海水热泵系统在区域供热供冷中的应用及环境影响分析①

孙克威，李 斌，单 莉

(大连冷冻机股份有限公司，辽宁大连 116033）

·低温与制冷·

海水热泵系统在区域供热供冷中的应用及环境影响分析①

孙克威，李 斌，单 莉

(大连冷冻机股份有限公司，辽宁大连 116033）

结合当前国内能源及环境现状，介绍了海水热泵系统的主要原理和该技术在国外和国内的应用实例，分析了利用海水热泵系统实现区域供热供冷对居住环境和居民健康的影响，揭示了海水源热泵技术在我国的应用前景。

海水源热泵;区域供热/供冷;环境影响;健康

当前能源短缺和环境污染已成为全球性的两大危机，能源的短缺和温室效应造成的全球气候变暖已经引起了人们越来越多的重视。近年来，我国以煤为主的一次能源产量和消耗量不断增加。2002年全国建筑耗能已占全国能源总消耗量的27.8%左右，而在建筑耗能中，空调系统用电又占到约30%～40%，每年夏天都因为空调用电量的大量增加而造成供电紧张［1］，部分地区每到这时就会采取按计划的拉闸限电等措施，供需矛盾十分突出，给正常的生产和生活带来影响。面对日益严峻的能源形势，我国已经把可再生能源开发和利用放在突出位置，也将节能环保当作一件大事来抓，尤其是2005年中国将节约能源制定为基本国策。本文有选择地介绍了海水源热泵技术在国外 (主要是北欧瑞典地区）区域供热供冷中的实际应用，说明了海水热泵的工作原理，探讨了水源热泵技术在供暖供冷中的应用，并分析了应用该技术后对人们居住环境和生活健康带来的影响。

1 海水源热泵技术

热泵是一种利用高位能使热量从低位热源流向高位热源的节能装置，可以把不能直接利用的低位热源 (如空气、土壤、水中所含的热能、太阳能、工业废热等）转换为可以利用的高位热能，从而达到节约部分高位能 (如煤、燃气、油、电等）的目的［2］。热泵系统能量组成见图1。

图1 热泵系统的能量利用示意图Fig.1 A diagram for energy utilization of heatpump system

海洋面积约占地球表面积的70%，同时海洋还是一个巨大的可再生能源库，每年进入海洋的太阳辐射能大多数是以热能的形式储存在海洋中，而且海水的热容量又较大。随着热泵技术的不断发展，把海水用做热泵系统的热源和冷源，将合适区域的海水作为冬、夏季的供暖热源和空调冷源，即在冬季，把海水中的热量“取”出来，提高温度后，供给室内采暖，如图2所示;在夏季制冷时，把空调房间的热量“取”出来，释放到海水中去，如图3，同时保持水体总的热量平衡。

图2 海水源热泵冬季工况示意图Fig.2 Seawater heatpump operation diagram in winter

应用这种热泵系统代替传统锅炉房+冷水机组的方案实现城市区域供热/供冷在技术上已经成熟，使用海水热泵技术通过输入少量电能把海水的低位热能转化为可利用的高位热能用来供热，可以替代一部分传统锅炉房，或者在城市热电厂集中供热锅炉系统扩容较困难的情况下，作为一种有效的供热补充。夏季海水温度一般在20～30℃左右，是非常好的优质冷却水。因为使用海水作为冷却水，不但可以省去常规冷水机组需要的冷却塔，而且海水作为冷却水，水温较低，会大幅提高热泵机组COP值。

图3 海水源热泵夏季工况示意图Fig.3 Seawater heatpump operation diagram in summer

海水源热泵技术与传统的锅炉供暖和分散的冷水机组制冷相比，其主要特点有:

(1）节约能源消耗、节水、保护环境。与常规空调系统相比，热泵系统大量利用了海水中的低位热能，制取相同的冷量或热量，对应消耗的一次能源更少。由于不需要冷却塔，还节省了大量在夏季冷却过程中需要的补水量。而且因为夏季产生相同制冷量的电耗减少，能大大缓解夏季空调用电对电网的冲击，减少电网建设费用。若需要供热供冷的地点位于风景名胜区内，环境的清洁和美观要求更高，海水热泵的技术优势就更明显。

(2）系统运行高效、灵活。大型热泵站与许多分散的小型制冷机相比，连接的用户数量越大，冷 (热）负荷同时利用系数越小，降低了系统尖峰负荷，减小装机容量，同时在用户负荷发生变化时，能灵活调整机组的运行工况和运行数量，使得系统的工作曲线维持在一个比较平缓的模式，使系统实现一个较高的运行能效比或COP值。

(3）建筑空间利用率和美观性提高，防止军团菌孳生。这部分内容参见下文第3部分的描述。

(4）大型热泵系统维护简单、费用便宜。采用海水源热泵技术，取消单个建筑内空调系统的维护人员，而大型热泵站内的维护人员都受过严格的培训，加上先进的计算机控制系统，供冷、供热的质量、可靠性和安全性都得到很大提高。由于采用了先进技术，工作量大大降低，维护人员减少，维护成本也大大降低。

一个典型的海水热泵系统主要包括:海水取水排水系统、热泵站、输送管网、用户换热分站等，如图4所示。

图4 海水源热泵系统示意图Fig.4 A diagram of seawater heatpump system

2 海水热泵在国内外的应用

国际上对利用海水资源进行供冷供热的研究已经进行了几十年，北欧地区在海水源热泵方面的应用比较领先，瑞典和挪威已经达到规模化应用的程度，现在整个北欧有180多台大型热泵在运行。其中瑞典从1985年至今总建设量约为1000 MW区域供热，应用于区域供热和工业区的大型热泵机组，采用的热源有海水、污水、湖水、地下水、工艺废水和废烟气等;从1995年至今总建设量约为500 MW应用于城市和工业生产的区域供冷［3］。我国海水热泵技术的研究和应用才刚起步，与国外相比在热泵机组的优化设计和工程应用上还存在较大差距。

2.1 斯德哥尔摩海水热泵供冷/供热系统

斯德哥尔摩是瑞典的首都，位于14个岛屿上，是世界上最美丽的城市之一。斯德哥尔摩从20世纪60年代就开始采用热泵技术进行区域采暖，它干净的海水、清新的空气和湛蓝的天空得益于对环境的严格保护［4］。在斯德哥尔摩大约60% 的用户使用区域采暖系统，而50%的区域供暖采用热泵系统提供区域采暖的基础负荷，在天气最冷时由燃油锅炉、电锅炉等进行峰期负荷调整。其区域供热网络已经遍布全市，连接2千多万平方米建筑，供暖温度约为80℃，室内温度维持在20℃左右，满足了城市供暖的需求。供热管网从地理上可分为3个主要管网:The Central Network，the North－Western Network和the Southern Network。表1列出了斯德哥尔摩地区1994年不同热泵站的产热量及其供热的管网［3］。

表1 1994年不同热泵站生产的热量Table 1 The heat produced by different heatpump station in 1994

1995年5月，斯德哥尔摩市开始用新的区域制冷系统对城市中心地区进行舒适性和各种工艺处理过程的供冷，该系统的制冷量大部分来自于波罗的海的海水。在海水温度较低时如冬季，吸入低温海水，通过板式换热器直接来冷却区域供冷管网的回水，海水作为自然冷源，是最节能的供冷方式，冷水通过区域供冷管网输送给用户，当海水的温度不够低时 (如夏季），用海水作为冷源已经无法满足供冷需求，热泵机组在这时用来生产低温的冷水。

2.2 国内海水热泵系统供冷/供热的应用

我国有11万多公里的海岸线，有众多的岛屿和半岛，很多大中城市位于沿海地带。沿海城市发展快，建筑物分布密集度高，对节能环保技术需求越来越大，并且国内有几十年的集中供热管网的设计经验。我国北方一些城市如大连、青岛等，与北欧的气候非常接近，在海水资源利用方面也具有非常便利的条件，在黄海、渤海的海水温度最低的2月份，大部分区域海水表面温度在2℃以上，可以满足热泵运行条件［3］。目前在建的大连星海湾热泵站项目二期，就是应用海水作为系统冷/热源实现供热供冷。该项目所在的大连星海湾是亚洲最大的公众广场，这里面对大海，风景优美，未来将发展成为大连市商务、金融、展览业中心，该区域建筑集中，冬夏季均有采暖和空调的需求。热泵站项目一期使用的是附近污水厂的污水作为冬/夏季热源和冷源，项目一期已经安装完成，系统运行良好，二期及三期将使用附近的海水作为冷/热源，进一步提高热泵站的区域供冷/供热能力。二期选用由大连冷冻机股份有限公司生产的大型热泵机组3台，单台机组的主要性能见表2。大连地区另外一个海水热泵项目，大连星海假日酒店选用5台国产的SGHP1000型海水源热泵［5］，实现夏季供冷、冬季供热的需求。

表2 热泵机组的主要性能Table 2 Main performance index of heatpump unit

3 海水热泵对环境影响的分析

3.1 节能减排、减小温室效应

与常规空调技术相比，大型海水热泵系统因为大量利用了海水中的低位热能，而且该系统具有更高的季节能效比，所以该系统制取相同的冷量或热量，每年可节省一次能源 (煤）约40% ～50%［6］。而煤是一种污染指数极高的燃料，是导致环境空气质量下降的主要原因之一，节约煤的消耗就意味着减少二氧化碳、二氧化硫、氮氧化合物及粉尘等的排放量，而二氧化碳是主要的温室效应气体之一，因此会大大降低温室效应;大型热泵机组不仅使用环保制冷剂 (如R134a）保护大气臭氧层，而且大型热泵站可以更集中、更完善地处理制冷剂在工作及回收时的泄漏问题。泄漏的制冷剂也是温室效应气体，所以减少制冷剂的泄漏同样也可以降低温室效应。我国签订了《京都议定书》，其中保护大气以及提高空气质量是一个重要的承诺，使用大型海水热泵不但可以减少二氧化碳及粉尘的排放，降低大气中烟雾的浓度，提高空气质量，同时因制冷剂泄漏而引发的问题也更少。

3.2 城市热岛效应

一个建筑区域中的人口越稠密，车辆和空调等越多，城市热岛效应就越强，人们越觉得不舒适。在北京市区，从1961年到2004年间，人们对空气平均温度进行了测量和分析。图5给出了严重热岛效应日的记载［7］，它显示了这44年来热岛效应的天数随时间发展而增长的明显趋势。

图5 1961年～2004年间严重“城市热岛效应”日的变化Fig.5 The days changing for grievous“urban heat island effect”from 1961 to 2004

其中空调设备的影响是显而易见的，更高的空气温度增加了冷负荷，并要求安装更大制冷量的设备，这导致更高的投资和电耗。机械设备消耗的电量越多，就会产生更大的城市热岛效应［7］。而如果使用海水热泵区域供热供冷会让这一情况得到根本性转变。所有的得热量包括太阳辐射入建筑的热量、户外空气和通风传播的热量、人员和电驱动机械的散热都会被区域供冷管网带走并释放到海洋中。热量将不再被聚集在城市高大建筑之间，而是被排放到巨大的海洋水体中，同时不会造成任何城市热岛效应。所以区域供热供冷能很有效地减少城市热岛效应，而不是通过本地安装制冷空调设备来增加这一效应，这或许是减少城市热岛效应最现实和有效的办法了。

3.3 军团病

当夏季使用传统冷水机组制取冷水时，一般都需要使用冷却塔来带走冷水机组的冷凝热。使用冷却塔时，军团病菌导致的军团病是一个很严重的问题。在北京从1997年到1999年，4月到9月之间的时间，对14个四星、五星级酒店的38个冷却塔抽查，进行军团病菌的检测，经查其中12个酒店的冷却塔都感染了军团病菌 (占85.7%），在21个冷却塔中检测出军团病菌，阳性率为55.3%［7］。军团菌的最有利的孳生环境是在30～40℃的静水中，冷却塔下部的水池是典型的最有利环境，通过微小水滴是最有效的病菌传播途径，冷却塔循环水中一部分被空气以小水滴的形式带走，人体吸入这些微小水滴后最容易被军团病菌感染。而在使用海水热泵系统实现区域供冷后，将军团病爆发的危险降低为零。在海水热泵区域供冷系统中，使用热泵机组把空调房间的热量“取”出来，释放到海水中去，不需要用到冷却塔。所以海水热泵技术对市民的健康和周围环境产生了很大的积极影响。

3.4 对建筑内部空间及建筑美观的影响

使用当地小型冷水机组夏季供冷时，在建筑内安装制冷设备要占用一定的空间。一般冷水机组是安装在地下室的，冷却塔安装在屋顶，而且冷却塔通常很难与美观的建筑立面和谐共存，业主自行安装的分体空调也存在类似情况。使用海水源热泵实现区域供冷后，把去掉冷却塔而节省的空间变成美丽的楼顶花园，或在屋顶增建房间再租出去 (带来经济收益）等。取消当地冷水机组，还消除了机组在楼内工作或起/停时所产生的噪音，这些都是采用海水热泵技术后带来的变革，既美观又环保，还对居民健康有益。

4 结 语

由国内外的应用实例可以看出，使用海水热泵区域供热供冷是经过充分证明的技术，由于该系统节能环保，并且热泵系统自动化程度远高于传统锅炉+局部冷水机组系统，其维护成本较低，并且随着煤炭价格的持续上涨，而电价因为新增水电站或核电站 (如大连地区已建成一个核电站）的投产不会过分依赖于煤价，所以其运营成本的优势会随着时间的推移而越来越大。同时本文还介绍了区域供热供冷对环境和居民健康的积极影响，如降低城市热岛效应、消除军团病爆发的危险等。考虑到这些因素，笔者认为海水源热泵技术不仅仅是一种可再生能源利用的理论，还是一种可以在我国具有合适水源条件地区 (如大连、青岛等）建议使用的成熟技术。

［1］龙惟定.我国电力紧缺对空调业的挑战 ［J］.暖通空调，2004，34(5）:39－40.

［2］姚杨，马最良.浅议热泵定义［J］.暖通空调，2002，32(3）:1－3

［3］蒋爽，李震，端木琳.海水热泵系统在斯德哥尔摩应用及其在中国的发展前景［C］ //2005年全国空调与热泵节能技术交流会论文集.大连:中国建筑学会暖通空调专业委员会，中国制冷学会空调热泵专业委员会，2005－10.

［4］LINDROTH Claes.The Heat Supply of Stockholm［EB/ OL］.http://www.energy.rochester.edu/se/stockholm/heatsupply.htm

［5］张文宇，龙惟定.上海世博园地表水地源热泵的应用及环境影响分析 ［J］.暖通空调 2007，37(2）:38－41.

［6］孙克威.谈大型热泵技术在热电厂中的应用 ［J］.工程建设与设计，2007(7）:24－28.

［7］ENSTROM Henrik，谭蕾.区域供冷及其在环境、健康和建筑学方面的影响 ［C］ //第22届国际制冷大会论文集.北京:中国制冷学会，2007－08

Application of Using Seawater Heatpum p System For District
Heating＆Cooling And The Environment Effect Analysis

SUN Kewei，LIBin，SHAN Li
(Dalian Refrigeration Co.，Ltd.，Dalian 116033，China）

Considering the recent energy and environment situation in China，introduce themain principle of the seawater heatpump system and the applications of this technology in＆out of China.Analyses the effectof residents＇health and living environment by using seawater heatpump system to fulfil the district heating＆cooling.Reveals the perspective of using the seawater source heatpump technology in China.

seawater source heatpump;district heating/cooling;environment effect;health

TU833

A

1007－7804(2012）01－0005－05

10.3969/j.issn.1007－7804.2012.01.002

2011－10－26

孙克威 (1981），男，大学本科，工程师，从事暖通空调方面的工程设计。现工作于大连冷冻机股份有限公司空调设计部。