重慶市應用湖庫水水源熱泵系統(tǒng)條件分析

羅惠珠,楊冬雪

(重慶大學三峽庫區(qū)生態(tài)環(huán)境教育部重點實驗室,重慶 400044)

1 前 言

地表水地源熱泵空調系統(tǒng)是以可再生能源中的水資源作為能源,利用熱泵原理,對建筑物進行夏季制冷、冬季供暖的空調系統(tǒng),是一種高效、節(jié)能、環(huán)保的綠色空調系統(tǒng)。目前,我國已有許多城市開展水源熱泵系統(tǒng)的工程,包括北京、大連和上海等。地表水水源熱泵系統(tǒng)按其水源可分為海水水源熱泵、江河水源熱泵和湖庫水水源熱泵系統(tǒng)。

其中,湖庫水水源熱泵系統(tǒng)具有其自身特點,在國內外湖 (庫)水水源熱泵發(fā)展較快,也逐漸在推廣。例如美國在康奈爾大學建成了一個利用湖水供冷的工程,抽取 Cayuga湖底層溫度較低 (4℃～5℃)的湖水通過換熱設備為學校提供約63306kW的冷量,使得每年可減少 87%的空調能耗,節(jié)省 2億多度電,于 2002年榮獲ASHRAE技術獎[1];另外,加拿大 Enwave區(qū)域能源公司興建了目前世界上最大的湖水區(qū)域供冷系統(tǒng),抽取安大略湖 83米深處的低溫湖水,經過濾凈化后進入熱交換站,能提供多倫多市區(qū)建筑 40%的空調用冷,減少 75%的空調能耗,大幅減少氯氟烴 (chlorafluoron-carbon,CFC)制冷劑的使用和溫室氣體的排放[2]。2004年,在湖南湘潭城市中心建成了利用人工湖作為冷熱源的地表水水源熱泵空調系統(tǒng),湖南省湘潭市新建的城市中心有某地表水源熱泵空調工程包括 4幢建筑物,總建筑面積約為124500m2。中心區(qū)的湖湘公園修建總面積為 120畝的人工湖,利用該人工湖的湖水作為水源熱泵機組的冬季熱源和夏季冷源。該人工湖平均水深 2.7m,取水處水深 5m,取水點在水面下 2.5m處,距機房約 100m。當水源水的水質不能滿足機組要求時,使用物理方法處理湖水,湖水首先進入旋流除砂器,除去水中的顆粒物;然后通過綜合水處理器,利用其中的高頻高壓電場及復合過濾體系進行殺菌滅藻和凈化過濾處理,經處理后各項指標均能滿足機組的要求[3,4]。

本文主要根據重慶市湖庫水水源現狀及其特點,探討重慶市開展湖庫水水源熱泵系統(tǒng)的可行性。

2 重慶市湖庫水水源現狀

2.1 地表水源熱泵系統(tǒng)對水源系統(tǒng)的要求

地表水源系統(tǒng)的水量、水溫、水質和供水穩(wěn)定性是影響水源熱泵系統(tǒng)運行效的重要因素。應用地表水源熱泵時,對水源系統(tǒng)的原則要求是：水量充足,水溫適度,水質適宜,供水穩(wěn)定。具體說,水源的水量,應當充足夠用,能滿足用戶制熱負荷或制冷負荷的需要。如水量不足,機組的制熱量和制冷量將隨之減少,達不到用戶要求。水源的水溫應適度,適合機組運行工況要求。一般情況下,在制熱運行工況時,水源水溫應為 12℃～22℃;在制冷運行工況時,水源水溫應為 18℃～30℃[5]。水源的水質,應適宜于系統(tǒng)機組、管道和閥門的材質,不至于產生嚴重的腐蝕損壞。水源系統(tǒng)供水保證率要高,尤其在枯水期應能滿足需要。供水功能具有長期可靠性,能保證水源熱泵中央空調系統(tǒng)長期和穩(wěn)定運行。

目前對地表水源熱泵所用水源的水質尚無專門規(guī)定,表 1為水源熱泵用地下水水質參考標準;表2為冷卻水水質標準的有關規(guī)定,工程一般都以下兩種水質標準相關要求作為參考。

2.2 重慶市應用湖庫水水源熱泵系統(tǒng)的條件

2.2.1 氣候條件

重慶地處長江上游、嘉陵江下游地區(qū),重慶年平均氣溫 16℃～18℃,最熱月平均氣溫 26℃～29℃,最冷月平均氣溫 4℃～8℃,年平均相對濕度多在 70%～80%,在全國屬高濕區(qū),屬典型的夏熱冬冷型氣候。重慶夏季氣溫較高,持續(xù)時間 4個月左右,冬季氣溫較低,持續(xù)時間約 2個多月,夏季最高溫度可達到 39℃～42℃,冬季最低溫度約 2℃～4℃。全年相對濕度較高,月平均相對濕度均高于 70%,這樣的相對濕度是造成重慶地區(qū)冬季陰冷、夏季悶熱的主要原因之一。

表1 地下水地源熱泵水質要求Tab.1 The water quality requirements of ground water-source heat pump

表2 循環(huán)冷卻水水質標準的有關規(guī)定Tab.2 The standards for circulating coolingwater quality

以下各圖[6]為重慶市各月的平均室外干球溫度分布圖、全年室外干球溫度分布圖和最熱月、最冷月的室外干球溫度分布。

由以上各圖可以看出,重慶市全年室外氣溫波動較大,冬季日平均溫度最低約為 5.5℃,夏季日平均溫度最高約為 31.7℃。最熱月 7月的月平均溫度為 28.1℃,最冷月 1月的月平均溫度為8.1℃,其最熱月的日最高溫度與日最低溫度分別為 37.7℃和 28.2℃,最冷月的日最高溫度與日最低溫度分別為 13.6℃和 3.4℃。室外干、濕球溫度以及太陽照度是影響建筑物空調能耗的主要氣象因素?？照{的制冷、制熱性能與室外氣候有直接的關系,其機組供冷能力隨室外溫度的升高而降低,機組消耗功率隨室外環(huán)境溫度的升高而增加。當室外空氣溫度增至 40℃時,制冷量一般要下降 5%～7%左右。

根據對冷凝溫度和蒸發(fā)溫度變化的測算,當冷凝溫度升高時,系統(tǒng)耗功量將增大,約每升高1℃,耗功量約增加 2%～3%;當冷凝溫度降低時,系統(tǒng)耗功量將減少,每降低 1℃,耗功量約減少 2%～3%;當蒸發(fā)溫度降低時,系統(tǒng)制冷量減少,耗功率增加,每降低 1℃,耗功量約增加 4%～5%;當蒸發(fā)溫度升高時,系統(tǒng)制冷量增加,耗功率降低,每升高 1℃,耗功量約降低 4%～5%。由此可見,夏季系統(tǒng)冷凝溫度、冬季系統(tǒng)蒸發(fā)溫度的變化范圍,對于系統(tǒng)的產冷、產熱量以及系統(tǒng)的耗電量均有著較大影響。

重慶是個夏熱冬冷、濕度很高的城市,素有中國的“四大火爐”之稱,夏季炎熱的氣候比較長,高溫天氣一般會持續(xù) 3～4個月的時間。因此,空調系統(tǒng)就會長時間的運行,從而產生的能耗相對較高。由于外界氣候條件存在較大的波動 (最熱月和最冷月的日最高和最低溫度的差距都在 10℃左右),且氣候條件在空調運行期間大都偏離機組高效運行所需要的工況參數,因此這種氣候條件必將導致傳統(tǒng)空調設備的運行存在工況不穩(wěn)定、高于標準工況、機組制冷制熱量降低、系統(tǒng)耗電量增加的不利局面。

2.2.2 水資源條件

我國擁有充足的地表水源,特別是長江上游地區(qū)江河、湖庫水源豐富。重慶地域內水資源總量年均超過 5000億m3,其中長江、嘉陵江等流經重慶地區(qū)的入境入水形成的地表水約 4600億m3,據兩江匯合口朝天門下游 7km的寸灘水文資料統(tǒng)計,長江多年平均流量 10930m3/s,年平均水位163.39m,江水年平均水溫約 18.3℃。重慶市的湖泊、水庫水資源也較豐富。據重慶市水利局《重慶市水資源公告》 (2007年)2006年全市大中型水庫共計 62座,其中大型水庫 5座,中型水庫 57座。與 2005年相比,中型水庫增加 8座。對全市62座大中型水庫進行統(tǒng)計,2006年末總蓄水量為14.3035億 m3,其中,5座大型水庫蓄水量 9.0210億m3,57座中型水庫蓄水量為 5.2825億 m3。如此巨大的水量為水源熱泵的推廣創(chuàng)造了十分良好的條件。而且重慶市大部分建筑沿江修建或臨近較大的湖泊、水庫等水體,而且為滿足人們親水性的要求多數小區(qū)還建有景觀水池或人造水體。這些都為開展湖庫水水源熱泵系統(tǒng)提供了便利。

2.2.3 水溫情況

對重慶市雙龍湖的水溫觀測結果表明,2008年雙龍湖全年水溫隨季節(jié)變化明顯,夏季、春、秋季和冬季在水位為豐、平和枯水位時各測點平均水溫在 26℃～30℃、19℃～24℃、11℃～15℃變化。

經過對重慶市彩云湖的水溫測定,當夏季大氣溫度在 28℃～32℃范圍內變化時,水面處的溫度受大氣溫度波動的影響,變化比較大,隨著水深的增加,水體溫度逐漸下降,水溫在 10m左右出現溫躍層分布現象,水庫表面與其底部的溫差在10℃～11℃左右。當冬季大氣溫度在 5℃～10℃范圍內變化時,水溫分層現象消失,表層水和底層水的溫差不超過 1℃,形成較均勻的水體溫度。

2.2.4 水質情況

雖然我國湖泊、水庫水資源豐富,但我國湖泊、水庫總的水質特征是污染較嚴重,在 20世紀70年代調查的 34個湖泊中,呈現富營養(yǎng)化的湖泊占所評價面積的 5%;而 1986～1989年調查結果顯示,富營養(yǎng)化湖泊面積增加至 35.76%;到 90年代我國東部的湖泊幾乎都處于富營養(yǎng)化狀態(tài)。據《2006年中國水資源公告》對 43個湖泊的水質進行評價,水質符合和優(yōu)于Ⅲ類水的面積占 49.7%,Ⅳ類和Ⅴ類水的面積共占 15.3%,劣Ⅴ類水的面積占 35.0%。對 43個湖泊的營養(yǎng)狀態(tài)進行評價,云南的瀘沽湖為貧營養(yǎng),17個湖泊處于中營養(yǎng)狀態(tài),25個處于富營養(yǎng)狀態(tài)?？梢姾此廴粳F象在近 30年來呈迅速增長趨勢。

重慶市水庫水質狀況總體評價為：水庫水混濁度高和局部水質富營養(yǎng)化嚴重,藻類繁殖迅速,尤其是水土流失較重的水域,水體中營養(yǎng)元素含量偏高,水庫水質大多數為Ⅲ類水體,氮、磷含量明顯偏高,已處于中營養(yǎng)水平向富營養(yǎng)水平過渡階段。從滿足水域功能來看,滿足和優(yōu)于水域功能斷面占50%,不滿足水域功能的達到 50%。水庫水質普遍超標項目主要是糞大腸菌群、生化需氧量、溶解氧、氨氮、總磷、高錳酸鹽指數。重慶主城區(qū)水庫水質,水庫富營養(yǎng)化方面,選取具有代表性的主城區(qū)的 8座水庫的水質進行分析。7座水庫達到富營養(yǎng)化水平,其中 5座 (南彭水庫、觀音洞水庫、龍崗水庫、關頸口水庫、迎龍湖水庫)為輕度富營養(yǎng)化,2座 (新橋水庫、兩岔水庫)為中度富營養(yǎng)化[7]。

根據按照《水和廢水監(jiān)測分析方法》中的方法對重慶市某些湖庫水水質進行監(jiān)測,結果如表3、表 4和表 5所示。

3 重慶市湖庫水水資源條件分析

重慶是一個夏熱冬冷地區(qū),夏季炎熱的氣候比較長,高溫天氣一般會持續(xù) 3～4個月的時間,冬季氣溫較低,持續(xù)時間約 2個多月,為了便于重慶市居民的生活,需大力開展空調系統(tǒng)。而豐富的湖庫水水資源,為開展湖庫水水源熱泵空調系統(tǒng)是創(chuàng)造了有利條件。

表3 重慶市彩云湖水質狀況Tab.3 Water quality of the Caiyun Lake in Chongqing

表4 重慶市雙龍湖水質狀況Tab.4 Water quality of the ShuanglongLake in Chongqing

表5 重慶市開縣安康水庫水質狀況Tab.5 Water quality of the AnkangLake in Kaixian County of Chongqing

根據雙龍湖和彩云湖的測試數據及從圖 1、圖2、圖 3和圖 4重慶地區(qū)的溫度變化,可以估計重慶市湖庫水水溫在較深處夏季水溫約為 22℃～26℃,而冬季水溫約為 12℃～18℃。這個溫度范圍適合水源熱泵運行。但由于受到湖庫的邊界條件和水深等諸多因素的影響,不同深度處湖庫水的溫度變化規(guī)律亦不相同,因此在工程實際中應針對具體的水體,進行相應的測定分析,以確定出水源熱泵系統(tǒng)最適宜的取水點。另外由于湖庫水是一個相對封閉的水體,而且多數開式水源熱泵系統(tǒng)的尾水都排入該水體,因此湖庫水的表面積和水深對系統(tǒng)的供冷采暖性能有很大影響,因此在選擇湖庫水體時對水體容量大小必須滿足相關標準要求。

由表 3、表 4和表 5湖庫水水質可看出,該水體腐蝕作用不太強,結垢趨勢屬輕度水平。水庫水質偏富營養(yǎng)化,而這種水質容易誘發(fā)水生植物和藻類大量繁殖。雖在水源熱泵冷熱水源水質中對藻含量沒有單獨的要求,但若水中含藻過高,易在管道或盤管易沉積堵塞,甚至形成腐蝕。這是因為很多藻類能分泌出粘液,這些粘液能積聚無機物 (如泥砂、Fe2O3、Fe(OH)3、CaSO4、CaCO3)等固體物形成生物黏泥,此黏泥垢對熱泵系統(tǒng)會造成如下影響：(1)黏泥沉積在冷卻系統(tǒng)的管壁上,降低傳熱效率,或者阻塞管道,降低水流量,增加泵的能耗;(2)黏泥部分形成缺氧區(qū),垢下缺氧區(qū)金屬表面成為陽極被腐蝕; (3)黏泥內部形成兼氧條件,給鐵細菌、硫細菌等還原菌創(chuàng)造了生長條件,這些細菌的新陳代謝作用會加速金屬的電化學腐蝕過程;(4)藻類與黏泥互為生長或產生條件,一方面黏泥為藻類生長提供了附著條件,另一方面藻類的生長提供了藻菌群落基礎,加速了黏泥的形成或生長。因此重慶地區(qū)用湖庫水做水源熱泵水源必須解決湖庫水的含藻問題,在取水——水處理過程中應通過技術措施達到抑藻除藻的目的。

4 結 論

通過分析了重慶市的氣候條件因素,可以看出,由于最熱月的日最高溫度與日最低溫度分別為37.7℃和 28.2℃,溫差接近 10℃;最冷月的日最高溫度與日最低溫度分別為 13.6℃和 3.4℃,溫差也達到了 10℃,這么大的溫度波動,會使空氣源熱泵運行工況十分不穩(wěn)定。另外冬季日平均溫度最低約為 5.5℃,夏季日平均溫度最高約為 31.7℃,傳統(tǒng)的空氣源熱泵在這種氣候條件下運行,常常會偏離機組正常的工況下運行,這樣就會導致機組效率大大降低,從而消耗更多的能源。而通過湖庫水水溫監(jiān)測以及變化分析,水溫變化波動相對較小,水溫度全年波動較外界空氣而言要小得多,全年平均水溫在 10℃～28℃間波動。采用湖庫水作為空調系統(tǒng)的熱源熱匯,不僅會大大提高機組的能效比,而且有利于機組穩(wěn)定工況,保持機組的高效率工作,延長機組的使用壽命。

豐富的湖庫水資源,以及重慶市大部分建筑沿江修建或臨近較大的湖泊、水庫等水體,而且為滿足人們親水性的要求多數小區(qū)還建有景觀水池或人造水體,這些都為重慶市開展湖庫水水源熱泵系統(tǒng)創(chuàng)造便利條件;而通過重慶市湖庫水溫變化以及水質分析,基本上滿足地表水水源熱泵系統(tǒng)對水溫和水質的要求,故重慶市開展水湖庫水源熱泵系統(tǒng)是可行的。同時針對湖庫水水質特點,水中藻類大量繁殖極易沉積堵塞,甚至形成腐蝕,因此在湖庫水水源熱泵系統(tǒng)取水——水處理技術中應特別考慮藻類去除,以確保進入機組的水質達到要求。

[1] Kavanaugh S P.Design considerations for ground andwater source heat pumps in southern climates[J].ASHRAE Transactions, 1989,95(1)：1139-1149.

[2] Antero AM.Lakes as a heat source in cold climate[A].International Congress of Refrigeration[C].Washington D C,2003.1-8.

[3] 陳 曉,張國強,林宣軍 .南方地區(qū)開式湖水源熱泵的應用[A].2005年全國空調雨熱泵節(jié)能技術交流會論文集[C].大連,2005.370-374.

[4] 劉婷婷,彭建國,張國強,等.湖水水源熱泵空調系統(tǒng)在湖南省的應用實例分析[J].建筑熱能通風空調,2004,23(6)：40-44.

[5] 王 凡.水源熱泵空調系統(tǒng)設計探討[J].通風除塵,1996, (4)：40-44.

[6] 彭 建,趙鵬軍.重慶市的地理背景與區(qū)域發(fā)展研究[J].地理學與國土研究,2000,16(3)：37-42.

[7] 張 韻,李崇明,張 晟,等.重慶市主城區(qū)備用水源富營養(yǎng)化評價[J].灌溉排水學報,2009,28(3)：69-72.