基于大量實(shí)測數(shù)據(jù)的長江水溫變化規(guī)律的研究

基于大量實(shí)測數(shù)據(jù)的長江水溫變化規(guī)律的研究摘要：江水溫度的分布規(guī)律直接影響到以江水為冷熱源的空調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和運(yùn)行，而已有文獻(xiàn)多數(shù)是選取某幾個(gè)時(shí)間點(diǎn)進(jìn)行測量與分析。本文借助運(yùn)行多年的江水源熱泵項(xiàng)目的數(shù)據(jù)監(jiān)測系統(tǒng)，獲取了2018年1月-2019年10月間逐日逐時(shí)的長江（南京段）水溫?cái)?shù)據(jù)，在此大量實(shí)測數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，對(duì)長江（南京段）水溫在該時(shí)間段的變化進(jìn)行分析,得出了較為準(zhǔn)確的規(guī)律，為江水源熱泵空調(diào)系統(tǒng)的應(yīng)用提供了一定的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，具有較好的工程應(yīng)用價(jià)值。關(guān)鍵詞：長江水溫實(shí)測變化規(guī)律南京引言在國家重點(diǎn)支持的可再生能源建筑應(yīng)用技術(shù)中，江水源熱泵是一種利用江水為冷熱源的水源熱泵技術(shù)，具有運(yùn)行效率高、節(jié)能環(huán)保等優(yōu)勢(shì)，越來越受沿江城市青睞，國內(nèi)如重慶江北CBD、南京江北新區(qū)中心區(qū)/隧道片區(qū)、南京國際服務(wù)外包產(chǎn)業(yè)園、上海世博園、上海十六鋪等工程都采用了該技術(shù)，取得了良好的節(jié)能減排效果。江水源熱泵系統(tǒng)能否最終實(shí)現(xiàn)節(jié)能，除了與系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，設(shè)備的配置以及控制調(diào)節(jié)有關(guān)外，很大程度上取決于江水的溫度特性。然而，在江水水溫監(jiān)測方面，尤其是符合江水源熱泵系統(tǒng)取水規(guī)律的水溫監(jiān)測方面，數(shù)據(jù)匱乏。目前大部分系統(tǒng)在設(shè)計(jì)時(shí)，參照的都是當(dāng)?shù)厮牟块T提供的水溫?cái)?shù)據(jù)，但是這些數(shù)據(jù)的取源點(diǎn)位置、測試方法與江水源熱泵系統(tǒng)所需的不符，且為非連續(xù)監(jiān)測，導(dǎo)致這些數(shù)據(jù)參考價(jià)值有限，甚至?xí)?dǎo)致完全背離的結(jié)果。因此，需要對(duì)長江水溫進(jìn)行符合江水源熱泵取水點(diǎn)規(guī)律的連續(xù)實(shí)測，以便積累可靠的數(shù)據(jù)，進(jìn)而客觀地分析江水水溫全年變化規(guī)律。本文依據(jù)運(yùn)行多年的江水源熱泵項(xiàng)目，獲取了2018.1-2019.10間，長江（南京段）水溫逐日逐時(shí)的連續(xù)監(jiān)測數(shù)據(jù)，并基于大量數(shù)據(jù)作出了相應(yīng)的分析總結(jié)。1、水溫監(jiān)測點(diǎn)位置本文相關(guān)數(shù)據(jù)的獲取來自于已運(yùn)行多年的江水源熱泵能源站工程，該項(xiàng)目以長江水作為換熱水源，為周邊若干棟辦公寫字樓等公共建筑提供冷熱負(fù)荷。能源站內(nèi)配備智能監(jiān)測和自動(dòng)控制系統(tǒng)，可以對(duì)江水的取退水溫度、流量、空氣干濕球溫度進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測。該項(xiàng)目取水點(diǎn)即為水溫監(jiān)測地點(diǎn)，位于南京江心洲與主城區(qū)間的夾江段，由于長江存在汛期與枯水期情況，取水點(diǎn)深度夏季約為江面下3m,冬季約為江面下1.5m，即水溫監(jiān)測點(diǎn)深度在江面下1.5-3m。同時(shí)，江水流速較大，處于紊流狀態(tài),在0.5~9m范圍內(nèi)，溫度變化甚小，可以認(rèn)為在0.5m~9m深度范圍內(nèi)江水不會(huì)存在明顯的溫度分層［1］，進(jìn)而可以認(rèn)為該測點(diǎn)所測得的溫度在南京段內(nèi)具有普遍適用性。本次數(shù)據(jù)讀取時(shí)間段為2018.1-2019.10間，對(duì)江水溫度及室外空氣干、濕球溫度等進(jìn)行連續(xù)同步監(jiān)測。數(shù)據(jù)監(jiān)測系統(tǒng)的讀取間隔可精確到1分鐘?？諝飧汕驕囟葴y點(diǎn)布置在附近通風(fēng)良好且陰涼處，避免陽光直射。2、主要監(jiān)測結(jié)果及分析2.1水溫與氣溫的關(guān)系江水與空氣直接接觸，因此兩者間存在熱質(zhì)交換，氣溫的變化，以及空氣的濕度情況，會(huì)在一定程度上影響江水溫度。但是由于江水水體面積大、流量大，所以江水不會(huì)像靜止水體一樣在足夠長的時(shí)間后達(dá)到空氣的濕球溫度。同時(shí)還由于水的熱容量比空氣大的多，因此江水水體溫度的波動(dòng)，遠(yuǎn)不如氣溫變化那樣劇烈，存在著明顯的溫度衰減現(xiàn)象。為分析江水溫度與氣溫之間的關(guān)聯(lián)，本節(jié)從實(shí)際工程的監(jiān)測系統(tǒng)提取2018.12-2019.10近1年間每日的逐時(shí)室外氣溫與江水溫度，并制成如下圖表1。

i描1i描1室外逗.賈遼扎供水遲皿圖12018.12-2019.10氣溫與江水溫度逐時(shí)值從圖1中可以看出，江水溫度與氣溫在變化趨勢(shì)上保持一致，但無論是從全年，還是從某一天的變化值來看，江水溫度遠(yuǎn)比氣溫穩(wěn)定，江水最大日波動(dòng)值為1.86°C，而氣溫最大日波動(dòng)值為17.53°C。同時(shí)，江水溫度值更為適中，在該時(shí)間段內(nèi)，最高氣溫最早出現(xiàn)在8月7日，為44.38C，最低氣溫出現(xiàn)在12月29日，為-2.82C；江水最高溫出現(xiàn)在8月27日，為30.30C，最低溫出現(xiàn)在2月24日，為6.97C?？梢姡逯蹬c谷值的時(shí)間均滯后于氣溫。為提高氣溫與江水水溫的周期性變化分析的完整性，筆者認(rèn)為參與分析的數(shù)據(jù)持續(xù)時(shí)間宜為一年以上，本文通過讀取2018.1-2019.10近兩年間的監(jiān)測數(shù)據(jù)并對(duì)以上大量數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總處理，得到江水和氣溫的月平均溫度，并繪制成圖表2，試圖對(duì)兩者之間的關(guān)系進(jìn)行對(duì)比分析。丘平溝江水沮度—月卒均氣濟(jì)01;色聞Do出嵩■76丘平溝江水沮度—月卒均氣濟(jì)01;色聞Do出嵩■761—I窩gErawffiL舄LECQriCIIN^d圖22018.1-2019.10月平均氣溫與月平均江水溫度變化圖上圖2為2018.1-2019.10近兩年間，月平均氣溫與月平均江水溫度的變化趨勢(shì)，從圖中可以看出，夏季江水水溫月平均值略低于氣溫的月平均值，冬季反之，其他季節(jié)基本持平。江水溫度峰值出現(xiàn)的時(shí)間滯后于氣溫的變化，但兩者的趨勢(shì)是基本一致的，這說明，由于江水的熱容量大，其溫度的變化相較空氣，有明顯的衰減作用，這一點(diǎn)也可從圖1上得到印證。2.2水溫逐時(shí)變化本節(jié)主要對(duì)江水水溫每日的逐時(shí)變化情況進(jìn)行分析，由于基礎(chǔ)數(shù)據(jù)量龐大，在對(duì)逐時(shí)水溫進(jìn)行分析時(shí)，如果將2018.1-2019.10近兩年內(nèi)每日的間隔為1秒的所有數(shù)據(jù)全部展示，不僅篇幅過長，而且數(shù)據(jù)密集，很難找出水溫在一日內(nèi)的變化規(guī)律。因此本節(jié)選取2018.11-2019.10間若干個(gè)典型日，對(duì)這幾日的逐時(shí)水溫變化進(jìn)行分析。為使數(shù)據(jù)盡可能的涵蓋各個(gè)時(shí)期，本文在選取數(shù)據(jù)時(shí)，使日期盡可能的分散下圖3為該時(shí)間段內(nèi)各月中旬的江水溫度逐日變化趨勢(shì)圖。30.1610Edocs甜<3總寸円崗?fù)共蛡}匸OCCE弓30.1610Edocs甜<3總寸円崗?fù)共蛡}匸OCCE弓凸応騒■寸0富7;寸883888S8S888S8SS8■?盞畐P9T-I百身-1-19怕E-I-I旳寸Rr-IgE1-lr!m2D18A1/152&19/3/1S^—2519/7/152D13A7/152D18A1/152&19/3/1S^—2519/7/152D13A7/152D19/4/1SZDH/8i/152019/1/152O19/S/1S^—2019/^/152019/2/15■^—2019/6/152Q19/1CCI5圖32018.11-2019.10間各月中旬江水溫度逐時(shí)變化圖從上圖3可以看出，全年各月中，江水每日溫度都較穩(wěn)定，僅從本節(jié)所選取的12個(gè)典型日來看，同一日江水水溫波動(dòng)值在1°C范圍內(nèi)。另外，從上圖還可以看出，除1、2月江水溫度幾乎持平外，其他各月之間有明顯的溫差。2.3水溫逐日變化為分析江水溫度的逐日變化趨勢(shì)，本節(jié)將選取2018.1-2019.10這一區(qū)間段江水溫度的逐日平均值，繪制成圖4。圖42018.1-2019.10江水溫度逐日平均值變化曲線由上圖4可以看出，2018年與2019年，江水的溫度的變化趨勢(shì)是相同的，峰值與谷值出現(xiàn)的時(shí)間基本接近，最高溫度出現(xiàn)在8月初到8月底，最低溫度出現(xiàn)在2月初至2月底。經(jīng)過對(duì)該時(shí)間段內(nèi)每日的江水平均溫度分析，得到相鄰兩日間江水平均溫差變化值最大為1.5C，再一次證明相較于空氣溫度，江水溫度是非常穩(wěn)定的。2.4水溫逐月變化本節(jié)將對(duì)江水水溫的逐月變化情況進(jìn)行分析，同樣由于數(shù)據(jù)過多，在分析水溫逐月變化情況時(shí)，有必要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行適當(dāng)?shù)奶幚?，使其能盡可能全面客觀的反映實(shí)際情況，同時(shí)也有助于清晰快速的找出變化規(guī)律。本節(jié)將選取2018.1-2019.10近兩年間，每月平均江水溫度，對(duì)江水水溫在全年的變化進(jìn)行分析，每月平均值的計(jì)算基礎(chǔ)數(shù)據(jù)記錄時(shí)間間隔為1分鐘。繪制成圖表如下圖5：

上圖為2018.1-2019.10近兩年間，江水月平均水溫分布圖，從上圖5可分析出，這兩年中江水最高平均水溫均出現(xiàn)在8月，月平均值約為30°C,9月次之,約為28C，而1、2月水溫幾乎一致且為最低，約為8C。相鄰兩月月平均水溫差，最大為8.64C，最小為0.02C，全年平均變化值為3.47C。35.0029,92■-*-2019址日?qǐng)D62018.1-2019.10間同期江水水溫變化趨勢(shì)對(duì)比上圖6對(duì)2018及2019年同期江水水溫進(jìn)行對(duì)比，可以發(fā)現(xiàn)，不同年份，江水溫度趨勢(shì)幾乎一致，同期水溫?cái)?shù)值上最大差值出現(xiàn)在5月，為2.24C，最小差值出現(xiàn)在6月，為0.11C。該兩年間最高水溫均出現(xiàn)在8月，最低水溫出現(xiàn)在1、2月。3、結(jié)論通過以上對(duì)2018.1-2019.10間長江水溫的研究，可以看出以下規(guī)律：.江水溫度與氣溫在變化趨勢(shì)上保持一致，但江水溫度的波動(dòng)幅度遠(yuǎn)小于氣溫，即江水溫度更為穩(wěn)定，且江水峰值與谷值的時(shí)間均滯后于氣溫。.夏季江水水溫月平均值略低于氣溫的月平均值，冬季反之，其他季節(jié)基本持平。江水溫度相較于氣溫，無論是波動(dòng)范圍，還是時(shí)間上，都有明顯的衰減。.全年各月中，江水每日溫度都較穩(wěn)定，同一日江水水溫波動(dòng)值在1°C范圍內(nèi)，相鄰兩日江水溫差不超過1.5C。另外，除1、2月江水溫度幾乎一致外，其他各月之間有明顯的溫差。.不同年份，江水的溫度的變化趨勢(shì)是相同的，峰值與谷值出現(xiàn)的時(shí)間基本接近，最高溫度出現(xiàn)在8月初到8月底，最低溫度出現(xiàn)在2月初至2月底。同期水溫?cái)?shù)