开式江水源热泵系统在重庆地区的适用性分析

随着经济水平的提高，人们对生活质量的要求越来越高，采暖空调系统大量应用于办公生产居住建筑，使得建筑能耗逐年递升。在全球变暖和节能减排的大背景下，国家大力推广可再生能源的利用，热泵作为一种有效利用可再生能源和低品位热能的技术得到了广泛关注。 根据热源(汇)的不同，热泵技术分为空气源热泵、土壤源热泵和水源热泵，其中水源热泵技术根据水体性质分为地下水源热泵系统和地表水源热泵系统，地表水源热泵是地源热泵(GroundSource Heat Pumps, GSHP)的一种，利用地表水作为低位冷热源，通过夏季制冷、冬季制热循环，向地表水中释放热量或提取热量，是可再生能源的一种重要利用形式。虽然近几年该技术得到了较好的发展，但受地理位置、地质结构及气候的影响，并没有得到广泛的应用推广。重庆作为四大直辖市之一，城市发展迅猛，地理上位于长江上游的下段，长江干流自西向东横贯全市，嘉陵江和乌江两大支流在区内汇入，具有两江环抱的得天独厚优势，水资源极其丰富，若可以有效利用两江水作为空调系统的热源热汇将具有重要的意义。水源热泵系统分为开式系统和闭式系统，由于闭式系统成本较高，本文着重探讨开式江水源热泵系统在重庆地区的适用性。 开式地表水源热泵系统方案设计要求 国内关于热泵系统的研究起步较晚，目前关于地表水源热泵系统的研究与应用主要集中在两个方面，一是研究地表水源热泵技术可行性及效益分析，另一方面主要是针对特定地表水源热泵项目的分析与评价，过去10多年的研究取得了不少成就。已依据大量的调查研究、既有地源热泵系统应用的工程实践以及国外相关标准和技术经验，编制了《地源热泵系统工程技术规范》，该规范对中国国情对地表水源热泵系统的设计、施工及检验验收各方面进行了详细要求。此外文献研究也提出了地表水源热泵系统的设计要求，笔者通过调查相关的规范以及文献阅读，概括了开式地表水源热泵的设计要求，认为主要包括以下几点： (1)水源条件的限制。水体应保证水质良好、温度适宜、水量充沛等特点；地表水温度过高、过低及地表水量不足影响系统的可靠性和稳定性。 (2)投资的经济性。与传统空调相比，虽然水源热泵系统的运行费用较低，但初投资及投资回收周期是一个重要的考虑因素。 (3)地表水源热泵系统不应对水体及环境造成影响，给整个地表水体所带来的温差变化不得超过2℃。概括来说，地表水源热泵系统既要满足技术、经济上的要求，还要能满足环保等要求，本文从这三个方面探讨了重庆地区开式江水源热泵系统的适用性。 江水源热泵系统的技术适用性 1 重庆水源概况 并非所有水体都可直接应用于水源热泵系统，水源状况直接影响到热泵系统的技术性能，要分析地表水源热泵系统的技术适用性首先要了解该地区的水源状况。水源热泵系统对水体的要求是：水量充足、水温适度、水质适宜、供水稳定。 1.1 水量分析 重庆地区河流众多，均属长江水系。有长江、嘉陵江、乌江、綦江等36条入境河流，其年总径流量为3981.32亿m3，图1为中国水资源公报统计的2006～2009年重庆地区的水资源概况，可以看出，重庆地区年总降水量以及地表水资源量丰富。 长江流经重庆市的江津、主城六区、长寿区、涪陵区、丰都、忠县、万州、云阳、奉节、巫山等众多区县，可利用率高，嘉陵江在合川市流入重庆境内，境内河长153.8km，北碚站年平均径流量为668亿m3，是长江支流流域面积最大的支流，流域面积达到8万km2以上。根据长江和嘉陵江两江汇合口朝天门下游7km的寸滩水文站的资料统计，长江在重庆段多年平均流量为10930m3/s，具有丰富的入境水资源，保证了供水的稳定性。 1.2 水温分析 江水温度的分布对江水源热泵空调系统的容量选择、设备配置具有直接影响。制热运行工况时，水源水温应为12-22℃，在制冷运行工况时，水源水温一般为18-30℃。 丁勇等对长江重庆段和嘉陵江的江水温度开展了多测点的全年逐月测试。测试结果表明，在0.5-9.0m 深度范围内的两江江水温度无明显分层现象，长江水温全年的温度分布在10.46-25.32℃，嘉陵江水温全年分布在8.94-29.75℃之间。 王子云等人分别对离江边0.5m、1m、2m、10m、20m和40m，水深同为0.5m的位置进行了水温测试，结果表明同一时刻不同位置的江水温度相同，水温在横向分布上也是均匀的。可见长江水温在整个横断面基本恒定，水温范围适合于水源热泵机组，而且江水在冬夏季水温日波动均小于气温日较差，是一种具有良好品质的稳定的冷热源。 吴浩等在连续时间内对水温沿流向的分布进行了测试，选取了万州、云阳、奉节、巫山、巴东和太平溪测点，测试结果如图2所示，可以看出，在同一时刻，长江水沿流向水温有逐渐升高的趋势，但仍处于较为合适的水源水温范围内。 综上所述，可以看出重庆境内的江水在纵向、横向以及江水流向的三维分布上呈现水温均匀，适宜的分布状态。 1.3 水质分析 水质也是判定水源热泵系统适用性的重要因素之一，水质过差将导致水处理成本的增加，从而降低水源热泵系统在当地的适用性，水质特性与水处理措施的选择和换热器的选择直接相关。应用地表水源热泵技术时关注的主要水质指标有：悬浮物及含砂量，溶解固形物含量，总硬度，PH值，藻类和微生物含量等。 悬浮物和含砂量过高，一方面会造成管道堵塞，影响机组正常换热，另一方面会引起开式地表水源换热器不断受到冲击腐蚀，影响机组的使用寿命，从而影响系统的正常运行。溶解固形物指水中溶解的盐类和有机物的总称，其中的氯离子和硫酸根离子对铜换热器的腐蚀作用较大。总硬度指水中钙镁离子的总量，钙镁离子浓度过高将导致系统结垢，降低传热效率，增加电耗。PH值与水中其他杂质的存在形态以及水对金属的腐蚀程度密切相关。可见，水质的好坏直接影响到水源热泵机组及其运行性能。 目前还未出台水源热泵水质要求的国家标准，可参照国内相关技术标准中关于水源热泵机组的水质指标的规定，表1是长江与嘉陵江水质指标测试结果与允许值的对比，可以看出，在几个重要的水质参数中，长江和嘉陵江的含砂量超标，其他水质指标均良好，重庆地区利用江水作为空调系统冷热源的最主要问题是含砂量过高。 为了解决含砂量过高的问题，王勇等研究了开式地表水地源热泵的取水方式，认为含砂量较大的水系如长江可以采用天然河底渗滤取水的方式，其不足是初投资较大，但李文等的后续研究表明渗滤取水虽然初投资大，但如果能够对取水实行二次利用，其运行经济效益良好。其他比较好的方案还包括江底直接取水流经旋流除沙器后再经过大间隙板式换热器的方案，浮船取水方案等，这些取水方案均可以有效处理进入机组的水质，使其满足机组的要求。可以看出，重庆两江水的水量、水温以及处理后的水质均能达到相关的要求，在技术上是可行的。 江水源热泵系统的经济性分析 经济性是投资方首要考虑的问题，在设计空调系统前往往会提出多个冷热源方案进行技术经济对比分析，根据空调的全寿命周期，系统的费用分为初投资费用和运行维护费用。 对于江水源热泵系统，其初投资主要取决于水源侧系统的造价，包括地表水输送及水质处理造价，取水及排水设施的造价，地表水换热系统造价。采取有效措施对这些因素进行合理规划控制能得到较好的经济效果。而空调系统的运行费用往往是初投资的数倍，不少工程实践已经证实了合理设计的江水源热泵系统虽然初投资高于空气源热泵系统或其他冷热水机组，但其冬季运行水温高于室外气温，夏季运行水温低于室外气温，不存在空气源热泵的冬季除霜等问题，具有较高的COP值，运行费用相比于其他系统形式占有极大的优势。在维护成本上，水源热泵系统的自控水平较高，其操作运行及维护所需人工较少，可以远程控制，维护成本比传统系统要低。一般水源热泵系统增量投资可以在5年之内回收，从长期考虑，水源热泵系统是一个不错的选择。 水环境影响评价 地表水源热泵系统对水环境的影响是适用性分析的重要环节，冬季排放的冷水对水环境的影响较小，但夏季的影响不容忽视。虽然地表水水源热泵可以减轻夏季空调系统向空气排热造成的热岛效应，却带来了自然水体的温升，夏季热泵系统排放的温水会导致水中溶解氧的减少，加快水体的富营养化，海水赤潮、湖泊蓝藻爆发性增长、水生生物多样性减少等水体自然危害多与水体温升有关。 目前关于温排水对水温和水质的影响主要采用数值模拟的方法，也有生态监测方法，吴浩等采用数值模拟的方法，研究了冬夏季水源热泵排水对长江水环境的影响，结果表明持续一周的排水只在较小的区域内对江水水温有较小程度的影响，该区域外的江水水温能得到恢复，排水不会对长江水环境带来影响。可见，由于江河水具有较好的流动性，因此热恢复性较好，可以认为，小规模的江水源热泵系统应用不会对水体造成影响，但如果是大规模式的、集中式的江水源热泵应用，则需要对排水系统进行合理规划以防止对环境的影响。此外，有的学者认为，从机组出来的尾水经历了相关水处理和换热过程，直接排放尾水也是一种浪费，可以将其有效利用作为中水或景观用水再利用，达到增加经济性能和可持续的目的。 结论 本文通过大量文献阅读，从技术适用性、经济性和环境保护三个方面分析了江水源热泵系统在重庆地区的适用性。 (1)重庆地区有充足的地表水源，水量水温均满足地表水源热泵系统的要求，经过除砂处理后的水质也满足要求，是一种可以高效应用的可再生能源之一，应用前景广阔。 (2)江水源热泵系统可以节省运行费用，投资回收周期较短，从长期考虑，水源热泵系统是一个不错的选择。 (3)江水源热泵系统可以减少常规空调系统带来的城市热岛效应，由于江河水较好的流动性，小规模的尾水排放带来的生态影响较小，具有较好的环保效应。 综上所述，江水源热泵系统在重庆地区具有较好的适用性及可行性。