“雙碳”視域下浙江省地表水源熱泵推廣關(guān)鍵性技術(shù)研究展望

許本亮，徐中干，童 瑋，焦 丹

（浙江商業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，浙江杭州 310053）

1 浙江省地表水潛熱資源前景分析

浙江位于我國東部沿海，介于東經(jīng)118度至123度，北緯27度12分至31度31分，屬于亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，境內(nèi)河流眾多，主要有錢塘江、甌江、靈江、苕溪、甬江、飛云江、鰲江及曹娥江等8大水系。其中錢塘江全長約605 km，是本省第一大江。以杭州為起點的大運河，浙江境內(nèi)長129 km，貫穿杭嘉湖平原中部。此外還有西湖、南湖、東錢湖等容積100萬m3以上湖泊30余個。省域范圍內(nèi)降水量為1 600 mm 左右，根據(jù)統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示平均水資源總量為955.41億m3，多年平均地表水為943.85億m3，占水資源總量的98%，按單位面積統(tǒng)計計算的水資源量居全國第4位。浙江省大型城市主要集中在水系附近，這為取水提供了條件，浙江省四季明顯，氣溫適宜，水量充足，水系密布全省，全省大陸面積中河流湖泊占6.4%。下面就全省主要水系進(jìn)行簡要分析。

1）錢塘江：衢州以上為錢塘江上游，稱常山江，屬山溪性溪流，全長 176 km。衢州以下至蘭溪稱衢江，全長 82 km，沙石岸，略對稱，河寬 55～70 m，最寬 350 m，常水位水深1.1～1.3 m，枯水位水深0.3～0.5 m，流速0.9～1.2 m/s。蘭溪以下至梅城稱蘭江，全長45 km；梅城至浦陽江河段稱富春江，其中梅城至桐廬分水江口亦稱桐江，全長 39 km。三河峽、七里垅峽（亦稱蘆茨埠峽），河寬200～450 m，七里垅峽于1968年建成富春江水電站，河段成河道型水庫，水深達(dá)16～18 m。桐廬至聞家堰的富春江河段，全長63 km。聞家堰至蕭山新昌鎮(zhèn)入?？诜Q錢塘江，全長81 km。河岸略對稱，泥沙質(zhì)，聞家堰河寬500～600 m，至閘口河寬約1 000 m，鹽官河寬約2 500 m，低潮水深僅 1～2 m。水量情況：富春江蘆茨埠站實測最大洪峰流量達(dá)2.9萬m3/s，最小流量僅15.4 m3/s。

2）甬江：由其上游的奉化江、姚江在寧波市區(qū)三江口匯合后，東流經(jīng)鎮(zhèn)海城關(guān)至外游山入東海，全長133 km，流域面積4 518 km2。奉化江上游剡江，源于四明山大灣崗黃家彥，主要支流有郵江、縣江等，均流經(jīng)低山和丘陵地帶，縱向坡度較大，屬山溪性溪流，匯集于奉化方橋三江口。三江口至寧波稱奉化江，流經(jīng)平原，河寬155～180 m，兩岸對稱，流速減慢，泥沙淤塞。姚江源于四明山夏家?guī)X的眠崗山，流入四明湖水庫，經(jīng)余姚城關(guān)至寧波市區(qū)三江口與奉化江匯合。1959年在匯合處河口建成姚江閘后，變成內(nèi)河。兩江匯合后，從三江口至鎮(zhèn)海外游山，全長26 km，河寬200～350 m，常水位水深2.5～3 m，枯水位水深0.7～1.1 m，流速0.5～1.2 m/s。

3）甌江：甌江源于洞宮山的百祖山西麓，流經(jīng)小梅、龍泉、大港頭、麗水、青田、溫溪、溫州至崎頭入溫州灣，全長384 km，流域面積1.81萬km2。大港頭以上為甌江上游，全長196 km，流經(jīng)峽谷較多，縱向坡度較大，急流險灘有83 處。大港頭附近漫灘達(dá)1 200 m，屬較典型的山溪性溪流。大港頭至溫溪為甌江中游，流經(jīng)麗水、青田谷地，全長112 km。河谷寬300～800 m，河床寬250～800 m。在船寮附近洪水位水深5～8 m，流速達(dá)3 m/s，水流湍急。溫溪以下至甌江口為甌江下游，全長76 km，江北側(cè)是低山丘陵地，南側(cè)為溫州平原，屬潮汐型河流。河寬300～400 m，溫溪附近河底有小卵石，其余河底為泥。常水位水深4～5 m，枯水位水深3.5～4 m，流速

1.2～1.6 m/s。

4）飛云江：飛云江源于洞宮山的白云尖北麓的浯溪，流經(jīng)白鶴、百丈口、平陽坑、馬嶼、瑞安城關(guān)至十八畝（上望）入東海，全長193 km，流域面積3 719 km2。百丈口以上為飛云江上游，全長 63 km，溪流湍急，峽谷深淵，斷絕地多，屬山溪性溪流：河谷寬 150～800 m，河寬 100～250 m。百丈口至平陽坑，為飛云江中游，仍屬山溪性溪流，全長70 km，河谷寬200～2 000 m，河寬150～500 m，水急谷深。平陽坑至入?？跒轱w云江下游，全長60 km，流經(jīng)溫瑞平原，屬潮汐型河流：河床尚對稱，兩岸有坍塌現(xiàn)象；瑞安附近河寬達(dá)1 000 m，常水位水深3.5～4 m，流速1.3～1.8 m/s。

通過以上分析可知浙江省四季明顯，氣溫適宜，地表水資源量較為充足，大型城市主要集中在水系附近，為水源熱泵的推廣應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

2 浙江省地表水源熱泵技術(shù)利用前景分析

2022年8月18日科技部會同發(fā)展改革委、工業(yè)和信息化部、生態(tài)環(huán)境部、住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部、交通運輸部等九部門組織編制了《科技支撐碳達(dá)峰碳中和實施方案（2022—2030年）》，《實施方案》統(tǒng)籌提出支撐2030年前實現(xiàn)碳達(dá)峰目標(biāo)的科技創(chuàng)新行動和保障舉措，并為2060年前實現(xiàn)碳中和目標(biāo)做好技術(shù)研發(fā)儲備，為全國科技界以及相關(guān)行業(yè)、領(lǐng)域、地方和企業(yè)開展碳達(dá)峰碳中和科技創(chuàng)新工作的開展起到指導(dǎo)作用。建筑領(lǐng)域空調(diào)系統(tǒng)能耗作為耗能大戶，一直是挖掘節(jié)能減排潛力的重要組成部分，同時也是技術(shù)創(chuàng)新的重要方向。

國內(nèi)外對于地表水源熱泵技術(shù)的研究已經(jīng)越來越多，也出臺了相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，如美國ASHRAE 學(xué)會制訂的《地源熱泵工程技術(shù)指南》和我國的《地源熱泵系統(tǒng)工程技術(shù)規(guī)范》，但是這類標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范主要側(cè)重于水溫保證地表水能夠提供足夠的供冷或供熱量，雖然有對水體溫度、水質(zhì)、水量等參數(shù)的要求，但是還沒有詳細(xì)的數(shù)據(jù)要求，同時，不同水體參數(shù)變化對地表水源熱泵的應(yīng)用影響、技術(shù)經(jīng)濟(jì)、社會環(huán)境的綜合影響評價也無詳細(xì)說明。表1是各形式熱泵技術(shù)推薦適用規(guī)模范圍，由表1可知地表水水源熱泵技術(shù)對規(guī)模大于500 kW 的大型中央空調(diào)系統(tǒng)的適用性較強。

表1 各形式熱泵技術(shù)推薦適用規(guī)模

我省夏季用電矛盾突出，而傳統(tǒng)空調(diào)制冷的耗電量要占到夏季負(fù)荷的40%以上。降低空調(diào)能耗，已成為我省建筑節(jié)能領(lǐng)域的重要工作。大中型水源熱泵的運行費低于以燃油為能源的大區(qū)域中央空調(diào)系統(tǒng)，而且可節(jié)約40%的一次能源，與溴化鋰直燃機(jī)相比減少了CO2、SO2、NO2等的排放量，環(huán)保效益顯著。在易于獲得溫度較為穩(wěn)定的大量水源的地方，具有明顯的優(yōu)勢。

通過以上分析可知，對于河流湖泊附近的大中型城市的中大型中央空調(diào)系統(tǒng)而言，采用地表水源熱泵技術(shù)將會極大助力碳達(dá)峰碳中和實施方案，為在我省推廣地表水源熱泵技術(shù)提供了有利條件。

3 限制地表水源熱泵發(fā)展的關(guān)鍵性技術(shù)研究現(xiàn)狀

地表水源熱泵可利用的低位冷熱源較為廣泛，主要有：江河、湖泊、海水、水庫水和污水等。該技術(shù)所利用的低位熱源以其比熱容大、傳熱性好、冷暖兩用等優(yōu)點擁有廣闊的發(fā)展空間，加之浙江省江河眾多，地表水資源總量較為豐富的天然條件，為推廣地表水源熱泵技術(shù)提供了有利條件。然而受限于地表水源大部分含有泥沙雜質(zhì)，對于開式冷卻水系統(tǒng)凈化成本會直接影響系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性與可靠性，而對于閉式冷卻水系統(tǒng)其末端換熱器磨損嚴(yán)重影響系統(tǒng)可靠性與維護(hù)成本這一現(xiàn)實問題，其推廣應(yīng)用嚴(yán)重受限。因此，為了解決這一難題，準(zhǔn)確預(yù)測冷卻水管路系統(tǒng)閥件和管件的磨損異常重要。

在此基礎(chǔ)上對近五年來流程閥門內(nèi)流致磨損研究主要文獻(xiàn)進(jìn)行梳理如下：Rajda 等[1]提出了一種模擬液壓流量控制閥顆粒沖蝕磨損的嘗試，通過CFD 模擬，獲得了兩種顆粒材料的顆粒軌跡以及對閥件的磨損率。Askari 等[2]利用Fluent 軟件對工業(yè)球閥進(jìn)行仿真，研究了不同工況下磨損對球閥的影響，結(jié)果表明，閥門25%開啟狀態(tài)的磨損速率增加到閥門完全開啟狀態(tài)的15 000倍左右，半開啟狀態(tài)（50%開啟狀態(tài)）的磨損速率增加到3 500倍左右；并且對于閥的75%打開狀態(tài)，磨損速率增加到大約220倍。Zhang等[3]采用計算流體力學(xué)方法和Fluent 軟件，結(jié)合連續(xù)相和離散相模型，建立了箭形止回閥的計算模型，對箭形止回閥的顆粒侵蝕磨損進(jìn)行了預(yù)測。結(jié)果表明，閥門開度對壓力、速度和湍流強度有重要影響。與入口速度相比，顆粒流量和顆粒直徑對磨損的影響較小。Cao 等[4]基于歐拉-拉格朗日方法和Finnie 侵蝕模型，利用計算流體力學(xué)軟件對調(diào)節(jié)閥內(nèi)氣固流動進(jìn)行了數(shù)值模擬。結(jié)果表明，在大、中升程工況下，磨損嚴(yán)重的區(qū)域主要在閥箱底部和喉部，而在小升程工況下，磨損嚴(yán)重的區(qū)域主要在閥擴(kuò)壓器上。隨著閥門開度的減小，磨損率增大。影響固體顆粒磨損的主要因素在閥門開啟過程中是不同的。磨損率密度在40～60 μm的顆粒直徑范圍內(nèi)達(dá)到最大。Liu 等[5]研究了固體顆粒在無槽口液壓滑閥中的磨損行為及其影響。通過對閥芯表面微觀形貌的測量，發(fā)現(xiàn)了磨損角失效。采用離散相模型對固液兩相流進(jìn)行計算流體力學(xué)模擬，分析磨損破壞，得出了無槽口液壓滑閥嚴(yán)重磨損區(qū)域的遷移路線，揭示了局部磨損機(jī)理，討論并提出了沖刷條件下孔口面積的精確計算方法。Xu 等[6]研究了進(jìn)口閃蒸比對低壓黑水角閥進(jìn)口速度、出口閃蒸比和出口速度的影響，提出了通過抑制進(jìn)口閃蒸比、降低進(jìn)口流量等措施來減少黑水角閥磨損損傷的預(yù)防策略。

董肖肖[7]根據(jù)沖蝕率與沖擊角和速度三者之間的關(guān)系，選擇了最合適的磨損預(yù)測方程，改進(jìn)了節(jié)流閥結(jié)構(gòu)，增加了閥門的使用壽命。孫宇航等[8]通過計算流體力學(xué)軟件對滑閥進(jìn)行沖蝕磨損仿真，根據(jù)模擬結(jié)果對閥門的壽命做出了預(yù)測。并通過實驗得出了滑閥的內(nèi)泄漏特性曲線。戴波等[9]利用計算流體力學(xué)軟件對蘑菇頭卸灰閥進(jìn)行了磨損計算，并探究閥門開度、顆粒質(zhì)量流量對蘑菇頭卸灰閥沖蝕磨損情況的影響。訚耀保等[10]根據(jù)力學(xué)模型和運動學(xué)模型基于磨損理論得到了小球磨損量計算模型，并分析了溫度等因素對磨損的影響。鐘林等[11]利用計算流體力學(xué)軟件對排污閥的沖蝕磨損進(jìn)行了模擬計算，結(jié)果表明：閥芯、閥座密封接觸位置磨損最嚴(yán)重。

通過以上分析可知，對于目前限制浙江省地表水源熱泵推廣的關(guān)鍵性技術(shù)難題主要是冷卻水端水源還有泥沙及其帶來的成本增加問題。對于開式系統(tǒng)可以通過增強管路系統(tǒng)的抗磨損性能或增強系統(tǒng)過濾能力來實現(xiàn)技術(shù)突破；對于閉式系統(tǒng)可以通過增強末端換熱器的抗磨損性能來實現(xiàn)技術(shù)突破。

4 結(jié)束語

通過對浙江省地表水潛熱資源前景分析、浙江省地表水源熱泵技術(shù)利用前景分析和限制地表水源熱泵發(fā)展的關(guān)鍵性技術(shù)研究現(xiàn)狀分析可知：浙江省地表水資源豐富，大型城市主要集中在水系附近，其大型中央空調(diào)系統(tǒng)適宜推廣地表水源熱泵技術(shù)。目前限制技術(shù)發(fā)展的主要瓶頸為地表水多數(shù)含有泥沙因此帶來的冷卻水管路和換熱器磨損問題。解決該問題的主要途徑是：對于開式系統(tǒng)可以通過增強管路系統(tǒng)的抗磨損性能或增強系統(tǒng)過濾能力來實現(xiàn)技術(shù)突破；對于閉式系統(tǒng)可以通過增強末端換熱器的抗磨損性能來實現(xiàn)技術(shù)突破。