基于人工海洋濕地的生態(tài)建筑設(shè)計及其能耗分析

黎榮標(biāo) 趙敬德 李啟宇 嚴(yán)國慶

基于人工海洋濕地的生態(tài)建筑設(shè)計及其能耗分析

黎榮標(biāo) 趙敬德 李啟宇 嚴(yán)國慶

東華大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院

由于海水對管道腐蝕、換熱回水對周邊海洋生態(tài)環(huán)境熱污染等問題，限制了海水源熱泵系統(tǒng)的推廣應(yīng)用。該文提出了一種基于人工海洋濕地的生態(tài)小區(qū)的設(shè)計理念。該生態(tài)小區(qū)內(nèi)構(gòu)建了人工海洋濕地作為冷熱源，使用海水源熱泵系統(tǒng)解決小區(qū)內(nèi)的空調(diào)制冷和供暖問題。通過對這種生態(tài)小區(qū)的能耗分析，結(jié)果表明該生態(tài)小區(qū)系統(tǒng)可以比起常規(guī)系統(tǒng)更加節(jié)能，而且減少淡水資源的使用，利用人工海洋濕地對海水的凈化作用，既減少了海水對管道的腐蝕，又解決了冷卻回水直接排放的熱污染問題。

海洋濕地生態(tài)小區(qū)建筑能耗海水源熱泵系統(tǒng)節(jié)水

0 引言

生態(tài)小區(qū)是一個以人類生活與生產(chǎn)活動為中心的，由人和環(huán)境組成的自然、社會、經(jīng)濟(jì)的復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)，是人類建筑的發(fā)展的趨勢[1]。但是，在沿海及海島地區(qū)，由于淡水資源的緊缺，限制了生態(tài)小區(qū)的發(fā)展。國內(nèi)外專家學(xué)者提出了將海水源熱泵系統(tǒng)應(yīng)用到生態(tài)小區(qū)中的構(gòu)想：考慮到深層海水溫度常年恒定，海水成為了最理想的地位冷熱源[2]。但要直接利用海水作為熱泵系統(tǒng)的冷熱源需要解決以下常見的問題：

1）海水的凈化和管道、設(shè)備的腐蝕。產(chǎn)生管道腐蝕的主要原因是：海水中顆粒懸浮物對于管道沖刷[3]；水生浮游性動植物附著在管道之上影響管道傳熱以及海水作為強電解質(zhì)對于管道的侵蝕[4]。

2）空調(diào)系統(tǒng)對周邊生態(tài)環(huán)境的影響。海洋濕地凈化的海水經(jīng)過空調(diào)系統(tǒng)后，未經(jīng)處理就直接排入周邊海域，會影響甚至破壞周邊海域生態(tài)環(huán)境，從而降低了海洋自凈能力[5]。

而我國沿海地區(qū)包括沿海11個省、市、自治區(qū)，土地面積約為130萬平方公里，占全國的13.5%；居住人口占全國40%，國民生產(chǎn)總值占全國60%以上，擁有的水資源卻只占26%全國的淡水資源[6]。沿海地區(qū)淡水資源緊缺，有效使用海洋資源可以減緩沿海地區(qū)淡水資源緊缺的現(xiàn)狀。

為了有效緩解和解決以上問題，本文中提出了“一種基于人工海洋濕地的生態(tài)小區(qū)”的設(shè)計理念。

1 基于人工海洋濕地生態(tài)小區(qū)設(shè)計

1.1基于人工海洋濕地生態(tài)小區(qū)概述

基于人工海洋濕地的生態(tài)小區(qū)的設(shè)計是一種間接利用海洋海水資源的設(shè)計，實現(xiàn)了利用人工濕地凈化海洋海水，并將此海水與海水源熱泵系統(tǒng)換熱。海水源熱泵系統(tǒng)為小區(qū)內(nèi)建筑提供冷供熱。

該生態(tài)小區(qū)主要包括了生態(tài)小區(qū)居住樓、主體海洋濕地、換熱池、綜合沉淀池、建筑儲備用水池。來自海洋的海水首先被引入人工海洋濕地，由濕地進(jìn)行初步的凈化，凈化后的海水在換熱池中再被海水源熱泵機組使用。熱泵換熱回水不是直接排放到海洋中去，而是用于噴泉或是水體景觀換熱，避免了直接排放對海洋原始生態(tài)的影響。

該生態(tài)小區(qū)不但實現(xiàn)了再生能源的有效利用，緩解沿海地區(qū)淡水資源緊缺、地下水水資源匱乏的問題，而且通過海洋濕地來凈化海洋海水，減少了海水對管道腐蝕、消除了熱泵冷卻回水的熱污染問題。

1.2生態(tài)小區(qū)的人工海洋濕地構(gòu)建

這種人工海洋濕地是指，在沿海地區(qū)的天然海洋濕地或者在廢棄的鹽堿地的基礎(chǔ)上，進(jìn)行土方工程搭建綜合沉淀池、換熱池、建筑儲備用水池以及海洋濕地主體建設(shè)。整個人工海洋濕地設(shè)計形狀為“巨”型，目的是便于對海水的凈化。人工海洋濕地的設(shè)計流量和體積應(yīng)該最少要滿足海水源熱泵系統(tǒng)的冷熱源的需求量。相應(yīng)的可依據(jù)生態(tài)小區(qū)的建筑風(fēng)格配以水景，增加藝術(shù)美感。人工海洋濕地的流程圖如圖1。

圖1 生態(tài)小區(qū)中海洋濕地系統(tǒng)流程圖

如圖1所示，主要包括了內(nèi)循環(huán)和外循環(huán)。外區(qū)是海洋濕地與海洋的循環(huán)作用。如圖1a所示，來自海洋的海水經(jīng)過綜合沉淀池直接進(jìn)入到人工濕地中，在人工濕地對來自海洋的海水進(jìn)行凈化處理，部分海水排回海洋中。內(nèi)區(qū)是系統(tǒng)換熱循環(huán)，如圖1b所示，經(jīng)由人工海洋濕地凈化后的海水經(jīng)過綜合沉淀池區(qū)作用，過濾泥沙、重金屬以及藻類，然后在換熱池與海水源熱泵機組換熱。

1.3生態(tài)小區(qū)中的海水源熱泵系統(tǒng)

海水源熱泵機組只要通過輸入少量的高位電能，就能實現(xiàn)低位熱能向高位熱能轉(zhuǎn)移。20世紀(jì)80年代以來，瑞典已經(jīng)建成了一些大型海水源熱泵，其他國家也建了一些大型海水源熱泵站[7]?；诤Ｑ鬂竦厣鷳B(tài)小區(qū)的核心是使用海水源熱泵機組為小區(qū)提供所需的冷量和熱量。該系統(tǒng)具有以下優(yōu)點：

1）有效利用了可再生能源，熱泵系統(tǒng)環(huán)保效益顯著。相對于燃煤鍋爐，海水源熱泵在運行中不會產(chǎn)生污染環(huán)境。海水源熱泵系統(tǒng)碳排放最高可減少50%[8]。

2）高效節(jié)能，運行費用低。海水源熱泵具有較高的COP值，一般在3.6～5.5左右。

3）一機多用，使用靈活。海水源熱泵冬季可以代替鍋爐為建筑供熱。夏季可以代替制冷機組和冷卻塔為建筑供冷[9]。

2 案例分析

2.1生態(tài)小區(qū)工程概述

本文為位于福建廈門沿海區(qū)域的某生態(tài)小區(qū)提供了設(shè)計方案。

該項目位于福建廈門的沿海區(qū)域，由30棟別墅組成，主要包括了三類別墅型式：G型（12棟）、C型（10棟）、B型（8棟）?？偨ㄖ娣e12800m2，空調(diào)面積為12157m2。小區(qū)平面圖如圖2所示。

圖2 生態(tài)小區(qū)平面圖

2.2研究方法

本文將使用eQUEST建筑能耗模擬對生態(tài)小區(qū)進(jìn)行能耗分析。eQUEST軟件根據(jù)輸入的建筑情況和室內(nèi)設(shè)計溫度值，動態(tài)地計算出建筑的全年能耗[10]。

為了研究方便，定義使用節(jié)能率為指標(biāo)，體現(xiàn)海水熱泵系統(tǒng)的節(jié)能效果。這里自定義相對節(jié)能率的概念：即海水源熱泵系統(tǒng)耗能相對于常規(guī)冷卻塔空調(diào)系統(tǒng)耗電量節(jié)電比率，定義公式如下：

式中：γ為相對節(jié)能率；PCCCT為冷卻塔系統(tǒng)的全年用電量，kWh；PSWHP為海水源熱泵系統(tǒng)的全年用電量，kWh。

2.3生態(tài)小區(qū)eQUEST建筑模型

小區(qū)的別墅eQUEST建模如圖3。

圖3 建筑eQUEST模型外觀

2.3.1空調(diào)負(fù)荷計算

使用eQUEST軟件計算出該小區(qū)的建筑冷逐月冷熱負(fù)荷，如圖4。

圖4生態(tài)小區(qū)每月最大冷熱負(fù)荷變化

圖4 為該小區(qū)的空調(diào)負(fù)荷的逐月分布，最大的制冷負(fù)荷為1335.5kW，最大熱負(fù)荷250.7kW。

2.3.2冷水機組設(shè)備選型

本小區(qū)空調(diào)系統(tǒng)擬采用區(qū)域供能，根據(jù)空調(diào)負(fù)荷狀況，分別選用海水源熱泵機組系統(tǒng)為建筑提供冷量并選用另一套普通冷水機組作為參照系統(tǒng)。海水源熱泵機組的冷熱源側(cè)接海洋濕地中的換熱池，普通制冷機組冷熱源側(cè)使用冷卻塔系統(tǒng)。選取1.1的富余系數(shù)，即制冷機組應(yīng)該滿足1469kW制冷量要求。主要技術(shù)參數(shù)如表1。

表1 區(qū)域供冷用機組參數(shù)

2.3.3生態(tài)小區(qū)eQUEST空調(diào)系統(tǒng)模型

本文在eQUEST內(nèi)進(jìn)行了空調(diào)系統(tǒng)模型搭建工作，如圖5所示。

圖5兩套eQUEST空調(diào)系統(tǒng)

圖5 a使用兩臺海水源熱泵機組，海水進(jìn)入機組在蒸發(fā)器側(cè)換熱；圖5b中使用普通冷水機組，并依靠開式冷卻塔與外界換熱。模擬的目的是對比冷熱源側(cè)節(jié)能性，因此選定相同的空調(diào)末端。

2.4冷熱源側(cè)節(jié)能性分析

對設(shè)好的eQUEST系統(tǒng)模型進(jìn)行的全年能耗模擬計算。計算海水源熱泵系統(tǒng)和參照系統(tǒng)全年耗電量，如圖6。

圖6 生態(tài)小區(qū)空調(diào)設(shè)備全年耗電量

在空調(diào)末端相同的情況下，對比海水源熱泵系統(tǒng)與常規(guī)冷卻塔系統(tǒng)，其冷熱源側(cè)全年耗電量分析如下：

對比冷熱源換熱側(cè)耗電量，海水源熱泵系統(tǒng)比冷卻塔系統(tǒng)耗電量減少42197kWh的電量，相對節(jié)能率高達(dá)96.68%；這是因為相比冷卻塔系統(tǒng)，海水源熱泵系統(tǒng)冷熱源側(cè)水溫比較恒定，海水表層以下5m海水溫度在9～27℃波動[11]；而且節(jié)省了冷卻塔、部分水泵的耗電量。得益于海水溫度的恒定，制冷效率COP可以達(dá)到5.5，減少了冷水機組的耗電量。

如圖7所示，海水源熱泵系統(tǒng)全年相對節(jié)能率為21.17%，7月份達(dá)到最大值，節(jié)能率為29.86%。也就是說，相對于普通冷卻塔空調(diào)系統(tǒng)，海水源熱泵系統(tǒng)全年運行更加節(jié)能，尤其是在夏季，這是因為在夏天當(dāng)空氣溫度高于35℃時，常規(guī)空調(diào)機組效率開始下降，空氣溫度越高，機組制冷效率越低，能耗增加。在空氣溫度為30℃時，常規(guī)空調(diào)機組能效比COP也僅有2.2左右。也說明了室外空氣溫度越高，冷水機組制冷效率越低，能耗增加。反觀海水源熱泵系統(tǒng)，夏季制冷工況冷卻水供水溫度較低，這使得海水源熱泵機組能效都維持在一個較高的水平。

圖7 每月冷熱源側(cè)相對節(jié)能率

因此可以得出結(jié)論，使用海水源熱泵系統(tǒng)比起國內(nèi)常見的冷卻塔系統(tǒng)在耗電量上明顯的優(yōu)越性。

2.5冷熱源側(cè)節(jié)水性分析

使用海水源熱泵系統(tǒng)，省卻了冷卻塔的用水量，所以節(jié)水量即冷卻塔系統(tǒng)全年所需要的補水量，通過系統(tǒng)的循環(huán)水量確定。

系統(tǒng)循環(huán)水量計算式如下[12]：

式中：G為冷卻水量，kg/s；Q0為冷卻機組制冷量，kW；c為水的比熱容，kJ/(kg℃)；k為制冷機耗功的熱量系數(shù)，取1.2；△T為冷卻塔供回水溫差，取5℃。

計算得出循環(huán)水量為84kg/s。取補水率為2%～3%，以總循環(huán)水量的2%為補水率[13]。由eQUEST模擬可知，冷卻塔全年運行時間為5245h。計算可得，全年冷卻塔系統(tǒng)補水量為31721.76t，則海水源熱泵系統(tǒng)每年的節(jié)水量為31721.76t。

3 結(jié)論

本文首次提出了“基于海洋濕地的生態(tài)小區(qū)”設(shè)計理念，并對這樣的生態(tài)小區(qū)設(shè)計、建筑能耗、建筑耗水等做了分析。

從設(shè)計上看，將海洋濕地和海水源熱泵系統(tǒng)巧妙的結(jié)合在一起為生態(tài)小區(qū)服務(wù)，體現(xiàn)了人居環(huán)境與自然環(huán)境和諧共存設(shè)計理念。

這種使用海水源熱泵系統(tǒng)在冷熱源側(cè)耗水量比使用冷卻塔系統(tǒng)省卻了冷卻塔耗水有效的緩解沿海及海島地區(qū)因為淡水資源的緊缺，而限制了生態(tài)小區(qū)的發(fā)展的問題，在淡水資源緊缺的沿海城市意義重大。

而使用了海水源熱泵，從環(huán)保角度看，當(dāng)海水源熱泵系統(tǒng)運行不受環(huán)境條件制約，不會對大氣和地下水造成污染，并且還能充分地利用海水熱源。從技術(shù)角度看，海水源熱泵機組COP值比普通冷水機組有很大的提高，具有很好的節(jié)能效果。歸結(jié)這種基于人工海洋濕地的生態(tài)小區(qū)具有以下優(yōu)點：

1）可以減少管道、設(shè)備的腐蝕性問題。延長管道使用壽命，保證系統(tǒng)高效安全運行。

2）消除或減弱供冷回水溫度對周邊生態(tài)環(huán)境的影響。

3）使用海水源熱泵系統(tǒng)更加節(jié)水，緩解沿海地區(qū)淡水資源緊缺現(xiàn)狀。

4）相比于常見的冷卻塔作為冷熱源的空調(diào)系統(tǒng)而言，該海水源熱泵系統(tǒng)。

因此，本文中提出了“一種基于人工海洋濕地的生態(tài)小區(qū)“的設(shè)計理念是符合生態(tài)小區(qū)可持續(xù)發(fā)展和可再生能源的有效利用。

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The Ec o-c om m unity De s ign a nd Ene rgy Cons um ption Ana lys is for Cons truc te d Ma rine We tla nd

LI Rong-biao,ZHAO Jin-de,LI Qi-yu,YAN Guo-qing
School of Environmental Science&Engineering,Donghua University

The application of sea water source heat pump system is limited due to seawater corrosion and thermal impact of directly drained cooling water.A design concept of eco-community based on constructed marine wetland is proposed in this investigation.A constructed marine wetland is designed to be the heating and cooling source,and seawater heat pump system is selected for the space cooling and heating of the eco-community.Energy analysis simulation of the eco-community is conducted,and the result shows that the eco-community has not only higher efficiency of energy and water usage than conventional HVAC system,but also declines the thermal impact on ocean ecosystem and the corrosion of the pipelines.

eco-community,constructed marine wetland,energy consumption analysis,water conservation,seawater heat pump

1003-0344（2014）06-076-4

2013-8-26

黎榮標(biāo)（1988～），男，碩士研究生；東華大學(xué)環(huán)境學(xué)院5139室（201620）；E-mail:lirongbiaont@126.com