线简单易懂，操作方便，容易掌握。
3 结论1) 在高寒地区刚察县日最低气温高低是影响日供暖时间长短的主要气象因子；综合气温和风速效应的风寒相当温度与供水温度之间存在线性相关关系；日燃煤量多少取决于日平均气温高低，日平均气温高，日燃煤量少。
2) 采暖初、终日期与9月、5月平均气温关系密切，冬季平均气温高低影响年采暖能耗；结合月动力延伸预报结果，可提早做出研究区采暖起、止日期和能耗趋势预测，为供热部门合理安排燃煤运输、存储和开闭炉提供参考依据。
3) 利用风寒相当温度建立的采暖气象指数可以宏观指导采暖供热；绘制的不同采暖气候阶段供暖运行曲线，在2010—2011年采暖期供暖运行中进行了检验，运行人员反映该曲线简单易懂，操作方便，容易掌握。