端木琳 贾 欣 马伟强 王 芸
（1 大连理工大学土木工程学院 大连 116024；
2 大连大学建筑工程学院 大连 116622）
目前，我国传统的区域供热和供冷方式主要为锅炉和冷冻机，该方式通常需要消耗大量化石能源且污染环境。在“双碳”目标之下，区域供热和供冷方式的改革势在必行，这使海水源热泵的普及成为可能。在沿海地区，海水源热泵系统虽然可以代替传统的锅炉房和冷冻机为建筑物供热、制冷，但并非任意从海洋中取出的海水都可作为热泵系统的冷、热源。
海水温度对热泵系统的设计和运行起着重要作用，是海水源热泵技术应用成败的关键，主要考虑应用海水源热泵地区的海水的极端温度[1-2]，极端温度主要涉及海水最冷月和最热月海水各层的温度。我国大部分海域有很好的水温条件，符合机组制冷和制热对冷热源温度的要求[3]。海水源热泵供热设计时要求海水温度不得低于2 ℃[4]，张莉等[5]针对青岛市一海水源热泵试点工程，通过实验数据分析青岛市附近黄海海域海水作为热泵系统热源时系统运行的可靠性，由实验结果分析可知，1、2月份气温最低的冬季，系统运行可靠。陈高峰[6]对天津港附近渤海海域海水冬季水温进行了测试，冬季海水作为低温热源，水温较低，可能会出现结冰现象，设计中要考虑海水温度过低系统无法运行时的措施。因此，渤海海域海水源热泵实际工程需要考虑不同的设计方案，主要有三种：1）热泵机组+冬季板式换热器市政热网供暖；
2）热泵机组+冬季备用热源（锅炉、电加热器等）；
3）采用海岸井渗滤取水的海水源热泵系统[7-11]。
海水温度全年变化，而海水温度条件的改变将对热泵循环特性乃至机组性能产生影响。季节的变化对陆地和海洋温度变化起着决定性的作用，因此海水温度的变化具有显著的季节特征[12]。胡莹英[13]分析了东海不同区域、不同断面和不同层次的海水温度年际变化规律。为满足工程设计需要，得到具有代表性的海水温度数据，端木琳等[14]基于2005—2014年海水温度数据提出了典型海水温度年（简称:2014年典型年），并给出了典型海水温度年的计算方法，为海水源热泵系统的设计工作奠定了基础。但典型海水温度年计算并非一劳永逸之事，全球气候变暖，海洋温度也随之变化，根据其他国内外多位学者的调查研究可知，近年来海水温度一直处于上升趋势[15-16]，我国的黄海、渤海海域也不例外，因此随着全球气候的变化，黄海、渤海海域典型海水温度年需要进行更新。
综上所述，本文在前期工作[14]的基础上，统计了2005—2021年大连市黄海、渤海近海海域海水温度数据，计算出大连市黄海、渤海海域（本文提到的“黄海、渤海海域”，无特殊说明均指大连地区近海海域）最新的典型海水温度年并进行数据分析。
本文收集记录了近17年（2005—2021年）大连市棒棰岛海域、星海海域、付家庄海域和夏家河子海域近海岸表层海水温度，海水温度数据源于大连市海洋渔业局[17]。其中，以棒棰岛、星海和付家庄海域近海岸表层海水温度三者的平均值代表黄海海域海水温度，以夏家河子海域近海岸表层海水温度代表渤海海域海水温度。
由于实测人员节假日休息或其他原因无法进行实测记录，导致个别天数温度数据缺失，则利用线性内插法对缺失数据进行补充。夏家河子浴场个别年份1、2月的海水温度数据缺失过多，采用差值法补充后导致计算误差过大，计算结果不具有代表性，故未将这些年份的数据包含于累计分布函数。
本文沿用2014年典型年采用的FS（Finkelstein-Schafe）统计方法[18-20]进行计算。以黄海为例，通过FS统计方法计算每个月份的Fs值，计算结果如表1所示。
表1 海水温度Fs计算值Tab.1 Fs statistics of seawater temperature
续表1
由计算过程可知，Fs值的大小反映当月数据分布规律与多年累计分布规律的相似程度，Fs值越小，其所在月份温度分布规律与该月份过去多年长期分布越接近，二者分布规律越相似。因此，为保证典型年的温度分布规律与过去多年海水温度的长期分布规律相似，选取具有最小Fs值的月份作为典型月，由12个不同的典型月组成典型年[14]，如表2所示。同理计算出渤海海域典型海水温度年，如表3所示。
基于DataFit软件对得到的典型年黄海、渤海海水逐日温度进行计算分析，得到黄海、渤海典型年海水温度表达式：
（1）
式中：（1）对于黄海海域海水温度，τ为天数（1月1日为起始）；
a=12.52；
b=-10.27；
T=367.65；
τ0=15.68；
e=8.70，均为拟合系数。（2）对于渤海海域海水温度，τ为天数（1月1日为起始）；
a=12.04；
b=-13.05；
T=362.02；
τ0=4.25；
e=10.27，均为拟合系数。图1所示为黄海、渤海海域典型年海水逐日温度，其中散点表示典型年海水逐日温度，实线表示拟合曲线。该公式能够便于工程师根据实际工程设计需求计算海水温度，作为工程设计基础。
3.1 数据代表性分析
表2 黄海典型海水温度年组成Tab.2 Typical seawater temperature year in the Yellow Sea
表3 渤海典型海水温度年组成Tab.3 Typical seawater temperature year in the Bohai Sea
对典型年月平均温度和累年月平均温度进行对比，可以观察典型年温度分布规律与温度累年分布规律的相似性。图2所示为黄海、渤海海域海水的月平均温度对比，由图2可知，典型年各月平均温度与该月累年平均温度很接近，两条曲线几乎重合。黄海、渤海海域典型年月平均温度和累年月平均温度最大差值分别出现在2月和12月，为0.9 ℃和0.63 ℃。因此，本文计算确定的典型海水温度年温度全年变化趋势和分布规律与过去17年里的温度变化趋势和分布相似，能够反映过去多年海水温度的变化情况，具有较好的代表性。
3.2 海水温度极端年
参考《中国建筑热环境分析专用气象数据集》[21]中获得极端气象数据的方法，本文采用历年海水月平均温度最大的月份组成海水温度极高年；
历年海水月平均温度最小的月份组成海水温度极低年；
采用累年海水日最高温度为极端最高温度；
采用累年海水日最低温度为极端最低温度。黄海海水温度极高年和温度极低年月平均海水温度如图2（a）所示。渤海海水温度极高年和温度极低年月平均海水温度如图2（b）所示。黄海海水极端最高温度为26.2 ℃；
极端最低温度为-0.4 ℃。渤海海水极端最高温度为28.6 ℃；
极端最低温度为-1.8 ℃。
3.3 海水温度逐年变化分析
为研究近17年来海水温度的变化趋势，本文将2005—2021年的海水温度数据进行对比。图3（a）所示为黄海海域2月海水平均温度的逐年变化，2005—2009这五年的海水平均温度为3.22 ℃，而2017—2021近五年的海水平均温度为3.83 ℃，上升了0.61 ℃；
图3（b）所示为黄海海域8月平均温度的逐年变化，2005—2009这五年的海水平均温度为22.82 ℃，而2017—2021近五年的海水平均温度为23.5 ℃，上升了0.67 ℃；
经过同样的方法分析得出，2005—2009这五年的渤海2月海水平均温度为1.14 ℃，而2017—2021近五年的渤海海水平均温度为-0.72 ℃，2005—2009这五年的渤海8月海水平均温度为25.16 ℃，而2017—2021近五年的渤海海水平均温度为26.27 ℃。渤海海域2月份海水平均温度降低了1.86 ℃，8月份的海水平均温度上升了1.11 ℃。
图1 典型年海水逐日温度Fig.1 Seawater temperature of the typical year
图2 黄海、渤海海域海水月平均温度对比Fig.2 Comparison of mean monthly seawater temperature in the Yellow Sea and Bohai Sea
本文通过将计算确定的典型年与2014年典型年进行对比发现，除了2月、5月和6月这三个月份的典型月没有改变，其他月份的典型月均发生了变化，且温度值均增加，增幅最大的为1月，由原来的4.07 ℃变为5.05 ℃增加了0.98 ℃，具体数据如表4所示。
3.4 黄海、渤海海水温度对比分析
受地理位置的影响，不同海域的海水温度也存在差异。黄海海域海水全年月平均温度约在2.8～22.9 ℃范围内变化，渤海海域海水全年月平均温度约在-0.4～25.5 ℃范围内变化，渤海海域海水全年月平均温度变化范围大于黄海海域海水全年月平均温变化范围。黄海、渤海海域海水月平均温度最大差值为5.8 ℃，出现在12月；
最小差值为-0.7 ℃，出现在9月，具体数据如表5所示。图4所示为黄海、渤海海域月平均温度对比。由图4可知，4—9月渤海海域海水月平均温度高于黄海海域，10月至来年3月黄海海域海水月平均温度高于渤海海域，即黄海海域海水夏季温度更低，有利于热泵夏季工况运行效率的提升（海水作为冷却水，降低了机组冷凝温度，提高了机组效率），冬季温度更高，有利于热泵冬季工况运行效率的提升（海水作为冷冻水，提高了机组蒸发温度和效率），因此黄海近海海域更适合作为海水源热泵系统的低位冷热源。
图3 黄海海域海水平均温度逐年变化Fig.3 Changes in the mean seawater temperature in the Yellow Sea
表4 黄海海域典型海水温度年月平均气温Tab.4 Mean monthly seawater temperature of the typical years in the Yellow Sea
表5 黄海、渤海海域典型海水温度年月平均温度Tab.5 Mean monthly seawater temperature of the 2021 typical year in the Yellow Sea and the Bohai Sea
图4 黄海、渤海海域月平均温度对比Fig.4 Comparison of mean monthly temperature of the Yellow Sea and the Bohai Sea
本文通过计算结果可知，黄海海域典型海水温度年最低月平均温度为2.8 ℃，海水极端最低温度为-0.4 ℃。相比之下，渤海海域典型海水温度年最低月平均温度为-0.4 ℃，海水极端最低温度为-1.8 ℃，这一点对于海水源热泵系统是不利的[22]。
1）本文以近17年（2005—2021年）大连市黄海、渤海近海逐日海水温度数据为基础，沿用2014年典型年的计算方法计算得到了大连市黄海、渤海近海海域最新的典型海水温度年，经过验证，本文计算得到的典型年能够反映过去多年海水温度的变化情况，典型年温度数据具有较好的代表性，并获得了典型年黄海、渤海逐日海水温度表达式。
2）通过分析计算结果发现，近17年来，大连地区黄海近海海域的海水温度均处于上升趋势，黄海近海海域8月份近五年月平均温度较2005—2009这五年上升约0.67 ℃，2月份上升约0.61 ℃，与2014年典型年相比，本文典型年月平均温度除3个月份未发生改变之外，其他月份平均温度均有不同程度的增加，其中1月增值最大，增加了0.98 ℃。大连地区渤海近海海域温度变化趋势与黄海近海海域不同，冬夏季海水温差变大，2005—2009这五年的渤海近海海域2月海水平均温度为1.14 ℃，而2017—2021近五年的渤海近海海域海水平均温度为-0.72 ℃，2005—2009这五年的渤海近海海域8月海水平均温度为25.16 ℃，而2017—2021近五年的渤海近海海域海水平均温度为26.27 ℃。渤海近海海域2月份海水平均温度降低了1.86 ℃，8月份的海水平均温度上升了1.11 ℃。
3）根据大连市附近黄海、渤海海域海水温度的特点，黄海海域夏季温度更低，有利于热泵夏季工况运行效率的提升，冬季温度更高，有利于热泵冬季工况运行效率的提升，因此黄海近海海域更适合作为海水源热泵系统的低位冷热源。但渤海近海海域冬季海水温度较低，最低月平均温度为-0.4 ℃，海水极端最低温度为-1.8 ℃，海水不适合直接或单独作为低位热源，需要采用岸边打井取水方式或具有其他辅助热源的海水源热泵形式。
典型海水温度年为海洋能新能源系统、海水源热泵系统、以海水为冷却水的发电系统等相关设计和方案论证提供了数据基础。但典型海水温度年的计算并不是一件简单的工作，不同海域的典型年不同，同一海域不同区域的典型年也不同，而且随着时间的推移，由于气候变化，典型年还会发生改变，因此建立我国各海域不同区域的典型海水温度年数据库，并不断更新，为海洋能新能源系统的设计提供基础数据，助力“双碳”目标的实现。
致谢
本文作者感谢大连市海洋渔业局大连市海洋预报台提供的大连地区海水温度数据，向其对海水源热泵等海洋能利用技术的贡献致敬。
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