我國地表水水源熱泵技術研究及應用現狀

田慧峰

中國建筑科學研究院上海分院

我國地表水水源熱泵技術研究及應用現狀

田慧峰

中國建筑科學研究院上海分院

地表水水源熱泵技術具有節能、環保等優勢，在我國長江流域沿線區域有著較廣泛的應用前景。本文系統地總結了這項技術在我國各地的應用情況以及自上世紀八十年代以來我國在相關領域的研究進展，對應用江水源熱泵進行了實地調研，并總結了存在的問題，最后提出了此項技術應予重視的研究方向。

水源熱泵地表水工程應用研究方向

1 我國地表水水源熱泵應用現狀

得益于良好的水資源優勢和國家政策支持，我國近十年來已有較多應用地表水水源熱泵的項目，這些項目分布在上海、重慶、青島、大連、北京、天津等地，以江水源、河水源、湖水源為主，也有一些海水源、再生水源方面的嘗試。

江、河水是流動的，水體的流動能夠帶走熱/冷量，也加強了與邊界及大氣的換熱效果，比相對靜止的湖水更適合作為熱泵機組的換熱載體[1]。江水水流量大、流速快，與河、湖相比，換熱效果最好，所以相對于其他類型的地表水水源熱泵，江水源熱泵在我國的工程應用項目最多，但受限于水資源條件，這些項目集中在上海、重慶等地。中國2010年上海世博會世博軸采用江水源熱泵系統聯合地埋管地源熱泵系統進行集中供冷和供熱，江水源熱泵系統以黃浦江江水為水源，江水直接進入機組，選用5臺制冷量1200 kW、制熱量1100 kW的江水源熱泵機組[2]。上海十六鋪地區綜合改造工程和上海港國際客運中心項目也以黃浦江江水為水源，采用了江水源熱泵系統，其中前者應用面積為11.4萬m2，后者應用面積為40萬m2[3，4]。重慶江北城CBD區域是重慶主城的核心區域，占地約2km2。江北城CBD區域約230萬m2公共建筑擬實施江水源熱泵集中供冷供熱示范。一期工程已于2009年完工，供熱供冷范圍為重慶大劇院，建筑面積8.26萬m2[5]。重慶市世紀會緊鄰長江，以長江水為冷熱源，選用兩臺制冷量203kW、制熱量229kW的水源熱泵機組，為約2000m2建筑供冷和供熱[6]。黃山玉屏假日酒店以新安江江水為水源，采用水源熱泵結合水蓄冷的方式，為約7.9萬m2的建筑供冷和供熱[7]。桂林陽朔的碧蓮江景大酒店，以漓江江水為水源，采用2臺螺桿式雙冷凝器全熱回收滿液式水源熱泵機組，單臺制冷量為1337.6kW[8]。

河與江相比，水流量和流速都會小一些，但仍可在一些工程規模不大的項目中作為熱泵機組的換熱載體。連云港職業技術學院新校區一期以東鹽河河水為水源，采用4臺制冷量3006kW、制熱量2852kW的螺桿式水源熱泵機組，為教學行政區、宿舍生活區、教學實驗區及圖書館供冷和供熱，河水直接進入機組[9]。

當項目所在地與湖泊相鄰時，就可以考慮采用湖水源熱泵技術。由于湖水為相對靜止的水體，熱泵排到湖水中的熱量只能通過湖水表面蒸發吸熱、水體與大氣的對流換熱、水體與湖底邊界的換熱等方式傳遞到水體之外，所以應用湖水源熱泵技術對湖水水面面積、水體容量及水深等都有一定的要求。在一些具備較好湖水條件的地方，也有一些湖水源熱泵工程項目。桂林市榕湖飯店以榕湖湖水為水源，采用2臺制冷量1241kW、制熱量l383kW的螺桿式雙冷凝器滿液式水源熱泵機組，為飯店4～6號樓、動力中心、會議中心提供集中空調及24h生活熱水，總建筑面積約3.5萬m2[10]重慶開縣人民醫院利用安康水庫湖水，于2007年建成為約2.4萬m2建筑供冷和供熱的湖水源熱泵系統[11]。湖南湘潭利用城市中心區約5.6萬m2的人工湖，于2004年夏季建成湖水源熱泵系統，為市政府大樓和大劇院供冷和供熱[12]。南京工程學院利用天印湖湖水，采用拋管式水源熱泵系統，選用三臺1750kW克萊門特水源熱泵機組，為圖書信息中心供冷和供熱，考慮到冬季湖水溫度過低，換熱器可能出現取熱不足的情況，湖水側串聯了500kW的電輔助加熱設備[13]。武當山體育館以緊鄰丹江水庫的優勢，也采用了湖水源熱泵系統[14]。

我國有較長的海岸線，很多城市臨海，為應用海水源熱泵技術提供了條件。青島奧帆基地媒體中心空調系統采用開式間接利用方式的海水源熱泵，應用建筑面積約8000m2[15]。大連某港口北候船廳，建筑面積約6000m2，采用了海水源熱泵系統，系統從取水井口引來海水通過板式換熱器與乙二醇混合液循環系統換熱，海水通過重力自流至集水井，由設在集水井中的玻璃鋼自吸泵進入熱泵房[16]。舟山市普陀區東港商務中心地處舟山本島東側沿，采用海水源熱泵系統解決約50萬m2建筑物的冬季采暖與夏季制冷及全年供生活熱水的問題[17]。

每個城市都有污水輸送系統及污水處理廠。由于成熟污水主要為生活雜排水，所以水體溫度較高，適合于作為熱泵采暖的熱源。北京奧運村采用了直接式污水源熱泵系統，選擇1臺滿液式熱泵機組，換熱管材為鎳銅合金，進行防腐設計[18]。北京悅都大酒店建筑面積約1.5萬m2，利用距酒店50m處的污水干渠中的污水作為熱泵冷熱源，為酒店供冷和供熱，同時解決生活熱水問題[19]。大連市某地下商場采暖空調項目，利用周邊污水管線建成原生污水源熱泵系統，為1.9萬m2建筑提供采暖和制冷[20]。天津公館污水源熱泵系統是天津市首例應用城市原生污水作為冷熱源的空調工程，該工程利用天津公館附近污水干渠的原生污水實現對8,800m2建筑的空調供冷/供熱、約3.5萬m2建筑的采暖供熱以及450戶居民的生活熱水供應[21]。昆明理工大學呈貢校區圖書館利用該校區中水站的中水作為冷熱源建成污水源熱泵系統[22]。

總之，我國已有較多江、河、湖水源熱泵工程項目，系統制冷量在500kW-20,000kW之間；也有一些海水、污水源熱泵項目，規模通常較大，為推廣該技術提供了一定的實踐基礎。同時也應指出，我國尚缺乏對地表水水源熱泵實際運行效果的跟蹤和總結，僅有個別項目有公開的性能測試數據，但仍不能代表系統全年的運行性能，需加強對已建水源熱泵項目的效果跟蹤，并及時向社會公開跟蹤結果，以更好地推動這項技術的發展。

2 我國地表水水源熱泵技術研究現狀

所以近十年來，地表水水源熱泵技術逐漸成為研究熱點，研究內容涉及地表水水源熱泵技術的方方面面，包括技術適用性、對水體環境的影響、設計與分析方法、取水方式、系統性能測試、水體溫度變化數學模型等。

技術適用性研究可分為全國性地表水水源熱泵應用發展探討與規劃、地區適用性研究和特殊行業/建筑類型的適用性研究。聶會元等人分析了我國各氣候區內的水資源分布情況，結合地表水水源熱泵的應用條件，對各氣候區淡水源熱泵的適應性分析進行了研究[23]。武云涌等人探討了在我國全面規劃建設污水源熱泵系統的重要性和可行性[24]。朱治科分析了水源熱泵供熱方式的優勢和不足[25]。

研究人員對全國各地水源熱泵的適用性進行研究，涉及重慶、上海、福州、湖北黃石、浙江等地應用江、河、湖水源熱泵的可行性，大連、浙江沿海、江蘇沿海、天津等地應用海水源熱泵的可行性，以及沈陽、蘭州、鄭州等地應用污水/再生水源熱泵的可行性等[26～37]。王子云等人對重慶段長江水溫隨橫斷面和時間的變化進行了實測分析，得到長江水溫在整個橫斷面基本恒定，而江水的夏季月平均溫度為22～25℃，冬季月平均溫度為11～16℃，水溫日變化幅度不超過0.5℃，是一種具有良好品質的穩定的冷熱源[26]。上述研究成果表明，長江江水在同一斷面基本不存在溫度分層問題，而且水溫日變化幅度很小。

在不同行業、不同建筑類型中，我國科技人員也開展了特殊條件下應用水源熱泵的可行性研究。胡鵬等人探討了以熱電聯產電廠產生的大量循環冷卻水作為熱源，采用吸收式熱泵機組進行區域供熱的技術經濟可行性[38]。胡學毅等人分析了鋼鐵工業冷卻水水源熱泵的運行費用和投資費用及提高供水溫度和制熱效率的方法[39]。國德防等人討論了在印染、電廠和輪胎生產工藝過程中如何采用吸收式熱泵系統回收工業余（廢）熱，減少能源消耗的技術[40]。史學增等人研究了海水源熱泵在船舶上的適用性[41]，展海風等人討論了水源熱泵在煤礦行業應用的可能性[42]，王璐等人分析了浴室排水余熱回收熱泵系統的能量消耗[43]，劉金祥等人研究了在中高檔旅館中應用中水源熱泵系統的可行性[44]。由此可見，水源熱泵技術的應用范圍很廣。不同行業、不同建筑類型，在具有水資源的條件下，均有可能應用水源熱泵技術。

相對于其它熱泵系統，地表水水源熱泵的特殊之處在于其排/取熱源為地表水。然而，在排/取熱的過程中勢必會對水體帶來影響，所以地表水水源熱泵對水體環境的影響是該領域研究的熱點之一。馬宏權等人分析了水源熱泵造成水體熱污染的可能性及其預防措施[45]。蘇洋等人研究了水源熱泵運行中造成的水域溫升給生態環境帶來的影響，建議建立一套針對地表水水源熱泵對生態環境影響評估的指標體系[46]。吳榮華等人分析了以地表水水源熱泵系統產生城市熱島效應后的能耗附加值，提出可利用用能與節能系數預測地表水源熱泵系統的節能與環保效益[47]。周健等人對湖水源熱泵系統冷排水對湖泊藻類及葉綠素含量的影響進行了研究，結果表明，冷排水對藻類總量增長有明顯抑制作用[48]。黃向陽等人對江水源熱泵系統排水對江水水溫及水質的影響進行了研究，結果表明，排水引起的湖泊局部水域水溫下降會導致表層溶解氧升高，對底層溶解氧則影響微弱[49]。葉姜瑜等人實測了水源熱泵運行前后安康湖湖水細菌和藻類的變化情況，研究表明水源熱泵運行前后，藻類生物量、種類組成及優勢種發生變化[50]。由此可見，水源熱泵排/取熱會對地表水水溫、水質產生一定的影響，但是否會破壞地表水生態系統尚不可知，可見我國仍需在該方向上開展系統的研究工作。

為推廣應用地表水水源熱泵技術，各科研及設計單位也積極開展了設計與分析方法的研究。范亞明等人提出了一種湖庫塘開式水源熱泵系統全年能耗分析方法[51]；鄧波等人對大型地表水源熱泵系統進行建模分析，綜合考慮系統在“江水溫——負荷——機組部分負荷性能”多影響因素下的負荷特性，實現對系統設備容量的優化[52]；舒海文等人研究了海水源熱泵區域供熱系統的最大供熱半徑[53]；吳學慧等人根據現有城市原生污水源熱泵的技術經濟特點，以系統的年運行費用為目標函數，建立了系統綜合優化的數學模型，并利用遺傳算法對系統的運行參數及機組部件進行了優化選擇，實現了系統年運行費用最小的目標[54]。

除上述熱點問題外，我國也有一些與其它能源聯合運行、經濟性、地表水換熱器、機組研制、輸配系統優化、系統仿真等方面的研究成果。

3 地表水水源熱泵工程調研及分析

為深入了解地表水水源熱泵工程的實際運行情況，筆者對應用江水源熱泵比較典型的重慶大劇院江水源熱泵集中供冷供熱工程、中國2010年上海世博會江水源熱泵系統、上海十六鋪地區綜合改造工程和上海港國際客運中心，應用湖水源熱泵比較典型的重慶開縣人民醫院湖水源熱泵工程和湘潭城市行政中心區湖水源熱泵區域供冷供熱系統，應用河水源熱泵比較典型的連云港職業技術學院新校區一期工程進行了實地調研。通過對上述工程的調研，得出以下結論：

1）在建筑節能建立示范工程的大背景下，在政府支持下地表水水源熱泵技術得以在一些大型公共建筑、政府建筑中應用。

2）地表水水源熱泵技術應用受到諸多因素的制約。首先當地需具備合適的地表水源是應用地表水水源熱泵技術先決條件。其次對水源水質也有一定的要求，具體參數包括水體溫度、水流量和水質指標等。再次受不同地區能源政策、燃料價格的影響，應用地表水水源熱泵技術的初始投資及運行費用會有所不同。

3）動態負荷預測和水溫變化預測是地表水水源熱泵技術的基礎問題，但在實際工程設計中缺乏應用。

4）據調研上述工程，在系統設計階段，仍采用了傳統的機組選型方法，以峰值負荷為選型基礎，并未考慮機組優化匹配及水源水溫變化可能帶來的影響。

5）在進行可行性論證時，與傳統空調系統的經濟性進行比較，是判斷地表水水源熱泵系統可行性的重要方法之一。

6）當地表水水體溫度無法滿足水源熱泵機組在某些工況下的運行條件時，則需設置輔助冷熱源，如冬季水溫很低時。

4 結語

盡管我國在地表水水源熱泵領域已有一些工程應用和研究成果，但由于起步較晚、實踐較少，尚存在以下問題：

1）科研與工程實踐脫節。實踐是檢驗真理的唯一標準，但在現實狀況下，大部分科研成果較難應用到實際項目中。筆者曾參與過多個水源熱泵項目的論證和設計，業主均無意應用最新的研究成果，而傾向于選擇成熟的方法、措施。

2）對已實施工程的持續性能監測和效果跟蹤較少。我國有較多已實施的地表水水源熱泵工程，但闡述這些工程性能監測和效果跟蹤的文獻較少。

3）水溫基礎數據不完整，可用于工程設計的簡化計算方法較少。盡管已有一些地表水水溫的監測數據，如長江、嘉陵江、黃浦江等，但尚無完整、系統的水溫基礎數據可供工程設計人員參考。目前多位學者研究了湖水水溫的變化規律，但所用數學模型均很復雜，普通設計師不易掌握；且尚未在國內公開文獻中找到反映江水溫度變化數學模型。

4）對地表水水源熱泵系統的整體優化方法研究較少。當前在地表水水源熱泵領域已取得的研究成果中，大部分是對某一部件、組成要素的研究，如輸配系統、取水方式等，缺乏對地表水水源熱泵系統整體優化方法的研究。

5）未見建立地表水水源熱泵系統全壽命周期成本分析方法，而全壽命周期成本是判斷地表水水源熱泵系統相對于其他類型系統是否優越的關鍵指標之一。目前我國在水源熱泵經濟性方面的研究尚限于宏觀經濟性或某一具體工程采用不同類型冷熱源的經濟性對比，未見科學、統一的經濟性分析方法的研究成果。

6）在不同需求情況下，地表水水源熱泵與其他冷熱源聯合運行的可行性方面的研究較少。由于地表水水源熱泵性能受到地表水水溫、取水距離、高差等因素的制約，在某些特定情況下，需要與其他供冷供熱形式聯合運行，以滿足采暖制冷需求，目前缺乏這方面的研究。

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TIAN Hui-feng
China Academy of Building Research ShanghaiBranch

Surfacewater source heatpump technology has the advantages of energy saving,environmental protection, and hasabroad application prospects in Chinaalong the Yangtze River region.Thispaper summarizes theapplication of this technology in our country since the 1980s in related fieldsof study progress.Field research the typicalsurfacewater sourceheatpump works,the findingswere discussed and summed up the problem.Finally,the research direction of this technology isgiven.

watersourceheatpump,surfacewater,engineering applications,research directions

1003-0344（2014）03-025-5

2013-5-18

田慧峰（1979～），男，博士；中國建筑科學研究院上海分院（200023）；E-mail:thuifeng@gmail.com