福州市閩江水源熱泵技術應用基礎數(shù)據(jù)庫建設

(1.福建工程學院 土木工程學院， 福建 福州 350118； 2.福建省土木工程新技術與信息化重點實驗室， 福建 福州 350118)

江水源熱泵系統(tǒng)作為一種以江河水為冷熱源的節(jié)能技術，由于其具有取水水源充足、年際水溫

變化小等優(yōu)點而得到較廣泛的應用[1]。隨著國家對建筑節(jié)能與可再生能源利用的日益重視，江水源熱泵系統(tǒng)的推廣和應用也得到了政府部門的大力支持。水源條件中，除了位置受到地理條件的限制以外，水溫、水質、水位是影響設備和系統(tǒng)性能的重要因素[2]。掌握江水的水溫、水質和水位等因素是確定江水源系統(tǒng)設計的主要條件。因此，建立江水源熱泵系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫對江水源熱泵系統(tǒng)的推廣應用有著重大意義。例如重慶大學對長江和嘉陵江水溫、水質、水位開展為期一年的實地測試，初步建立重慶市江水源熱泵技術應用的基礎數(shù)據(jù)庫[3]，為江水源熱泵系統(tǒng)在重慶的應用提供重要參考。

閩江是福建省第一大河，自西北向東南流經(jīng)福州，為福州市區(qū)主要干流，河長139 km[4]。據(jù)竹岐水文站數(shù)據(jù)顯示，閩江多年平均徑流量540.4億m3[4]，蘊含著豐富的水能資源。福州市區(qū)已建和在建的江水源熱泵系統(tǒng)項目主要集中在北港南岸，例如福州東部新城的商務中心(福州市行政中心)和海峽文化藝術中心。本研究自2013年以來對福州段閩江水溫、水質和水位等水文數(shù)據(jù)進行了長期的監(jiān)測，建立了福州市閩江水源熱泵技術應用基礎數(shù)據(jù)庫。

1 測試方法

本次試驗主要是監(jiān)測福州閩江水溫、水質和水位等水文數(shù)據(jù)，同時數(shù)據(jù)庫對采樣時的天氣、氣溫、潮汐和位置進行了詳細記錄。對各江段測試數(shù)據(jù)進行對比分析后，對水源條件相對較差的江段和適于江水水源熱泵項目推廣的江段加強測試。

2 溫度數(shù)據(jù)與特征分析

2.1 氣候特征分析

福州地區(qū)四季分明，7月至9月為夏季，其中7月為最熱月；12月至次年2月為冬季，其中1月為最冷月。福州市典型氣象年氣溫數(shù)據(jù)[6]顯示，最熱月日平均氣溫高達31 ℃左右，最冷月日平均氣溫最低至7.3 ℃，冬、夏兩季溫差約24 ℃；福州夏季溫度較高，最高溫度為38 ℃，冬季最低溫度3.8 ℃；福州5～10月均存在大量高溫超過30 ℃的天氣。因此，福州使用空調系統(tǒng)制冷時間較長，從而耗能相對較高。

2.2 水溫數(shù)據(jù)分析

江水溫度是決定江水源熱泵系統(tǒng)可行性和經(jīng)濟性的關鍵因素[7-9]。對閩江水溫的空間分布特征進行測試，同時對不同江段、不同江水深度和不同離岸距離的江水進行溫度測試，多次測試數(shù)據(jù)表明溫差小于0.1 ℃，水溫表現(xiàn)出一定的均一性。下面將以2014年為例介紹水溫數(shù)據(jù)特征。

冬季和夏季水溫測試數(shù)據(jù)顯示，水溫在最冷月和最熱月的極端天氣中表現(xiàn)出明顯的穩(wěn)定優(yōu)勢。最冷月和最熱月的日氣溫水溫變化如圖1、圖2所示。

圖1 最冷月的日氣溫水溫變化Fig.1 The variation of daily temperatures in the coldest month

圖2 最熱月的日氣溫水溫變化Fig. 2 The variation of daily temperatures in the hottest month

2014年1月5日氣溫在7～15 ℃之間波動，最大溫差8 ℃，平均氣溫11 ℃；水溫在14.2～14.5 ℃之間波動，最大溫差0.3 ℃，平均水溫14.4 ℃。2014年7月15日為極端酷熱天氣，在此之前福州已持續(xù)15日以上最高氣溫超過35 ℃，當日氣溫在24～36 ℃之間波動，最大溫差12 ℃，平均氣溫30 ℃；水溫在28.7～29.6 ℃之間波動，最大溫差0.9 ℃，平均水溫29.2 ℃。

2014年溫度逐月變化數(shù)據(jù)如圖3所示，水溫與氣溫總體變化規(guī)律具有一致性，水溫度隨氣溫的升高而升高，隨氣溫的降低而降低。對比水溫與氣溫發(fā)現(xiàn)，4～9月水溫低于氣溫，10～3月水溫高于氣溫。其中，冬季水溫明顯高于氣溫2～4.6 ℃，水溫平均高于氣溫3 ℃；夏季水溫略低于氣溫0.8～2.1 ℃，水溫平均低于氣溫1.4 ℃。2014年閩江月平均水溫在14.5～28.9 ℃之間變化，月平均氣溫在12～31 ℃之間變化。福州冬季空氣調節(jié)室外計算溫度為4.4 ℃，夏季空氣調節(jié)室外計算干球溫度為35.9 ℃，夏季空氣調節(jié)室外計算濕球溫度為28 ℃[10]。冷卻塔的出水溫度一般比濕球溫度高3～5 ℃，因此相對于空氣，江水作為冷熱源更易于提高設備運行效率。

圖3 2014年水溫與氣溫月變化曲線Fig.3 The monthly variation of water temperatures and air temperatures in 2014

3 水質數(shù)據(jù)與特征分析

獲得江水水質數(shù)據(jù)可為實際工程提供合理選擇取水和水處理方式的依據(jù)，從而降低工程造價。福州位于閩江下游，境內(nèi)的閩江段均為感潮河段[11]，水質受徑流與潮汐共同影響。對不同江段水質進行水質測試，測試數(shù)據(jù)顯示，距離入?？谠浇?，江水的濁度、總鐵、礦化度等水質參數(shù)值也越高；同一江段分別南北兩岸取樣進行水質測試，結果顯示，南岸濁度明顯高于北岸。

本研究選擇具有代表性的江段對水質進行逐月的采樣測試，針對降水和潮汐對水質的影響加強測試。將閩江水質與參考文獻[12-14]中對采用地表水的水源熱泵機組推薦的水質允許值進行比較，如表1所示，除濁度和總鐵外，閩江的其他水質參數(shù)均能滿足水源熱泵機組和換熱器的要求。

表1閩江水質與水源熱泵機組推薦的水質要求對比

Tab.1ComparisonofMinjiangRiverwaterqualityandrecommendedwaterqualityofthewatersourceheatpumpsystem

測試參數(shù)閩江允許值備注pH6．54～7．96．5～8．5滿足要求濁度/NTU5～960<100不滿足要求ρ總鐵(mg·L-1)0．12～25．6<1．0不滿足要求ρCaO(mg·L-1)9．25～19．75<200滿足要求ρCl-(mg·L-1)1．77～14．18<100滿足要求ρSO42-(mg·L-1)9．61～26．42<200滿足要求ρ礦化度(g·L-1)0．07～0．14<3滿足要求ρH2S(mg·L-1)<0．05～0．15<0．5滿足要求

基于上述原因，本研究提高了對濁度和總鐵等參數(shù)的采樣測試頻率，并重點監(jiān)測由于降水和泄洪引起的水質變化。

經(jīng)多年測試，濁度逐月變化的典型數(shù)據(jù)如圖4所示，閩江水濁度數(shù)值整體保持在40NTU以下，但8、9、10、11月存在濁度在100NTU以上的現(xiàn)象。多年來濁度最大值為960NTU，其取樣時間為2013年8月26日退潮階段，取樣地點在馬尾羅星塔附近水域。造成這一現(xiàn)象的原因是由于臺風天氣引起大量降水，上游水庫開始泄洪，閩江流量迅速增加，江水攜帶大量泥沙導致濁度急劇升高，并可持續(xù)5～7 d。

圖4 閩江濁度變化柱狀圖Fig.4 Variation of turbidity ofMinjiang River

經(jīng)多年測試，總鐵逐月變化的典型數(shù)據(jù)如圖5所示，閩江水總鐵含量整體保持在0.7 mg/L以下，但8、9、10月存在總鐵在1 mg/L以上的現(xiàn)象，最大值25.6 mg/L出現(xiàn)在2013年10月28日漲潮階段，取樣地點在馬尾羅星塔附近水域。造成這一現(xiàn)象的原因是由于福州近20天未有降雨，枯水季節(jié)海水倒灌嚴重，導致鐵離子含量急劇升高。

圖5 閩江總鐵變化柱狀圖Fig.5 Total iron variation of Minjiang River

4 水位數(shù)據(jù)與特征分析

福州境內(nèi)閩江水位變化是區(qū)域降水、上游來水補給和潮汐等因素共同作用的結果。閩江水位情勢十分復雜，如流水侵蝕作用具有多年變化周期性，徑流補給形式的變化具有季節(jié)性周期，潮汐影響具有日變化周期等。

監(jiān)測中發(fā)現(xiàn)潮汐對水位的影響尤為顯著。閩江是福建省最大獨流入東海河流，受東海潮汐的影響，每日各有兩個高、低潮，時間間隔約6 h。根據(jù)實測資料統(tǒng)計分析，閩江口最大潮差6.95 m，平均潮差4.37 m。潮差自閩江口向閩江上游逐漸減少，白巖潭水文監(jiān)測站最大潮差達5.42 m，平均潮差達3.82 m；解放大橋(下)水文監(jiān)測站最大潮差達4.78 m，平均潮差達2.88 m[4]。

閩江馬尾段是福建自貿(mào)試驗區(qū)福州片區(qū)所在地，也是規(guī)劃建設的新區(qū)，因此水位監(jiān)測選擇在馬尾段進行。據(jù)國家海洋信息中心資料顯示，馬尾潮高基準面在平均海平面下2.96 m。2014年馬尾水文監(jiān)測站最大潮差達5.34 m，平均潮差達4.20 m。2014年閩江馬尾段的水位測試數(shù)據(jù)如圖6所示。受潮汐影響每日最高水位在4.06～5.55 m之間波動，每日最低水位在0.04～1.71 m之間波動，每日最大水位差在2.58～5.34 m之間波動，水位年變化幅度約5.51 m。

圖6 2014年閩江水位變化曲線Fig.6 The monthly water level variation of Minjiang River in 2014

圖7 2014年閩江逐月水位變化曲線Fig.7 Water level variation of Minjiang River in 2014

閩江馬尾段2014年逐月水位變化如圖7所示。2014年閩江最高水位出現(xiàn)在9月，最低水位出現(xiàn)在1月。馬尾段最高水位受潮汐影響，即每日最高水位在漲潮階段出現(xiàn)。每月最高水位變化平穩(wěn)，在5.24～5.55 m之間。最低水位受氣候和水口水電站泄洪量影響波動較大，最低水位出現(xiàn)在1月枯水期；8月雖然是豐水期，但因水口水電站蓄洪，導致出現(xiàn)最低水位偏低的現(xiàn)象。最低水位的最大值出現(xiàn)在4月，最小值出現(xiàn)在1月；而最大水位差的最大值出現(xiàn)在1月，最小值出現(xiàn)在4月?？梢婇}江的枯水期水位主要受潮汐影響，洪水期水位主要受徑流控制，平水期徑流和潮流相互作用，相互消長。

5 結論與建議

福州地區(qū)閩江全年水溫分布的特點是，冬季水溫明顯高于氣溫2～4.6 ℃，平均3 ℃，夏季水溫略低于氣溫0.8～2.1 ℃，平均1.4 ℃。相對于空氣而言，江水是優(yōu)質的冷熱源，水源熱泵運行具有更高的能效比。基于江水溫度的穩(wěn)定性，在江水源熱泵系統(tǒng)設計中可采用日水溫取代逐時水溫。

水質方面，除濁度和總鐵外，閩江的其他水質參數(shù)均能滿足水源熱泵機組和換熱器的要求。8、9、10、11月存在濁度在100 NTU以上的現(xiàn)象，8、9、10月存在總鐵在1 mg/L以上的現(xiàn)象。因此，在對應時間段應著重解決濁度大造成的堵塞問題，并考慮鐵離子過高對水源熱泵機組產(chǎn)生銹蝕的影響。

閩江水位受多種因素影響，變化頻繁，其中潮汐對水位的影響尤為顯著。閩江每日最大水位差在2.58～5.34 m之間波動，水位年變化幅度約5.51 m。因此，在進行閩江水源熱泵系統(tǒng)設計時，需結合航道要求和水位變化，確定合理的取水位置。由于漲潮階段江水倒流現(xiàn)象明顯，系統(tǒng)排水口應遠離取水口，并采用多點式排放，防止倒流影響取水溫度。

[1] 楊露露,盧軍,白雪蓮,等.重慶地區(qū)江水源熱泵取水水源的時序分析[J].中國給水排水,2014,30(23):123-126.

[2] 柴峰,白雪蓮.江水源熱泵的水源條件分析[J].暖通空調，2013,43(7):44-47.

[3] 李百戰(zhàn),賈遵鋒,丁勇,等.重慶市江水源熱泵技術應用基礎數(shù)據(jù)庫建設[J].暖通空調,201141(1):95-98.

[4] 戴志忠.福州地區(qū)水文特征分析[J].水利科技,2004(3):9-11.

[5] 國家環(huán)保局.水和廢水監(jiān)測分析方法[M].北京:中國環(huán)境科學出版社,2002:34-41.

[6] 中國氣象局氣象信息中心氣象資料室,清華大學建筑技術科學系.中國建筑熱環(huán)境分析專用氣象數(shù)據(jù)集[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社，2005.

[7] 徐偉,劉志堅.中國地源熱泵技術發(fā)展與展望[J].建筑科學,2013,29(10):26-33.

[8] KINDAICHI Sayaka, NISHINA Daisaku, WEN Liwei et al. Potential for using water reservoirs as heat sources in heat pump systems[J]. Applied Thermal Engineering. 2015(76):47-53.

[9] SI Pengfei, LI Angui, RONG Xiangyang X et al. New optimized model for water temperature calculation of river-water source heat pump and its application in simulation of energy consumption[J]. Renewable Energy.2015(84):65-73.

[10] 中國建筑科學研究院.民用建筑供暖通風與空氣調節(jié)設計規(guī)范：GB50736-2012[S]北京:中國建筑工業(yè)出版社,2012.

[11] 洪小筠.閩江下游感潮河段水污染特性分析[J].水利科技，2010(3):4-5.

[12] 中國建筑科學研究院.地源熱泵系統(tǒng)工程技術規(guī)范：GB 50366-2005[S].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2009.

[13] 中華人民共和國建設部.采暖通風與空氣調節(jié)設計規(guī)范：GB50019-2003[S].北京: 中國計劃出版社,2003.

[14] 王子云,付祥釗,仝慶貴.利用長江水作熱泵系統(tǒng)冷熱源的技術分析[J].中國給水排水，2007,23(6):6-9.