海水熱泵系統(tǒng)在區(qū)域供熱供冷中的應(yīng)用及環(huán)境影響分析①

孫克威，李 斌，單 莉

(大連冷凍機(jī)股份有限公司，遼寧大連 116033）

·低溫與制冷·

海水熱泵系統(tǒng)在區(qū)域供熱供冷中的應(yīng)用及環(huán)境影響分析①

孫克威，李 斌，單 莉

(大連冷凍機(jī)股份有限公司，遼寧大連 116033）

結(jié)合當(dāng)前國(guó)內(nèi)能源及環(huán)境現(xiàn)狀，介紹了海水熱泵系統(tǒng)的主要原理和該技術(shù)在國(guó)外和國(guó)內(nèi)的應(yīng)用實(shí)例，分析了利用海水熱泵系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)區(qū)域供熱供冷對(duì)居住環(huán)境和居民健康的影響，揭示了海水源熱泵技術(shù)在我國(guó)的應(yīng)用前景。

海水源熱泵;區(qū)域供熱/供冷;環(huán)境影響;健康

當(dāng)前能源短缺和環(huán)境污染已成為全球性的兩大危機(jī)，能源的短缺和溫室效應(yīng)造成的全球氣候變暖已經(jīng)引起了人們?cè)絹?lái)越多的重視。近年來(lái)，我國(guó)以煤為主的一次能源產(chǎn)量和消耗量不斷增加。2002年全國(guó)建筑耗能已占全國(guó)能源總消耗量的27.8%左右，而在建筑耗能中，空調(diào)系統(tǒng)用電又占到約30%～40%，每年夏天都因?yàn)榭照{(diào)用電量的大量增加而造成供電緊張［1］，部分地區(qū)每到這時(shí)就會(huì)采取按計(jì)劃的拉閘限電等措施，供需矛盾十分突出，給正常的生產(chǎn)和生活帶來(lái)影響。面對(duì)日益嚴(yán)峻的能源形勢(shì)，我國(guó)已經(jīng)把可再生能源開(kāi)發(fā)和利用放在突出位置，也將節(jié)能環(huán)保當(dāng)作一件大事來(lái)抓，尤其是2005年中國(guó)將節(jié)約能源制定為基本國(guó)策。本文有選擇地介紹了海水源熱泵技術(shù)在國(guó)外 (主要是北歐瑞典地區(qū)）區(qū)域供熱供冷中的實(shí)際應(yīng)用，說(shuō)明了海水熱泵的工作原理，探討了水源熱泵技術(shù)在供暖供冷中的應(yīng)用，并分析了應(yīng)用該技術(shù)后對(duì)人們居住環(huán)境和生活健康帶來(lái)的影響。

1 海水源熱泵技術(shù)

熱泵是一種利用高位能使熱量從低位熱源流向高位熱源的節(jié)能裝置，可以把不能直接利用的低位熱源 (如空氣、土壤、水中所含的熱能、太陽(yáng)能、工業(yè)廢熱等）轉(zhuǎn)換為可以利用的高位熱能，從而達(dá)到節(jié)約部分高位能 (如煤、燃?xì)?、油、電等）的目的?］。熱泵系統(tǒng)能量組成見(jiàn)圖1。

圖1 熱泵系統(tǒng)的能量利用示意圖Fig.1 A diagram for energy utilization of heatpump system

海洋面積約占地球表面積的70%，同時(shí)海洋還是一個(gè)巨大的可再生能源庫(kù)，每年進(jìn)入海洋的太陽(yáng)輻射能大多數(shù)是以熱能的形式儲(chǔ)存在海洋中，而且海水的熱容量又較大。隨著熱泵技術(shù)的不斷發(fā)展，把海水用做熱泵系統(tǒng)的熱源和冷源，將合適區(qū)域的海水作為冬、夏季的供暖熱源和空調(diào)冷源，即在冬季，把海水中的熱量“取”出來(lái)，提高溫度后，供給室內(nèi)采暖，如圖2所示;在夏季制冷時(shí)，把空調(diào)房間的熱量“取”出來(lái)，釋放到海水中去，如圖3，同時(shí)保持水體總的熱量平衡。

圖2 海水源熱泵冬季工況示意圖Fig.2 Seawater heatpump operation diagram in winter

應(yīng)用這種熱泵系統(tǒng)代替?zhèn)鹘y(tǒng)鍋爐房+冷水機(jī)組的方案實(shí)現(xiàn)城市區(qū)域供熱/供冷在技術(shù)上已經(jīng)成熟，使用海水熱泵技術(shù)通過(guò)輸入少量電能把海水的低位熱能轉(zhuǎn)化為可利用的高位熱能用來(lái)供熱，可以替代一部分傳統(tǒng)鍋爐房，或者在城市熱電廠集中供熱鍋爐系統(tǒng)擴(kuò)容較困難的情況下，作為一種有效的供熱補(bǔ)充。夏季海水溫度一般在20～30℃左右，是非常好的優(yōu)質(zhì)冷卻水。因?yàn)槭褂煤Ｋ鳛槔鋮s水，不但可以省去常規(guī)冷水機(jī)組需要的冷卻塔，而且海水作為冷卻水，水溫較低，會(huì)大幅提高熱泵機(jī)組COP值。

圖3 海水源熱泵夏季工況示意圖Fig.3 Seawater heatpump operation diagram in summer

海水源熱泵技術(shù)與傳統(tǒng)的鍋爐供暖和分散的冷水機(jī)組制冷相比，其主要特點(diǎn)有:

(1）節(jié)約能源消耗、節(jié)水、保護(hù)環(huán)境。與常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)相比，熱泵系統(tǒng)大量利用了海水中的低位熱能，制取相同的冷量或熱量，對(duì)應(yīng)消耗的一次能源更少。由于不需要冷卻塔，還節(jié)省了大量在夏季冷卻過(guò)程中需要的補(bǔ)水量。而且因?yàn)橄募井a(chǎn)生相同制冷量的電耗減少，能大大緩解夏季空調(diào)用電對(duì)電網(wǎng)的沖擊，減少電網(wǎng)建設(shè)費(fèi)用。若需要供熱供冷的地點(diǎn)位于風(fēng)景名勝區(qū)內(nèi)，環(huán)境的清潔和美觀要求更高，海水熱泵的技術(shù)優(yōu)勢(shì)就更明顯。

(2）系統(tǒng)運(yùn)行高效、靈活。大型熱泵站與許多分散的小型制冷機(jī)相比，連接的用戶數(shù)量越大，冷 (熱）負(fù)荷同時(shí)利用系數(shù)越小，降低了系統(tǒng)尖峰負(fù)荷，減小裝機(jī)容量，同時(shí)在用戶負(fù)荷發(fā)生變化時(shí)，能靈活調(diào)整機(jī)組的運(yùn)行工況和運(yùn)行數(shù)量，使得系統(tǒng)的工作曲線維持在一個(gè)比較平緩的模式，使系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)一個(gè)較高的運(yùn)行能效比或COP值。

(3）建筑空間利用率和美觀性提高，防止軍團(tuán)菌孳生。這部分內(nèi)容參見(jiàn)下文第3部分的描述。

(4）大型熱泵系統(tǒng)維護(hù)簡(jiǎn)單、費(fèi)用便宜。采用海水源熱泵技術(shù)，取消單個(gè)建筑內(nèi)空調(diào)系統(tǒng)的維護(hù)人員，而大型熱泵站內(nèi)的維護(hù)人員都受過(guò)嚴(yán)格的培訓(xùn)，加上先進(jìn)的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，供冷、供熱的質(zhì)量、可靠性和安全性都得到很大提高。由于采用了先進(jìn)技術(shù)，工作量大大降低，維護(hù)人員減少，維護(hù)成本也大大降低。

一個(gè)典型的海水熱泵系統(tǒng)主要包括:海水取水排水系統(tǒng)、熱泵站、輸送管網(wǎng)、用戶換熱分站等，如圖4所示。

圖4 海水源熱泵系統(tǒng)示意圖Fig.4 A diagram of seawater heatpump system

2 海水熱泵在國(guó)內(nèi)外的應(yīng)用

國(guó)際上對(duì)利用海水資源進(jìn)行供冷供熱的研究已經(jīng)進(jìn)行了幾十年，北歐地區(qū)在海水源熱泵方面的應(yīng)用比較領(lǐng)先，瑞典和挪威已經(jīng)達(dá)到規(guī)?；瘧?yīng)用的程度，現(xiàn)在整個(gè)北歐有180多臺(tái)大型熱泵在運(yùn)行。其中瑞典從1985年至今總建設(shè)量約為1000 MW區(qū)域供熱，應(yīng)用于區(qū)域供熱和工業(yè)區(qū)的大型熱泵機(jī)組，采用的熱源有海水、污水、湖水、地下水、工藝廢水和廢煙氣等;從1995年至今總建設(shè)量約為500 MW應(yīng)用于城市和工業(yè)生產(chǎn)的區(qū)域供冷［3］。我國(guó)海水熱泵技術(shù)的研究和應(yīng)用才剛起步，與國(guó)外相比在熱泵機(jī)組的優(yōu)化設(shè)計(jì)和工程應(yīng)用上還存在較大差距。

2.1 斯德哥爾摩海水熱泵供冷/供熱系統(tǒng)

斯德哥爾摩是瑞典的首都，位于14個(gè)島嶼上，是世界上最美麗的城市之一。斯德哥爾摩從20世紀(jì)60年代就開(kāi)始采用熱泵技術(shù)進(jìn)行區(qū)域采暖，它干凈的海水、清新的空氣和湛藍(lán)的天空得益于對(duì)環(huán)境的嚴(yán)格保護(hù)［4］。在斯德哥爾摩大約60% 的用戶使用區(qū)域采暖系統(tǒng)，而50%的區(qū)域供暖采用熱泵系統(tǒng)提供區(qū)域采暖的基礎(chǔ)負(fù)荷，在天氣最冷時(shí)由燃油鍋爐、電鍋爐等進(jìn)行峰期負(fù)荷調(diào)整。其區(qū)域供熱網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)遍布全市，連接2千多萬(wàn)平方米建筑，供暖溫度約為80℃，室內(nèi)溫度維持在20℃左右，滿足了城市供暖的需求。供熱管網(wǎng)從地理上可分為3個(gè)主要管網(wǎng):The Central Network，the North－Western Network和the Southern Network。表1列出了斯德哥爾摩地區(qū)1994年不同熱泵站的產(chǎn)熱量及其供熱的管網(wǎng)［3］。

表1 1994年不同熱泵站生產(chǎn)的熱量Table 1 The heat produced by different heatpump station in 1994

1995年5月，斯德哥爾摩市開(kāi)始用新的區(qū)域制冷系統(tǒng)對(duì)城市中心地區(qū)進(jìn)行舒適性和各種工藝處理過(guò)程的供冷，該系統(tǒng)的制冷量大部分來(lái)自于波羅的海的海水。在海水溫度較低時(shí)如冬季，吸入低溫海水，通過(guò)板式換熱器直接來(lái)冷卻區(qū)域供冷管網(wǎng)的回水，海水作為自然冷源，是最節(jié)能的供冷方式，冷水通過(guò)區(qū)域供冷管網(wǎng)輸送給用戶，當(dāng)海水的溫度不夠低時(shí) (如夏季），用海水作為冷源已經(jīng)無(wú)法滿足供冷需求，熱泵機(jī)組在這時(shí)用來(lái)生產(chǎn)低溫的冷水。

2.2 國(guó)內(nèi)海水熱泵系統(tǒng)供冷/供熱的應(yīng)用

我國(guó)有11萬(wàn)多公里的海岸線，有眾多的島嶼和半島，很多大中城市位于沿海地帶。沿海城市發(fā)展快，建筑物分布密集度高，對(duì)節(jié)能環(huán)保技術(shù)需求越來(lái)越大，并且國(guó)內(nèi)有幾十年的集中供熱管網(wǎng)的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)。我國(guó)北方一些城市如大連、青島等，與北歐的氣候非常接近，在海水資源利用方面也具有非常便利的條件，在黃海、渤海的海水溫度最低的2月份，大部分區(qū)域海水表面溫度在2℃以上，可以滿足熱泵運(yùn)行條件［3］。目前在建的大連星海灣熱泵站項(xiàng)目二期，就是應(yīng)用海水作為系統(tǒng)冷/熱源實(shí)現(xiàn)供熱供冷。該項(xiàng)目所在的大連星海灣是亞洲最大的公眾廣場(chǎng)，這里面對(duì)大海，風(fēng)景優(yōu)美，未來(lái)將發(fā)展成為大連市商務(wù)、金融、展覽業(yè)中心，該區(qū)域建筑集中，冬夏季均有采暖和空調(diào)的需求。熱泵站項(xiàng)目一期使用的是附近污水廠的污水作為冬/夏季熱源和冷源，項(xiàng)目一期已經(jīng)安裝完成，系統(tǒng)運(yùn)行良好，二期及三期將使用附近的海水作為冷/熱源，進(jìn)一步提高熱泵站的區(qū)域供冷/供熱能力。二期選用由大連冷凍機(jī)股份有限公司生產(chǎn)的大型熱泵機(jī)組3臺(tái)，單臺(tái)機(jī)組的主要性能見(jiàn)表2。大連地區(qū)另外一個(gè)海水熱泵項(xiàng)目，大連星海假日酒店選用5臺(tái)國(guó)產(chǎn)的SGHP1000型海水源熱泵［5］，實(shí)現(xiàn)夏季供冷、冬季供熱的需求。

表2 熱泵機(jī)組的主要性能Table 2 Main performance index of heatpump unit

3 海水熱泵對(duì)環(huán)境影響的分析

3.1 節(jié)能減排、減小溫室效應(yīng)

與常規(guī)空調(diào)技術(shù)相比，大型海水熱泵系統(tǒng)因?yàn)榇罅坷昧撕Ｋ械牡臀粺崮?，而且該系統(tǒng)具有更高的季節(jié)能效比，所以該系統(tǒng)制取相同的冷量或熱量，每年可節(jié)省一次能源 (煤）約40% ～50%［6］。而煤是一種污染指數(shù)極高的燃料，是導(dǎo)致環(huán)境空氣質(zhì)量下降的主要原因之一，節(jié)約煤的消耗就意味著減少二氧化碳、二氧化硫、氮氧化合物及粉塵等的排放量，而二氧化碳是主要的溫室效應(yīng)氣體之一，因此會(huì)大大降低溫室效應(yīng);大型熱泵機(jī)組不僅使用環(huán)保制冷劑 (如R134a）保護(hù)大氣臭氧層，而且大型熱泵站可以更集中、更完善地處理制冷劑在工作及回收時(shí)的泄漏問(wèn)題。泄漏的制冷劑也是溫室效應(yīng)氣體，所以減少制冷劑的泄漏同樣也可以降低溫室效應(yīng)。我國(guó)簽訂了《京都議定書(shū)》，其中保護(hù)大氣以及提高空氣質(zhì)量是一個(gè)重要的承諾，使用大型海水熱泵不但可以減少二氧化碳及粉塵的排放，降低大氣中煙霧的濃度，提高空氣質(zhì)量，同時(shí)因制冷劑泄漏而引發(fā)的問(wèn)題也更少。

3.2 城市熱島效應(yīng)

一個(gè)建筑區(qū)域中的人口越稠密，車輛和空調(diào)等越多，城市熱島效應(yīng)就越強(qiáng)，人們?cè)接X(jué)得不舒適。在北京市區(qū)，從1961年到2004年間，人們對(duì)空氣平均溫度進(jìn)行了測(cè)量和分析。圖5給出了嚴(yán)重?zé)釐u效應(yīng)日的記載［7］，它顯示了這44年來(lái)熱島效應(yīng)的天數(shù)隨時(shí)間發(fā)展而增長(zhǎng)的明顯趨勢(shì)。

圖5 1961年～2004年間嚴(yán)重“城市熱島效應(yīng)”日的變化Fig.5 The days changing for grievous“urban heat island effect”from 1961 to 2004

其中空調(diào)設(shè)備的影響是顯而易見(jiàn)的，更高的空氣溫度增加了冷負(fù)荷，并要求安裝更大制冷量的設(shè)備，這導(dǎo)致更高的投資和電耗。機(jī)械設(shè)備消耗的電量越多，就會(huì)產(chǎn)生更大的城市熱島效應(yīng)［7］。而如果使用海水熱泵區(qū)域供熱供冷會(huì)讓這一情況得到根本性轉(zhuǎn)變。所有的得熱量包括太陽(yáng)輻射入建筑的熱量、戶外空氣和通風(fēng)傳播的熱量、人員和電驅(qū)動(dòng)機(jī)械的散熱都會(huì)被區(qū)域供冷管網(wǎng)帶走并釋放到海洋中。熱量將不再被聚集在城市高大建筑之間，而是被排放到巨大的海洋水體中，同時(shí)不會(huì)造成任何城市熱島效應(yīng)。所以區(qū)域供熱供冷能很有效地減少城市熱島效應(yīng)，而不是通過(guò)本地安裝制冷空調(diào)設(shè)備來(lái)增加這一效應(yīng)，這或許是減少城市熱島效應(yīng)最現(xiàn)實(shí)和有效的辦法了。

3.3 軍團(tuán)病

當(dāng)夏季使用傳統(tǒng)冷水機(jī)組制取冷水時(shí)，一般都需要使用冷卻塔來(lái)帶走冷水機(jī)組的冷凝熱。使用冷卻塔時(shí)，軍團(tuán)病菌導(dǎo)致的軍團(tuán)病是一個(gè)很嚴(yán)重的問(wèn)題。在北京從1997年到1999年，4月到9月之間的時(shí)間，對(duì)14個(gè)四星、五星級(jí)酒店的38個(gè)冷卻塔抽查，進(jìn)行軍團(tuán)病菌的檢測(cè)，經(jīng)查其中12個(gè)酒店的冷卻塔都感染了軍團(tuán)病菌 (占85.7%），在21個(gè)冷卻塔中檢測(cè)出軍團(tuán)病菌，陽(yáng)性率為55.3%［7］。軍團(tuán)菌的最有利的孳生環(huán)境是在30～40℃的靜水中，冷卻塔下部的水池是典型的最有利環(huán)境，通過(guò)微小水滴是最有效的病菌傳播途徑，冷卻塔循環(huán)水中一部分被空氣以小水滴的形式帶走，人體吸入這些微小水滴后最容易被軍團(tuán)病菌感染。而在使用海水熱泵系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)區(qū)域供冷后，將軍團(tuán)病爆發(fā)的危險(xiǎn)降低為零。在海水熱泵區(qū)域供冷系統(tǒng)中，使用熱泵機(jī)組把空調(diào)房間的熱量“取”出來(lái)，釋放到海水中去，不需要用到冷卻塔。所以海水熱泵技術(shù)對(duì)市民的健康和周圍環(huán)境產(chǎn)生了很大的積極影響。

3.4 對(duì)建筑內(nèi)部空間及建筑美觀的影響

使用當(dāng)?shù)匦⌒屠渌畽C(jī)組夏季供冷時(shí)，在建筑內(nèi)安裝制冷設(shè)備要占用一定的空間。一般冷水機(jī)組是安裝在地下室的，冷卻塔安裝在屋頂，而且冷卻塔通常很難與美觀的建筑立面和諧共存，業(yè)主自行安裝的分體空調(diào)也存在類似情況。使用海水源熱泵實(shí)現(xiàn)區(qū)域供冷后，把去掉冷卻塔而節(jié)省的空間變成美麗的樓頂花園，或在屋頂增建房間再租出去 (帶來(lái)經(jīng)濟(jì)收益）等。取消當(dāng)?shù)乩渌畽C(jī)組，還消除了機(jī)組在樓內(nèi)工作或起/停時(shí)所產(chǎn)生的噪音，這些都是采用海水熱泵技術(shù)后帶來(lái)的變革，既美觀又環(huán)保，還對(duì)居民健康有益。

4 結(jié) 語(yǔ)

由國(guó)內(nèi)外的應(yīng)用實(shí)例可以看出，使用海水熱泵區(qū)域供熱供冷是經(jīng)過(guò)充分證明的技術(shù)，由于該系統(tǒng)節(jié)能環(huán)保，并且熱泵系統(tǒng)自動(dòng)化程度遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)鍋爐+局部冷水機(jī)組系統(tǒng)，其維護(hù)成本較低，并且隨著煤炭?jī)r(jià)格的持續(xù)上漲，而電價(jià)因?yàn)樾略鏊娬净蚝穗娬?(如大連地區(qū)已建成一個(gè)核電站）的投產(chǎn)不會(huì)過(guò)分依賴于煤價(jià)，所以其運(yùn)營(yíng)成本的優(yōu)勢(shì)會(huì)隨著時(shí)間的推移而越來(lái)越大。同時(shí)本文還介紹了區(qū)域供熱供冷對(duì)環(huán)境和居民健康的積極影響，如降低城市熱島效應(yīng)、消除軍團(tuán)病爆發(fā)的危險(xiǎn)等?？紤]到這些因素，筆者認(rèn)為海水源熱泵技術(shù)不僅僅是一種可再生能源利用的理論，還是一種可以在我國(guó)具有合適水源條件地區(qū) (如大連、青島等）建議使用的成熟技術(shù)。

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Application of Using Seawater Heatpum p System For District
Heating＆Cooling And The Environment Effect Analysis

SUN Kewei，LIBin，SHAN Li
(Dalian Refrigeration Co.，Ltd.，Dalian 116033，China）

Considering the recent energy and environment situation in China，introduce themain principle of the seawater heatpump system and the applications of this technology in＆out of China.Analyses the effectof residents＇health and living environment by using seawater heatpump system to fulfil the district heating＆cooling.Reveals the perspective of using the seawater source heatpump technology in China.

seawater source heatpump;district heating/cooling;environment effect;health

TU833

A

1007－7804(2012）01－0005－05

10.3969/j.issn.1007－7804.2012.01.002

2011－10－26

孫克威 (1981），男，大學(xué)本科，工程師，從事暖通空調(diào)方面的工程設(shè)計(jì)?，F(xiàn)工作于大連冷凍機(jī)股份有限公司空調(diào)設(shè)計(jì)部。