长江流域江水源热泵清洁能源应用技术研究

孙宏伟

（江苏河海新能源有限公司，常州 213100）

国务院转发国家发改委、住建部《绿色建筑行动方案》的通知，提出“十二五”期间完成新建绿色建筑10亿m2；到2015年末20%的城镇新建建筑达到绿色建筑标准要求。开发利用各类低品位可再生性清洁能源作为热泵冷热源为建筑物供暖供冷，对建筑节能与环保具有重要的现实意义。由于地下水源热泵造成地下水资源浪费、环境地质灾害等局限性，其开发应用前景并不乐观，而江河水资源的开发利用越来越受到社会的关注。我国长江流域水量充足，年水温变化小的地区覆盖面广，相对大气而言具有冬暖夏凉的冷热特征，国内已有多项应用利用江河水作为冷热源来发展水源热泵技术的工程实例（如重庆江北城CBD项目、上海十六铺工程等）。鉴于此，笔者以长江流域上下游城市重庆和上海为例，分析研究江水源热泵系统的应用现状及待解决的关键技术，以期为长江流域科学合理的区域型江水源热泵技术解决方案提供参考[1-3]。

1. 江水源热泵清洁能源应用概况

1.1 工程规模与冷热负荷

江水源热泵系统应用工程建筑规模增速明显，上海十六铺地区工程分两期实施，总建筑面积为11.40万m2，重庆涪陵中央商务区总建筑面积45.24万m2。此类建筑使用功能多以休闲、娱乐、购物于一体的综合性商务区，其中上海十六铺地区工程综合改造为地下建筑商业区，地面则以绿化和景观建筑为主的城市景观工程，对于城市化发展程度高度发展的地段具有现实的借鉴价值。

通过对江水源热泵系统工程的冷热负荷特点、使用频率和全年冷热负荷进行统计分析，研究发现系统冷热负荷大致表现出冷负荷大于热负荷的特点，系统冷热负荷比不仅与该地区气象条件有关，还与建筑布设特点有关，如上海十六铺工程为地下建筑，冷热负荷比相对于地上建筑偏小，尤其是冬季热负荷降低显著。此外，长江流域全年空调冷热源使用情况供冷265～302d，供热79～95d。

1.2 区域江水利用的自然条件

1.2.1 水量水温水位参数

长江流域水资源十分丰富，其中重庆段嘉陵江汇流后多年平均流量10930m3/s，上海段长江口多年平均流量31149m3/s。

长江流域水温适宜无冰冻期，重庆段和上海段冬、夏季水温（水面下0.5m处）及气温见表1。

长江水位受气温、降水等因素影响季节性变化特征显著，根据2012年长江航道局公布数据长江重庆段寸滩水文站水位变化2.65～27.78m。上海段为长江口，且黄浦江为湖源河网型潮汐河流，因此该段水位还需考虑水文潮汐变化数据、河床特征等因素。

1.2.2 水质参数

江水中含有腐蚀、结垢等离子，采取适宜的取退水、水处理技术控制换热设备的腐蚀、结垢和污损微生物附着等问题，主要水质参数为：含沙量、pH值、氯化物含量和总硬度等。据长江重庆段寸滩水文站资料，该段夏季月均含沙量370～920mg/L，冬季月均含沙量23～42mg/L。参考《地源热泵系统工程技术规范》(GB 50366-2005)对水源热泵机组推荐的水质要求，长江流域大部分地区除含沙量外，其他水质指标均能满足要求。因此，针对夏季江水含沙量大、微生物与悬浮物含量高的特点，选择适宜的水处理控制技术防腐、防堵塞[4]。

表1 长江重庆段和上海段冬、夏季水温及气温参数 ℃

2. 江水源热泵系统及其配置

2.1 系统形式

根据江水是否直接进入热泵换热设备，分为直接式和间接式江水源热泵系统；按换热器换热类型分为壳管式、板式、浸泡式和淋水式，各类型系统优劣见表2。

2.2 系统选择

根据实际工程建设规模、冷热负荷特点、江水利用自然条件，参照不同江水源热泵系统的特点，选择合适的系统形式及其配置。板式系统与壳管式系统相比，具有冷热源能量利用率低等缺点，其更适用于分散式水源热泵机组。浸泡式、淋水式的冷热源能量利用率也偏低，且应用规模受一定限制。

近年来，江水源热泵与蓄能技术的耦合系统在工程（如上海十六铺工程）中得以推广应用。蓄能技术通过设置冰蓄冷和电蓄热系统，既减小变压器装机容量，又利用昼夜电力差价降低运行费用。同时，江水源热泵与太阳能等其他可再生能源的耦合系统在长江流域具有广阔的发展前景[5-7]。

2.3 系统运行

江水源热泵、蓄能技术、太阳能光热等耦合系统在工程中得以推广应用，参照工程实际系统按一定的优先级和顺序运行，主要包括供冷、供热及联合供冷供热三种工况，不同工况下运行方式有所差异。

表2 各类型江水源热泵系统优劣一览表

3. 江水源热泵清洁能源待解决关键技术

3.1 取退水方式、水净化处理

取水方式主要有浮船取水、渗滤取水和直接取水等，其中浮船取水适宜水位变幅大、需水量偏小的地段，投资较少；渗滤取水方式水质较好、运行简单，但施工复杂，且受水文地质、工程地质条件的限制；直接取水安全可靠，但对取水水质要求较高。取水口一般布设在水面下1～2m以下，高低水位落差在3m以上以防止吸入泥沙。长江流域不同地域江水利用条件有所差异，应建立针对不同水域的取水技术规范。

退水方案中退水口在水平方向上布设在取水口的下游，避免对取水水温扰动降低冷热源能量利用率。同时，充分重视江水源热泵技术向水体环境排热导致的水体热污染问题及其对水生环境造成危害问题，退水口宜利用江岸护坡改造成人工跌落瀑布，降低退水对河流生态环境的影响。因此，有必要进一步开展退水技术规范研究。

水净化处理主要针对江水中的泥沙、微生物和悬浮物，考虑经济环保效益主要以除砂、过滤等物理处理方式。目前广泛采用的设备有旋流除砂器、机械过滤器等，但对细砂的除砂效果仍不理想，还有待进一步改进除砂工艺[8,9]。

3.2 换热器流动换热与防腐防垢技术

除砂工艺处理效果不理想，江水中的细砂影响换热器的流动换热特性，降低了冷热源能量利用率，结垢问题还影响江水在换热器内流动换热过程。目前采用的水处理器、自动清洗装置有一定的防垢能力，但在工程实际应用中尤其在夏季含沙量高时仍存在严重的结垢问题。因此，防垢工艺还有待进一步改进并在工程实际中应用。

针对系统换热设备的防腐问题，提出了采用钛合金、铜镍合金等解决措施。但由于此类材料价格颇高，综合考虑经济效益应开展针对江水水质的廉价替代材料的研究。

3.3 热泵冷却水二次利用技术

为提高江水源热泵节能效果和充分利用水资源，在匹配管网与水量的基础上，将热泵冷取水作为中水用于城市绿化、道路清扫、景观喷淋等二次利用。

3.4 江水源热泵机组工况分析

长江流域水温具有显著的地域性、季节性变化特征，江水源热泵与蓄能技术、太阳能光热耦合系统使江水源热泵机组工况变得更为复杂。因此，在江水源热泵系统机组性能测试和工况分析时，应针对不同系统组成、不同水温变化进行标定，建立适宜的江水源热泵应用技术规范[10]。

4. 结论

长江流域江水源热泵清洁能源应用技术快速发展，工程应用中主要考虑建设规模、冷热负荷特点、江水利用自然条件等因素。取、退水方式、水净化处理、换热器流动换热与防腐防垢技术、热泵冷却水二次利用等关键技术还有待进一步研究。

江水源热泵与蓄能技术、太阳能光热的耦合系统进一步发展，使江水源热泵系统机组性能测试和工况分析更为复杂，有必要建立适宜的江水源热泵应用技术规范，为科学合理的区域型江水源热泵技术解决方案提供参考。

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