我國地表水水源熱泵技術(shù)研究及應(yīng)用現(xiàn)狀

田慧峰

中國建筑科學(xué)研究院上海分院

我國地表水水源熱泵技術(shù)研究及應(yīng)用現(xiàn)狀

田慧峰

中國建筑科學(xué)研究院上海分院

地表水水源熱泵技術(shù)具有節(jié)能、環(huán)保等優(yōu)勢，在我國長江流域沿線區(qū)域有著較廣泛的應(yīng)用前景。本文系統(tǒng)地總結(jié)了這項(xiàng)技術(shù)在我國各地的應(yīng)用情況以及自上世紀(jì)八十年代以來我國在相關(guān)領(lǐng)域的研究進(jìn)展，對應(yīng)用江水源熱泵進(jìn)行了實(shí)地調(diào)研，并總結(jié)了存在的問題，最后提出了此項(xiàng)技術(shù)應(yīng)予重視的研究方向。

水源熱泵地表水工程應(yīng)用研究方向

1 我國地表水水源熱泵應(yīng)用現(xiàn)狀

得益于良好的水資源優(yōu)勢和國家政策支持，我國近十年來已有較多應(yīng)用地表水水源熱泵的項(xiàng)目，這些項(xiàng)目分布在上海、重慶、青島、大連、北京、天津等地，以江水源、河水源、湖水源為主，也有一些海水源、再生水源方面的嘗試。

江、河水是流動(dòng)的，水體的流動(dòng)能夠帶走熱/冷量，也加強(qiáng)了與邊界及大氣的換熱效果，比相對靜止的湖水更適合作為熱泵機(jī)組的換熱載體[1]。江水水流量大、流速快，與河、湖相比，換熱效果最好，所以相對于其他類型的地表水水源熱泵，江水源熱泵在我國的工程應(yīng)用項(xiàng)目最多，但受限于水資源條件，這些項(xiàng)目集中在上海、重慶等地。中國2010年上海世博會(huì)世博軸采用江水源熱泵系統(tǒng)聯(lián)合地埋管地源熱泵系統(tǒng)進(jìn)行集中供冷和供熱，江水源熱泵系統(tǒng)以黃浦江江水為水源，江水直接進(jìn)入機(jī)組，選用5臺(tái)制冷量1200 kW、制熱量1100 kW的江水源熱泵機(jī)組[2]。上海十六鋪地區(qū)綜合改造工程和上海港國際客運(yùn)中心項(xiàng)目也以黃浦江江水為水源，采用了江水源熱泵系統(tǒng)，其中前者應(yīng)用面積為11.4萬m2，后者應(yīng)用面積為40萬m2[3，4]。重慶江北城CBD區(qū)域是重慶主城的核心區(qū)域，占地約2km2。江北城CBD區(qū)域約230萬m2公共建筑擬實(shí)施江水源熱泵集中供冷供熱示范。一期工程已于2009年完工，供熱供冷范圍為重慶大劇院，建筑面積8.26萬m2[5]。重慶市世紀(jì)會(huì)緊鄰長江，以長江水為冷熱源，選用兩臺(tái)制冷量203kW、制熱量229kW的水源熱泵機(jī)組，為約2000m2建筑供冷和供熱[6]。黃山玉屏假日酒店以新安江江水為水源，采用水源熱泵結(jié)合水蓄冷的方式，為約7.9萬m2的建筑供冷和供熱[7]。桂林陽朔的碧蓮江景大酒店，以漓江江水為水源，采用2臺(tái)螺桿式雙冷凝器全熱回收滿液式水源熱泵機(jī)組，單臺(tái)制冷量為1337.6kW[8]。

河與江相比，水流量和流速都會(huì)小一些，但仍可在一些工程規(guī)模不大的項(xiàng)目中作為熱泵機(jī)組的換熱載體。連云港職業(yè)技術(shù)學(xué)院新校區(qū)一期以東鹽河河水為水源，采用4臺(tái)制冷量3006kW、制熱量2852kW的螺桿式水源熱泵機(jī)組，為教學(xué)行政區(qū)、宿舍生活區(qū)、教學(xué)實(shí)驗(yàn)區(qū)及圖書館供冷和供熱，河水直接進(jìn)入機(jī)組[9]。

當(dāng)項(xiàng)目所在地與湖泊相鄰時(shí)，就可以考慮采用湖水源熱泵技術(shù)。由于湖水為相對靜止的水體，熱泵排到湖水中的熱量只能通過湖水表面蒸發(fā)吸熱、水體與大氣的對流換熱、水體與湖底邊界的換熱等方式傳遞到水體之外，所以應(yīng)用湖水源熱泵技術(shù)對湖水水面面積、水體容量及水深等都有一定的要求。在一些具備較好湖水條件的地方，也有一些湖水源熱泵工程項(xiàng)目。桂林市榕湖飯店以榕湖湖水為水源，采用2臺(tái)制冷量1241kW、制熱量l383kW的螺桿式雙冷凝器滿液式水源熱泵機(jī)組，為飯店4～6號樓、動(dòng)力中心、會(huì)議中心提供集中空調(diào)及24h生活熱水，總建筑面積約3.5萬m2[10]重慶開縣人民醫(yī)院利用安康水庫湖水，于2007年建成為約2.4萬m2建筑供冷和供熱的湖水源熱泵系統(tǒng)[11]。湖南湘潭利用城市中心區(qū)約5.6萬m2的人工湖，于2004年夏季建成湖水源熱泵系統(tǒng)，為市政府大樓和大劇院供冷和供熱[12]。南京工程學(xué)院利用天印湖湖水，采用拋管式水源熱泵系統(tǒng)，選用三臺(tái)1750kW克萊門特水源熱泵機(jī)組，為圖書信息中心供冷和供熱，考慮到冬季湖水溫度過低，換熱器可能出現(xiàn)取熱不足的情況，湖水側(cè)串聯(lián)了500kW的電輔助加熱設(shè)備[13]。武當(dāng)山體育館以緊鄰丹江水庫的優(yōu)勢，也采用了湖水源熱泵系統(tǒng)[14]。

我國有較長的海岸線，很多城市臨海，為應(yīng)用海水源熱泵技術(shù)提供了條件。青島奧帆基地媒體中心空調(diào)系統(tǒng)采用開式間接利用方式的海水源熱泵，應(yīng)用建筑面積約8000m2[15]。大連某港口北候船廳，建筑面積約6000m2，采用了海水源熱泵系統(tǒng)，系統(tǒng)從取水井口引來海水通過板式換熱器與乙二醇混合液循環(huán)系統(tǒng)換熱，海水通過重力自流至集水井，由設(shè)在集水井中的玻璃鋼自吸泵進(jìn)入熱泵房[16]。舟山市普陀區(qū)東港商務(wù)中心地處舟山本島東側(cè)沿，采用海水源熱泵系統(tǒng)解決約50萬m2建筑物的冬季采暖與夏季制冷及全年供生活熱水的問題[17]。

每個(gè)城市都有污水輸送系統(tǒng)及污水處理廠。由于成熟污水主要為生活雜排水，所以水體溫度較高，適合于作為熱泵采暖的熱源。北京奧運(yùn)村采用了直接式污水源熱泵系統(tǒng)，選擇1臺(tái)滿液式熱泵機(jī)組，換熱管材為鎳銅合金，進(jìn)行防腐設(shè)計(jì)[18]。北京悅都大酒店建筑面積約1.5萬m2，利用距酒店50m處的污水干渠中的污水作為熱泵冷熱源，為酒店供冷和供熱，同時(shí)解決生活熱水問題[19]。大連市某地下商場采暖空調(diào)項(xiàng)目，利用周邊污水管線建成原生污水源熱泵系統(tǒng)，為1.9萬m2建筑提供采暖和制冷[20]。天津公館污水源熱泵系統(tǒng)是天津市首例應(yīng)用城市原生污水作為冷熱源的空調(diào)工程，該工程利用天津公館附近污水干渠的原生污水實(shí)現(xiàn)對8,800m2建筑的空調(diào)供冷/供熱、約3.5萬m2建筑的采暖供熱以及450戶居民的生活熱水供應(yīng)[21]。昆明理工大學(xué)呈貢校區(qū)圖書館利用該校區(qū)中水站的中水作為冷熱源建成污水源熱泵系統(tǒng)[22]。

總之，我國已有較多江、河、湖水源熱泵工程項(xiàng)目，系統(tǒng)制冷量在500kW-20,000kW之間；也有一些海水、污水源熱泵項(xiàng)目，規(guī)模通常較大，為推廣該技術(shù)提供了一定的實(shí)踐基礎(chǔ)。同時(shí)也應(yīng)指出，我國尚缺乏對地表水水源熱泵實(shí)際運(yùn)行效果的跟蹤和總結(jié)，僅有個(gè)別項(xiàng)目有公開的性能測試數(shù)據(jù)，但仍不能代表系統(tǒng)全年的運(yùn)行性能，需加強(qiáng)對已建水源熱泵項(xiàng)目的效果跟蹤，并及時(shí)向社會(huì)公開跟蹤結(jié)果，以更好地推動(dòng)這項(xiàng)技術(shù)的發(fā)展。

2 我國地表水水源熱泵技術(shù)研究現(xiàn)狀

所以近十年來，地表水水源熱泵技術(shù)逐漸成為研究熱點(diǎn)，研究內(nèi)容涉及地表水水源熱泵技術(shù)的方方面面，包括技術(shù)適用性、對水體環(huán)境的影響、設(shè)計(jì)與分析方法、取水方式、系統(tǒng)性能測試、水體溫度變化數(shù)學(xué)模型等。

技術(shù)適用性研究可分為全國性地表水水源熱泵應(yīng)用發(fā)展探討與規(guī)劃、地區(qū)適用性研究和特殊行業(yè)/建筑類型的適用性研究。聶會(huì)元等人分析了我國各氣候區(qū)內(nèi)的水資源分布情況，結(jié)合地表水水源熱泵的應(yīng)用條件，對各氣候區(qū)淡水源熱泵的適應(yīng)性分析進(jìn)行了研究[23]。武云涌等人探討了在我國全面規(guī)劃建設(shè)污水源熱泵系統(tǒng)的重要性和可行性[24]。朱治科分析了水源熱泵供熱方式的優(yōu)勢和不足[25]。

研究人員對全國各地水源熱泵的適用性進(jìn)行研究，涉及重慶、上海、福州、湖北黃石、浙江等地應(yīng)用江、河、湖水源熱泵的可行性，大連、浙江沿海、江蘇沿海、天津等地應(yīng)用海水源熱泵的可行性，以及沈陽、蘭州、鄭州等地應(yīng)用污水/再生水源熱泵的可行性等[26～37]。王子云等人對重慶段長江水溫隨橫斷面和時(shí)間的變化進(jìn)行了實(shí)測分析，得到長江水溫在整個(gè)橫斷面基本恒定，而江水的夏季月平均溫度為22～25℃，冬季月平均溫度為11～16℃，水溫日變化幅度不超過0.5℃，是一種具有良好品質(zhì)的穩(wěn)定的冷熱源[26]。上述研究成果表明，長江江水在同一斷面基本不存在溫度分層問題，而且水溫日變化幅度很小。

在不同行業(yè)、不同建筑類型中，我國科技人員也開展了特殊條件下應(yīng)用水源熱泵的可行性研究。胡鵬等人探討了以熱電聯(lián)產(chǎn)電廠產(chǎn)生的大量循環(huán)冷卻水作為熱源，采用吸收式熱泵機(jī)組進(jìn)行區(qū)域供熱的技術(shù)經(jīng)濟(jì)可行性[38]。胡學(xué)毅等人分析了鋼鐵工業(yè)冷卻水水源熱泵的運(yùn)行費(fèi)用和投資費(fèi)用及提高供水溫度和制熱效率的方法[39]。國德防等人討論了在印染、電廠和輪胎生產(chǎn)工藝過程中如何采用吸收式熱泵系統(tǒng)回收工業(yè)余（廢）熱，減少能源消耗的技術(shù)[40]。史學(xué)增等人研究了海水源熱泵在船舶上的適用性[41]，展海風(fēng)等人討論了水源熱泵在煤礦行業(yè)應(yīng)用的可能性[42]，王璐等人分析了浴室排水余熱回收熱泵系統(tǒng)的能量消耗[43]，劉金祥等人研究了在中高檔旅館中應(yīng)用中水源熱泵系統(tǒng)的可行性[44]。由此可見，水源熱泵技術(shù)的應(yīng)用范圍很廣。不同行業(yè)、不同建筑類型，在具有水資源的條件下，均有可能應(yīng)用水源熱泵技術(shù)。

相對于其它熱泵系統(tǒng)，地表水水源熱泵的特殊之處在于其排/取熱源為地表水。然而，在排/取熱的過程中勢必會(huì)對水體帶來影響，所以地表水水源熱泵對水體環(huán)境的影響是該領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)之一。馬宏權(quán)等人分析了水源熱泵造成水體熱污染的可能性及其預(yù)防措施[45]。蘇洋等人研究了水源熱泵運(yùn)行中造成的水域溫升給生態(tài)環(huán)境帶來的影響，建議建立一套針對地表水水源熱泵對生態(tài)環(huán)境影響評估的指標(biāo)體系[46]。吳榮華等人分析了以地表水水源熱泵系統(tǒng)產(chǎn)生城市熱島效應(yīng)后的能耗附加值，提出可利用用能與節(jié)能系數(shù)預(yù)測地表水源熱泵系統(tǒng)的節(jié)能與環(huán)保效益[47]。周健等人對湖水源熱泵系統(tǒng)冷排水對湖泊藻類及葉綠素含量的影響進(jìn)行了研究，結(jié)果表明，冷排水對藻類總量增長有明顯抑制作用[48]。黃向陽等人對江水源熱泵系統(tǒng)排水對江水水溫及水質(zhì)的影響進(jìn)行了研究，結(jié)果表明，排水引起的湖泊局部水域水溫下降會(huì)導(dǎo)致表層溶解氧升高，對底層溶解氧則影響微弱[49]。葉姜瑜等人實(shí)測了水源熱泵運(yùn)行前后安康湖湖水細(xì)菌和藻類的變化情況，研究表明水源熱泵運(yùn)行前后，藻類生物量、種類組成及優(yōu)勢種發(fā)生變化[50]。由此可見，水源熱泵排/取熱會(huì)對地表水水溫、水質(zhì)產(chǎn)生一定的影響，但是否會(huì)破壞地表水生態(tài)系統(tǒng)尚不可知，可見我國仍需在該方向上開展系統(tǒng)的研究工作。

為推廣應(yīng)用地表水水源熱泵技術(shù)，各科研及設(shè)計(jì)單位也積極開展了設(shè)計(jì)與分析方法的研究。范亞明等人提出了一種湖庫塘開式水源熱泵系統(tǒng)全年能耗分析方法[51]；鄧波等人對大型地表水源熱泵系統(tǒng)進(jìn)行建模分析，綜合考慮系統(tǒng)在“江水溫——負(fù)荷——機(jī)組部分負(fù)荷性能”多影響因素下的負(fù)荷特性，實(shí)現(xiàn)對系統(tǒng)設(shè)備容量的優(yōu)化[52]；舒海文等人研究了海水源熱泵區(qū)域供熱系統(tǒng)的最大供熱半徑[53]；吳學(xué)慧等人根據(jù)現(xiàn)有城市原生污水源熱泵的技術(shù)經(jīng)濟(jì)特點(diǎn)，以系統(tǒng)的年運(yùn)行費(fèi)用為目標(biāo)函數(shù)，建立了系統(tǒng)綜合優(yōu)化的數(shù)學(xué)模型，并利用遺傳算法對系統(tǒng)的運(yùn)行參數(shù)及機(jī)組部件進(jìn)行了優(yōu)化選擇，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)年運(yùn)行費(fèi)用最小的目標(biāo)[54]。

除上述熱點(diǎn)問題外，我國也有一些與其它能源聯(lián)合運(yùn)行、經(jīng)濟(jì)性、地表水換熱器、機(jī)組研制、輸配系統(tǒng)優(yōu)化、系統(tǒng)仿真等方面的研究成果。

3 地表水水源熱泵工程調(diào)研及分析

為深入了解地表水水源熱泵工程的實(shí)際運(yùn)行情況，筆者對應(yīng)用江水源熱泵比較典型的重慶大劇院江水源熱泵集中供冷供熱工程、中國2010年上海世博會(huì)江水源熱泵系統(tǒng)、上海十六鋪地區(qū)綜合改造工程和上海港國際客運(yùn)中心，應(yīng)用湖水源熱泵比較典型的重慶開縣人民醫(yī)院湖水源熱泵工程和湘潭城市行政中心區(qū)湖水源熱泵區(qū)域供冷供熱系統(tǒng)，應(yīng)用河水源熱泵比較典型的連云港職業(yè)技術(shù)學(xué)院新校區(qū)一期工程進(jìn)行了實(shí)地調(diào)研。通過對上述工程的調(diào)研，得出以下結(jié)論：

1）在建筑節(jié)能建立示范工程的大背景下，在政府支持下地表水水源熱泵技術(shù)得以在一些大型公共建筑、政府建筑中應(yīng)用。

2）地表水水源熱泵技術(shù)應(yīng)用受到諸多因素的制約。首先當(dāng)?shù)匦杈邆浜线m的地表水源是應(yīng)用地表水水源熱泵技術(shù)先決條件。其次對水源水質(zhì)也有一定的要求，具體參數(shù)包括水體溫度、水流量和水質(zhì)指標(biāo)等。再次受不同地區(qū)能源政策、燃料價(jià)格的影響，應(yīng)用地表水水源熱泵技術(shù)的初始投資及運(yùn)行費(fèi)用會(huì)有所不同。

3）動(dòng)態(tài)負(fù)荷預(yù)測和水溫變化預(yù)測是地表水水源熱泵技術(shù)的基礎(chǔ)問題，但在實(shí)際工程設(shè)計(jì)中缺乏應(yīng)用。

4）據(jù)調(diào)研上述工程，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)階段，仍采用了傳統(tǒng)的機(jī)組選型方法，以峰值負(fù)荷為選型基礎(chǔ)，并未考慮機(jī)組優(yōu)化匹配及水源水溫變化可能帶來的影響。

5）在進(jìn)行可行性論證時(shí)，與傳統(tǒng)空調(diào)系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行比較，是判斷地表水水源熱泵系統(tǒng)可行性的重要方法之一。

6）當(dāng)?shù)乇硭w溫度無法滿足水源熱泵機(jī)組在某些工況下的運(yùn)行條件時(shí)，則需設(shè)置輔助冷熱源，如冬季水溫很低時(shí)。

4 結(jié)語

盡管我國在地表水水源熱泵領(lǐng)域已有一些工程應(yīng)用和研究成果，但由于起步較晚、實(shí)踐較少，尚存在以下問題：

1）科研與工程實(shí)踐脫節(jié)。實(shí)踐是檢驗(yàn)真理的唯一標(biāo)準(zhǔn)，但在現(xiàn)實(shí)狀況下，大部分科研成果較難應(yīng)用到實(shí)際項(xiàng)目中。筆者曾參與過多個(gè)水源熱泵項(xiàng)目的論證和設(shè)計(jì)，業(yè)主均無意應(yīng)用最新的研究成果，而傾向于選擇成熟的方法、措施。

2）對已實(shí)施工程的持續(xù)性能監(jiān)測和效果跟蹤較少。我國有較多已實(shí)施的地表水水源熱泵工程，但闡述這些工程性能監(jiān)測和效果跟蹤的文獻(xiàn)較少。

3）水溫基礎(chǔ)數(shù)據(jù)不完整，可用于工程設(shè)計(jì)的簡化計(jì)算方法較少。盡管已有一些地表水水溫的監(jiān)測數(shù)據(jù)，如長江、嘉陵江、黃浦江等，但尚無完整、系統(tǒng)的水溫基礎(chǔ)數(shù)據(jù)可供工程設(shè)計(jì)人員參考。目前多位學(xué)者研究了湖水水溫的變化規(guī)律，但所用數(shù)學(xué)模型均很復(fù)雜，普通設(shè)計(jì)師不易掌握；且尚未在國內(nèi)公開文獻(xiàn)中找到反映江水溫度變化數(shù)學(xué)模型。

4）對地表水水源熱泵系統(tǒng)的整體優(yōu)化方法研究較少。當(dāng)前在地表水水源熱泵領(lǐng)域已取得的研究成果中，大部分是對某一部件、組成要素的研究，如輸配系統(tǒng)、取水方式等，缺乏對地表水水源熱泵系統(tǒng)整體優(yōu)化方法的研究。

5）未見建立地表水水源熱泵系統(tǒng)全壽命周期成本分析方法，而全壽命周期成本是判斷地表水水源熱泵系統(tǒng)相對于其他類型系統(tǒng)是否優(yōu)越的關(guān)鍵指標(biāo)之一。目前我國在水源熱泵經(jīng)濟(jì)性方面的研究尚限于宏觀經(jīng)濟(jì)性或某一具體工程采用不同類型冷熱源的經(jīng)濟(jì)性對比，未見科學(xué)、統(tǒng)一的經(jīng)濟(jì)性分析方法的研究成果。

6）在不同需求情況下，地表水水源熱泵與其他冷熱源聯(lián)合運(yùn)行的可行性方面的研究較少。由于地表水水源熱泵性能受到地表水水溫、取水距離、高差等因素的制約，在某些特定情況下，需要與其他供冷供熱形式聯(lián)合運(yùn)行，以滿足采暖制冷需求，目前缺乏這方面的研究。

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Ch ina's Su rfa c e W a te r Sou rc e Hea t Pum p Re sea rc h an d Ap p lic a tion Sta tu s

TIAN Hui-feng
China Academy of Building Research ShanghaiBranch

Surfacewater source heatpump technology has the advantages of energy saving,environmental protection, and hasabroad application prospects in Chinaalong the Yangtze River region.Thispaper summarizes theapplication of this technology in our country since the 1980s in related fieldsof study progress.Field research the typicalsurfacewater sourceheatpump works,the findingswere discussed and summed up the problem.Finally,the research direction of this technology isgiven.

watersourceheatpump,surfacewater,engineering applications,research directions

1003-0344（2014）03-025-5

2013-5-18

田慧峰（1979～），男，博士；中國建筑科學(xué)研究院上海分院（200023）；E-mail:thuifeng@gmail.com