孫宏偉

（江蘇河海新能源有限公司，常州 213100）

國務(wù)院轉(zhuǎn)發(fā)國家發(fā)改委、住建部《綠色建筑行動方案》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。開發(fā)利用各類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，對建筑節(jié)能與環(huán)保具有重要的現(xiàn)實意義。由于地下水源熱泵造成地下水資源浪費、環(huán)境地質(zhì)災(zāi)害等局限性，其開發(fā)應(yīng)用前景并不樂觀，而江河水資源的開發(fā)利用越來越受到社會的關(guān)注。我國長江流域水量充足，年水溫變化小的地區(qū)覆蓋面廣，相對大氣而言具有冬暖夏涼的冷熱特征，國內(nèi)已有多項應(yīng)用利用江河水作為冷熱源來發(fā)展水源熱泵技術(shù)的工程實例（如重慶江北城CBD項目、上海十六鋪工程等）。鑒于此，筆者以長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)工程分兩期實施，總建筑面積為11.40萬m2，重慶涪陵中央商務(wù)區(qū)總建筑面積45.24萬m2。此類建筑使用功能多以休閑、娛樂、購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，對于城市化發(fā)展程度高度發(fā)展的地段具有現(xiàn)實的借鑒價值。

通過對江水源熱泵系統(tǒng)工程的冷熱負(fù)荷特點、使用頻率和全年冷熱負(fù)荷進行統(tǒng)計分析，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，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)特點有關(guān)，如上海十六鋪工程為地下建筑，冷熱負(fù)荷比相對于地上建筑偏小，尤其是冬季熱負(fù)荷降低顯著。此外，長江流域全年空調(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，上海段長江口多年平均流量31149m3/s。

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

長江水位受氣溫、降水等因素影響季節(jié)性變化特征顯著，根據(jù)2012年長江航道局公布數(shù)據(jù)長江重慶段寸灘水文站水位變化2.65～27.78m。上海段為長江口，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)對水源熱泵機組推薦的水質(zhì)要求，長江流域大部分地區(qū)除含沙量外，其他水質(zhì)指標(biāo)均能滿足要求。因此，針對夏季江水含沙量大、微生物與懸浮物含量高的特點，選擇適宜的水處理控制技術(shù)防腐、防堵塞[4]。

表1 長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)；按換熱器換熱類型分為殼管式、板式、浸泡式和淋水式，各類型系統(tǒng)優(yōu)劣見表2。

2.2 系統(tǒng)選擇

根據(jù)實際工程建設(shè)規(guī)模、冷熱負(fù)荷特點、江水利用自然條件，參照不同江水源熱泵系統(tǒng)的特點，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，其更適用于分散式水源熱泵機組。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，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)通過設(shè)置冰蓄冷和電蓄熱系統(tǒng)，既減小變壓器裝機容量，又利用晝夜電力差價降低運行費用。同時，江水源熱泵與太陽能等其他可再生能源的耦合系統(tǒng)在長江流域具有廣闊的發(fā)展前景[5-7]。

2.3 系統(tǒng)運行

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

表2 各類型江水源熱泵系統(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、運行簡單，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。長江流域不同地域江水利用條件有所差異，應(yīng)建立針對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，避免對取水水溫擾動降低冷熱源能量利用率。同時，充分重視江水源熱泵技術(shù)向水體環(huán)境排熱導(dǎo)致的水體熱污染問題及其對水生環(huán)境造成危害問題，退水口宜利用江岸護坡改造成人工跌落瀑布，降低退水對河流生態(tài)環(huán)境的影響。因此，有必要進一步開展退水技術(shù)規(guī)范研究。

水凈化處理主要針對江水中的泥沙、微生物和懸浮物，考慮經(jīng)濟環(huán)保效益主要以除砂、過濾等物理處理方式。目前廣泛采用的設(shè)備有旋流除砂器、機械過濾器等，但對細(xì)砂的除砂效果仍不理想，還有待進一步改進除砂工藝[8,9]。

3.2 換熱器流動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換熱特性，降低了冷熱源能量利用率，結(jié)垢問題還影響江水在換熱器內(nèi)流動換熱過程。目前采用的水處理器、自動清洗裝置有一定的防垢能力，但在工程實際應(yīng)用中尤其在夏季含沙量高時仍存在嚴(yán)重的結(jié)垢問題。因此，防垢工藝還有待進一步改進并在工程實際中應(yīng)用。

針對系統(tǒng)換熱設(shè)備的防腐問題，提出了采用鈦合金、銅鎳合金等解決措施。但由于此類材料價格頗高，綜合考慮經(jīng)濟效益應(yīng)開展針對江水水質(zhì)的廉價替代材料的研究。

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 江水源熱泵機組工況分析

長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)、太陽能光熱耦合系統(tǒng)使江水源熱泵機組工況變得更為復(fù)雜。因此，在江水源熱泵系統(tǒng)機組性能測試和工況分析時，應(yīng)針對不同系統(tǒng)組成、不同水溫變化進行標(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、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)還有待進一步研究。

江水源熱泵與蓄能技術(shù)、太陽能光熱的耦合系統(tǒng)進一步發(fā)展，使江水源熱泵系統(tǒng)機組性能測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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