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(shù)的工程應(yīng)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(shù)，利用海水吸收與儲存的太陽輻射能和淺表地?zé)崮転榻ㄖ├涔?，在可再生能源領(lǐng)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(shù)是一種清潔能源利用技術(shù)，在國內(nèi)外已有多項應(yīng)用工程成功案例，其中大連成為我國的海水源熱泵應(yīng)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(shù)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(shù)方面的政策扶持力度加大，海水源熱泵技術(shù)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(shù)具有良好的節(jié)能和經(jīng)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(zhì)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(diào)、海洋溫差能發(fā)電和海水冷卻等領(lǐng)域。

海水源熱泵利用海水吸收的太陽能和地?zé)崮苄纬傻牡蜏氐臀粺崮苜Y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(zhuǎn)移的一種技術(shù)，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(shù)在國內(nèi)外發(fā)展情況

2.1 國內(nèi)發(fā)展情況

我國海水源熱泵技術(shù)工程應(yīng)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(shù)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(wù)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(shè)部選為全國唯一的水源熱泵技術(shù)規(guī)?；瘧?yīng)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(jié)合，廣州市可以利用珠江的河水進行區(qū)域供冷等。結(jié)合當?shù)氐牡乩?、氣候、水溫條件，走上了海水源熱泵技術(shù)工程應(yīng)用的規(guī)?；缆贰?/p>

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(yīng)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(yīng)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(chǔ)性的實驗研究。

90年代中期海水源熱泵技術(shù)在瑞典投入工程應(yīng)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(wù)。瑞典有上百個大型熱泵站，總?cè)萘考s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(yīng)用海水源熱泵技術(shù)滿足了區(qū)域供冷供熱的需求。

3. 海水源熱泵技術(shù)原理

海水源熱泵技術(shù)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(jīng)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(zhì)，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(wù)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(cè)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(zhì)與海水之間的換熱來實現(xiàn)能量轉(zhuǎn)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(zhì)，再通過換熱介質(zhì)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(guān)鍵技術(shù)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(shù)內(nèi)容包括取水方式和供水參數(shù)，且供水參數(shù)中水溫、水質(zhì)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(nèi)設(shè)格柵及旋轉(zhuǎn)濾網(wǎng)，其中格柵采用膨脹螺栓進行固定，布設(shè)旋轉(zhuǎn)濾網(wǎng)。

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(nèi)，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(zhì)，再通過取水潛水泵將廣口井中的海水送至能源中心。

國內(nèi)有學(xué)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(shù)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(wǎng)常年運行負荷。同時降低了一次能源消耗過程中產(chǎn)生的SO2、CO2等污染物排放，減少ODS（消耗臭氧物質(zhì)）排放緩解溫室效應(yīng)，具有很好的節(jié)能效益。

由我國污染物排放定額可知，假設(shè)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(jié)論

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

我國沿海地區(qū)結(jié)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(fēng)空調(diào), 2006. 25 (3):34-38, 57.

[2] 蔣爽, 李震. 海水熱泵系統(tǒng)的應(yīng)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(shù)試驗[J]. 天津大學(xué)學(xué)報,2009,42(1):78- 82.