海水作為熱泵系統(tǒng)冷熱源的研究

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　引言

　　目前我國對于地源熱泵及水源熱泵的研究已經(jīng)較為成熟，土壤、地下水、井水等低位熱源作為熱泵系統(tǒng)的冷熱源得到了廣泛的研究與應用。但是地源熱泵與水源熱泵的選擇受到當?shù)氐刭|(zhì)及水源情況的制約，需根據(jù)實際情況慎重選用。對于我國各沿海城市來說，擁有廉價而豐富的海水，能否將之應用于熱泵技術(shù)中，來解決城市的供暖與供冷問題，這將是暖通行業(yè)的又一研究課題。

　　1 、國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

　　1.1 國外研究現(xiàn)狀

　　目前，海水源熱泵的研究與應用主要集中在中、北歐各地區(qū)，如瑞典、瑞士、奧地利、丹麥等國家，尤其是瑞典，其在利用海水源熱泵集中供熱供冷方面已有先進而成熟的經(jīng)驗。位于瑞典斯德哥爾摩市蘇倫圖那的集中供熱供冷系統(tǒng)是目前世界上最大的集中供熱供冷系統(tǒng)，其制熱制冷能力為200MW，管網(wǎng)延伸距岸邊最長達20km.該工程建于八十年代中期，位于波羅的海海邊，是利用海水制熱制冷的典范，近幾年瑞典利用海水集中供熱供冷發(fā)展非常迅速，預計在未來十年中將突破500GWh的能力。

　　1987年，挪威的Stokmarknes醫(yī)院，建筑面積14000m2，采用了海水源熱泵來解決其漫長冬季的供熱問題，同時采用一臺燃油鍋爐來滿足其峰值負荷。該熱泵的供熱能力為2200MWh/年。自運行以來，每年可節(jié)能1235MWh[1]，節(jié)約運行費用？31，743，同時可減少CO2排放量800t，SO2排放量5.5t.

　　1992年Halifax濱海地區(qū)的Purdy‘s Wharf辦公商用綜合樓，建筑面積69000m2.該地區(qū)每年大約有十個半月需要供冷，而其海水水下23m處全年水溫一般在10℃以下，因此該綜合樓采用了海水源熱泵系統(tǒng)為其供冷。經(jīng)過運行證明，該熱泵系統(tǒng)較傳統(tǒng)制冷系統(tǒng)多投資的費用在兩年內(nèi)即可回收[2]，具有明顯的節(jié)能效果。

　　此外2000年悉尼奧運會的場館也使用了海水源熱泵技術(shù)。

　　1.2 國內(nèi)研究現(xiàn)狀

　　在國內(nèi)，海水的利用主要集中在利用海水進行工業(yè)冷卻上，近幾年海水的用途正在逐漸擴大，已發(fā)展成為利用海水做溶劑、還原劑、除塵、飲用水、沖渣沖灰、洗滌凈化、水淬、試漏以及生活上使用海水沖廁所、沖洗地面、洗滌、消防等。

　　關(guān)于海水作為空調(diào)冷熱源的問題，1996年青島理工大學（原青島建筑工程學院）的于立強教授針對青島東部開發(fā)區(qū)14萬m2建筑的冷熱源選擇提出了建設(shè)海水冷熱源大型熱泵站的可行性分析。

　　2002年天津科技大學陳東博士提出以海水作為冷熱源，應用大型的制冷＆熱泵系統(tǒng)，為沿海城市集中進行冷暖供應的方案，并進行了一系列的分析說明。

　　但就目前為止，對于將海水應用于城市集中供熱供冷的冷熱源方案都只局限于理論分析與構(gòu)想，缺乏實驗依據(jù)，更未應用于工程實際中。

　　2 、工程應用

　　2.1 工程背景

　　青島市是我國東部重要的經(jīng)濟中心城市、港口城市，是中國歷史文化名城和濱海旅游勝地，同時又作為北京2008年奧運會的伙伴城市，具有世界窗口的作用。而目前奧帆賽所處的東部沿海一線，其高豎的煙囪及屋頂冷卻塔嚴重破壞了東部環(huán)境的美化，同時造成了環(huán)境污染，與綠色奧運精神極不相符，因此為突出“新青島、新奧運”的主題，青島市政府已經(jīng)著手進行全面規(guī)劃，進一步改善城市生態(tài)環(huán)境，逐步取消沿海一線的燃煤鍋爐，尋求新的、可再生的能源來為城市供暖與供冷。

　　由于青島地區(qū)的地質(zhì)以花崗巖、變質(zhì)巖結(jié)構(gòu)為主，儲水性能差，開發(fā)利用土壤能源存在一定困難；青島地區(qū)的地下水自成一個閉合流域，無穩(wěn)定客水匯入，儲水量豐欠變化完全受大氣降水影響，而地下含水沙層淺隙少，儲量少，因此利用地下水作為熱泵冷熱源不能提供可靠、穩(wěn)定的水量。而青島由于其天然的地理位置，處于山東半島南端、黃海之濱，三面環(huán)海，海岸線總長度為862km，海灣49處，海島69個，擁有近海海域1.38萬km2，海水資源非常豐富，為海洋資源的開發(fā)提供了廣闊的空間。

　　有鑒于此，在青島市政府大力支持下，借鑒瑞典先進成熟的海水源熱泵集中供熱供冷的經(jīng)驗，青島市率先于2004年11月在青島某廠綜合樓建成海水源熱泵空調(diào)系統(tǒng)的試驗研究基地，并于2005年1月開始對該系統(tǒng)進行實驗測試工作，以掌握并分析該系統(tǒng)的運行特性，為該技術(shù)在我國沿海地區(qū)的推廣應用提供可靠的實驗依據(jù)。

　　2.2 工程概況

　　青島某廠綜合樓建筑面積2494.7m2，共2層，一層層高5.0m，建筑面積為1589.5m2，主要包括工作間、配膳間、餐廳等；二層層高4.2m，建筑面積為905.2m2，主要包括活動室、娛樂室、會議室、圖書館、辦公室等。原有建筑除餐廳設(shè)有三臺柜式空調(diào)機組外，其它功能房間均無任何空調(diào)設(shè)施。鄰近該綜合樓建有一浴室，需熱水量為100m3/d，原設(shè)計是利用蒸汽換熱，將熱水儲存于一20m3的儲熱水箱內(nèi)，再提供給浴室使用。根據(jù)空調(diào)負荷計算，該綜合樓空調(diào)冷負荷為231.5kW，空調(diào)熱負荷為187.2kW，浴室最大熱負荷為273.5kW.

　　2.3 系統(tǒng)方案[3]

　　經(jīng)過綜合比較分析，考慮到系統(tǒng)的示范性及今后的推廣價值，同時為確保熱泵機組的使用壽命，保證機組的穩(wěn)定正常運行，確定在該試點工程中采用開式間接利用方式，即采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)的循環(huán)介質(zhì)，再通過循環(huán)介質(zhì)將冷熱量在熱泵的蒸發(fā)器（或冷凝器）中傳遞給末端空調(diào)系統(tǒng)，而放出冷熱量的海水則通過排水管道輸送回海面。這種方式具有供熱制冷效率高，供水溫度穩(wěn)定的優(yōu)點，且由于與海水直接接觸的設(shè)備只有換熱器，若選擇耐腐蝕的板式換熱器，則可以方便的進行清洗或更換[4，5].

　　該系統(tǒng)海水冷熱源來自于經(jīng)過過濾、殺菌、祛藻處理后輸送至廠內(nèi)取水口處的海水，該取水口位于離綜合樓200m遠處。由于該廠自1936年以來就采用海水作為工業(yè)冷卻用水，其海水取水管路及海水處理設(shè)備配套齊全，海水外網(wǎng)取水口位于距海邊3km的大海中，海水處理設(shè)備集中布置在近海一側(cè)，從外網(wǎng)取水口來的海水通過輸送管道進入海水處理機房，經(jīng)過過濾器過濾，再由電解海水法產(chǎn)生的次氯酸鈉殺死海水管路中的海生物幼蟲或蟲卵，然后輸送至廠內(nèi)取水口，再由廠內(nèi)取水口利用水泵送至各用水車間。因此冬夏季均可直接取用此取水口的海水作為空調(diào)系統(tǒng)的冷熱源。

　　2.4 系統(tǒng)組成

　　海水源熱泵空調(diào)系統(tǒng)主要包括海水循環(huán)系統(tǒng)、水環(huán)熱泵系統(tǒng)及末端空調(diào)系統(tǒng)等三部分，其中海水循環(huán)部分由取水構(gòu)筑物、海水引入管道、海水泵站及海水排出管道組成。由于該系統(tǒng)直接取用廠內(nèi)取水口處的海水，因此海水循環(huán)系統(tǒng)僅包括海水引入與排出管道及海水循環(huán)泵。

　　該系統(tǒng)的主要設(shè)備包括海水循環(huán)泵、板式換熱器、二次網(wǎng)循環(huán)水泵、熱泵機組、電子水處理儀、補給水泵和補水箱等。同時配備一套自動控制裝置，檢測安裝于管道上的溫度傳感器測出的供回水溫度，轉(zhuǎn)化為電信號后在控制器中與設(shè)定值進行比較，通過控制器控制一二次網(wǎng)循環(huán)水泵的變頻器，調(diào)節(jié)水泵輸入功率，達到節(jié)能的目的，同時便于運行管理。

　　綜合樓空調(diào)系統(tǒng)選用吊裝式水－空氣熱泵機組，直接吊裝于走廊或空調(diào)房間內(nèi)，加熱浴室熱水的熱泵機組選用水－水式，落地安裝于空調(diào)機房內(nèi)。

　　2.5 防腐及防海生物附著措施[3]

　　對于利用海水作為熱泵系統(tǒng)冷熱源這一問題，人們比較關(guān)心的技術(shù)問題主要是海水對設(shè)備和管道的腐蝕和海生物附著造成的管道和設(shè)備的堵塞等問題，由于該試點工程取用的海水已經(jīng)經(jīng)過集中處理，因此僅在以下三方面采取了措施：

　?。?）換熱器采用鈦板可拆式板式換熱器，其在防腐防生物附著方面的優(yōu)點主要體現(xiàn)在：①設(shè)備材料采用鈦鋼板，而鈦鋼具有強度高、傳熱效率高、耐腐蝕性強等優(yōu)點，因此應用于海水循環(huán)系統(tǒng)中，不僅能夠達到很好的傳熱效果，而且可以解決海水對設(shè)備的腐蝕問題；②清洗或更換方便?？刹鹗綋Q熱器只要松動壓緊螺栓，即可松開板束或卸下板束進行機械清洗，由于該熱泵空調(diào)系統(tǒng)中與海水直接接觸的只有換熱器，因此系統(tǒng)只有在換熱器處才會由于海生物的附著而堵塞，而采用可拆式換熱器則可以很好的解決這一問題。

　　（2）海水循環(huán)泵采用專用的耐腐蝕管道泵。

　　（3）海水取水和排水管采用UPVC管材。

　　圖1 海水進水溫度、二次網(wǎng)回水溫度

　　3 實驗測試結(jié)果及分析

　　3.1 測試儀器

　　超聲波流量計、溫度傳感器、溫度采樣器、水銀溫度計、功率表、TSI8386型多功能風速計。

　　3.2 冬季系統(tǒng)運行情況測試

　　由于這一階段的測試數(shù)據(jù)較多，共90天的實驗記錄，因此這里只選取了1月5日至1月26日的數(shù)據(jù)作為分析對象，該階段系統(tǒng)處于自動控制運行。期間熱水供應系統(tǒng)未運行。而海水供水溫度則變化比較平緩，最高供水溫度為4.3℃，最低供水溫度為3.2℃，平均供水溫度為3.8℃，從總體趨勢來看海水供水溫度較為穩(wěn)定。海水溫差和二次網(wǎng)溫差變化也比較穩(wěn)定，平均溫差分別為1.0℃和0.9℃，由于系統(tǒng)處于自動控制狀態(tài)，而一二次網(wǎng)的變頻泵是聯(lián)鎖的，且其流量基本相同，因此一二次網(wǎng)流體的流量變化趨勢相同，從而決定了換熱器兩側(cè)流體的換熱溫差相差不大。

　　換熱器兩側(cè)流體的換熱溫差比較小，其原因主要是因為系統(tǒng)設(shè)計時考慮了熱水供應系統(tǒng)的熱負荷，其熱負荷占冬季設(shè)計總熱負荷的59％，而且根據(jù)自動控制系統(tǒng)的設(shè)定，當海水溫度低于6.7℃時，一二次網(wǎng)循環(huán)水泵中定頻泵與變頻泵同時運行，當負荷變化時依靠變頻泵的調(diào)節(jié)能力來調(diào)節(jié)流量的大小，進而使系統(tǒng)的供熱量滿足負荷的變化。由于在此期間，熱水供應系統(tǒng)未運行，而此時的海水供水溫度又低于6.7℃，因此系統(tǒng)循環(huán)水泵定頻變頻泵同時運行，而變頻泵的調(diào)節(jié)能力有限，當流量降至額定流量的60％時為變頻泵的最小流量，因此當系統(tǒng)流量達到最小狀態(tài)仍不能滿足負荷降低的需求時，必然造成換熱溫差的降低，從而產(chǎn)生了大流量，小溫差的運行狀態(tài)。

　　在測試中，選取了一層和二層各兩個典型房間進行室內(nèi)溫度監(jiān)測，圖3表明在測試期間餐廳、工作間、辦公室以及圖書館的平均溫度分別為22.4℃、25.0℃、18.9℃和20.3℃，滿足空調(diào)房間的室內(nèi)溫度要求。

　　圖1說明淺海處海水溫度雖然較室外空氣溫度的變化穩(wěn)定，但也受到外界環(huán)境一定的影響，水溫較低，1月份的最高供水溫度僅為4.3℃。而板式換熱器的采用保證了系統(tǒng)可以在較低的換熱溫差下，提取海水中蘊涵的低溫熱能，從而確保了整個系統(tǒng)冬季運行的可靠性。

　　3.3 流量改變時系統(tǒng)運行性能參數(shù)的變化

　　4月1日至4月5日通過手動設(shè)定變頻器的輸入功率，從而調(diào)節(jié)一二次網(wǎng)循環(huán)水泵的流量，來研究流量的改變對系統(tǒng)其它運行參數(shù)的影響。本次實驗測試了五種狀態(tài)下的工況，即頻率為50Hz，45Hz，40Hz，35Hz和30Hz的情況，測試時間從上午9：00開始至下午5：00結(jié)束，然后設(shè)定變頻器的輸入功率，改變系統(tǒng)的流量，并通過其夜間的運行使工況穩(wěn)定，以利于第二日的測試，室外溫度則取測試期間的平均值作為計算參數(shù)。本階段測試期間職工食堂二層熱泵機組均未運行。

　　測試結(jié)果列于表1中，從表1可以看出，隨著系統(tǒng)流量不斷減小，換熱器兩側(cè)流體的換熱溫差逐漸變大，同時系統(tǒng)性能系數(shù)提高。此時循環(huán)水泵輸入功率在系統(tǒng)總輸入功率中的比重減少（表2），說明在此系統(tǒng)中，循環(huán)水泵輸入功率是影響系統(tǒng)性能系數(shù)變化的一個重要因素，因此為提高系統(tǒng)的性能系數(shù)應減少循環(huán)水泵的輸入功率，也就是使循環(huán)水泵處于小流量、大溫差的運行狀態(tài)。

　　表2以4月1日的分析結(jié)果為對比基礎(chǔ)，隨著系統(tǒng)流量的改變，其最大流量工況與最小流量工況相比，系統(tǒng)性能系數(shù)從2.89提高到4.05，是最大流量時的1.57倍，系統(tǒng)單位時間耗電量減少了48.3％。由于最小流量工況測試日室外空氣溫度較高，系統(tǒng)供熱量較前四天小，僅為4月1日的71.4％，因此可以推出當室外參數(shù)相同時，系統(tǒng)的性能系數(shù)將超過4.05，系統(tǒng)在小流量時具有較大的節(jié)能前景。

　　從表1換熱誤差可知，海水供熱量和二次網(wǎng)吸熱量之間的誤差在7.3％以內(nèi)，因此說明該階段的測試數(shù)據(jù)較為可靠。

　　3.4 流量恒定時系統(tǒng)運行性能參數(shù)的變化

　　從4月6日至4月11日，通過手動設(shè)定保持海水流量和二次網(wǎng)循環(huán)介質(zhì)流量穩(wěn)定不變，研究系統(tǒng)其它運行性能參數(shù)的變化情況，此時海水變頻泵的頻率為40Hz，二次網(wǎng)變頻泵的頻率為35Hz.4月6日和4月7日兩天，由于天氣較暖，超過19℃，因此為降低工作間的溫度，部分熱泵機組處于制冷模式運行；4月9日以后由于寒流的影響，室外空氣溫度驟降，一層全部熱泵機組均處于供熱模式運行，該階段測試中二層熱泵機組均未運行。

　　由于4月6日和4月7日系統(tǒng)同時供熱供冷，因此對于系統(tǒng)的性能不能用COP來評價，因此本文采用系統(tǒng)的綜合性能系數(shù)PF（Performance Factor）來評價，即在一段時間內(nèi)空調(diào)房間所得的總冷熱量與該段時間內(nèi)系統(tǒng)所消耗的總能量之比，4月9日至4月11日由于天氣較冷，熱泵機組均處于供熱模式運行，因此對系統(tǒng)性能的評價仍采用COP.比較4月6日～4月8日系統(tǒng)的性能系數(shù)，當系統(tǒng)處于定流量工況時，隨著室外溫度的升高，同時供熱供冷的工況與單獨的供熱工況相比，系統(tǒng)的性能系數(shù)PF要高于COP.從4月8日～4月11日的數(shù)據(jù)可知，系統(tǒng)的制熱性能系數(shù)COP隨著室外空氣溫度升高而下降，這是因為在該階段測試中系統(tǒng)的流量保持不變，循環(huán)水泵的輸入功率不變，而由于房間熱負荷隨著氣溫的升高而降低，因此為滿足熱負荷需求的減少，系統(tǒng)換熱溫差減少，此時系統(tǒng)從海水中的取熱減少，同時由于熱泵機組輸入功率的減少幅度小于供熱量的減少幅度，因此系統(tǒng)的COP降低。本文建議該系統(tǒng)過渡季的運行適宜于同時供熱供冷的場合。

　　本系統(tǒng)從調(diào)試到正常運行已經(jīng)持續(xù)了四個多月，且為全天不間歇運行，從測試結(jié)果分析表明，海水作為熱泵系統(tǒng)熱源時，不像土壤源那樣存在溫度場的恢復問題，也無需像地下水源熱泵那樣考慮地下水的回灌問題，因此海水是沿海地區(qū)熱泵空調(diào)系統(tǒng)理想的熱源。

　　本文以海水源熱泵空調(diào)系統(tǒng)冬季及過渡季運行工況作為研究對象，通過實驗數(shù)據(jù)分析海水作為熱泵系統(tǒng)熱源時系統(tǒng)運行的可靠性，并分析了系統(tǒng)運行性能參數(shù)對系統(tǒng)的影響，得出如下結(jié)論：

　?。?）經(jīng)過冬季的運行測試證明，海水源熱泵空調(diào)系統(tǒng)可以滿足室內(nèi)的供暖要求。

　?。?）從實驗結(jié)果分析知，1、2月份氣溫最低的冬季，海水供水溫度較室外空氣溫度要高，且供水溫度較為穩(wěn)定，而且根據(jù)海水溫度的逐時變化及日變化來看，海水在一天中極值溫度的出現(xiàn)較空氣溫度具有延遲性，其日變化也具有延遲性，這就保證了當室外空氣溫度最低，系統(tǒng)需熱量最大時，海水的供水溫度不是最低，可提取的低溫熱能較大，系統(tǒng)運行可靠。

　?。?）通過系統(tǒng)流量改變的工況測試分析，循環(huán)水泵輸入功率占系統(tǒng)總輸入功率中的比重較小時，系統(tǒng)的性能系數(shù)較大，也即當系統(tǒng)處于小流量、大溫差運行狀態(tài)時，系統(tǒng)運行工況最優(yōu)。

　　（4）定流量工況下，系統(tǒng)過渡季的運行適宜具有同時供熱供冷的場合。

　?。?）海水源熱泵與土壤源熱泵相比，不存在溫度場的恢復問題，因此即使全天24小時不間斷的情況下長期運行也不會對系統(tǒng)的性能系數(shù)產(chǎn)生很大的影響；

　　該系統(tǒng)從2004年12月開始調(diào)試至今未出現(xiàn)海水腐蝕和管路堵塞的問題，系統(tǒng)一直處于穩(wěn)定運行狀態(tài)，因此對于海水源熱泵來說只要解決好海水取水管網(wǎng)及設(shè)備的防腐及防生物附著問題，海水對于沿海城市來說是比較理想的熱源。

　　由于該系統(tǒng)測試時間從2005年1月1日起，因此對于夏季工況的測試還無法開展，因此需進一步對該系統(tǒng)進行全年測試，從而對系統(tǒng)的節(jié)能效果進行全面的分析。