東江湖庫區地表水地源熱泵系統的可行性與應用

朱曉保

摘 要：東江湖水庫位于湖南省郴州市，是“東江水電站”的蓄水水庫。其水量、水溫、水質和供水穩定滿足地表水地源熱泵系統的要求，夏季水溫較低、冬季有火力發電的工業熱水，使得其優勢明顯。在具體的應用的也取得了較好的效果。

關鍵詞：東江湖；地表水地源熱泵；溫差制冷；水庫冷源

“地源熱泵”的概念最早在1912 年由瑞士的專家提出，是通過輸入少量的高品位能源實現由低品位熱能向高品位熱能轉移。地表水式地源熱泵問世于20世紀30年代，是地源熱泵中最早使用的熱泵系統的一種。該系統通過布置在水底的閉合換熱系統與江河、湖泊、海水等進行冷熱交換。它利用水下穩定的溫度和顯著的散熱性，不需鉆井挖溝，初投資最小，是簡單、環保的供冷、暖方式。

1 東江湖庫區的水文、水質特征

東江湖位于湖南省東南部的資興市境內，屬國家級禁止開發區域。自1986年蓄水以來，充分發揮了湖南省重要飲用水源地、湘江生態補水、防洪調峰、觀光旅游、保護生物多樣性和發電等綜合功能。

1.1 東江湖庫區水文、地質特征

東江湖是湘江一級支流耒水河上游的一座大型水庫，是湖南省蓄積量最大的一級飲用水湖泊。流域面積4719平方公里，占耒水流域總面積的39.6%，水面面積160平方公里，總庫容97.4億立方米，正常蓄水81.2億立方米，平均水深51米，最深處達157米。

該地區多年平均氣溫16.9℃，極端最高氣溫38.6℃，最低（山頂）氣溫-7.5℃，多年平均降水量1325.2㎜。境內山嶺層疊，最高海拔1691米，最低海拔180米。地勢第一級為河谷及階地、構造陷落盆地和丘陵崗地，海拔500米以下，占總面積的22.65%，該級土質深厚肥沃，現大部分為淹沒區。

1.2 東江湖庫區的水質情況

主要入湖（庫）的河流有：浙水、滁水、資興江、漚江、淇江。各河流含少量平均為0.22千克每立方米，水溫多年平均為16℃左右。根據監測數據與《國家地表水環境質量標準》，東江湖水質良好。對東江湖多個監測點的數據分析，水質達到或優于《地表水環境質量標準》Ⅱ類水標準；小東江飲用水源符合《飲用水源水質標準》Ⅰ級標準。

但在東江湖流域52個鄉鎮中，只有3個鄉鎮建有污水處理設施，沿河集鎮的生活垃圾、生活污水均未經處理直接排入水體。流域內分布著瑤崗仙礦、汝城小垣—井坡礦區，多為本地資源粗加工為主的小企業。這些廢水都排入東江湖流域，廢水中含有害物質對水質影響較大。

2 東江湖庫區應用水源熱泵系統的可行性分析

東江湖庫區地能用于地表水地源熱泵系統的水量充足、水深較大。相對于庫容量而言，來水及泄水的水量比例不大。太陽輻射全年不是太大，氣溫較低、地溫與水庫水溫相近，庫表水體的吸放熱終年變化不大。和大部分容量大而且較深的發電用水庫一樣，東江湖溫度分層是非常明顯的。東江湖的水溫適合地表水地源熱泵系統的要求。

水質穩定，達到國家Ⅰ級標準或Ⅱ類水標準，只需要進行簡單的過濾處理就可以凈化，滿足要求。由于水體的酸堿度適中，在交換熱量的過程中，水體對管道的腐蝕不大，也不容易產生水垢。整體來看水體質量對管道和換熱系統使用壽命的影響不大。但也需要注意控制上游生活污水和禁止礦產的粗放開發。

需要特別指出的是小東江河流段夏季排水溫度低于氣溫，這就給制冷空調提供了可利用的自然溫差源 。東江水庫下排水從庫內水深約 50 m 處排出，最高出水溫度為 14.4℃（ 10月） ， 最低出庫水溫為11.8℃。受東江水庫的底層水排出的影響，小東江及鯉魚江流程幾十里河水水溫終年變化不大，常年水溫維持在 13-18 ℃，夏季水溫在 13-15 ℃的時間居多，制冷可用溫差達 11-13 ℃。

3 東江湖庫區地表水地源熱泵系統應用

東江湖庫區冬季氣溫不高，水溫分布均勻，在10 ℃左右，相對郴州冬季3-10℃的平均氣溫而言，具有一定的采暖意義。夏季水溫分層明顯，可以分為溫水層、 溫躍層和冷水層。水面25m以下水溫穩定在10℃ 以下，完全能滿足民用建筑的制冷要求。

理想的制冷循環是逆卡諾循環，它的能效系數只與循環的高、低溫熱源溫度及其差額有關。對于制冷用空調而言，當房間溫度一定時，室外冷源的溫度越低，則空調的能效系數越大。對于供熱用空調而言，當供熱房間溫度一定時，室外蒸發器的熱源溫度越高 ，供熱系數越大。在郴州地區煤炭資源豐富，在東江湖的下游建立了火力發電廠，電廠冷卻循環水的水溫較高，又可以在冬季采暖的過程中發揮較好的效果。正是這樣獨特的條件，是的東江湖庫區的地表水地源熱泵系統的效果可以最大程度發揮。

蔣愛華和梅熾的《水庫溫差能在制冷空調中的利用研究》一文中提到：位于東江湖下游的鯉魚江電廠的空調系統既是以河水為冷源的空調系統。該空調系統夏季利用東江水庫排水作為冷媒直接對全廠供冷，冬季采用該廠發電用蒸汽輪機的抽汽加熱河水供熱。該系統的受益范圍為全廠生活區和辦公區，設計總冷負荷為4350kW，總熱負荷為3970kW。該項目總投資745萬元，與普通的同規模集中空調系統相比，節約投資超過1000萬元，每年可節約運行費用100多萬元，節能效果顯著。

4 結論

東江湖庫區水量豐富、水質較好，適合地表水地源熱泵系統的應用。作為一座大型發電水庫，水溫分層分布，在水體較深處排除的發電用水的水溫基本恒定，具備冬暖夏熱的供冷熱條件。而有火力發電廠位于流域的下游，更把這種優勢發揮得更大。但目前東江湖庫區地表水地源熱泵系統的應用并不多，一是因為作為國家級禁止開發區，東江湖主體湖面周圍的社區和工廠都已經搬遷，需要供冷熱的建筑物不多。二是因為在資源型地區，而地表水地源熱泵系統初裝成本太高，大家的供冷熱的習慣還停留在原來的思維上。因此，要發揮好東江湖庫區地表水地源熱泵的應用優勢，要解決長距離的換熱過程中能量散耗的問題；要開發小型、低成本地源熱泵系統；也要加大節能環保的宣傳更新理念。

參考文獻：

[1]蔣愛華，梅熾.水庫溫差能在制冷空調中的利用研究[Z].暖通空調，2004（03）.endprint