我国地表水水源热泵技术研究及应用现状

田慧峰

中国建筑科学研究院上海分院

我国地表水水源热泵技术研究及应用现状

田慧峰

中国建筑科学研究院上海分院

地表水水源热泵技术具有节能、环保等优势，在我国长江流域沿线区域有着较广泛的应用前景。本文系统地总结了这项技术在我国各地的应用情况以及自上世纪八十年代以来我国在相关领域的研究进展，对应用江水源热泵进行了实地调研，并总结了存在的问题，最后提出了此项技术应予重视的研究方向。

水源热泵地表水工程应用研究方向

1 我国地表水水源热泵应用现状

得益于良好的水资源优势和国家政策支持，我国近十年来已有较多应用地表水水源热泵的项目，这些项目分布在上海、重庆、青岛、大连、北京、天津等地，以江水源、河水源、湖水源为主，也有一些海水源、再生水源方面的尝试。

江、河水是流动的，水体的流动能够带走热/冷量，也加强了与边界及大气的换热效果，比相对静止的湖水更适合作为热泵机组的换热载体[1]。江水水流量大、流速快，与河、湖相比，换热效果最好，所以相对于其他类型的地表水水源热泵，江水源热泵在我国的工程应用项目最多，但受限于水资源条件，这些项目集中在上海、重庆等地。中国2010年上海世博会世博轴采用江水源热泵系统联合地埋管地源热泵系统进行集中供冷和供热，江水源热泵系统以黄浦江江水为水源，江水直接进入机组，选用5台制冷量1200 kW、制热量1100 kW的江水源热泵机组[2]。上海十六铺地区综合改造工程和上海港国际客运中心项目也以黄浦江江水为水源，采用了江水源热泵系统，其中前者应用面积为11.4万m2，后者应用面积为40万m2[3，4]。重庆江北城CBD区域是重庆主城的核心区域，占地约2km2。江北城CBD区域约230万m2公共建筑拟实施江水源热泵集中供冷供热示范。一期工程已于2009年完工，供热供冷范围为重庆大剧院，建筑面积8.26万m2[5]。重庆市世纪会紧邻长江，以长江水为冷热源，选用两台制冷量203kW、制热量229kW的水源热泵机组，为约2000m2建筑供冷和供热[6]。黄山玉屏假日酒店以新安江江水为水源，采用水源热泵结合水蓄冷的方式，为约7.9万m2的建筑供冷和供热[7]。桂林阳朔的碧莲江景大酒店，以漓江江水为水源，采用2台螺杆式双冷凝器全热回收满液式水源热泵机组，单台制冷量为1337.6kW[8]。

河与江相比，水流量和流速都会小一些，但仍可在一些工程规模不大的项目中作为热泵机组的换热载体。连云港职业技术学院新校区一期以东盐河河水为水源，采用4台制冷量3006kW、制热量2852kW的螺杆式水源热泵机组，为教学行政区、宿舍生活区、教学实验区及图书馆供冷和供热，河水直接进入机组[9]。

当项目所在地与湖泊相邻时，就可以考虑采用湖水源热泵技术。由于湖水为相对静止的水体，热泵排到湖水中的热量只能通过湖水表面蒸发吸热、水体与大气的对流换热、水体与湖底边界的换热等方式传递到水体之外，所以应用湖水源热泵技术对湖水水面面积、水体容量及水深等都有一定的要求。在一些具备较好湖水条件的地方，也有一些湖水源热泵工程项目。桂林市榕湖饭店以榕湖湖水为水源，采用2台制冷量1241kW、制热量l383kW的螺杆式双冷凝器满液式水源热泵机组，为饭店4～6号楼、动力中心、会议中心提供集中空调及24h生活热水，总建筑面积约3.5万m2[10]重庆开县人民医院利用安康水库湖水，于2007年建成为约2.4万m2建筑供冷和供热的湖水源热泵系统[11]。湖南湘潭利用城市中心区约5.6万m2的人工湖，于2004年夏季建成湖水源热泵系统，为市政府大楼和大剧院供冷和供热[12]。南京工程学院利用天印湖湖水，采用抛管式水源热泵系统，选用三台1750kW克莱门特水源热泵机组，为图书信息中心供冷和供热，考虑到冬季湖水温度过低，换热器可能出现取热不足的情况，湖水侧串联了500kW的电辅助加热设备[13]。武当山体育馆以紧邻丹江水库的优势，也采用了湖水源热泵系统[14]。

我国有较长的海岸线，很多城市临海，为应用海水源热泵技术提供了条件。青岛奥帆基地媒体中心空调系统采用开式间接利用方式的海水源热泵，应用建筑面积约8000m2[15]。大连某港口北候船厅，建筑面积约6000m2，采用了海水源热泵系统，系统从取水井口引来海水通过板式换热器与乙二醇混合液循环系统换热，海水通过重力自流至集水井，由设在集水井中的玻璃钢自吸泵进入热泵房[16]。舟山市普陀区东港商务中心地处舟山本岛东侧沿，采用海水源热泵系统解决约50万m2建筑物的冬季采暖与夏季制冷及全年供生活热水的问题[17]。

每个城市都有污水输送系统及污水处理厂。由于成熟污水主要为生活杂排水，所以水体温度较高，适合于作为热泵采暖的热源。北京奥运村采用了直接式污水源热泵系统，选择1台满液式热泵机组，换热管材为镍铜合金，进行防腐设计[18]。北京悦都大酒店建筑面积约1.5万m2，利用距酒店50m处的污水干渠中的污水作为热泵冷热源，为酒店供冷和供热，同时解决生活热水问题[19]。大连市某地下商场采暖空调项目，利用周边污水管线建成原生污水源热泵系统，为1.9万m2建筑提供采暖和制冷[20]。天津公馆污水源热泵系统是天津市首例应用城市原生污水作为冷热源的空调工程，该工程利用天津公馆附近污水干渠的原生污水实现对8,800m2建筑的空调供冷/供热、约3.5万m2建筑的采暖供热以及450户居民的生活热水供应[21]。昆明理工大学呈贡校区图书馆利用该校区中水站的中水作为冷热源建成污水源热泵系统[22]。

总之，我国已有较多江、河、湖水源热泵工程项目，系统制冷量在500kW-20,000kW之间；也有一些海水、污水源热泵项目，规模通常较大，为推广该技术提供了一定的实践基础。同时也应指出，我国尚缺乏对地表水水源热泵实际运行效果的跟踪和总结，仅有个别项目有公开的性能测试数据，但仍不能代表系统全年的运行性能，需加强对已建水源热泵项目的效果跟踪，并及时向社会公开跟踪结果，以更好地推动这项技术的发展。

2 我国地表水水源热泵技术研究现状

所以近十年来，地表水水源热泵技术逐渐成为研究热点，研究内容涉及地表水水源热泵技术的方方面面，包括技术适用性、对水体环境的影响、设计与分析方法、取水方式、系统性能测试、水体温度变化数学模型等。

技术适用性研究可分为全国性地表水水源热泵应用发展探讨与规划、地区适用性研究和特殊行业/建筑类型的适用性研究。聂会元等人分析了我国各气候区内的水资源分布情况，结合地表水水源热泵的应用条件，对各气候区淡水源热泵的适应性分析进行了研究[23]。武云涌等人探讨了在我国全面规划建设污水源热泵系统的重要性和可行性[24]。朱治科分析了水源热泵供热方式的优势和不足[25]。

研究人员对全国各地水源热泵的适用性进行研究，涉及重庆、上海、福州、湖北黄石、浙江等地应用江、河、湖水源热泵的可行性，大连、浙江沿海、江苏沿海、天津等地应用海水源热泵的可行性，以及沈阳、兰州、郑州等地应用污水/再生水源热泵的可行性等[26～37]。王子云等人对重庆段长江水温随横断面和时间的变化进行了实测分析，得到长江水温在整个横断面基本恒定，而江水的夏季月平均温度为22～25℃，冬季月平均温度为11～16℃，水温日变化幅度不超过0.5℃，是一种具有良好品质的稳定的冷热源[26]。上述研究成果表明，长江江水在同一断面基本不存在温度分层问题，而且水温日变化幅度很小。

在不同行业、不同建筑类型中，我国科技人员也开展了特殊条件下应用水源热泵的可行性研究。胡鹏等人探讨了以热电联产电厂产生的大量循环冷却水作为热源，采用吸收式热泵机组进行区域供热的技术经济可行性[38]。胡学毅等人分析了钢铁工业冷却水水源热泵的运行费用和投资费用及提高供水温度和制热效率的方法[39]。国德防等人讨论了在印染、电厂和轮胎生产工艺过程中如何采用吸收式热泵系统回收工业余（废）热，减少能源消耗的技术[40]。史学增等人研究了海水源热泵在船舶上的适用性[41]，展海风等人讨论了水源热泵在煤矿行业应用的可能性[42]，王璐等人分析了浴室排水余热回收热泵系统的能量消耗[43]，刘金祥等人研究了在中高档旅馆中应用中水源热泵系统的可行性[44]。由此可见，水源热泵技术的应用范围很广。不同行业、不同建筑类型，在具有水资源的条件下，均有可能应用水源热泵技术。

相对于其它热泵系统，地表水水源热泵的特殊之处在于其排/取热源为地表水。然而，在排/取热的过程中势必会对水体带来影响，所以地表水水源热泵对水体环境的影响是该领域研究的热点之一。马宏权等人分析了水源热泵造成水体热污染的可能性及其预防措施[45]。苏洋等人研究了水源热泵运行中造成的水域温升给生态环境带来的影响，建议建立一套针对地表水水源热泵对生态环境影响评估的指标体系[46]。吴荣华等人分析了以地表水水源热泵系统产生城市热岛效应后的能耗附加值，提出可利用用能与节能系数预测地表水源热泵系统的节能与环保效益[47]。周健等人对湖水源热泵系统冷排水对湖泊藻类及叶绿素含量的影响进行了研究，结果表明，冷排水对藻类总量增长有明显抑制作用[48]。黄向阳等人对江水源热泵系统排水对江水水温及水质的影响进行了研究，结果表明，排水引起的湖泊局部水域水温下降会导致表层溶解氧升高，对底层溶解氧则影响微弱[49]。叶姜瑜等人实测了水源热泵运行前后安康湖湖水细菌和藻类的变化情况，研究表明水源热泵运行前后，藻类生物量、种类组成及优势种发生变化[50]。由此可见，水源热泵排/取热会对地表水水温、水质产生一定的影响，但是否会破坏地表水生态系统尚不可知，可见我国仍需在该方向上开展系统的研究工作。

为推广应用地表水水源热泵技术，各科研及设计单位也积极开展了设计与分析方法的研究。范亚明等人提出了一种湖库塘开式水源热泵系统全年能耗分析方法[51]；邓波等人对大型地表水源热泵系统进行建模分析，综合考虑系统在“江水温——负荷——机组部分负荷性能”多影响因素下的负荷特性，实现对系统设备容量的优化[52]；舒海文等人研究了海水源热泵区域供热系统的最大供热半径[53]；吴学慧等人根据现有城市原生污水源热泵的技术经济特点，以系统的年运行费用为目标函数，建立了系统综合优化的数学模型，并利用遗传算法对系统的运行参数及机组部件进行了优化选择，实现了系统年运行费用最小的目标[54]。

除上述热点问题外，我国也有一些与其它能源联合运行、经济性、地表水换热器、机组研制、输配系统优化、系统仿真等方面的研究成果。

3 地表水水源热泵工程调研及分析

为深入了解地表水水源热泵工程的实际运行情况，笔者对应用江水源热泵比较典型的重庆大剧院江水源热泵集中供冷供热工程、中国2010年上海世博会江水源热泵系统、上海十六铺地区综合改造工程和上海港国际客运中心，应用湖水源热泵比较典型的重庆开县人民医院湖水源热泵工程和湘潭城市行政中心区湖水源热泵区域供冷供热系统，应用河水源热泵比较典型的连云港职业技术学院新校区一期工程进行了实地调研。通过对上述工程的调研，得出以下结论：

1）在建筑节能建立示范工程的大背景下，在政府支持下地表水水源热泵技术得以在一些大型公共建筑、政府建筑中应用。

2）地表水水源热泵技术应用受到诸多因素的制约。首先当地需具备合适的地表水源是应用地表水水源热泵技术先决条件。其次对水源水质也有一定的要求，具体参数包括水体温度、水流量和水质指标等。再次受不同地区能源政策、燃料价格的影响，应用地表水水源热泵技术的初始投资及运行费用会有所不同。

3）动态负荷预测和水温变化预测是地表水水源热泵技术的基础问题，但在实际工程设计中缺乏应用。

4）据调研上述工程，在系统设计阶段，仍采用了传统的机组选型方法，以峰值负荷为选型基础，并未考虑机组优化匹配及水源水温变化可能带来的影响。

5）在进行可行性论证时，与传统空调系统的经济性进行比较，是判断地表水水源热泵系统可行性的重要方法之一。

6）当地表水水体温度无法满足水源热泵机组在某些工况下的运行条件时，则需设置辅助冷热源，如冬季水温很低时。

4 结语

尽管我国在地表水水源热泵领域已有一些工程应用和研究成果，但由于起步较晚、实践较少，尚存在以下问题：

1）科研与工程实践脱节。实践是检验真理的唯一标准，但在现实状况下，大部分科研成果较难应用到实际项目中。笔者曾参与过多个水源热泵项目的论证和设计，业主均无意应用最新的研究成果，而倾向于选择成熟的方法、措施。

2）对已实施工程的持续性能监测和效果跟踪较少。我国有较多已实施的地表水水源热泵工程，但阐述这些工程性能监测和效果跟踪的文献较少。

3）水温基础数据不完整，可用于工程设计的简化计算方法较少。尽管已有一些地表水水温的监测数据，如长江、嘉陵江、黄浦江等，但尚无完整、系统的水温基础数据可供工程设计人员参考。目前多位学者研究了湖水水温的变化规律，但所用数学模型均很复杂，普通设计师不易掌握；且尚未在国内公开文献中找到反映江水温度变化数学模型。

4）对地表水水源热泵系统的整体优化方法研究较少。当前在地表水水源热泵领域已取得的研究成果中，大部分是对某一部件、组成要素的研究，如输配系统、取水方式等，缺乏对地表水水源热泵系统整体优化方法的研究。

5）未见建立地表水水源热泵系统全寿命周期成本分析方法，而全寿命周期成本是判断地表水水源热泵系统相对于其他类型系统是否优越的关键指标之一。目前我国在水源热泵经济性方面的研究尚限于宏观经济性或某一具体工程采用不同类型冷热源的经济性对比，未见科学、统一的经济性分析方法的研究成果。

6）在不同需求情况下，地表水水源热泵与其他冷热源联合运行的可行性方面的研究较少。由于地表水水源热泵性能受到地表水水温、取水距离、高差等因素的制约，在某些特定情况下，需要与其他供冷供热形式联合运行，以满足采暖制冷需求，目前缺乏这方面的研究。

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Ch ina's Su rfa c e W a te r Sou rc e Hea t Pum p Re sea rc h an d Ap p lic a tion Sta tu s

TIAN Hui-feng
China Academy of Building Research ShanghaiBranch

Surfacewater source heatpump technology has the advantages of energy saving,environmental protection, and hasabroad application prospects in Chinaalong the Yangtze River region.Thispaper summarizes theapplication of this technology in our country since the 1980s in related fieldsof study progress.Field research the typicalsurfacewater sourceheatpump works,the findingswere discussed and summed up the problem.Finally,the research direction of this technology isgiven.

watersourceheatpump,surfacewater,engineering applications,research directions

1003-0344（2014）03-025-5

2013-5-18

田慧峰（1979～），男，博士；中国建筑科学研究院上海分院（200023）；E-mail:thuifeng@gmail.com