江水源熱泵的應用及設計研究現(xiàn)狀

1、江水源熱泵的應用與研究現(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，在國內引起了廣泛關注，目前也有一些應用案例。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。長江流域處于夏熱冬冷地區(qū)1，冬夏季空調負荷較大。隨著經濟的增長、人民生活水平的提高，空調系統(tǒng)必將普及，空調負荷必將大幅增長。水源熱泵機組在冬季采集來自湖水、河水、地下水及地熱尾水，甚至工業(yè)廢水污水中的低品位熱能供給室內取暖；在夏季則把室內的熱量取山，釋放到水中，制取冷水達到夏季空調供冷的目的。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備，機房占用面積小

2、，不向大氣排放污染物及熱量，改善室內環(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能耗，而且降低電網(wǎng)及燃氣的供應尖峰，達到高效、節(jié)能、環(huán)保的目的。本文還綜述了該領域目前的應用與研究現(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、嘉陵江流經整個重慶主城區(qū)，常年年均水流量長江為8500m3/s，嘉陵江為2430m3/s,兩江合流后為10930m3/s;冬（12-2月）夏（6-9月）季平均江水溫度（水下0.5m處），冬季12.8°C，夏季23.5°C;冬夏季平均含砂量，夏季745mg/l，冬季30.6mg

3、/l;嘉陵江夏季504mg/l，冬季5.34mg/10以嘉陵江冬季江水溫度和大氣溫度的測量分析結果為例，見表1，得出冬季嘉陵江水溫分布穩(wěn)定，平均在9.213.1°C之間，且變化非常平穩(wěn)，沒有大的波動，最冷月平均水溫8.8°C;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8.612.8°C，但日平均溫度波動頻繁，最低只有6.6°C,最高達17.7°C，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，經分析，水面以下23m處水溫已很接近。因此，江水用作空調冷熱源在溫度和穩(wěn)定性方面都較空氣有明顯的優(yōu)勢0分項江水溫度空氣參數(shù)平均

4、值0.3in12.5Im12.82m13.03m13.1溫度10.4濕度壓力Mp.99.869.82006年12月最大值12.713.113.913.612.675.399.9最小值12.412.712.212.99.061.399.6平均值9.29.59.79.88.666*599.82007年1月最大值9.39.710.610.311.474.799.9最小值9.19.48.89.66.654.099.6平均值10.710.911.011.112.866.399.22006年2月最大值10.811.011.4lk317.475.899.5最小值10.610.810.511.010.051.

5、998.9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熱源，如果循環(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)展水源熱泵空調系統(tǒng)，具有極大的節(jié)能潛力。3 江水源熱泵應用關鍵技術相對于空氣源熱泵，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、水質及系統(tǒng)運行管理要求，這也是江水源熱泵應用的技術關鍵。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

6、過低，為防止機組內結冰阻塞和管道漲裂，機組一般設置自動保護停機，機組的反復啟停會影響空調系統(tǒng)的正常運行，且降低機組壽命。2) 以長江水體作為空調系統(tǒng)冷熱源，承擔來自建筑的冷熱量，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、水體中物理化學和生物反應速度會加快，因此導致有毒物質增加，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)境造成一定的負面影響。因此，

7、在系統(tǒng)設計過程中應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規(guī)范。3.2 水質方面1)水源水質不好，會引起結垢、腐蝕或產生生物污泥，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、設備壽命縮短等。江水的礦化度不高，結垢問題不大；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要求的國家標準，但參照國家冷卻水水質標準4和地下水質量標準5對水質含沙量不大于5mg門的要求可見，江水含沙量遠遠高于該標準，因此，含沙量是制約利用江水作水源熱泵冷熱源應用的關鍵問題。2)排水處理不當，引起二次污染。若水處理過程中

8、投放磷系化合物，泄露或不經處理排放會導致水體富營養(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)境帶來嚴重污染。因此排水必須經過適當處理，達標排放。3.3運行管理方而1)安裝管理不當，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

9、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施及水處理設施的總投資比傳統(tǒng)風冷熱泵及冷水機組要高，但隨著技術的革新，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，其能耗比相應的冷水機組或風冷熱泵要低，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 應用現(xiàn)狀與研究進展針對于江水源熱泵的應用技術關鍵，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、節(jié)能減

10、排，降低總費用等。4.1尾水處理及綜合利用經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，而水處理過程中使用的化學藥品也可能對水體產生污染。因此需要對水體水溫的改變、污染物的擴散進行嚴密計算和模擬論證，所用處理藥品小能破壞環(huán)境。總之，排水要滿足相關政策法規(guī)。此外，經過處理和換熱的尾水，直接排放了也是一種浪費，可以結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T沉砂池T粗濾池T精密過濾器T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T消毒T接觸

11、池T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T物理降溫T補充下圩河。以上處理方案有如下優(yōu)勢：1）除用于河道補水之外，其他用途的回用水處理工藝均采用流程1的出水，處理構筑物與設備機房集中，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置接觸池，在滿足水質指標的前提下，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，在原水的水質指標均能滿足使用要求的摹礎上，僅針對要求不苛刻的水溫進行適當?shù)慕档?，利用系統(tǒng)的出水余壓，結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，

12、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，大大提升了水系統(tǒng)運行效益，并且對環(huán)境有正面影響。42江水源熱泵取水水處理技術針對江水水質，特別是含沙量問題，要采用合理的水處理技術。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、復合式的取水水處理方式。但這鞋取水水處理技術還存在較大的缺陷，取水模式與機組和輸配系統(tǒng)的整合優(yōu)化性差，不足以引導實際的規(guī)?；茝V應用。對于取水技術的創(chuàng)新與發(fā)展，現(xiàn)已提出

13、滲透取水與水源熱泵技術相結合的取水方案，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匯集江水，各個硐室內匯集的江水通過江底集水隧道、導井送至豎井，然后利用水泵直接抽往熱泵機組使用。取水方案設計時注意枯水季節(jié)水位與取水硐室集水量的關系，確保取水水量可以滿足冬季負荷所需的水量。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

14、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)合的應用技術，適于峰谷電價有差異，電網(wǎng)用電負荷不均勻的情況，在電力負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需冷量的部分，通過轉移高峰負荷，大大減少了水源熱泵取水量，降低了裝機容量和運行費用，提高了設備利用率。在減少制冷設備的基礎上，進一步減少了水泵、系統(tǒng)管路、取水泵房及水處理設備的占地面積，減少相應變配電設

15、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，有廣闊的發(fā)展前景。總之，應用江水源熱泵應當結合技術、經濟以及環(huán)境進行整體分析。目前針對于江水源熱泵的應用技術還不夠成熟，一必實踐應用問題亟待解決，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 結論1)江水可以作為節(jié)能環(huán)保的空調冷熱源。與空氣相比，江水水溫夏低冬高，且相對穩(wěn)定，。應用江水源熱泵可以降低能耗，減緩城市熱島效應，改善人居環(huán)境。2)江水源熱泵在長江流域有著廣闊的應用前景。隨著我國長江流域經濟增長，空調負荷越來越大，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。盡管應用江水源熱泵技術難點多，但只要結合實際條件，綜合考慮多方面因素，創(chuàng)造性的運用先進技術，這些問題是可以解決的。參考文獻1 GB5017693民用建筑熱工設計規(guī)范s北京：計劃出版社，19932 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