長江流域江水源熱泵清潔能源應用技術研究

孫宏偉

（江蘇河海新能源有限公司，常州 213100）

國務院轉發國家發改委、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%的城鎮新建建筑達到綠色建筑標準要求。開發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，對建筑節能與環保具有重要的現實意義。由于地下水源熱泵造成地下水資源浪費、環境地質災害等局限性，其開發應用前景并不樂觀，而江河水資源的開發利用越來越受到社會的關注。我國長江流域水量充足，年水溫變化小的地區覆蓋面廣，相對大氣而言具有冬暖夏涼的冷熱特征，國內已有多項應用利用江河水作為冷熱源來發展水源熱泵技術的工程實例（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的應用現狀及待解決的關鍵技術，以期為長江流域科學合理的區域型江水源熱泵技術解決方案提供參考[1-3]。

1. 江水源熱泵清潔能源應用概況

1.1 工程規模與冷熱負荷

江水源熱泵系統應用工程建筑規模增速明顯，上海十六鋪地區工程分兩期實施，總建筑面積為11.40萬m2，重慶涪陵中央商務區總建筑面積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區，其中上海十六鋪地區工程綜合改造為地下建筑商業區，地面則以綠化和景觀建筑為主的城市景觀工程，對于城市化發展程度高度發展的地段具有現實的借鑒價值。

通過對江水源熱泵系統工程的冷熱負荷特點、使用頻率和全年冷熱負荷進行統計分析，研究發現系統冷熱負荷大致表現出冷負荷大于熱負荷的特點，系統冷熱負荷比不僅與該地區氣象條件有關，還與建筑布設特點有關，如上海十六鋪工程為地下建筑，冷熱負荷比相對于地上建筑偏小，尤其是冬季熱負荷降低顯著。此外，長江流域全年空調冷熱源使用情況供冷265～302d，供熱79～95d。

1.2 區域江水利用的自然條件

1.2.1 水量水溫水位參數

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性變化特征顯著，根據2012年長江航道局公布數據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型潮汐河流，因此該段水位還需考慮水文潮汐變化數據、河床特征等因素。

1.2.2 水質參數

江水中含有腐蝕、結垢等離子，采取適宜的取退水、水處理技術控制換熱設備的腐蝕、結垢和污損微生物附著等問題，主要水質參數為：含沙量、pH值、氯化物含量和總硬度等。據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《地源熱泵系統工程技術規范》(GB 50366-2005)對水源熱泵機組推薦的水質要求，長江流域大部分地區除含沙量外，其他水質指標均能滿足要求。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 ℃

2. 江水源熱泵系統及其配置

2.1 系統形式

根據江水是否直接進入熱泵換熱設備，分為直接式和間接式江水源熱泵系統；按換熱器換熱類型分為殼管式、板式、浸泡式和淋水式，各類型系統優劣見表2。

2.2 系統選擇

根據實際工程建設規模、冷熱負荷特點、江水利用自然條件，參照不同江水源熱泵系統的特點，選擇合適的系統形式及其配置。板式系統與殼管式系統相比，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，且應用規模受一定限制。

近年來，江水源熱泵與蓄能技術的耦合系統在工程（如上海十六鋪工程）中得以推廣應用。蓄能技術通過設置冰蓄冷和電蓄熱系統，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在長江流域具有廣闊的發展前景[5-7]。

2.3 系統運行

江水源熱泵、蓄能技術、太陽能光熱等耦合系統在工程中得以推廣應用，參照工程實際系統按一定的優先級和順序運行，主要包括供冷、供熱及聯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優劣一覽表

3. 江水源熱泵清潔能源待解決關鍵技術

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；滲濾取水方式水質較好、運行簡單，但施工復雜，且受水文地質、工程地質條件的限制；直接取水安全可靠，但對取水水質要求較高。取水口一般布設在水面下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，應建立針對不同水域的取水技術規范。

退水方案中退水口在水平方向上布設在取水口的下游，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向水體環境排熱導致的水體熱污染問題及其對水生環境造成危害問題，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環境的影響。因此，有必要進一步開展退水技術規范研究。

水凈化處理主要針對江水中的泥沙、微生物和懸浮物，考慮經濟環保效益主要以除砂、過濾等物理處理方式。目前廣泛采用的設備有旋流除砂器、機械過濾器等，但對細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

除砂工藝處理效果不理想，江水中的細砂影響換熱器的流動換熱特性，降低了冷熱源能量利用率，結垢問題還影響江水在換熱器內流動換熱過程。目前采用的水處理器、自動清洗裝置有一定的防垢能力，但在工程實際應用中尤其在夏季含沙量高時仍存在嚴重的結垢問題。因此，防垢工藝還有待進一步改進并在工程實際中應用。

針對系統換熱設備的防腐問題，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，綜合考慮經濟效益應開展針對江水水質的廉價替代材料的研究。

3.3 熱泵冷卻水二次利用技術

為提高江水源熱泵節能效果和充分利用水資源，在匹配管網與水量的基礎上，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、季節性變化特征，江水源熱泵與蓄能技術、太陽能光熱耦合系統使江水源熱泵機組工況變得更為復雜。因此，在江水源熱泵系統機組性能測試和工況分析時，應針對不同系統組成、不同水溫變化進行標定，建立適宜的江水源熱泵應用技術規范[10]。

4. 結論

長江流域江水源熱泵清潔能源應用技術快速發展，工程應用中主要考慮建設規模、冷熱負荷特點、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、熱泵冷卻水二次利用等關鍵技術還有待進一步研究。

江水源熱泵與蓄能技術、太陽能光熱的耦合系統進一步發展，使江水源熱泵系統機組性能測試和工況分析更為復雜，有必要建立適宜的江水源熱泵應用技術規范，為科學合理的區域型江水源熱泵技術解決方案提供參考。

[1]朱金銘. 十六鋪綜合再造工程江水源熱泵溫排水影響研究[J]. 上海,華東師范大學, 2006:54.

[2]陳新. 世博軸江水源熱泵系統工程施工介紹[J]. 暖通空調,2010,40(8):99-101.

[3]侯亞芹,陸揚,劉長文,等. 重慶江北城CBD區域江水源熱泵取退水方案研究[J]. 給水排水, 2009,35:374-375.

[4]張文宇,龍惟定. 地表水源熱泵以黃浦江水作為冷熱源的可行性分析[J]. 暖通空調,2008, 38(3):15-19.

[5]張寧,李炎鋒,胡世陽,等. 廣州亞運城水源熱泵系統運行工況分析與建議[J]. 給水排水, 2012,38(1):81-84.

[6]黃忠,劉憲英,霍建輝,等. 重慶某江水源熱泵空調工程[J]. 暖通空調,2008,38(2):101-105.

[7]謝厚禮,劉憲英,林學山. 重慶某長江水源熱泵空調工程冬季測試及討論[J]. 暖通空調, 2011,41(11):74-76.

[8]馬洪權,龍惟定. 水源熱泵應用與水體熱污染[J]. 暖通空調,2009,39(7):66-69.

[9]Kikegawa Y, Genchi Y, Kondo H, et al.Impacts of city-block-scale countermeasures against urban heatisland phenmena upon a building's energyconsumption for airconditioning [J]. Applied Energy,2006,83(6):649-668.

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