综合气象指标对燃气负荷的影响

同济大学 刘东京 周伟国 张中秀

0 前言

天然气是一种优质、高效、清洁的低碳能源，由于燃煤造成的酸雨、雾霾等环境问题越来越严重，使天然气的需求逐年增加，我国能源“十三五”规划显示，到 2020年天然气占一次能源比例将力争达到10%。由于天然气利用与供应之间的矛盾愈发显著，准确预测城市天然气用气负荷就变得十分关键，而气象因素对燃气负荷预测的影响十分大，气象因素变化对燃气负荷的作用除了直接影响，还包括间接影响，即通过改变人体对环境的舒适度感觉和心理感受而实现对用气负荷的调整，特别是对于末端可控制的燃气空调、采暖、制备热水设备，气象因素与用气负荷的变化之间是以人为纽带的。

人类在大气环境中活动，经受着气象要素的综合作用，尽管人们通常用气温高低来表示环境冷热，但是，人体对外界冷热的舒适感，并不能仅仅根据气温或其他任何单一的气象要素来评价，而是受温度、湿度和风力等诸多因素综合影响，但同时上述各因素又不处于同等重要的地位。另外，在人体冷热舒适度综合评价方面，已有大量的理论和实验研究，在此基础上提出了多种综合气象指标，并得到了广泛的应用。为科学地评价气象环境对人的生理影响，在燃气负荷特性分析中引入温湿指数、风寒指数、人体舒适度、累积温度等综合气象指标，研究其对城市燃气负荷的影响。

1 综合气象指标简介

1.1 温湿指数

温湿指数考虑了相对湿度对人体舒适度的影响，是热应力的舒适指标，反映了人对环境的热感受，其计算公式如下：

式中：T——干球温度，F；

RH——相对湿度，%。

将华氏温标转换为摄氏温标，则：

式中，T的单位为℃。当夏季的THI<21.1时，几乎无人有不舒适感；THI≥21.1时，随着THI的增大，具有不舒适感的人增多；THI达到23.9时，约有 50%的人感到不舒适；THI达到 26.7 时几乎无人感到舒适；特别是THI达到29.5时，酷热难忍。许多国家政府甚至将这一值作为工厂企业、商店等停业的下限指标，THI与舒适度的划分标准如表 1所示：

表1 温湿指数的舒适度评价

1.2 风寒指数

风寒指数根据影响室外人体冷热舒适感觉的主要因素是温度和风速的特点而提出，是反映风速及气温对人体失热影响的指标，计算公式为：

式中：H——风寒指数，即人体表单位面积的散热量，kcal/(m2h)；

t——干球温度，℃；

u——风速，m/s；

ta——人体皮肤温度，一般取30～33℃。

不同风寒指数下人体的感觉和反应，见表2。

表2 不同风寒指数下人体的感觉和反应

1.3 人体舒适度

人体舒适度指数能够综合考虑气温、相对湿度、风速、日照时数等气象因子对人体舒适度的影响，表征人体在大气环境中舒适与否，夏季人体舒适度指数计算公式为：

冬季的人体舒适度采用夏季人体舒适度指标的修正式，在气温、相对湿度和风速的基础上，考虑了日照因素的影响，计算公式为：

式中：t——干球温度，℃；

RH——相对湿度；

u——风速，m/s；

S——日照时数，h。

1.4 累积温度

反映气温累积效应的累积温度，能表述连续高温、连续低温及持续波动变化等情况下，由于用气量滞后反应而造成的影响，计算公式为：

式中：ti——前i天的气温，℃；

wi——前i天气温的权值。

2 综合气象指标对燃气负荷变化的影响

2.1 温湿指数的影响

温湿指数与夏季燃气负荷的相关性较好，相关系数在0.8左右，但与冬季燃气负荷的相关性相对较差。这是由于夏天的高湿天气更容易使人感到闷热，增加了人体的不舒适度，引起直燃空调用气负荷的上升，而冬季气候干燥，相对湿度对的负荷影响相对较小。图1和图2是某市连续两年夏季燃气日负荷与温湿指数的变化关系。

图1 第一年夏季燃气日负荷与温湿指数的变化

图2 第二年夏季燃气日负荷与温湿指数的变化

燃气负荷与温湿指数间呈较好的正相关关系，温湿指数达18以上时，燃气日负荷开始明显增加，且随温湿指数升高的速率有增长趋势。但第一年夏季当温湿指数达 28以上时，燃气负荷增加的趋势减缓，这与高温区间内，由于燃气空调的装机容量和调节能力有限，负荷无法进一步同步提高等因素有关。

2.2 风寒指数的影响

风速与燃气负荷也有一定的相关性，特别是夏季低风速区间的燃气负荷负相关性较好，风寒指数也与夏季燃气负荷取得了较好的相关关系。冬季风速对燃气负荷的影响相对较小，风寒指数也没有表现出更好的相关性。图3和图4是某市连续两年夏季燃气日负荷与风寒指数的变化关系。

图3 第一年夏季燃气日负荷与风寒指数的变化

图4 第二年夏季燃气日负荷与风寒指数的变化

燃气负荷与风寒指数之间呈较好的负相关关系，温湿指数达 30以上时，燃气日负荷开始随风寒指数的增大(风速增大，气温降低)明显降低，负荷下降速率随风寒指数的增大而减小，但当温湿指数低于 30时，燃气负荷与风寒指数间有一定的正相关关系，这主要与高温区间内的两种作用因素有关：一是由于燃气空调的装机容量和调节能力有限，负荷无法进一步同步提高，燃气负荷与风寒指数间的相关性减弱，这与温湿指数在高温区间变化的规律是类似的；二是高温天气区间下(一般日平均气温在30 ℃以上，最高气温在35 ℃以上)，速度相对较高的热风反而使人体感觉不舒适，建筑物冷量损失大，引起空调负荷的增加。同时，也说明卫生学和气象学意义上的综合气象指标未必能够完全适用于燃气负荷系统，如果能够根据燃气负荷的变化规律提出面向负荷特性分析与预测的综合气象指标，更有实际意义。

2.3 人体舒适度的影响

人体舒适度与夏季燃气负荷的相关性较好，相关系数在0.8以上，但与冬季燃气负荷的相关性一般。这是由于夏季、冬季影响燃气负荷变化的气象因子不同造成的，特别是冬季相对湿度和最大风速对燃气负荷变化的直接影响与气温相比较小，效果也不明显。某市连续两年夏季燃气日负荷与舒适度指数的变化如图5和图6所示。

图5 第一年夏季燃气日负荷与舒适度指数的变化

图6 第二年夏季燃气日负荷与温湿指数的变化

燃气负荷与温湿指数间呈较好的正相关关系，舒适度指数达 57以上时，燃气日负荷开始随舒适度指数的增加(温度、湿度上升，风速下降)明显增加，且随温湿指数升高的速率有增长趋势。但当温湿指数达 75以上时，燃气负荷增加的趋势减缓，这与高温区间内，由于燃气空调的装机容量和调节能力有限，负荷无法进一步同步提高有关。

2.4 累积温度的影响

累积温度与冬季燃气负荷的相关性较好，相关系数在0.97左右，累积温度与夏季燃气负荷的相关性一般。图7是某市第一年冬季燃气日负荷与累积温度的变化关系，冬季燃气负荷与累积温度的相关性较好，从数据点的密集程度来看，冬季负荷受气象因素变化影响的规律性要高于夏季。累积温度对的燃气负荷的影响可分为三个区间，当累积温度高于 10 ℃时，燃气负荷随气温变化的趋势不明显，此时气温相对较高，燃气取暖负荷较少，气象敏感负荷所占比例较低；当累积温度低于-2 ℃时，燃气负荷随气温降低增加的趋势减缓，这与低温区间内，由于燃气采暖设备的装机容量和调节能力有限，负荷无法进一步同步提高有关；温度在-2～10 ℃区间内，燃气负荷与累积温度呈二次指数的负相关关系，随着气温的降低，燃气负荷增加的趋势减缓。燃气负荷的这种变化规律与其气温响应特性是吻合的。在燃气负荷预测中，常采用的解释变量之一是前一日负荷，用来表示燃气负荷变化的连续性。而在前一日负荷中，自然涵盖了累积温度的影响。因此，在实际的负荷分析与预测中，是否有必要在引入前一日负荷之后再引入累积温度，仍需经过主因子选择后才能确定。值得注意的是，在夏季的高温区间和冬季的低温区间内，随着极端气温的出现，都用气负荷饱和的情况出现，这与气象敏感负荷设备的装机容量有关。随着经济的发展人民生活水平的提高，燃气空调和采暖设备的普及和装机容量加大，这种情况有可能随之改变。

图7 第一年冬季燃气日负荷与累积温度的变化

3 结语

研究了温湿指数、风寒指数、人体舒适度等 4项综合气象指标对城市燃气负荷的影响，燃气负荷与温湿指数、舒适度指数之间呈较好的正相关关系，燃气负荷与风寒指数、累积温度之间呈较好的负相关关系。