水源热泵项目排水对受纳水体水环境的影响研究

孙宏伟

（江苏河海新能源有限公司，常州 213100）

随着我国十二五节能规划中有关可再生能源工作的展开，可再生能源的建筑利用日益引起人们的重视。水源热泵技术是一种清洁能源应用技术，水源热泵本身具有节能、环保的特性，实现了利用可再生能源和提高能源利用率来降低建筑能耗的目的。

与此同时，水源热泵技术利用江河湖海水作为冷热源，在规模化应用过程中会有大量的冷量和热量排入水体中，尽管在水体扰动和与空气换热作用下冷热量有所衰减，仍会对受纳水体水环境产生一定的影响，在特定区域可能会产生水体热污染现象。

1. 水源热泵技术工程应用

水源热泵利用水体吸收的太阳能和地热能形成的低温低位热能资源，采用热泵原理通过少量的高位电能输入，实现低位热能向高位热能转移的一种技术。

国外地表水源热泵的研究始于20世纪30年代，苏黎世区域供热站的建设标志着水源热泵技术投入工程应用。随着能源危机的爆发，水源热泵在北美地区迎来了发展高潮，并开展了大量基础性研究实验，中、北欧国家及日本在水源热泵技术工程应用方面具有丰富的建设及运营经验[1]。

我国水源热泵技术的工程应用起步相对较晚，2004青岛发电厂项目落成实现了零的突破。其后，青岛、大连等地区水源热泵技术工程应用发展迅速，相继有多项示范工程建成投入运营，包括北京奥运村项目、广州亚运村项目等。

2. 水源热泵排水对水环境的影响

2.1 水源热泵系统原理

水源热泵系统夏季供冷，冬季供热，通过换向阀切换实现。

夏季水源热泵系统原理图见图1，换热介质通过压缩机做功在热泵机组的蒸发器、冷凝器和压缩机中循环，蒸发器中的低温液态制冷剂与空调末端的冷冻水回水换热，液态制冷剂蒸发吸热，使冷冻水回水降温为冷冻水供水；冷凝器中的高温高压制冷剂与水源水回水换热，将热量排到水源水水中。

冬季水源热泵系统原理图见图2，换热介质通过压缩机做功在热泵机组的蒸发器、冷凝器和压缩机中循环，蒸发器中的低温液态制冷剂与空调末端的水源水回水换热，液态制冷剂蒸发吸热，使水源水回水降温为冷冻水供水；冷凝器中的高温高压制冷剂与空调末端回水换热，将热量转移到空调供水中。

图1 重庆江北城CBD和上海黄浦江十六铺水源热泵项目

图2 夏季水源热泵系统原理图

图3 冬季水源热泵系统原理图

夏季运行过程中，从取水口引进低温冷却水，与热泵机组进行热交换，水温升高后（即温排水）再由排水口排放进入受纳水体。冷却水进入受纳水体后有三个去向：由排水口回归进入取水口即所谓二次热回归；由水域的自由表面逸散进入大气；由环境水体带走进入下游水域。为充分保障热泵机组高效运行，保护受纳水体水环境均需要掌握排放水域的速度场和温度场变化情况。

冬季运行过程中，从取水口引进水源水，与热泵机组进行热交换，水温降低后（即冷排水）再由排水口排放进入受纳水体。

2.2 水源热泵排水对水环境的影响

有关水源热泵空调系统对水环境的影响研究文献资料偏少，对于温排水排放的文献资料更多集中于电厂温排水对受纳水体影响的研究[2,3]。

国外学者从20世纪40年代开始就有关电厂温排水对附近海域的影响做过很多的调查和研究，并发展了各种数值模型。其中，英国学者Ri-ou建立了一种二维模型，将计算域分成两层，考虑了海水与空气间的相互作用以及风的作用，模拟计算了英国北部近岸海域的温升分布。国外研究机构较早制订了温度评价标准，英国于1961年提出最高排水温度的规定和措施，法国在70年代的《环境法》中规定河水温度不得超过30℃（7月份法国的平均最高气温24℃），根据具体情况，该值有时为排放口处的水温1968年美国联邦政府正式颁布了废热水排放温度：河流不得超过自然水温的2.8℃；湖泊、水库夏天上层水温不得超过自然水温的1.7℃；沿海岸水域不得超过2.2℃。

我国相关的研究工作起步较晚，于80年代开始着手相关研究，但主要集中在淡水经济鱼类受电厂温排水的影响研究。1988年李燕初等用浅水方程以及相应的定解条件为模型，采用交替方向隐式差分方法ADD，对拟建蒿屿电厂温排水排入水体后在附近海域的温度分布及浓度分布进行了计算，但计算结果存在一定的局限性，只适用于远区的垂直平均状况；1998年王丽霞等针对青岛黄岛发电厂工程，根据一阶湍流封闭理论建立了三维热扩散预测模型；水利水电科学研究院利用破开算子法建立了二维模型，对浅滩水域边界采用窄缝法来模拟计算秦山核电站冷却水排放对远区的影响；通用流体力学模拟软件FLUENT，可以动态模拟流动结果，通用性较强，功能全面，几乎可以求解工程界中各种复杂问题CFD软件提供了可视化操作平台，在工程界发挥着越来越大的作用[4]。

我国的温度评价标准，《地表水环境质量标准》GB3838-2002，人为造成的环境水温变化应限制在周平均最大温升≤1℃，周平均最大温降≤2℃。《海水水质标准》GB3097-1997中规定，一类水人为造成的海水温升夏季不超过当时当地1℃，其他季节不超过2℃；二类水人为造成的海水温升不超过当时当地4℃。

3. 水源热泵取排水方式对水环境的影响

水源热泵取水方式需综合考虑水量、水温、水质等因素，还需尽可能减少二次热回归的影响。电厂冷却水取水水工布置方式具有一定的借鉴意义，常用的水工布置方式有分列式、差位式、重叠式等取水方式[5,6]。

水源热泵尾水排放方式对水环境影响课题在国家“十一五”科技支撑计划的资助下，针对江水源热泵和湖水源热泵开展了相关研究工作，研究尾水不同排放及出流方式对受纳水体温升的影响。研究结果表明，江水源热泵系统从整体土看射流式排放方式优予表面式和淹没式排放方式，双口出流方式优于单口出流方式，其中对河道水域温升影响最小的排放方式为表面式排水顺流双口出流方；湖水源热泵系统水环境温升影响较小的排放方式有：穿孔管横向分散出流射流排放、穿孔管横向分散出流表面排放、穿孔管横向分散出流淹没排放、双口出流射流排放，其中穿孔管横向分散出流射流为最优排放方式。海水源热泵系统尾水排放方式对水域温升的影响的文献未见报道。

4. 结论

水源热泵技术是一种清洁能源应用技术，利用江河湖海水作为冷热源，在规模化应用过程中会有大量的冷量和热量排入水体中，对受纳水体水环境产生一定的影响，尾水不同排放及出流方式对受纳水体温升也会产生一定的影响。

[1]艳涛，王惠民，吴修锋，等.温排水对水体生态环境影响的分析及处理[J].水资源保护，2008. 24(2)：70-72.

[2]宏权，龙惟定.水源热泵应用与水体热污染[J].暖通空调，2009，39(7)：66-70

[3]晓群，曾江宁，曾淦宁，等.滨海电厂温排水对浮游动物分布的影响[J].生态学杂志，2008，27(6)：933-939.

[4]金华，刘勇，丁勇，等.重庆市开县人民医院湖水源热泵空调系统实测分析[J].暖通空调，2008，38(8)：111-114.

[5]卿晓霞, 崔相楠, 周健, 等. 江水热泵系统尾水排放方式优选实验研究[J]. 土木建筑与环境工程，2011，33(1): 105-107.

[6]周健, 干丽莎,刘月红, 等. 湖水源热泵系统尾水排放方式对水域温升分布的影响[J]. 中国给水排水,2010,26(19):54- 57.