“双碳”视域下浙江省地表水源热泵推广关键性技术研究展望

许本亮，徐中干，童 玮，焦 丹

（浙江商业职业技术学院，浙江杭州 310053）

1 浙江省地表水潜热资源前景分析

浙江位于我国东部沿海，介于东经118度至123度，北纬27度12分至31度31分，属于亚热带季风气候区，境内河流众多，主要有钱塘江、瓯江、灵江、苕溪、甬江、飞云江、鳌江及曹娥江等8大水系。其中钱塘江全长约605 km，是本省第一大江。以杭州为起点的大运河，浙江境内长129 km，贯穿杭嘉湖平原中部。此外还有西湖、南湖、东钱湖等容积100万m3以上湖泊30余个。省域范围内降水量为1 600 mm 左右，根据统计数据显示平均水资源总量为955.41亿m3，多年平均地表水为943.85亿m3，占水资源总量的98%，按单位面积统计计算的水资源量居全国第4位。浙江省大型城市主要集中在水系附近，这为取水提供了条件，浙江省四季明显，气温适宜，水量充足，水系密布全省，全省大陆面积中河流湖泊占6.4%。下面就全省主要水系进行简要分析。

1）钱塘江：衢州以上为钱塘江上游，称常山江，属山溪性溪流，全长 176 km。衢州以下至兰溪称衢江，全长 82 km，沙石岸，略对称，河宽 55～70 m，最宽 350 m，常水位水深1.1～1.3 m，枯水位水深0.3～0.5 m，流速0.9～1.2 m/s。兰溪以下至梅城称兰江，全长45 km；梅城至浦阳江河段称富春江，其中梅城至桐庐分水江口亦称桐江，全长 39 km。三河峡、七里垅峡（亦称芦茨埠峡），河宽200～450 m，七里垅峡于1968年建成富春江水电站，河段成河道型水库，水深达16～18 m。桐庐至闻家堰的富春江河段，全长63 km。闻家堰至萧山新昌镇入海口称钱塘江，全长81 km。河岸略对称，泥沙质，闻家堰河宽500～600 m，至闸口河宽约1 000 m，盐官河宽约2 500 m，低潮水深仅 1～2 m。水量情况：富春江芦茨埠站实测最大洪峰流量达2.9万m3/s，最小流量仅15.4 m3/s。

2）甬江：由其上游的奉化江、姚江在宁波市区三江口汇合后，东流经镇海城关至外游山入东海，全长133 km，流域面积4 518 km2。奉化江上游剡江，源于四明山大湾岗黄家彦，主要支流有邮江、县江等，均流经低山和丘陵地带，纵向坡度较大，属山溪性溪流，汇集于奉化方桥三江口。三江口至宁波称奉化江，流经平原，河宽155～180 m，两岸对称，流速减慢，泥沙淤塞。姚江源于四明山夏家岭的眠岗山，流入四明湖水库，经余姚城关至宁波市区三江口与奉化江汇合。1959年在汇合处河口建成姚江闸后，变成内河。两江汇合后，从三江口至镇海外游山，全长26 km，河宽200～350 m，常水位水深2.5～3 m，枯水位水深0.7～1.1 m，流速0.5～1.2 m/s。

3）瓯江：瓯江源于洞宫山的百祖山西麓，流经小梅、龙泉、大港头、丽水、青田、温溪、温州至崎头入温州湾，全长384 km，流域面积1.81万km2。大港头以上为瓯江上游，全长196 km，流经峡谷较多，纵向坡度较大，急流险滩有83 处。大港头附近漫滩达1 200 m，属较典型的山溪性溪流。大港头至温溪为瓯江中游，流经丽水、青田谷地，全长112 km。河谷宽300～800 m，河床宽250～800 m。在船寮附近洪水位水深5～8 m，流速达3 m/s，水流湍急。温溪以下至瓯江口为瓯江下游，全长76 km，江北侧是低山丘陵地，南侧为温州平原，属潮汐型河流。河宽300～400 m，温溪附近河底有小卵石，其余河底为泥。常水位水深4～5 m，枯水位水深3.5～4 m，流速

1.2～1.6 m/s。

4）飞云江：飞云江源于洞宫山的白云尖北麓的浯溪，流经白鹤、百丈口、平阳坑、马屿、瑞安城关至十八亩（上望）入东海，全长193 km，流域面积3 719 km2。百丈口以上为飞云江上游，全长 63 km，溪流湍急，峡谷深渊，断绝地多，属山溪性溪流：河谷宽 150～800 m，河宽 100～250 m。百丈口至平阳坑，为飞云江中游，仍属山溪性溪流，全长70 km，河谷宽200～2 000 m，河宽150～500 m，水急谷深。平阳坑至入海口为飞云江下游，全长60 km，流经温瑞平原，属潮汐型河流：河床尚对称，两岸有坍塌现象；瑞安附近河宽达1 000 m，常水位水深3.5～4 m，流速1.3～1.8 m/s。

通过以上分析可知浙江省四季明显，气温适宜，地表水资源量较为充足，大型城市主要集中在水系附近，为水源热泵的推广应用奠定了基础。

2 浙江省地表水源热泵技术利用前景分析

2022年8月18日科技部会同发展改革委、工业和信息化部、生态环境部、住房和城乡建设部、交通运输部等九部门组织编制了《科技支撑碳达峰碳中和实施方案（2022—2030年）》，《实施方案》统筹提出支撑2030年前实现碳达峰目标的科技创新行动和保障举措，并为2060年前实现碳中和目标做好技术研发储备，为全国科技界以及相关行业、领域、地方和企业开展碳达峰碳中和科技创新工作的开展起到指导作用。建筑领域空调系统能耗作为耗能大户，一直是挖掘节能减排潜力的重要组成部分，同时也是技术创新的重要方向。

国内外对于地表水源热泵技术的研究已经越来越多，也出台了相关标准和规范，如美国ASHRAE 学会制订的《地源热泵工程技术指南》和我国的《地源热泵系统工程技术规范》，但是这类标准规范主要侧重于水温保证地表水能够提供足够的供冷或供热量，虽然有对水体温度、水质、水量等参数的要求，但是还没有详细的数据要求，同时，不同水体参数变化对地表水源热泵的应用影响、技术经济、社会环境的综合影响评价也无详细说明。表1是各形式热泵技术推荐适用规模范围，由表1可知地表水水源热泵技术对规模大于500 kW 的大型中央空调系统的适用性较强。

表1 各形式热泵技术推荐适用规模

我省夏季用电矛盾突出，而传统空调制冷的耗电量要占到夏季负荷的40%以上。降低空调能耗，已成为我省建筑节能领域的重要工作。大中型水源热泵的运行费低于以燃油为能源的大区域中央空调系统，而且可节约40%的一次能源，与溴化锂直燃机相比减少了CO2、SO2、NO2等的排放量，环保效益显著。在易于获得温度较为稳定的大量水源的地方，具有明显的优势。

通过以上分析可知，对于河流湖泊附近的大中型城市的中大型中央空调系统而言，采用地表水源热泵技术将会极大助力碳达峰碳中和实施方案，为在我省推广地表水源热泵技术提供了有利条件。

3 限制地表水源热泵发展的关键性技术研究现状

地表水源热泵可利用的低位冷热源较为广泛，主要有：江河、湖泊、海水、水库水和污水等。该技术所利用的低位热源以其比热容大、传热性好、冷暖两用等优点拥有广阔的发展空间，加之浙江省江河众多，地表水资源总量较为丰富的天然条件，为推广地表水源热泵技术提供了有利条件。然而受限于地表水源大部分含有泥沙杂质，对于开式冷却水系统净化成本会直接影响系统经济性与可靠性，而对于闭式冷却水系统其末端换热器磨损严重影响系统可靠性与维护成本这一现实问题，其推广应用严重受限。因此，为了解决这一难题，准确预测冷却水管路系统阀件和管件的磨损异常重要。

在此基础上对近五年来流程阀门内流致磨损研究主要文献进行梳理如下：Rajda 等[1]提出了一种模拟液压流量控制阀颗粒冲蚀磨损的尝试，通过CFD 模拟，获得了两种颗粒材料的颗粒轨迹以及对阀件的磨损率。Askari 等[2]利用Fluent 软件对工业球阀进行仿真，研究了不同工况下磨损对球阀的影响，结果表明，阀门25%开启状态的磨损速率增加到阀门完全开启状态的15 000倍左右，半开启状态（50%开启状态）的磨损速率增加到3 500倍左右；并且对于阀的75%打开状态，磨损速率增加到大约220倍。Zhang等[3]采用计算流体力学方法和Fluent 软件，结合连续相和离散相模型，建立了箭形止回阀的计算模型，对箭形止回阀的颗粒侵蚀磨损进行了预测。结果表明，阀门开度对压力、速度和湍流强度有重要影响。与入口速度相比，颗粒流量和颗粒直径对磨损的影响较小。Cao 等[4]基于欧拉-拉格朗日方法和Finnie 侵蚀模型，利用计算流体力学软件对调节阀内气固流动进行了数值模拟。结果表明，在大、中升程工况下，磨损严重的区域主要在阀箱底部和喉部，而在小升程工况下，磨损严重的区域主要在阀扩压器上。随着阀门开度的减小，磨损率增大。影响固体颗粒磨损的主要因素在阀门开启过程中是不同的。磨损率密度在40～60 μm的颗粒直径范围内达到最大。Liu 等[5]研究了固体颗粒在无槽口液压滑阀中的磨损行为及其影响。通过对阀芯表面微观形貌的测量，发现了磨损角失效。采用离散相模型对固液两相流进行计算流体力学模拟，分析磨损破坏，得出了无槽口液压滑阀严重磨损区域的迁移路线，揭示了局部磨损机理，讨论并提出了冲刷条件下孔口面积的精确计算方法。Xu 等[6]研究了进口闪蒸比对低压黑水角阀进口速度、出口闪蒸比和出口速度的影响，提出了通过抑制进口闪蒸比、降低进口流量等措施来减少黑水角阀磨损损伤的预防策略。

董肖肖[7]根据冲蚀率与冲击角和速度三者之间的关系，选择了最合适的磨损预测方程，改进了节流阀结构，增加了阀门的使用寿命。孙宇航等[8]通过计算流体力学软件对滑阀进行冲蚀磨损仿真，根据模拟结果对阀门的寿命做出了预测。并通过实验得出了滑阀的内泄漏特性曲线。戴波等[9]利用计算流体力学软件对蘑菇头卸灰阀进行了磨损计算，并探究阀门开度、颗粒质量流量对蘑菇头卸灰阀冲蚀磨损情况的影响。訚耀保等[10]根据力学模型和运动学模型基于磨损理论得到了小球磨损量计算模型，并分析了温度等因素对磨损的影响。钟林等[11]利用计算流体力学软件对排污阀的冲蚀磨损进行了模拟计算，结果表明：阀芯、阀座密封接触位置磨损最严重。

通过以上分析可知，对于目前限制浙江省地表水源热泵推广的关键性技术难题主要是冷却水端水源还有泥沙及其带来的成本增加问题。对于开式系统可以通过增强管路系统的抗磨损性能或增强系统过滤能力来实现技术突破；对于闭式系统可以通过增强末端换热器的抗磨损性能来实现技术突破。

4 结束语

通过对浙江省地表水潜热资源前景分析、浙江省地表水源热泵技术利用前景分析和限制地表水源热泵发展的关键性技术研究现状分析可知：浙江省地表水资源丰富，大型城市主要集中在水系附近，其大型中央空调系统适宜推广地表水源热泵技术。目前限制技术发展的主要瓶颈为地表水多数含有泥沙因此带来的冷却水管路和换热器磨损问题。解决该问题的主要途径是：对于开式系统可以通过增强管路系统的抗磨损性能或增强系统过滤能力来实现技术突破；对于闭式系统可以通过增强末端换热器的抗磨损性能来实现技术突破。