江水源热泵在世博场馆中的应用

同济大学 马宏权 龙惟定

0 引言

利用江水来为建筑物进行冷却的技术应用历史悠久，早在1878年巴黎世界博览会（Exposition Universally de Paris 1878）上，巴黎人就以五月广场为中心，充分利用了塞纳河的供水之便，由4座水泵，将塞纳河水抽上来，经过23公里长的管道将水输送到博览会的每个角落。他们还利用水来操纵电梯和喷泉，并让水流入工业宫的地板下面来降低室内温度。法国人的水流控制技术大大造福了参观者，成为博览会上的一大亮点。

2010年上海世博会将从5月1日持续到10月31日，据预测参观人数将达7000万人次。由于处于盛夏时节，天气酷热和人流量大对场馆的供冷带来极大压力。为体现节能环保和“城市，让生活更美好”的世博理念，世博会充分利用场馆建设于黄浦江边的这一独特地理优势，夏季供冷采用“江水源热泵＋水蓄冷＋冰蓄冷的节能技术”，冬季供热则采用“江水源热泵＋燃气锅炉的节能技术”，在冬季需要供冷的区域中直接利用冬季温度较低的黄浦江水进行供冷。这样，一方面获得了免费的冷量，减少了中央空调冷热源系统的综合能耗，另一方面，通过江水源热泵的合理利用，大幅降低了冷却塔的使用量，缓解了城市局部区域的”热岛”效应。避免或减少温室气体的排放。通过水源热泵技术，直接从黄浦江取水，经加药以控制微生物和藻类生长后，作为冷却用水供水源热泵机组使用，使用后的温热水排入黄浦江。整个过程清洁环保，对黄浦江水质无污染，充分利用了世博园滨江而立的区位优势，对黄浦江做到了有效的利用和保护，充分体现了世博建筑的社会价值。本文就江水源热泵在世博场馆中的应用进行简要介绍，并总结经验教训为类似江水源热泵系统可靠性的保障和能源效率的提高提供参考。

1 江水源热泵的原理与优点

1）热泵技术按热源对象可分为空气源热泵、地源热泵和水源热泵三种形式。只需输入少量的高品位电能，通过热泵机组即可把空气、大地或水中所储存不能直接使用的低品位能源转化成有用的热能。水源热泵一般是使用江、河、湖、海的地表水和地下水资源作为热泵机组的冷热源，由于地表水温度与空气之间的温差天然存在且可更新，这种温差能是高效节能清洁环保的可再生能源。黄浦江水源热泵冬夏原理图如图1所示。由于夏季江水温度低于空气温度，冬季江水温度高于空气温度，且江水温度变化相对稳定，全年变化范围为6～30℃，因此，在热泵的各运行期间相比于空气温度更有利于用作热泵的冷热源。特别像上海这样水资源较丰富的地区，是节约能源、利用可再生能源、保护环境和减少温室气体和其它大气污染物排放有效方法。

2）江水源热泵的能源利用效率要高于传统的空调冷热源系统，这是由于以下几点：（1)夏季江水源热泵的冷却效率较高。江水温度最不利情况在28－30℃，但大多数情况低于26℃，比传统的冷却塔水温低6-8℃，冷却温度每降低1℃机组效率约可提高1.5%，因此热泵机组制冷效率和能源利用效率均高于传统冷却塔冷却的冷水机组。（2）冬季大型水源热泵机组制热效率和能源利用效率均远高于空气源热泵，更比单纯燃烧的天然气锅炉能源效率要高。（3）大型江水源热泵系统可以方便的利用热回收技术全年提供生活热水。（4）江水源热泵可以实现过渡季节的免费供冷。在负荷不高的过渡季节，大型江水源热泵的取水管道可以直接获得10℃左右的冷水，完全可以直接用于内区供冷，同时内区供冷后水温升高的江水再进行制热，可以提高热泵机组制热的能力和效率。

3）江水源热泵不但能源利用效率要高于传统的空调冷热源系统，而且节约化石能源并更为清洁环保。具体体现在：（1）江水源热泵在本项目中采用黄浦江水源，可以避免常规空调使用冷却塔造成的飘水、噪音、滋生细菌。美化园区的景观。另外由于冬季供暖和生活热水也可以同时由水源热泵提供，避免了在该区域设置大量锅炉房，避免了烟囱和烟尘排放。（2）利用黄浦江水源热泵将空调排热利用江水带走，可以避免常规空调系统冷却塔向空气散热造成园区内的局部高温，从整体上降低园区内和城市下风侧区域内的空气温度，从而缓解园内非空调区的酷热和城市的“热岛”效应。根据计算，采用江水源热泵在局部可以降低空气温度2－3℃，以风速3m/s,在公共活动中心100米高度范围内可以有效降低空气温度0.1℃。（3）优化了园区能源结构，减小了对化石能源供应的压力。江水源热泵不需要锅炉等燃烧设备，提取的江水中的自然能源可以视为可再生能源，应对能源危机和能源价格上涨效果显著。传统大型建筑物空调系统冷热源冬季一般使用天然气锅炉，由于天然气是高品质的清洁能源，用于燃烧供暖从能源利用效率上分析是不科学的。加上我国目前正在经历全国普遍的天然气短缺，尤其是大型城市的冬季用气高峰期。从能源利用的合理性上，江水源热泵机组明显优于空气源热泵和天然气锅炉。

2 江水源热泵在世博场馆中的适用性

上海世博会的主题为“城市，让生活更美好”。2009年起又提出“低碳世博”的理念。根据上海世博会的总体规划，世博会期间各类展馆的总规划建筑面积约185万平方米，建筑密度大、负荷高，适合采用集中供冷供热系统，而节能的空调能源策略是必须考虑的一部分，包括对江水的利用和多种节能技术的有效利用。上海世博园横跨黄浦江两岸，具备极佳的取水便利条件，且水温适宜，2003年监测到的黄浦江月度水温平均数据如表1所示，为江水源热泵在世博场馆中的利用提供了良好的基础。

为充分利用滨江临水的独特地理优势，国家科技部和上海市科委设立了《城市清洁能源高效利用技术及系统的研究与示范》双重大研究课题，组织了国内专业的研究机构研究世博中的清洁能源系统规划及其关键技术问题，其中第三子课题专项分析了在世博区域中规模化利用江水源热泵的可行性，并因地制宜的编制了江水源热泵实施规划，涉及到江水源热泵设计过程当中的负荷分布预测、系统配置优化、管网布置及优化，以及完成主要永久性场馆空调系统的技术方案和经济分析。

表1 2003年黄浦江淞浦大桥监测站各月平均水温（℃）

为实现科学规划，世博能源系统规划充分考虑了对各不同建筑能源需求的预测。世博园区展馆建筑群有着与普通建筑明显不同的特点：占地面积大、建筑数量多、人流量密集，其预测人流量见图2。根据2010年上海世博会总体规划对世博园区围栏内的建筑群进行空调动态负荷预测，分析各类世博建筑的典型日负荷，部分负荷分布及其出现频率，并研究空调负荷与气象条件和人流密度等关键因素的关联规律。通过逐时空调动态负荷、负荷率的时间分布（见图3）、月空调负荷量和设计日负荷等结果，分析世博园区各片区建筑群的空调动态负荷特性，这些对世博建筑能源系统的设计和运行起到至关重要的指导作用。世博能源规划中夏季供冷系统优化集成了江水源热泵、水（冰）蓄冷技术和地源热泵技术，冬季供热则集成了江水源热泵和天然气锅炉的技术组合，辅以大温差供能和高效输配系统，实现高效节能和清洁环保的最优复合式能源系统，并在运行中实现效率优先和优点互补，最大程度的利用可再生能源满足建筑冷热需求。在冬季需要供冷的建筑物内直接利用冬季温度较低的黄浦江水换热供冷。这样，一方面安全可靠的利用可再生能源并在过渡季节实现免费供冷，减少了中央空调冷热源系统的综合能耗，另一方面，通过江水源热泵的合理利用，大幅降低了夏季冷却塔的使用量，缓解了城市局部区域的“热岛”效应，也避免了冬季锅炉房的建设和化石燃料的使用，避免锅炉烟囱对建筑形态和环境带来的不利影响，减少了温室气体和污染物的排放。

3 世博场馆中江水源热泵的应用情况

本次世博会围栏区分为5个功能片区，见图4所示。江水源热泵供冷/供热系统根据规划和实际情况，主要在其中2个片区内规模化实现：一个是以世博轴、世博中心以及世博演艺中心等建筑为主的B功能片区；另一个是浦西世博园E功能片区，充分利用了原南市电厂的取排水口，建设新能源站进行区域供冷，各片区节能减排效益可见表2。

1）B片区的江水源热泵技术

表2 2010年上海世博会江水源热泵系统及其服务范围总览

在B功能片区，江水源热泵技术应用于沿江“一轴二馆”的空调系统，即：世博轴、世博中心和世博演艺中心三大建筑。采用各建筑合用一个取水系统的方式，最大设计取水量12000m3/h，江水经过清污、过滤等工序后，直接进入热泵机组，对约46万平米永久建筑提供空调供暖服务。

（1）世博轴江水源热泵

世博轴及其地下空间是2010年上海世博会园区最大的单体结构，占地面积13.6万平方米，总建筑面积24.8万平方米，是上海世博园区的标志性项目之一。该建筑的空调系统采用了江水源热泵结合地源热泵的复合系统，实现空调冷热源100%采用可再生能源。其中江水源热泵承担2/3负荷，地源热泵承担1/3负荷。

世博轴采用了3台单冷离心机，每台1000冷吨；5台热泵机组，每台350冷吨，总装机容量4750冷吨。结合地源热泵系统，全年可节电169万kWh；节能1420吨标煤，全年减排5310吨CO2当量。地源热泵根据项目所在地的岩土热物性实验结果，因地制宜的利用了6000根建筑桩基布置土壤换热器形成能源桩，将建筑桩基与地源热泵系统结合起来，节省投资和土地。

（2）世博中心江水源热泵

世博中心位于卢浦大桥东侧世博园区B区滨江绿地内，东西长约350米，南北宽约140米，总建筑面积约14万平方米。在世博会期间，世博中心将承担世博会运营指挥中心、庆典会议中心、新闻中心、论坛活动中心等，是上海世博会运营管理的主要工作场所。

世博中心采用了江水源热泵技术并结合冰蓄冷水蓄冷技术。通过利用冰/水蓄冷技术，可以利用夜间低谷电力，合理转移电力高峰。该项目冬季制热装机容量1780kW，夏季制冷装机容量1758kW，冰蓄冷容量7200冷吨时，水蓄冷容量2150冷吨时。全年可节电10.2万kWh，节能143吨标煤，全年减排472吨CO2当量。已经申报国家绿色建筑三星级示范项目。

（3）世博文化中心江水源热泵

世博文化中心位于世博园区东南端，在世博轴以东，北与世博展览馆隔江相望，西与世博中心呼应，总建筑面积8万平方米，其中地上建筑面积约4.5万平方米，地下建筑面积约3.5万平方米。

世博文化中心采用了江水源热泵结合冰蓄冷的系统方案。其原理图见图5所示。在夜间制冰蓄冷，移峰填谷，节能运行。江水源双工况热泵机组装机容量2200kW，蓄冰装置容量850冷吨时（约3000kWh）。全年可预见节电12.8万kWh，节能177吨标煤，减排584吨CO2当量，同时冰蓄冷技术可在用电高峰时削峰300kW。

2）E片区的江水源热泵区域供冷技术

浦西能源中心主要的供能对象为世博未来馆。浦西上海世博会的世博未来馆为原南市电厂改建而成，是世博园区内最高的建筑物，其能源系统图如图6所示，集成了太阳光伏发电、涡轮蜗杆风力发电、江水源热泵、主动式光导管、自然通风等多项节能技术，达到了较高比例的可再生能源利用。未来馆按照绿色建筑标准还大量使用绿色建材和可回收再利用的建筑材料，建设了室内大型绿化和生态绿墙，并对水资源进行回收再利用，以达到建设清洁环保、节能高效的绿色建筑目标。

浦西能源中心利用原有南市电厂的冷却水取水口取黄浦江水，避免了重复建设。取水能力可达30000m3/h,通过设置隔栅网(粗过滤)、旋转滤网(中级过滤)、300μm的过滤器 (精过滤)见图7所示、加氯系统、环保球自动清洗系统（见图8）等多道处理措施，确保水质满足水源热泵的需求以及排放不会对黄浦江的环境造成影响。

整个浦西能源站可满足约40万平米建筑的空调需求，并且设置采用4台2800kW燃气热水锅炉，在冬季辅助供热。预计全年可节电241.5万kWh；全年节能1175吨标煤；全年减排5351吨CO2当量。与传统空调相比较，可以节省40%的投资与运行费用。

图7 世博未来馆江水源热泵的精密过滤器

5 结论

1)由于滨江优势和水源特性适宜，江水源热泵在世博场馆中得到规模化的应用，改善了建筑外观和区域环境，有利于缓解城市“热岛”效应，并具有一定的节能减排的作用。

2)世博轴采用的江水源复合地源热泵系统，并采用效率优先的运行模式，夏季以江水源系统为主，地源系统为辅；冬季以地源系统为主，江水源为辅，实现了复合能源系统的优劣互补，解决了江水源热泵冬季运行效率低开启困难和地源热泵的土壤热平衡的问题，保证了系统运行的安全稳定。

3)世博中心采用的江水源热泵加冰蓄冷复合系统，夏季白天两台江水源热泵机组和一台冷水机组负责制冷冷却，夜间两台蓄冰机组完全只依靠江水进行制冷，则较好的实现了江水源热泵与蓄能系统，以及大温差供冷和免费供冷的技术集成，获得了较好的示范意义。

4)江水源热泵温排水会对局部江水温度造成小幅影响，因此要根据潮汐变化对取排放口的位置和距离进行模拟分析和优化设置，并恰当应对海水倒灌造成的江水的腐蚀性，使系统与江水的双向影响达到最小程度。

5)江水源热泵正在为持续一个夏季的世博提供服务，在运行中应该进一步总结经验，加强管理，确保安全，提高能效。