上海市气象条件对燃气能源消耗影响研究

陈碧璇上海市节能减排中心孙兰东 许瀚卿上海市气候中心



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上海市气象条件对燃气能源消耗影响研究

陈碧璇
上海市节能减排中心
孙兰东 许瀚卿
上海市气候中心

引言

目前我国大多数城市中，电力和燃气是主要的能耗类型。燃气的短期负荷受季节、气象、节假日等多种因素的影响，其中气温的影响最直接、影响程度也最大。近来，由于城市燃气用户的高速增长，气温对城市燃气用气量的影响显著加大，冬季不少大中城市都不同程度地由于气温骤降而产生“气紧”的现象，致使气温与城市燃气短期负荷的关系引起了有关研究者的关注［1，2］。Deferrari等［3］以工作日期间的燃气负荷为研究对象，根据室外气温建立了燃气负荷的短期预测模型。张中秀等［4］研究了温度对于城市燃气短期负荷的影响，指出每年3月和11月过渡季节，城市燃气调峰调度工作的压力较大。丁锋等［5］分析了日平均气温、气压和降水等气象因子和燃气负荷的响应关系。GIL等［6］采用有线性或非线性回归方法对燃气负荷进行短期预测。焦文玲等［7］利用指数平滑法建立了气温对日负荷影响的预测模型。王树刚等［8］根据大连地区气象及燃气负荷特点， 以有效温度为主导因素，建立了燃气日负荷预测模型与月负荷预测模型。

1 研究区概况

上海地处东亚季风区，受到季风环流、海陆风环流和城市热岛热力环流的共同影响，一方面，由于夏季高温热浪频发，使得电网的迎峰度夏压力愈发显著，另一方面，伴随市民生活水平的提高和对生活舒适度要求的提升，冬季的燃气消耗增量也愈发显著。和已有的研究主要关注气温对燃气的影响不同，在研究上海市气象要素和燃气负荷变动的关系时，还需要考虑台风、降雨、湿度等因素的影响［9］。同时，利用最新的气象和燃气能耗数据，充分考虑上海气候和社会经济发展特点，建立一套相对可靠的气象条件对城市燃气消耗的影响及预估模型是城市供能企业进行调峰调度的有力依据。

2 资料来源

本研究所用资料的时间段为2001～2014年，其中上海市逐月气温资料和日极端高温数据来源于上海市气候中心。研究使用两类气象因子，包括单一气象因子和综合气象因子，共18 项气象参数，通过对这些气象因子与燃气日用气量的相关统计分析，试图找到影响冬季燃气日用气量的关键因素。单一气象因子包括：上海各观测站2001～2014年逐日平均、最高、最低气温、降水量、相对湿度、日照时数资料和年逐月平均气温数据。综合气象因子指的是与居民体感温度密切相关的人体舒适度指标，包含：闷热指数和风寒指数，其中闷热指数适用于夏季，风寒指数适用于冬季。逐月燃气用量（包括人工煤气和天然气）等资料来源于上海市统计局。

3上海燃气用量历史变化特征分析

3.1各月燃气用量分布特征分析

2001～2014年，上海市燃气总用量包括人工煤气的消耗量和天然气的消耗量［10］。图1显示，本市人工煤气和天然气的消耗量年内逐月分布有所不同，各月天然气的消耗量均要多于人工煤气的消耗量。

图1 上海市天然气和人工煤气总量逐月变化趋势（2001～2014年）

在年际变化尺度以下，上海市煤气消耗量呈现“冬季高-夏季低”的单峰结构，人工煤气在1月消耗量最大，平均达到2.13亿m3； 2月和3月为年内第二个用气高峰，月消耗量达到1.80亿m3，4月开始人工煤气消耗量持续下降，7月降到全年最低，仅有1.06亿m3，消耗量仅是1月消耗量的一半；从8月份起，人工煤气的用量开始缓慢增多，到12月达到全年第四高值（1.79亿m3）。

天然气用量的逐月变化与人工煤气略有不同，天然气消耗呈现弱的冬夏两季双峰结构，但冬季用气高峰更加明显。年内用气高峰出现在12月，用气量达到3.37亿m3；年内次高峰在1月，可见天然气的用气高峰在冬季，这可能与冬季利用天然气取暖有关。夏季7、8月平均天然气消耗量为2.57亿m3。天然气用量的最低谷出现在一年当中的6月和9月，用气量为2.10和2.12亿m3，仅有12月的1/3左右。

由于人工煤气和天然气释放的热值的不同，为了便于比较，我们将燃气的消耗量转换为热值。

转换公式为：

热值=5.4286×人工煤气消耗量+13×天然气消耗量 （1）

其中：热量值单位：t标准煤；人工煤气和天然气单位：万m3

经过这样公式的换算，各月燃气用量的热量值的分布见图2。可以看到，上海市燃气消耗的高峰在冬季的12月和1月，而12月是全市燃气用量的最高峰，1月为年内燃气用量次高峰；6月和9月的燃气用量是一年当中的最低值，平均仅有万t标准煤。可见，对于上海来说，燃气用量的高峰主要集中在冬季，其余季节的燃气用量比较平均，月燃气用量相差不大。

图2 上海市燃气总量的热值逐月分布（2001-2014年）

4 燃气用量与气象条件关系分析

4.1 燃气用量与气温之间的关系分析

燃气消耗与气温变化有密切关系。图3为上海1～12月平均的燃气消耗与平均气温演变关系图。由图可知，上海燃气消耗在夏季（7～8月）与气温变化存在正相关关系，相关系数为0.421，而在冬季（11～次年2月）期间，燃气消耗则与气温变化存在负相关关系，其相关系数为-0.238；即伴随气温的降低，燃气消耗呈现增加趋势。

图3 1～12月平均燃气消耗与平均气温关系图

同电力预估模型一样，我们也用气温增量ΔT和燃气用量的热值变率ΔE来建立燃气用量的评估模型。本项目利用此方法分析了上海市各月和四个季度气温变化等因素对燃气用量的影响，并在此基础上利用线性逐步回归方法建立月（季、年）燃气用量预测模型。

表1 气温对月燃气用量的影响评价模型

4.2 燃气用量与多要素之间的关系分析

表2 多要素对月和季度燃气用量的影响评价模型

除考虑气温因素外，还考虑到社会经济的增长、人口增长和能耗变化等要素的影响，采用人口增长率（%）、GDP增长率（%）和生产总值单位能耗（%）和气温增量（℃）共4个影响因子，利用多元线性回归方法，建立月和季度的燃气用量的影响评估模型，具体见表2。

其中：y为燃气用量的热值变化率（%），

x1：气温增量（℃）

x2：人口增长率（%）

x3：GDP增长率（%）

x4：单位生产总值能耗变化率（%）

从表2可以看到，气温增量和相关社会经济因素对各月的燃气消耗量的影响水平各不相同，总体来说，对于上海燃气用量的消耗影响较大的因素有2个，分别是GDP年增长率和气温增量。在冬季的2月以及3月和4月，燃气用量变化的主导影响因子为气温变化；而经济总量变化等因素对各月的燃气用量变化影响总体比较明显。从以上的分析可以看出，上海燃气用量和其经济走势密切相关，气温变化也对燃气用量有非常明显的影响。

4.3 燃气消耗演变与气象因子的关系

本研究中使用了两类气象因子，即单一气象因子和综合气象因子，其中平均气温、最高气温和最低气温用来描述气温状况，日照时数、降水量、相对湿度等要素是对天气状况的一个重要反应，同时，人体对外界冷热的舒适感是受温度、湿度和风力等众多因素综合影响，但各因素都不处于同等重要地位，因此，需要综合考虑气象因素对用气量的影响。

以2001～2013年逐月的用气量和气象数据作为研究对象，将所有的气象因子与燃气用量进行相关性分析，可以初步判定影响上海燃气用气量的主要因素。其中冬季为11～次年2月，夏季为6～9月。为进一步凸现气象因子的作用，计算相关系数时去除了燃气消耗中的线性趋势。

由表3可知，对于全年来说，单一因素气象因子对于上海城市燃气消耗的影响总体呈现负相关关系。不同季节中，综合气象因子对于燃气消耗的影响并不相同；对于冬季来说，不论单一因素气象因子还是综合气象因子（风冷指数）的影响都是负影响为主；对于夏季来说，最低气温和平均气温对燃气用气量影响相对较高。

表3 上海燃气消耗与气象因子相关系数表

5 结论

1）2001～2014年，上海市燃气总用量包括人工煤气的消耗量和天然气的消耗量，天然气的消耗量均要多于人工煤气的消耗量。人工煤气在1月消耗量最大， 2月和3月为年内第二个用气高峰，7月降到全年最低；天然气用量的年内用气高峰出现在12月，次高峰在1月，最低谷出现在一年当中的6月和9月。上海市燃气消耗的高峰在冬季的12月和次年1月，而12月是全市燃气用量的最高峰；6月和9月的燃气用量是一年当中的最低值。对于上海来说，燃气用量的高峰主要集中在冬季，其余季节的燃气用量比较平均，月燃气用量相差不大。

2）用气温增量ΔT和燃气用量的热值变率ΔE建立了月（季、年）燃气用量预测模型。考虑到社会经济要素对燃气容量的影响，利用气温增量ΔT、和燃气用量的热值变率ΔE建立了月（季、年）燃气用量预测模型。上海燃气用量和其经济走势密切相关，气温变化也对燃气用量有非常明显的影响。

3）城市燃气的气温响应规律受气候特点、居民用气习惯、用户类型构成等多种因素影响，实际工作中应在此方法的指导下，根据当地情况，具体问题局具体分析，并建立长效的工作机制。

［1］张中秀， 周伟国， 梁金凤. 气象条件对冬季城市燃气日用气量的影响［J］. 天然气技术， 2007（4）: 56-58.

［2］焦文玲， 秦裕琨， 赵林波. 城市燃气负荷预测系统体系研究［J］. 天然气工业， 2005（1）: 155-157.

［3］GIL S， DEFERRARI J. Generalized Model of Prediction of Natural Gas Consumption［J］. Journal of Energy Resources Technology， 2004，126（2）: 90-98.

［4］张中秀， 周伟国， 姚健等. 城市燃气负荷的气温响应特性研究［J］. 煤气与热力， 2008（10）: 57-59.

［5］丁锋， 刘运良， 刘建波等. 气象条件对城市燃气日负荷的影响［J］. 煤气与热力， 2007（2）: 17-20.

［6］VONDRÁČEK J， PELIKÁN E， KONÁR O等. A statistical model for the estimation of natural gas consumption［J］. Applied Energy， 2008，85（5）: 362-370.

［7］焦文玲， 严铭卿， 廉乐明. 城市燃气负荷的灰色预测［J］. 煤气与热力，2001（5）: 387-389.

［8］王树刚， 王继红， 端木琳等. 城市燃气负荷的短期预测［J］. 天然气工业， 2010（5）: 104-107.

［9］何春蕾， 段言志， 邬宗婧等. 基于气温的城市燃气短期日负荷预测模型——以四川省成都地区为例［J］. 天然气工业， 2013（4）: 131-134.

［10］陆敏. 上海燃气计量的现状和发展趋势［J］. 上海计量测试， 2011（6）: 2-6.

Study on Shanghai Meteorological Conditions Influence on Natural Gas Energy Consumption

近年来，气象条件已经导致能源结构的改变。利用最新的气象和燃气能耗数据，充分考虑上海气候和社会经济发展特点，建立一套相对可靠的气象条件对城市燃气消耗的影响及预估模型。这作为城市供能企业进行调峰调度的有力依据，对保证城市用能高峰时期的能源储备具有重要意义。

气象条件；燃气能源；模型

Chen Bixuan
Shanghai Energy-Saving and Emission-Reducing Center
Sun Landong， Xu Hanqing
Shanghai Shanghai Meteorological Center

In the recent years， meteorological conditions has an important impact on energy structure changes. Using updated meteorological and natural gas energy consumption data， the article takes Shanghai meteorological and economical development characteristics into consideration and sets up relatively reliable prediction model of meteorological conditions influence on urban natural gas energy consumption， which is solid evidence to Shanghai energy supply enterprises peak load dispatching and is important to guarantee energy storage during city energy using peak period.

Meteorological Conditions， Natural Gas Energy，Model

10.13770/j.cnki.issn2095-705x.2016.07.006