長(zhǎng)江流域江水源熱泵清潔能源應(yīng)用技術(shù)研究

孫宏偉

（江蘇河海新能源有限公司，常州 213100）

國(guó)務(wù)院轉(zhuǎn)發(fā)國(guó)家發(fā)改委、住建部《綠色建筑行動(dòng)方案》的通知，提出“十二五”期間完成新建綠色建筑10億m2；到2015年末20%的城鎮(zhèn)新建建筑達(dá)到綠色建筑標(biāo)準(zhǔn)要求。開(kāi)發(fā)利用各類(lèi)低品位可再生性清潔能源作為熱泵冷熱源為建筑物供暖供冷，對(duì)建筑節(jié)能與環(huán)保具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。由于地下水源熱泵造成地下水資源浪費(fèi)、環(huán)境地質(zhì)災(zāi)害等局限性，其開(kāi)發(fā)應(yīng)用前景并不樂(lè)觀，而江河水資源的開(kāi)發(fā)利用越來(lái)越受到社會(huì)的關(guān)注。我國(guó)長(zhǎng)江流域水量充足，年水溫變化小的地區(qū)覆蓋面廣，相對(duì)大氣而言具有冬暖夏涼的冷熱特征，國(guó)內(nèi)已有多項(xiàng)應(yīng)用利用江河水作為冷熱源來(lái)發(fā)展水源熱泵技術(shù)的工程實(shí)例（如重慶江北城CBD項(xiàng)目、上海十六鋪工程等）。鑒于此，筆者以長(zhǎng)江流域上下游城市重慶和上海為例，分析研究江水源熱泵系統(tǒng)的應(yīng)用現(xiàn)狀及待解決的關(guān)鍵技術(shù)，以期為長(zhǎng)江流域科學(xué)合理的區(qū)域型江水源熱泵技術(shù)解決方案提供參考[1-3]。

1. 江水源熱泵清潔能源應(yīng)用概況

1.1 工程規(guī)模與冷熱負(fù)荷

江水源熱泵系統(tǒng)應(yīng)用工程建筑規(guī)模增速明顯，上海十六鋪地區(qū)工程分兩期實(shí)施，總建筑面積為11.40萬(wàn)m2，重慶涪陵中央商務(wù)區(qū)總建筑面積45.24萬(wàn)m2。此類(lèi)建筑使用功能多以休閑、娛樂(lè)、購(gòu)物于一體的綜合性商務(wù)區(qū)，其中上海十六鋪地區(qū)工程綜合改造為地下建筑商業(yè)區(qū)，地面則以綠化和景觀建筑為主的城市景觀工程，對(duì)于城市化發(fā)展程度高度發(fā)展的地段具有現(xiàn)實(shí)的借鑒價(jià)值。

通過(guò)對(duì)江水源熱泵系統(tǒng)工程的冷熱負(fù)荷特點(diǎn)、使用頻率和全年冷熱負(fù)荷進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，研究發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)冷熱負(fù)荷大致表現(xiàn)出冷負(fù)荷大于熱負(fù)荷的特點(diǎn)，系統(tǒng)冷熱負(fù)荷比不僅與該地區(qū)氣象條件有關(guān)，還與建筑布設(shè)特點(diǎn)有關(guān)，如上海十六鋪工程為地下建筑，冷熱負(fù)荷比相對(duì)于地上建筑偏小，尤其是冬季熱負(fù)荷降低顯著。此外，長(zhǎng)江流域全年空調(diào)冷熱源使用情況供冷265～302d，供熱79～95d。

1.2 區(qū)域江水利用的自然條件

1.2.1 水量水溫水位參數(shù)

長(zhǎng)江流域水資源十分豐富，其中重慶段嘉陵江匯流后多年平均流量10930m3/s，上海段長(zhǎng)江口多年平均流量31149m3/s。

長(zhǎng)江流域水溫適宜無(wú)冰凍期，重慶段和上海段冬、夏季水溫（水面下0.5m處）及氣溫見(jiàn)表1。

長(zhǎng)江水位受氣溫、降水等因素影響季節(jié)性變化特征顯著，根據(jù)2012年長(zhǎng)江航道局公布數(shù)據(jù)長(zhǎng)江重慶段寸灘水文站水位變化2.65～27.78m。上海段為長(zhǎng)江口，且黃浦江為湖源河網(wǎng)型潮汐河流，因此該段水位還需考慮水文潮汐變化數(shù)據(jù)、河床特征等因素。

1.2.2 水質(zhì)參數(shù)

江水中含有腐蝕、結(jié)垢等離子，采取適宜的取退水、水處理技術(shù)控制換熱設(shè)備的腐蝕、結(jié)垢和污損微生物附著等問(wèn)題，主要水質(zhì)參數(shù)為：含沙量、pH值、氯化物含量和總硬度等。據(jù)長(zhǎng)江重慶段寸灘水文站資料，該段夏季月均含沙量370～920mg/L，冬季月均含沙量23～42mg/L。參考《地源熱泵系統(tǒng)工程技術(shù)規(guī)范》(GB 50366-2005)對(duì)水源熱泵機(jī)組推薦的水質(zhì)要求，長(zhǎng)江流域大部分地區(qū)除含沙量外，其他水質(zhì)指標(biāo)均能滿(mǎn)足要求。因此，針對(duì)夏季江水含沙量大、微生物與懸浮物含量高的特點(diǎn)，選擇適宜的水處理控制技術(shù)防腐、防堵塞[4]。

表1 長(zhǎng)江重慶段和上海段冬、夏季水溫及氣溫參數(shù) ℃

2. 江水源熱泵系統(tǒng)及其配置

2.1 系統(tǒng)形式

根據(jù)江水是否直接進(jìn)入熱泵換熱設(shè)備，分為直接式和間接式江水源熱泵系統(tǒng)；按換熱器換熱類(lèi)型分為殼管式、板式、浸泡式和淋水式，各類(lèi)型系統(tǒng)優(yōu)劣見(jiàn)表2。

2.2 系統(tǒng)選擇

根據(jù)實(shí)際工程建設(shè)規(guī)模、冷熱負(fù)荷特點(diǎn)、江水利用自然條件，參照不同江水源熱泵系統(tǒng)的特點(diǎn)，選擇合適的系統(tǒng)形式及其配置。板式系統(tǒng)與殼管式系統(tǒng)相比，具有冷熱源能量利用率低等缺點(diǎn)，其更適用于分散式水源熱泵機(jī)組。浸泡式、淋水式的冷熱源能量利用率也偏低，且應(yīng)用規(guī)模受一定限制。

近年來(lái)，江水源熱泵與蓄能技術(shù)的耦合系統(tǒng)在工程（如上海十六鋪工程）中得以推廣應(yīng)用。蓄能技術(shù)通過(guò)設(shè)置冰蓄冷和電蓄熱系統(tǒng)，既減小變壓器裝機(jī)容量，又利用晝夜電力差價(jià)降低運(yùn)行費(fèi)用。同時(shí)，江水源熱泵與太陽(yáng)能等其他可再生能源的耦合系統(tǒng)在長(zhǎng)江流域具有廣闊的發(fā)展前景[5-7]。

2.3 系統(tǒng)運(yùn)行

江水源熱泵、蓄能技術(shù)、太陽(yáng)能光熱等耦合系統(tǒng)在工程中得以推廣應(yīng)用，參照工程實(shí)際系統(tǒng)按一定的優(yōu)先級(jí)和順序運(yùn)行，主要包括供冷、供熱及聯(lián)合供冷供熱三種工況，不同工況下運(yùn)行方式有所差異。

表2 各類(lèi)型江水源熱泵系統(tǒng)優(yōu)劣一覽表

3. 江水源熱泵清潔能源待解決關(guān)鍵技術(shù)

3.1 取退水方式、水凈化處理

取水方式主要有浮船取水、滲濾取水和直接取水等，其中浮船取水適宜水位變幅大、需水量偏小的地段，投資較少；滲濾取水方式水質(zhì)較好、運(yùn)行簡(jiǎn)單，但施工復(fù)雜，且受水文地質(zhì)、工程地質(zhì)條件的限制；直接取水安全可靠，但對(duì)取水水質(zhì)要求較高。取水口一般布設(shè)在水面下1～2m以下，高低水位落差在3m以上以防止吸入泥沙。長(zhǎng)江流域不同地域江水利用條件有所差異，應(yīng)建立針對(duì)不同水域的取水技術(shù)規(guī)范。

退水方案中退水口在水平方向上布設(shè)在取水口的下游，避免對(duì)取水水溫?cái)_動(dòng)降低冷熱源能量利用率。同時(shí)，充分重視江水源熱泵技術(shù)向水體環(huán)境排熱導(dǎo)致的水體熱污染問(wèn)題及其對(duì)水生環(huán)境造成危害問(wèn)題，退水口宜利用江岸護(hù)坡改造成人工跌落瀑布，降低退水對(duì)河流生態(tài)環(huán)境的影響。因此，有必要進(jìn)一步開(kāi)展退水技術(shù)規(guī)范研究。

水凈化處理主要針對(duì)江水中的泥沙、微生物和懸浮物，考慮經(jīng)濟(jì)環(huán)保效益主要以除砂、過(guò)濾等物理處理方式。目前廣泛采用的設(shè)備有旋流除砂器、機(jī)械過(guò)濾器等，但對(duì)細(xì)砂的除砂效果仍不理想，還有待進(jìn)一步改進(jìn)除砂工藝[8,9]。

3.2 換熱器流動(dòng)換熱與防腐防垢技術(shù)

除砂工藝處理效果不理想，江水中的細(xì)砂影響換熱器的流動(dòng)換熱特性，降低了冷熱源能量利用率，結(jié)垢問(wèn)題還影響江水在換熱器內(nèi)流動(dòng)換熱過(guò)程。目前采用的水處理器、自動(dòng)清洗裝置有一定的防垢能力，但在工程實(shí)際應(yīng)用中尤其在夏季含沙量高時(shí)仍存在嚴(yán)重的結(jié)垢問(wèn)題。因此，防垢工藝還有待進(jìn)一步改進(jìn)并在工程實(shí)際中應(yīng)用。

針對(duì)系統(tǒng)換熱設(shè)備的防腐問(wèn)題，提出了采用鈦合金、銅鎳合金等解決措施。但由于此類(lèi)材料價(jià)格頗高，綜合考慮經(jīng)濟(jì)效益應(yīng)開(kāi)展針對(duì)江水水質(zhì)的廉價(jià)替代材料的研究。

3.3 熱泵冷卻水二次利用技術(shù)

為提高江水源熱泵節(jié)能效果和充分利用水資源，在匹配管網(wǎng)與水量的基礎(chǔ)上，將熱泵冷取水作為中水用于城市綠化、道路清掃、景觀噴淋等二次利用。

3.4 江水源熱泵機(jī)組工況分析

長(zhǎng)江流域水溫具有顯著的地域性、季節(jié)性變化特征，江水源熱泵與蓄能技術(shù)、太陽(yáng)能光熱耦合系統(tǒng)使江水源熱泵機(jī)組工況變得更為復(fù)雜。因此，在江水源熱泵系統(tǒng)機(jī)組性能測(cè)試和工況分析時(shí)，應(yīng)針對(duì)不同系統(tǒng)組成、不同水溫變化進(jìn)行標(biāo)定，建立適宜的江水源熱泵應(yīng)用技術(shù)規(guī)范[10]。

4. 結(jié)論

長(zhǎng)江流域江水源熱泵清潔能源應(yīng)用技術(shù)快速發(fā)展，工程應(yīng)用中主要考慮建設(shè)規(guī)模、冷熱負(fù)荷特點(diǎn)、江水利用自然條件等因素。取、退水方式、水凈化處理、換熱器流動(dòng)換熱與防腐防垢技術(shù)、熱泵冷卻水二次利用等關(guān)鍵技術(shù)還有待進(jìn)一步研究。

江水源熱泵與蓄能技術(shù)、太陽(yáng)能光熱的耦合系統(tǒng)進(jìn)一步發(fā)展，使江水源熱泵系統(tǒng)機(jī)組性能測(cè)試和工況分析更為復(fù)雜，有必要建立適宜的江水源熱泵應(yīng)用技術(shù)規(guī)范，為科學(xué)合理的區(qū)域型江水源熱泵技術(shù)解決方案提供參考。

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