清潔能源海水源熱泵技術的工程應用研究

孫宏偉

（江蘇河海新能源有限公司，常州 213100）

清潔能源海水源熱泵技術的工程應用研究

孫宏偉

（江蘇河海新能源有限公司，常州 213100）

海水源熱泵是一種清潔能源技術，利用海水吸收與儲存的太陽輻射能和淺表地熱能為建筑供冷供熱，在可再生能源領域具有良好的發(fā)展前景。

海水源熱泵；可再生能源；清潔能源

海水源熱泵技術是一種清潔能源利用技術，在國內外已有多項應用工程成功案例，其中大連成為我國的海水源熱泵應用示范城市。我國海岸線長達3萬多公里，有眾多的島嶼和半島，各沿海地區(qū)海洋熱能資源極為豐富，為海水源熱泵技術利用提供了廣闊的資源利用條件。

近年來，隨著可再生能源技術方面的政策扶持力度加大，海水源熱泵技術在我國具備實施的現(xiàn)實條件。同時，在區(qū)域海水源熱泵解決方案中，由于海水源熱泵技術具有良好的節(jié)能和經濟效益的特點，在沿海地區(qū)發(fā)展前景良好。

1. 海洋熱能

1.1 海洋熱能的概念

海洋熱能是海水吸收與儲存的太陽輻射能。據(jù)統(tǒng)計，海洋接受的太陽輻射能，按平均功率計，約為60萬億千瓦以上；按熱量計，為每秒14萬億千卡，相當于200萬噸優(yōu)質煤燃燒時放出的全部熱量。僅取總量的萬分之一，即有60億千瓦，相對于全世界300年的能源需要，海洋熱能是目前海洋資源開發(fā)中的重要研究方向[1]。

海水的溫度以℃表示，海水溫度的高低，決定于輻射過程、大氣與海水之間的熱量交換和蒸發(fā)等因素。海水溫度基本上都是隨深度增加而減小。一般情況下，低緯度海區(qū)水溫高，高緯度海區(qū)水溫低，高低之差可達30℃。水溫一般隨深度的增加而降低，表層海水溫度在25℃～30℃，其附近溫度的減小較快。典型的溫度—深度剖面上有數(shù)十米厚的表層，稱為混合層，其海水充分混合，接近同溫狀態(tài)?；旌蠈酉碌臏囟润E變區(qū)，稱為溫躍層。溫躍層特性因季節(jié)而異，夏季隨混合層的變暖而增“強”，冬季則因表層水的冷卻而變“弱”。

1.2 海洋熱能利用方式

海洋熱能主要利用在海洋熱能空調、海洋溫差能發(fā)電和海水冷卻等領域。

海水源熱泵利用海水吸收的太陽能和地熱能形成的低溫低位熱能資源，采用熱泵原理通過少量的高位電能輸入，實現(xiàn)低位熱能向高位熱能轉移的一種技術，具有綠色環(huán)保、資源高效利用、占地面積小等優(yōu)點[2]。

2. 海水源熱泵技術在國內外發(fā)展情況

2.1 國內發(fā)展情況

我國海水源熱泵技術工程應用起步較晚，2004年第一個海水源熱泵示范工程在青島建成。青島其后實施了石老人生態(tài)旅游健身區(qū)、黃島區(qū)千禧龍花園小區(qū)三期等利用海水源熱泵技術實現(xiàn)供熱、供冷、供水“三聯(lián)供”的項目。

近年來，大連隨著星海灣商務區(qū)、北海熱電廠、長?？h獐子島住宅改造海水源熱泵等項目先后上馬實施，海水源熱泵區(qū)域供能面積不斷擴大，被國家建設部選為全國唯一的水源熱泵技術規(guī)模化應用示范城市。

此外，上海地區(qū)利用海水源將大型熱泵和區(qū)域供冷結合，廣州市可以利用珠江的河水進行區(qū)域供冷等。結合當?shù)氐牡乩?、氣候、水溫條件，走上了海水源熱泵技術工程應用的規(guī)模化道路。

2.2 國外發(fā)展情況

1930年第一臺現(xiàn)代蒸汽壓縮式熱泵在蘇格蘭誕生，標志著壓縮式熱泵應用進入新的時代。20世紀70年代的石油危機促使吸收式熱泵的研究和應用得到了很大的發(fā)展，美國以及加拿大等北美國家對水源熱泵開展了一系列基礎性的實驗研究。

90年代中期海水源熱泵技術在瑞典投入工程應用，其后有超過20家公司在瑞典提供銷售區(qū)域供冷的服務。瑞典有上百個大型熱泵站，總容量約為1200MW，其中斯德哥爾摩熱泵站年容量最大。

此外，20世紀70～90年代，悉尼歌劇院、大阪南港宇宙廣場等項目應用海水源熱泵技術滿足了區(qū)域供冷供熱的需求。

3. 海水源熱泵技術原理

海水源熱泵技術對海水的利用方式一般分為直接利用和間接利用兩種方式。

3.1 直接利用方式

將海水經過水泵提升，通過取水管道直接引入熱泵機組的換熱器，使海水的冷熱量直接傳遞給熱泵工質，換熱后的海水再通過排水管道輸送回海面。

圖1 大連星海灣商務區(qū)和青島千禧龍花園小區(qū)三期海水源熱泵項目

圖2 直接利用方式系統(tǒng)原理圖

圖3 間接利用方式系統(tǒng)原理圖

3.2 間接利用方式

間接利用方式一：在冷熱源側采用閉環(huán)的水系統(tǒng)，一般采用高密度聚乙烯塑料管作為熱交換器，直接將其投放于海水中，通過換熱盤管中的換熱介質與海水之間的換熱來實現(xiàn)能量轉移。

間接利用方式二：利用換熱器將海水與熱泵機組隔離開，利用循環(huán)水泵將海水通過輸送管道送至換熱器中，使其與熱泵回水在換熱器中實現(xiàn)能量交換，從而將海水的冷熱量傳遞給水環(huán)系統(tǒng)的換熱介質，再通過換熱介質的循環(huán)將冷熱量傳遞給熱泵的換熱器，放出冷熱量的海水則通過排水管道輸送回海面。

4. 海水源熱泵項目取水水工布置

由于潮汐等水文條件的限制，海水取水問題是海水源熱泵關鍵技術之一。常用的取水方式主要包括岸邊進水頭式、岸邊滲透式等取水方式[3]。

圖5 岸邊滲透式

取水技術內容包括取水方式和供水參數(shù)，且供水參數(shù)中水溫、水質和水量直接影響海水源熱泵系統(tǒng)的運行效果，并決定了整個熱泵系統(tǒng)的初投資及運行和維修維護費用。

4.1 岸邊進水頭式取水

能源中心建在海岸邊，取水頭放在海水較深的位置。取水頭部內設格柵及旋轉濾網，其中格柵采用膨脹螺栓進行固定，布設旋轉濾網。

4.2 岸邊滲透式取水

在海岸邊鉆廣口井，海水則通過滲透滲入廣口井內，水源水受潮汐水位的影響較小，還可以通過一次沙濾的過程，提高了取水水質，再通過取水潛水泵將廣口井中的海水送至能源中心。

國內有學者研究發(fā)現(xiàn)，滲流換熱過程中含水層溫度變化最大，含水層周圍土壤層的溫度變化有明顯的衰減和滯后，海水滲流與土壤換熱后供水水溫提高[4]。

5. 海水源熱泵技術節(jié)能和環(huán)保效益

海水源熱泵機組運行減少了電力消耗，減輕了電網常年運行負荷。同時降低了一次能源消耗過程中產生的SO2、CO2等污染物排放，減少ODS（消耗臭氧物質）排放緩解溫室效應，具有很好的節(jié)能效益。

由我國污染物排放定額可知，假設節(jié)約用電1000 k.wh，相當于節(jié)約標準煤400kg，相當于CO2減排997kg，粉塵272kg，SO2減排30kg，NOx減排15kg，環(huán)保效益十分顯著。

6. 結論

海水源熱泵是一種可再生能源技術，主要是利用海水吸收與儲存的太陽輻射能和淺表地熱能，為區(qū)域建筑供冷供熱。

我國沿海地區(qū)結合當?shù)氐牡乩?、氣候、水溫條件，選擇合適的海水源熱泵系統(tǒng)形式及取水水工布置形式，以期取得良好的節(jié)能和環(huán)保效益。

[1] 張莉, 胡松濤. 海水作為熱泵系統(tǒng)冷熱源的研究[J]. 建筑熱能通風空調, 2006. 25 (3):34-38, 57.

[2] 蔣爽, 李震. 海水熱泵系統(tǒng)的應用及發(fā)展前景[J]. 節(jié)能與環(huán)保，2005，10: 11-14.

[3] Gille D. Seawater intakes for desalination plants[J].Desalination，2003，156（1/2/3）：249-256.

[4] 吳君華,由世俊,李海山. 海水源熱泵系統(tǒng)取水技術試驗[J]. 天津大學學報,2009,42(1):78- 82.