江水源热泵的应用及设计研究现状

江水源热泵的应用与研究现状

1前言

江水具有很好的宏观热能特征，将其作为热泵冷热源为建筑物供暖供冷前景巨大，在国内引起了广泛关注，目前也有一些应用案例。相比各类空气源热泵，江水源热泵能够获得更高的能效，并能缓解城市热岛效应。

长江流域处于夏热冬冷地区[1]，冬夏季空调负荷较大。随着经济的增长、人民生活水平的提高，空调系统必将普及，空调负荷必将大幅增长。水源热泵机组在冬季采集来自湖水、河水、地下水及地热尾水，甚至工业废水污水中的低品位热能供给室内取暖；在夏季则把室内的热量取山，释放到水中，制取冷水达到夏季空调供冷的目的。江水源热泵利用长江水作为系统的冷热源，效率高，且不需冷却塔和锅炉等设备，机房占用面积小，不向大气排放污染物及热量，改善室内环境及城市环境。充分利用长江水资源不仪能够人幅度降低冬夏季空调能耗，而且降低电网及燃气的供应尖峰，达到高效、节能、环保的目的。本文还综述了该领域目前的应用与研究现状。

2对江水作为冷热源的分析

由于江河水年四季温度变化较小，水量丰富稳定，是水源热泵良好的低位能源。长江、嘉陵江流经整个重庆主城区，常年年均水流量长江为8500m3／s，嘉陵江为2430m3／s，两江合流后为10930m3／s；冬(12-2月)夏(6-9月)季平均江水温度(水下0．5m处)，冬季12．8℃，夏季23．5℃；冬夏季平均含砂量，夏季745mg／l，冬季30．6mg／l；嘉陵江夏季504mg／l，冬季5．34mg／l。

以嘉陵江冬季江水温度和大气温度的测量分析结果为例，见表1，得出冬季嘉陵江水温分布稳定，平均在9．2～13．1℃之间，且变化非常平稳，没有大的波动，最冷月平均水温8．8℃；而空气温度则存在较大的波动，月平均气温波动范围虽不大，在8．6～12．8℃，但日平均温度波动频繁，最低只有6．6℃，最高达17．7℃，分布极不稳定。通过测量得知，冬季水温沿深度方向呈递增的趋势，经分析，水面以下2～3m处水温已很接近。因此，江水用作空调冷热源在温度和稳定性方面都较空气有明显的优势。

表l冬季各月平均值、最大值、最小值

以江水作为热泵的低温热源，如果循环是逆卡诺理想循环，性能系数能达到8以上；仅考虑制冷剂与冷却水、制冷剂与江水的传热温差，理论性能系数也能达到6．4以上，因此利用江水发展水源热泵空调系统，具有极大的节能潜力。

3江水源热泵应用关键技术

相对于空气源热泵，江水源热泵较为可靠，能效比高，运行费用低。但要实现其自身优势，必须满足一定条件，除水量，总体而言还要保证水温、水质及系统运行管理要求，这也是江水源热泵应用的技术关键。

3.1水温方面

1)进水温度不适合，机组自动保护。由丁热源温度一般不会太高，故夏季制冷工况下一般没有问题，但用于冬季供热工况时，进水温度可能过低，为防止机组内结冰阻塞和管道涨裂，机组一般设置自动保护停机，机组的反复启停会影响空调系统的正常运行，且降低机组寿命。

2)以长江水体作为空调系统冷热源，承担来自建筑的冷热量，将对环境和生态造成一定影响[3]。当夏季向水体中排放的热量超过一定限值时，氧气在水中溶解度会降低、水体中物理化学和生物反应速度会加快，因此导致有毒物质增加，需氧有机物氧化分解速度加快，耗氧量增加，水体缺氧加剧，进一步引起部分生物缺氧窒息，抵抗力降低，产生病变乃至死亡，水体温度升高，对水生生物的群落以及水生生物的繁殖行为也有一定的影响；在冬季，如果从水体中大量取热，将使水体温度降低，同样会对水体环境造成一定的负面影响。因此，在系

统设计过程中应该计算排热或吸热对水体温度造成的影响是否超过生态环境的承受能力，排水水温需要满足国家相关规范。

3.2水质方面

1)水源水质不好，会引起结垢、腐蚀或产生生物污泥，堵塞及冲蚀问题，由此造成管道堵塞、能耗增加、主机不能止常运行、设备寿命缩短等。江水的矿化度不高，结垢问题不大；江水呈弱碱性，水中的氧和二氧化碳通常也很低，腐蚀问题也不大；虽然目前没有水源热泵水质要求的国家标准，但参照国家冷却水水质标准[4]和地下水质量标准[5]对水质含沙量不大于5mg门的要求可见，江水含沙量远远高于该标准，因此，含沙量是制约利用江水作水源热泵冷热源应用的关键问题。

2)排水处理不当，引起二次污染。若水处理过程中投放磷系化合物，泄露或不经处理排放会导致水体富营养化。另外，机组常用乙二醇防冻液，如不慎泄露会给水体和空气环境带来严重污染。因此排水必须经过适当处理，达标排放。

3.3运行管理方而

1)安装管理不当，损坏换热盘管。对于江水源热泵系统，必然有大量取／回水管安置在室外，且有大量换热盘管置于水体中，需要防止人为或非人为的破坏。

2)取／回水口的位置设置要合理，否则取水能耗太大，系统运行效率降低，无法发挥水源热泵系统优势。在运行江水源热泵时要允分进行经济性分析，如果初投资费用及运行费用太高，不能发挥江水源热泵系统高能效比优势，那么江水源热泵方案则不再具有可行性。

在水源热泵的实际工程中，解决以上问题可能会引起投资增长或运行费用增加，需要作详细对比。从初投资来看，一般水源热泵机组及其配套取／回水设施及水处理设施的总投资比传统风冷热泵及冷水机组要高，但随着技术的革新，差距正在缩小，有利于水源热泵的推广；在运行成本上，水源热泵机组具有较高的能效比，其能耗比相应的冷水机组或风冷热泵要低，而且水源热泵系统不需要冷却塔，在冷却水侧没有水损失；在维护成本上，水源热泵系统往往具有较高的自动控制水平，其操作运行及维护所需人工较少，可以远程控制，维护成本比传统系统要低。

4．应用现状与研究进展

针对于江水源热泵的应用技术关键，我国现已提出一些具有创新意义的研究方案，主要包括：尾水处理及综合利用、江水源热泵取水／水处理技术、节能减排，降低总费用等。

4.1尾水处理及综合利用

经过水源热泵机组热交换后，江水水温必将有明显改变，因此排水可能对水环境与生态环境有定影响，而水处理过程中使用的化学药品也可能对水体产生污染。因此需要对水体水温的改变、污染物的扩散进行严密计算和模拟论证，所用处理药品小能破坏环境。总之，排水要满足相关政策法规。

此外，经过处理和换热的尾水，直接排放了也是一种浪费，可以结合具体条件综合利用。尾水的利用可按以下几个流程进行处理：

流程1：作为水处理基本流程，出水直接用于绿化和浇洒道路：水源热泵尾水→沉砂池→粗滤池→精密过滤器→出水。

流程2：为流程1+消毒，用于直接与人体接触的洗车、冲厕等：流程1的出水→消毒→接触池→洗车、冲厕。

流程3：将用于补充河道的水进行物理降温，即可满足使用要求：水源热泵尾水→物理降温→补充下圩河。

以上处理方案有如下优势：

1)除用于河道补水之外，其他用途的回用水处理工艺均采用流程1的出水，处理构筑物与设备机房集中，有利于日常管理，投资最省；

2)对于与人接触的洗车、保洁等用水，采用基本工艺处理后，在用水点投加消毒剂并设置接触池，在满足水质指标的前提下，避免了消毒剂对绿化的不利影响，同时减少了消毒剂用量；

3)河道补水量大，在原水的水质指标均能满足使用要求的摹础上，仅针对要求不苛刻的水温进行适当的降低，利用系统的出水余压，结合周围景观完成物理降温过程；

4)基本水处理流程不用投加混凝剂，可自动完成反冲洗等，使用安全可靠，运行费用低廉，解决了物管部门的后顾之忧。

江水经过处理、换热后，尾水没有直接排放，而是能够得到综合利用，大