江水源熱泵的應(yīng)用與研究現(xiàn)狀

1、江水源熱泵的應(yīng)用與研究現(xiàn)狀 1前言 江水具有很好的宏觀熱能特征，將其作為熱泵冷熱源為建筑物供暖供冷前景巨大，在國內(nèi)引起了廣泛關(guān)注，目前也有一些應(yīng)用案例。相比各類空氣源熱泵，江水源熱泵能夠獲得更高的能效，并能緩解城市熱島效應(yīng)。 長江流域處于夏熱冬冷地區(qū)1，冬夏季空調(diào)負(fù)荷較大。隨著經(jīng)濟的增長、人民生活水平的提高，空調(diào)系統(tǒng)必將普及，空調(diào)負(fù)荷必將大幅增長。水源熱泵機組在冬季采集來自湖水、河水、地下水及地?zé)嵛菜?，甚至工業(yè)廢水污水中的低品位熱能供給室內(nèi)取暖；在夏季則把室內(nèi)的熱量取山，釋放到水中，制取冷水達到夏季空調(diào)供冷的目的。江水源熱泵利用長江水作為系統(tǒng)的冷熱源，效率高，且不需冷卻塔和鍋爐等設(shè)備，機房占用

2、面積小，不向大氣排放污染物及熱量，改善室內(nèi)環(huán)境及城市環(huán)境。充分利用長江水資源不儀能夠人幅度降低冬夏季空調(diào)能耗，而且降低電網(wǎng)及燃氣的供應(yīng)尖峰，達到高效、節(jié)能、環(huán)保的目的。本文還綜述了該領(lǐng)域目前的應(yīng)用與研究現(xiàn)狀。 2對江水作為冷熱源的分析 由于江河水年四季溫度變化較小，水量豐富穩(wěn)定，是水源熱泵良好的低位能源。長江、嘉陵江流經(jīng)整個重慶主城區(qū)，常年年均水流量長江為8500m3s，嘉陵江為2430m3s，兩江合流后為10930m3s；冬(12-2月)夏(6-9月)季平均江水溫度(水下05m處)，冬季128，夏季235；冬夏季平均含砂量，夏季745mgl，冬季306mgl；嘉陵江夏季504mgl，冬季53

3、4mgl。 以嘉陵江冬季江水溫度和大氣溫度的測量分析結(jié)果為例，見表1，得出冬季嘉陵江水溫分布穩(wěn)定，平均在92131之間，且變化非常平穩(wěn)，沒有大的波動，最冷月平均水溫88；而空氣溫度則存在較大的波動，月平均氣溫波動范圍雖不大，在86128，但日平均溫度波動頻繁，最低只有66，最高達177，分布極不穩(wěn)定。通過測量得知，冬季水溫沿深度方向呈遞增的趨勢，經(jīng)分析，水面以下23m處水溫已很接近。因此，江水用作空調(diào)冷熱源在溫度和穩(wěn)定性方面都較空氣有明顯的優(yōu)勢。表l冬季各月平均值、最大值、最小值以江水作為熱泵的低溫?zé)嵩矗绻h(huán)是逆卡諾理想循環(huán)，性能系數(shù)能達到8以上；僅考慮制冷劑與冷卻水、制冷劑與江水的傳熱溫

4、差，理論性能系數(shù)也能達到64以上，因此利用江水發(fā)展水源熱泵空調(diào)系統(tǒng)，具有極大的節(jié)能潛力。 3江水源熱泵應(yīng)用關(guān)鍵技術(shù)相對于空氣源熱泵，江水源熱泵較為可靠，能效比高，運行費用低。但要實現(xiàn)其自身優(yōu)勢，必須滿足一定條件，除水量，總體而言還要保證水溫、水質(zhì)及系統(tǒng)運行管理要求，這也是江水源熱泵應(yīng)用的技術(shù)關(guān)鍵。 3.1水溫方面 1)進水溫度不適合，機組自動保護。由丁熱源溫度一般不會太高，故夏季制冷工況下一般沒有問題，但用于冬季供熱工況時，進水溫度可能過低，為防止機組內(nèi)結(jié)冰阻塞和管道漲裂，機組一般設(shè)置自動保護停機，機組的反復(fù)啟停會影響空調(diào)系統(tǒng)的正常運行，且降低機組壽命。 2)以長江水體作為空調(diào)系統(tǒng)冷熱源，承擔(dān)

5、來自建筑的冷熱量，將對環(huán)境和生態(tài)造成一定影響3。當(dāng)夏季向水體中排放的熱量超過一定限值時，氧氣在水中溶解度會降低、水體中物理化學(xué)和生物反應(yīng)速度會加快，因此導(dǎo)致有毒物質(zhì)增加，需氧有機物氧化分解速度加快，耗氧量增加，水體缺氧加劇，進一步引起部分生物缺氧窒息，抵抗力降低，產(chǎn)生病變乃至死亡，水體溫度升高，對水生生物的群落以及水生生物的繁殖行為也有一定的影響；在冬季，如果從水體中大量取熱，將使水體溫度降低，同樣會對水體環(huán)境造成一定的負(fù)面影響。因此，在系統(tǒng)設(shè)計過程中應(yīng)該計算排熱或吸熱對水體溫度造成的影響是否超過生態(tài)環(huán)境的承受能力，排水水溫需要滿足國家相關(guān)規(guī)范。 3.2水質(zhì)方面 1)水源水質(zhì)不好，會引起結(jié)垢、

6、腐蝕或產(chǎn)生生物污泥，堵塞及沖蝕問題，由此造成管道堵塞、能耗增加、主機不能止常運行、設(shè)備壽命縮短等。江水的礦化度不高，結(jié)垢問題不大；江水呈弱堿性，水中的氧和二氧化碳通常也很低，腐蝕問題也不大；雖然目前沒有水源熱泵水質(zhì)要求的國家標(biāo)準(zhǔn)，但參照國家冷卻水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)4和地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)5對水質(zhì)含沙量不大于5mg門的要求可見，江水含沙量遠遠高于該標(biāo)準(zhǔn)，因此，含沙量是制約利用江水作水源熱泵冷熱源應(yīng)用的關(guān)鍵問題。 2)排水處理不當(dāng)，引起二次污染。若水處理過程中投放磷系化合物，泄露或不經(jīng)處理排放會導(dǎo)致水體富營養(yǎng)化。另外，機組常用乙二醇防凍液，如不慎泄露會給水體和空氣環(huán)境帶來嚴(yán)重污染。因此排水必須經(jīng)過適當(dāng)處理，達標(biāo)排

7、放。 3.3運行管理方而 1)安裝管理不當(dāng)，損壞換熱盤管。對于江水源熱泵系統(tǒng)，必然有大量取回水管安置在室外，且有大量換熱盤管置于水體中，需要防止人為或非人為的破壞。 2)取回水口的位置設(shè)置要合理，否則取水能耗太大，系統(tǒng)運行效率降低，無法發(fā)揮水源熱泵系統(tǒng)優(yōu)勢。在運行江水源熱泵時要允分進行經(jīng)濟性分析，如果初投資費用及運行費用太高，不能發(fā)揮江水源熱泵系統(tǒng)高能效比優(yōu)勢，那么江水源熱泵方案則不再具有可行性。 在水源熱泵的實際工程中，解決以上問題可能會引起投資增長或運行費用增加，需要作詳細對比。從初投資來看，一般水源熱泵機組及其配套取回水設(shè)施及水處理設(shè)施的總投資比傳統(tǒng)風(fēng)冷熱泵及冷水機組要高，但隨著技術(shù)的革

8、新，差距正在縮小，有利于水源熱泵的推廣；在運行成本上，水源熱泵機組具有較高的能效比，其能耗比相應(yīng)的冷水機組或風(fēng)冷熱泵要低，而且水源熱泵系統(tǒng)不需要冷卻塔，在冷卻水側(cè)沒有水損失；在維護成本上，水源熱泵系統(tǒng)往往具有較高的自動控制水平，其操作運行及維護所需人工較少，可以遠程控制，維護成本比傳統(tǒng)系統(tǒng)要低。 4應(yīng)用現(xiàn)狀與研究進展 針對于江水源熱泵的應(yīng)用技術(shù)關(guān)鍵，我國現(xiàn)已提出一些具有創(chuàng)新意義的研究方案，主要包括：尾水處理及綜合利用、江水源熱泵取水水處理技術(shù)、節(jié)能減排，降低總費用等。 4.1尾水處理及綜合利用 經(jīng)過水源熱泵機組熱交換后，江水水溫必將有明顯改變，因此排水可能對水環(huán)境與生態(tài)環(huán)境有定影響，而水處理過

9、程中使用的化學(xué)藥品也可能對水體產(chǎn)生污染。因此需要對水體水溫的改變、污染物的擴散進行嚴(yán)密計算和模擬論證，所用處理藥品小能破壞環(huán)境?？傊?，排水要滿足相關(guān)政策法規(guī)。 此外，經(jīng)過處理和換熱的尾水，直接排放了也是一種浪費，可以結(jié)合具體條件綜合利用。尾水的利用可按以下幾個流程進行處理： 流程1：作為水處理基本流程，出水直接用于綠化和澆灑道路：水源熱泵尾水沉砂池粗濾池精密過濾器出水。 流程2：為流程1+消毒，用于直接與人體接觸的洗車、沖廁等：流程1的出水消毒接觸池洗車、沖廁。 流程3：將用于補充河道的水進行物理降溫，即可滿足使用要求：水源熱泵尾水物理降溫補充下圩河。 以上處理方案有如下優(yōu)勢： 1)除用于河道

10、補水之外，其他用途的回用水處理工藝均采用流程1的出水，處理構(gòu)筑物與設(shè)備機房集中，有利于日常管理，投資最?。?2)對于與人接觸的洗車、保潔等用水，采用基本工藝處理后，在用水點投加消毒劑并設(shè)置接觸池，在滿足水質(zhì)指標(biāo)的前提下，避免了消毒劑對綠化的不利影響，同時減少了消毒劑用量； 3)河道補水量大，在原水的水質(zhì)指標(biāo)均能滿足使用要求的摹礎(chǔ)上，僅針對要求不苛刻的水溫進行適當(dāng)?shù)慕档?，利用系統(tǒng)的出水余壓，結(jié)合周圍景觀完成物理降溫過程； 4)基本水處理流程不用投加混凝劑，可自動完成反沖洗等，使用安全可靠，運行費用低廉，解決了物管部門的后顧之憂。 江水經(jīng)過處理、換熱后，尾水沒有直接排放，而是能夠得到綜合利用，大大

11、提升了水系統(tǒng)運行效益，并且對環(huán)境有正面影響。 4 2江水源熱泵取水水處理技術(shù) 針對江水水質(zhì)，特別是含沙量問題，要采用合理的水處理技術(shù)。從實際工程看，目前的取水方式主要有直接取水供給水源熱泵機組、傳統(tǒng)水廠的水處理方式、斜板頭+旋流除砂器+綜合水處理器的方式、旋流除砂器+綜合水處理器+板式換熱器方式、復(fù)合式的取水水處理方式。但這鞋取水水處理技術(shù)還存在較大的缺陷，取水模式與機組和輸配系統(tǒng)的整合優(yōu)化性差，不足以引導(dǎo)實際的規(guī)?；茝V應(yīng)用。 對于取水技術(shù)的創(chuàng)新與發(fā)展，現(xiàn)已提出滲透取水與水源熱泵技術(shù)相結(jié)合的取水方案，該方案利用長江河床的卵石層作為天然過濾器，通過滲透濾嘴在河底硐室內(nèi)匯集江水，各個硐室內(nèi)匯集的

12、江水通過江底集水隧道、導(dǎo)井送至豎井，然后利用水泵直接抽往熱泵機組使用。取水方案設(shè)計時注意枯水季節(jié)水位與取水硐室集水量的關(guān)系，確保取水水量可以滿足冬季負(fù)荷所需的水量。 相比傳統(tǒng)的取水方式，滲濾取水系統(tǒng)有水溫適宜、水質(zhì)好、方案的可行性和可靠性高、環(huán)境影響小、輸送效率比較高和取水可二次利用等優(yōu)點。但采用滲濾取水也有初投資高的缺點。與直接采用地表取水的水源熱泵系統(tǒng)相比能夠節(jié)約30的電能消耗，節(jié)省70的建設(shè)用地，實現(xiàn)大幅度的資源節(jié)約，有著廣闊的推廣示范價值及發(fā)展前景。 4.3節(jié)能減排，降低總費用 在對江水源熱泵進行運行管理時要進行經(jīng)濟性分析，為了更好的達到節(jié)能減排，降低運行費用的目的，可以將水源熱泵與冰

13、蓄冷系統(tǒng)聯(lián)合運行，彌補了水源熱泵投資過高或冰蓄冷制冷效率低的單方面缺點，對環(huán)境保護有重要意義。 水源熱泵與冰蓄冷聯(lián)合的應(yīng)用技術(shù)，適于峰谷電價有差異，電網(wǎng)用電負(fù)荷不均勻的情況，在電力負(fù)荷很低的夜間采用制冷機組制冷，用冰將冷量貯存起來，在用電高峰期將其釋放，以滿足建筑物的空調(diào)需冷量的部分，通過轉(zhuǎn)移高峰負(fù)荷，大大減少了水源熱泵取水量，降低了裝機容量和運行費用，提高了設(shè)備利用率。在減少制冷設(shè)備的基礎(chǔ)上，進一步減少了水泵、系統(tǒng)管路、取水泵房及水處理設(shè)備的占地面積，減少相應(yīng)變配電設(shè)備投資和電力增容費用。既體現(xiàn)綠色建造的理念義節(jié)約了運行費用，符合我國公共建筑中節(jié)能、節(jié)地、節(jié)水、節(jié)材和環(huán)保效益的要求，有廣闊的

14、發(fā)展前景。 總之，應(yīng)用江水源熱泵應(yīng)當(dāng)結(jié)合技術(shù)、經(jīng)濟以及環(huán)境進行整體分析。目前針對于江水源熱泵的應(yīng)用技術(shù)還不夠成熟，一必實踐應(yīng)用問題亟待解決，是目前工程界必須面對的。要確保充分發(fā)揮水源熱泵高能效比的優(yōu)勢，降低運行費用，同時盡可能降低對環(huán)境的影響，真正做到節(jié)能環(huán)保、有效降低總費用。 5結(jié)論 1)江水可以作為節(jié)能環(huán)保的空調(diào)冷熱源。與空氣相比，江水水溫夏低冬高，且相對穩(wěn)定，。應(yīng)用江水源熱泵可以降低能耗，減緩城市熱島效應(yīng)，改善人居環(huán)境。 2)江水源熱泵在長江流域有著廣闊的應(yīng)用前景。隨著我國長江流域經(jīng)濟增長，空調(diào)負(fù)荷越來越大，江水可以為沿江建筑提供足夠冷熱量，故江水源熱泵能夠且應(yīng)該為我國建筑節(jié)能事業(yè)及能源規(guī)劃作出特殊貢獻。 盡管應(yīng)用江水源熱泵技術(shù)難點多，但只要結(jié)合實際條件，綜合考慮多方面因素，創(chuàng)造性的運用先進技術(shù)，這些問題是可以解決的。 參考文獻 1GB5017693民用建筑熱工設(shè)計規(guī)范s 北京：計劃出版社，1993 2國家水利部2007年中國水資源公報R北京，2008 3王新蘭熱污染的危害及管理建議