江水源熱泵在世博場館中的應用

同濟大學 馬宏權 龍惟定

0 引言

利用江水來為建筑物進行冷卻的技術應用歷史悠久，早在1878年巴黎世界博覽會（Exposition Universally de Paris 1878）上，巴黎人就以五月廣場為中心，充分利用了塞納河的供水之便，由4座水泵，將塞納河水抽上來，經過23公里長的管道將水輸送到博覽會的每個角落。他們還利用水來操縱電梯和噴泉，并讓水流入工業(yè)宮的地板下面來降低室內溫度。法國人的水流控制技術大大造福了參觀者，成為博覽會上的一大亮點。

2010年上海世博會將從5月1日持續(xù)到10月31日，據預測參觀人數將達7000萬人次。由于處于盛夏時節(jié)，天氣酷熱和人流量大對場館的供冷帶來極大壓力。為體現(xiàn)節(jié)能環(huán)保和“城市，讓生活更美好”的世博理念，世博會充分利用場館建設于黃浦江邊的這一獨特地理優(yōu)勢，夏季供冷采用“江水源熱泵＋水蓄冷＋冰蓄冷的節(jié)能技術”，冬季供熱則采用“江水源熱泵＋燃氣鍋爐的節(jié)能技術”，在冬季需要供冷的區(qū)域中直接利用冬季溫度較低的黃浦江水進行供冷。這樣，一方面獲得了免費的冷量，減少了中央空調冷熱源系統(tǒng)的綜合能耗，另一方面，通過江水源熱泵的合理利用，大幅降低了冷卻塔的使用量，緩解了城市局部區(qū)域的”熱島”效應。避免或減少溫室氣體的排放。通過水源熱泵技術，直接從黃浦江取水，經加藥以控制微生物和藻類生長后，作為冷卻用水供水源熱泵機組使用，使用后的溫熱水排入黃浦江。整個過程清潔環(huán)保，對黃浦江水質無污染，充分利用了世博園濱江而立的區(qū)位優(yōu)勢，對黃浦江做到了有效的利用和保護，充分體現(xiàn)了世博建筑的社會價值。本文就江水源熱泵在世博場館中的應用進行簡要介紹，并總結經驗教訓為類似江水源熱泵系統(tǒng)可靠性的保障和能源效率的提高提供參考。

1 江水源熱泵的原理與優(yōu)點

1）熱泵技術按熱源對象可分為空氣源熱泵、地源熱泵和水源熱泵三種形式。只需輸入少量的高品位電能，通過熱泵機組即可把空氣、大地或水中所儲存不能直接使用的低品位能源轉化成有用的熱能。水源熱泵一般是使用江、河、湖、海的地表水和地下水資源作為熱泵機組的冷熱源，由于地表水溫度與空氣之間的溫差天然存在且可更新，這種溫差能是高效節(jié)能清潔環(huán)保的可再生能源。黃浦江水源熱泵冬夏原理圖如圖1所示。由于夏季江水溫度低于空氣溫度，冬季江水溫度高于空氣溫度，且江水溫度變化相對穩(wěn)定，全年變化范圍為6～30℃，因此，在熱泵的各運行期間相比于空氣溫度更有利于用作熱泵的冷熱源。特別像上海這樣水資源較豐富的地區(qū)，是節(jié)約能源、利用可再生能源、保護環(huán)境和減少溫室氣體和其它大氣污染物排放有效方法。

2）江水源熱泵的能源利用效率要高于傳統(tǒng)的空調冷熱源系統(tǒng)，這是由于以下幾點：（1)夏季江水源熱泵的冷卻效率較高。江水溫度最不利情況在28－30℃，但大多數情況低于26℃，比傳統(tǒng)的冷卻塔水溫低6-8℃，冷卻溫度每降低1℃機組效率約可提高1.5%，因此熱泵機組制冷效率和能源利用效率均高于傳統(tǒng)冷卻塔冷卻的冷水機組。（2）冬季大型水源熱泵機組制熱效率和能源利用效率均遠高于空氣源熱泵，更比單純燃燒的天然氣鍋爐能源效率要高。（3）大型江水源熱泵系統(tǒng)可以方便的利用熱回收技術全年提供生活熱水。（4）江水源熱泵可以實現(xiàn)過渡季節(jié)的免費供冷。在負荷不高的過渡季節(jié)，大型江水源熱泵的取水管道可以直接獲得10℃左右的冷水，完全可以直接用于內區(qū)供冷，同時內區(qū)供冷后水溫升高的江水再進行制熱，可以提高熱泵機組制熱的能力和效率。

3）江水源熱泵不但能源利用效率要高于傳統(tǒng)的空調冷熱源系統(tǒng)，而且節(jié)約化石能源并更為清潔環(huán)保。具體體現(xiàn)在：（1）江水源熱泵在本項目中采用黃浦江水源，可以避免常規(guī)空調使用冷卻塔造成的飄水、噪音、滋生細菌。美化園區(qū)的景觀。另外由于冬季供暖和生活熱水也可以同時由水源熱泵提供，避免了在該區(qū)域設置大量鍋爐房，避免了煙囪和煙塵排放。（2）利用黃浦江水源熱泵將空調排熱利用江水帶走，可以避免常規(guī)空調系統(tǒng)冷卻塔向空氣散熱造成園區(qū)內的局部高溫，從整體上降低園區(qū)內和城市下風側區(qū)域內的空氣溫度，從而緩解園內非空調區(qū)的酷熱和城市的“熱島”效應。根據計算，采用江水源熱泵在局部可以降低空氣溫度2－3℃，以風速3m/s,在公共活動中心100米高度范圍內可以有效降低空氣溫度0.1℃。（3）優(yōu)化了園區(qū)能源結構，減小了對化石能源供應的壓力。江水源熱泵不需要鍋爐等燃燒設備，提取的江水中的自然能源可以視為可再生能源，應對能源危機和能源價格上漲效果顯著。傳統(tǒng)大型建筑物空調系統(tǒng)冷熱源冬季一般使用天然氣鍋爐，由于天然氣是高品質的清潔能源，用于燃燒供暖從能源利用效率上分析是不科學的。加上我國目前正在經歷全國普遍的天然氣短缺，尤其是大型城市的冬季用氣高峰期。從能源利用的合理性上，江水源熱泵機組明顯優(yōu)于空氣源熱泵和天然氣鍋爐。

2 江水源熱泵在世博場館中的適用性

上海世博會的主題為“城市，讓生活更美好”。2009年起又提出“低碳世博”的理念。根據上海世博會的總體規(guī)劃，世博會期間各類展館的總規(guī)劃建筑面積約185萬平方米，建筑密度大、負荷高，適合采用集中供冷供熱系統(tǒng)，而節(jié)能的空調能源策略是必須考慮的一部分，包括對江水的利用和多種節(jié)能技術的有效利用。上海世博園橫跨黃浦江兩岸，具備極佳的取水便利條件，且水溫適宜，2003年監(jiān)測到的黃浦江月度水溫平均數據如表1所示，為江水源熱泵在世博場館中的利用提供了良好的基礎。

為充分利用濱江臨水的獨特地理優(yōu)勢，國家科技部和上海市科委設立了《城市清潔能源高效利用技術及系統(tǒng)的研究與示范》雙重大研究課題，組織了國內專業(yè)的研究機構研究世博中的清潔能源系統(tǒng)規(guī)劃及其關鍵技術問題，其中第三子課題專項分析了在世博區(qū)域中規(guī)?；媒礋岜玫目尚行裕⒁虻刂埔说木幹屏私礋岜脤嵤┮?guī)劃，涉及到江水源熱泵設計過程當中的負荷分布預測、系統(tǒng)配置優(yōu)化、管網布置及優(yōu)化，以及完成主要永久性場館空調系統(tǒng)的技術方案和經濟分析。

表1 2003年黃浦江淞浦大橋監(jiān)測站各月平均水溫（℃）

為實現(xiàn)科學規(guī)劃，世博能源系統(tǒng)規(guī)劃充分考慮了對各不同建筑能源需求的預測。世博園區(qū)展館建筑群有著與普通建筑明顯不同的特點：占地面積大、建筑數量多、人流量密集，其預測人流量見圖2。根據2010年上海世博會總體規(guī)劃對世博園區(qū)圍欄內的建筑群進行空調動態(tài)負荷預測，分析各類世博建筑的典型日負荷，部分負荷分布及其出現(xiàn)頻率，并研究空調負荷與氣象條件和人流密度等關鍵因素的關聯(lián)規(guī)律。通過逐時空調動態(tài)負荷、負荷率的時間分布（見圖3）、月空調負荷量和設計日負荷等結果，分析世博園區(qū)各片區(qū)建筑群的空調動態(tài)負荷特性，這些對世博建筑能源系統(tǒng)的設計和運行起到至關重要的指導作用。世博能源規(guī)劃中夏季供冷系統(tǒng)優(yōu)化集成了江水源熱泵、水（冰）蓄冷技術和地源熱泵技術，冬季供熱則集成了江水源熱泵和天然氣鍋爐的技術組合，輔以大溫差供能和高效輸配系統(tǒng)，實現(xiàn)高效節(jié)能和清潔環(huán)保的最優(yōu)復合式能源系統(tǒng)，并在運行中實現(xiàn)效率優(yōu)先和優(yōu)點互補，最大程度的利用可再生能源滿足建筑冷熱需求。在冬季需要供冷的建筑物內直接利用冬季溫度較低的黃浦江水換熱供冷。這樣，一方面安全可靠的利用可再生能源并在過渡季節(jié)實現(xiàn)免費供冷，減少了中央空調冷熱源系統(tǒng)的綜合能耗，另一方面，通過江水源熱泵的合理利用，大幅降低了夏季冷卻塔的使用量，緩解了城市局部區(qū)域的“熱島”效應，也避免了冬季鍋爐房的建設和化石燃料的使用，避免鍋爐煙囪對建筑形態(tài)和環(huán)境帶來的不利影響，減少了溫室氣體和污染物的排放。

3 世博場館中江水源熱泵的應用情況

本次世博會圍欄區(qū)分為5個功能片區(qū)，見圖4所示。江水源熱泵供冷/供熱系統(tǒng)根據規(guī)劃和實際情況，主要在其中2個片區(qū)內規(guī)模化實現(xiàn)：一個是以世博軸、世博中心以及世博演藝中心等建筑為主的B功能片區(qū)；另一個是浦西世博園E功能片區(qū)，充分利用了原南市電廠的取排水口，建設新能源站進行區(qū)域供冷，各片區(qū)節(jié)能減排效益可見表2。

1）B片區(qū)的江水源熱泵技術

表2 2010年上海世博會江水源熱泵系統(tǒng)及其服務范圍總覽

在B功能片區(qū)，江水源熱泵技術應用于沿江“一軸二館”的空調系統(tǒng)，即：世博軸、世博中心和世博演藝中心三大建筑。采用各建筑合用一個取水系統(tǒng)的方式，最大設計取水量12000m3/h，江水經過清污、過濾等工序后，直接進入熱泵機組，對約46萬平米永久建筑提供空調供暖服務。

（1）世博軸江水源熱泵

世博軸及其地下空間是2010年上海世博會園區(qū)最大的單體結構，占地面積13.6萬平方米，總建筑面積24.8萬平方米，是上海世博園區(qū)的標志性項目之一。該建筑的空調系統(tǒng)采用了江水源熱泵結合地源熱泵的復合系統(tǒng)，實現(xiàn)空調冷熱源100%采用可再生能源。其中江水源熱泵承擔2/3負荷，地源熱泵承擔1/3負荷。

世博軸采用了3臺單冷離心機，每臺1000冷噸；5臺熱泵機組，每臺350冷噸，總裝機容量4750冷噸。結合地源熱泵系統(tǒng)，全年可節(jié)電169萬kWh；節(jié)能1420噸標煤，全年減排5310噸CO2當量。地源熱泵根據項目所在地的巖土熱物性實驗結果，因地制宜的利用了6000根建筑樁基布置土壤換熱器形成能源樁，將建筑樁基與地源熱泵系統(tǒng)結合起來，節(jié)省投資和土地。

（2）世博中心江水源熱泵

世博中心位于盧浦大橋東側世博園區(qū)B區(qū)濱江綠地內，東西長約350米，南北寬約140米，總建筑面積約14萬平方米。在世博會期間，世博中心將承擔世博會運營指揮中心、慶典會議中心、新聞中心、論壇活動中心等，是上海世博會運營管理的主要工作場所。

世博中心采用了江水源熱泵技術并結合冰蓄冷水蓄冷技術。通過利用冰/水蓄冷技術，可以利用夜間低谷電力，合理轉移電力高峰。該項目冬季制熱裝機容量1780kW，夏季制冷裝機容量1758kW，冰蓄冷容量7200冷噸時，水蓄冷容量2150冷噸時。全年可節(jié)電10.2萬kWh，節(jié)能143噸標煤，全年減排472噸CO2當量。已經申報國家綠色建筑三星級示范項目。

（3）世博文化中心江水源熱泵

世博文化中心位于世博園區(qū)東南端，在世博軸以東，北與世博展覽館隔江相望，西與世博中心呼應，總建筑面積8萬平方米，其中地上建筑面積約4.5萬平方米，地下建筑面積約3.5萬平方米。

世博文化中心采用了江水源熱泵結合冰蓄冷的系統(tǒng)方案。其原理圖見圖5所示。在夜間制冰蓄冷，移峰填谷，節(jié)能運行。江水源雙工況熱泵機組裝機容量2200kW，蓄冰裝置容量850冷噸時（約3000kWh）。全年可預見節(jié)電12.8萬kWh，節(jié)能177噸標煤，減排584噸CO2當量，同時冰蓄冷技術可在用電高峰時削峰300kW。

2）E片區(qū)的江水源熱泵區(qū)域供冷技術

浦西能源中心主要的供能對象為世博未來館。浦西上海世博會的世博未來館為原南市電廠改建而成，是世博園區(qū)內最高的建筑物，其能源系統(tǒng)圖如圖6所示，集成了太陽光伏發(fā)電、渦輪蝸桿風力發(fā)電、江水源熱泵、主動式光導管、自然通風等多項節(jié)能技術，達到了較高比例的可再生能源利用。未來館按照綠色建筑標準還大量使用綠色建材和可回收再利用的建筑材料，建設了室內大型綠化和生態(tài)綠墻，并對水資源進行回收再利用，以達到建設清潔環(huán)保、節(jié)能高效的綠色建筑目標。

浦西能源中心利用原有南市電廠的冷卻水取水口取黃浦江水，避免了重復建設。取水能力可達30000m3/h,通過設置隔柵網(粗過濾)、旋轉濾網(中級過濾)、300μm的過濾器 (精過濾)見圖7所示、加氯系統(tǒng)、環(huán)保球自動清洗系統(tǒng)（見圖8）等多道處理措施，確保水質滿足水源熱泵的需求以及排放不會對黃浦江的環(huán)境造成影響。

整個浦西能源站可滿足約40萬平米建筑的空調需求，并且設置采用4臺2800kW燃氣熱水鍋爐，在冬季輔助供熱。預計全年可節(jié)電241.5萬kWh；全年節(jié)能1175噸標煤；全年減排5351噸CO2當量。與傳統(tǒng)空調相比較，可以節(jié)省40%的投資與運行費用。

圖7 世博未來館江水源熱泵的精密過濾器

5 結論

1)由于濱江優(yōu)勢和水源特性適宜，江水源熱泵在世博場館中得到規(guī)?；膽茫纳屏私ㄖ庥^和區(qū)域環(huán)境，有利于緩解城市“熱島”效應，并具有一定的節(jié)能減排的作用。

2)世博軸采用的江水源復合地源熱泵系統(tǒng)，并采用效率優(yōu)先的運行模式，夏季以江水源系統(tǒng)為主，地源系統(tǒng)為輔；冬季以地源系統(tǒng)為主，江水源為輔，實現(xiàn)了復合能源系統(tǒng)的優(yōu)劣互補，解決了江水源熱泵冬季運行效率低開啟困難和地源熱泵的土壤熱平衡的問題，保證了系統(tǒng)運行的安全穩(wěn)定。

3)世博中心采用的江水源熱泵加冰蓄冷復合系統(tǒng)，夏季白天兩臺江水源熱泵機組和一臺冷水機組負責制冷冷卻，夜間兩臺蓄冰機組完全只依靠江水進行制冷，則較好的實現(xiàn)了江水源熱泵與蓄能系統(tǒng)，以及大溫差供冷和免費供冷的技術集成，獲得了較好的示范意義。

4)江水源熱泵溫排水會對局部江水溫度造成小幅影響，因此要根據潮汐變化對取排放口的位置和距離進行模擬分析和優(yōu)化設置，并恰當應對海水倒灌造成的江水的腐蝕性，使系統(tǒng)與江水的雙向影響達到最小程度。

5)江水源熱泵正在為持續(xù)一個夏季的世博提供服務，在運行中應該進一步總結經驗，加強管理，確保安全，提高能效。