1 前言
江水具有很好的宏觀熱能特征，將其作為熱泵冷熱源為建筑物供暖供冷前景巨大，在國內(nèi)引起了廣泛關(guān)注，目前也有一些應(yīng)用案例。相比各類空氣源熱泵，江水源熱泵能夠獲得更高的能效，并能緩解城市熱島效應(yīng)。
長江流域處于夏熱冬冷地區(qū)[1]，冬夏季空調(diào)負(fù)荷較大。隨著經(jīng)濟(jì)的增長、人民生活水平的提高，空調(diào)系統(tǒng)必將普及，空調(diào)負(fù)荷必將大幅增長。水源熱泵機(jī)組在冬季采集來自湖水、河水、地下水及地?zé)嵛菜?，甚至工業(yè)廢水 污水中的低品位熱能供給室內(nèi)取暖；在夏季則把室內(nèi)的熱量取出，釋放到水中，制取冷水達(dá)到夏季空調(diào)供冷的目的。江水源熱泵利用長江水作為系統(tǒng)的冷熱源，效率高，且不需冷卻塔和鍋爐等設(shè)備，機(jī)房占用面積小，不向大氣排放污染物及熱量，改善室內(nèi)環(huán)境及城市環(huán)境。充分利用長江水資源不僅能夠大幅度降低冬夏季空調(diào)能耗，而且降低電網(wǎng)及燃?xì)獾墓?yīng)尖峰，達(dá)到高效、節(jié)能、環(huán)保的目的。本文還綜述了該領(lǐng)域目前的應(yīng)用與研究現(xiàn)狀。
2 對江水作為冷熱源的分析[
由于江河水一年四季溫度變化較小，水量豐富穩(wěn)定，是水源熱泵良好的低位能源。長江、嘉陵江流經(jīng)整個(gè)重慶主城區(qū)，常年年均水流量長江為8500m3/s，嘉陵江為2430m3/s，兩江合流后為10930m3/s；冬（12-2月）夏（6-9月）季平均江水溫度（水下0.5m處），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。
以嘉陵江冬季江水溫度和大氣溫度的測量分析結(jié)果為例，見表1，得出冬季嘉陵江水溫分布穩(wěn)定，平均在9.2~13.1℃之間，且變化非常平穩(wěn)，沒有大的波動(dòng)，最冷月平均水溫8.8℃;而空氣溫度則存在較大的波動(dòng)，月平均氣溫波動(dòng)范圍雖不大，在8.6~12.8℃，但日平均溫度波動(dòng)頻繁，最低只有6.6℃，最高達(dá)17.7℃，分布極不穩(wěn)定。通過測量得知，冬季水溫沿深度方向呈遞增的趨勢，經(jīng)分析，水面以下2~3m處水溫已很接近。因此，江水用作空調(diào)冷熱源在溫度和穩(wěn)定性方面都較空氣有明顯的優(yōu)勢。
表1 冬季各月平均值、最大值、最小值
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分項(xiàng) |
江水溫度 |
空氣參數(shù) |
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0.3m |
1m |
2m |
3m |
溫度 |
濕度 |
壓力Mpa |
||
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2006年12月 |
平均值 |
12.5 |
12.8 |
13.0 |
13.1 |
10.4 |
69.8 |
99.8 |
|
最大值 |
12.7 |
13.1 |
13.9 |
13.6 |
12.6 |
75.3 |
99.9 |
|
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最小值 |
12.4 |
12.7 |
12.2 |
12.9 |
9.0 |
61.3 |
99.6 |
|
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2007年1月 |
平均值 |
9.2 |
9.5 |
9.7 |
9.8 |
8.6 |
66.5 |
99.8 |
|
最大值 |
9.3 |
9.7 |
10.6 |
10.3 |
11.4 |
74.7 |
99.9 |
|
|
最小值 |
9.1 |
9.4 |
8.8 |
9.6 |
6.6 |
54.0 |
99.6 |
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2006年2月 |
平均值 |
10.7 |
10.9 |
11.0 |
11.1 |
12.8 |
66.3 |
99.2 |
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最大值 |
10.8 |
11.0 |
11.4 |
11.3 |
17.4 |
75.8 |
99.5 |
|
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最小值 |
10.6 |
10.8 |
10.5 |
11.0 |
10.0 |
51.9 |
98.9 |
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3 江水源熱泵應(yīng)用關(guān)鍵技術(shù)
相對于空氣源熱泵，江水源熱泵較為可靠，能效比高，運(yùn)行費(fèi)用低。但要實(shí)現(xiàn)其自身優(yōu)勢，必須滿足一定條件，除了水量，總體而言還要保證水溫、水質(zhì)及系統(tǒng)運(yùn)行管理要求，這也是江水源熱泵應(yīng)用的技術(shù)關(guān)鍵。
3.1 水溫方面
1)進(jìn)水溫度不適合，機(jī)組自動(dòng)保護(hù)。由于熱源溫度一般不會(huì)太高，故夏季制冷工況下一般沒有問題，但用于冬季供熱工況時(shí)，進(jìn)水溫度可能過低，為防止機(jī)組內(nèi)結(jié)冰阻塞和管道漲裂，機(jī)組一般設(shè)置自動(dòng)保護(hù)停機(jī)，機(jī)組的反復(fù)啟停會(huì)影響空調(diào)系統(tǒng)的正常運(yùn)行，且降低機(jī)組壽命。
2)以長江水體作為空調(diào)系統(tǒng)冷熱源, 承擔(dān)來自建筑的冷熱量, 將對環(huán)境和生態(tài)造成一定的影響[3]。當(dāng)夏季向水體中排放的熱量超過一定限值時(shí),氧氣在水中溶解度會(huì)降低、水體中物理化學(xué)和生物反應(yīng)速度會(huì)加快,因此導(dǎo)致有毒物質(zhì)增加,需氧有機(jī)物氧化分解速度加快,耗氧量增加,水體缺氧加劇,進(jìn)一步引起部分生物缺氧窒息,抵抗力降低,產(chǎn)生病變乃至死亡，水體溫度升高,對水生生物的群落以及水生生物的繁殖行為也有一定的影響；在冬季,如果從水體中大量取熱,將使水體溫度降低,同樣會(huì)對水體環(huán)境造成一定的負(fù)面影響。因此，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中應(yīng)該計(jì)算排熱或吸熱對水體溫度造成的影響是否超過生態(tài)環(huán)境的承受能力，排水水溫需要滿足國家相關(guān)規(guī)范。
3.2 水質(zhì)方面
2)排水處理不當(dāng)，引起二次污染。若水處理過程中投放磷系化合物，泄露或不經(jīng)處理排放會(huì)導(dǎo)致水體富營養(yǎng)化。另外，機(jī)組常用乙二醇防凍液，如不慎泄露會(huì)給水體和空氣環(huán)境帶來嚴(yán)重污染。因此排水必須經(jīng)過適當(dāng)處理，達(dá)標(biāo)排放。
3.3 運(yùn)行管理方面
1)安裝管理不當(dāng)，損壞換熱盤管。對于江水源熱泵系統(tǒng)，必然有大量取/回水管安置在室外，且有大量換熱盤管置于水體中，需要防止人為或非人為的破壞。
2)取/回水口的位置設(shè)置要合理，否則取水能耗太大，系統(tǒng)運(yùn)行效率降低，無法發(fā)揮水源熱泵系統(tǒng)優(yōu)勢。在運(yùn)行江水源熱泵時(shí)要充分進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性分析，如果初投資費(fèi)用及運(yùn)行費(fèi)用太高，不能發(fā)揮江水源熱泵系統(tǒng)高能效比優(yōu)勢，那么江水源熱泵方案則不再具有可行性。
在水源熱泵的實(shí)際工程中，解決以上問題可能會(huì)引起投資增長或運(yùn)行費(fèi)用增加，需要作詳細(xì)對比。從初投資來看，一般水源熱泵機(jī)組及其配套取/回水設(shè)施及水處理設(shè)施的總投資比傳統(tǒng)風(fēng)冷熱泵及冷水機(jī)組要高，但隨著技術(shù)的革新，差距正在縮小，有利于水源熱泵的推廣；在運(yùn)行成本上，水源熱泵機(jī)組具有較高的能效比，其能耗比相應(yīng)的冷水機(jī)組或風(fēng)冷熱泵要低，而且水源熱泵系統(tǒng)不需要冷卻塔，在冷卻水側(cè)沒有水損失；在維護(hù)成本上，水源熱泵系統(tǒng)往往具有較高的自動(dòng)控制水平，其操作運(yùn)行及維護(hù)所需人工較少，可以遠(yuǎn)程控制，維護(hù)成本比傳統(tǒng)系統(tǒng)要低。
4 .應(yīng)用現(xiàn)狀與研究進(jìn)展
針對于江水源熱泵的應(yīng)用技術(shù)關(guān)鍵，我國現(xiàn)已提出一些具有創(chuàng)新意義的研究方案，主要包括：尾水處理及綜合利用、江水源熱泵取水/水處理技術(shù)、節(jié)能減排，降低總費(fèi)用等。
4.1 尾水處理及綜合利用
經(jīng)過水源熱泵機(jī)組熱交換后，江水水溫必將有明顯改變，因此排水可能對水環(huán)境與生態(tài)環(huán)境有一定影響，而水處理過程中使用的化學(xué)藥品也可能對水體產(chǎn)生污染。因此需要對水體水溫的改變、污染物的擴(kuò)散進(jìn)行嚴(yán)密計(jì)算和模擬論證，所用處理藥品不能破壞環(huán)境?？傊?，排水要滿足相關(guān)政策法規(guī)。
此外，經(jīng)過處理和換熱的尾水，直接排放了也是一種浪費(fèi)，可以結(jié)合具體條件綜合利用。尾水的利用可按以下幾個(gè)流程進(jìn)行處理：
流程1 ：作為水處理基本流程,出水直接用于綠化和澆灑道路:水源熱泵尾水→沉砂池 →粗濾池→精密過濾器→出水。
流程2 ：為流程1+消毒,用于直接與人體接觸的洗車、沖廁等:流程 1的出水→消毒→接觸池→洗車、沖廁。
流程3 ：將用于補(bǔ)充河道的水進(jìn)行物理降溫,即可滿足使用要求:水源熱泵尾水→物理降溫→補(bǔ)充下圩河。
以上處理方案有如下優(yōu)勢:
1)除用于河道補(bǔ)水之外,其他用途的回用水處理工藝均采用流程1的出水,處理構(gòu)筑物與設(shè)備機(jī)房集中,有利于日常管理,投資最省;
2)對于與人接觸的洗車、保潔等用水,采用基本工藝處理后,在用水點(diǎn)投加消毒劑并設(shè)置接觸池,在滿足水質(zhì)指標(biāo)的前提下,避免了消毒劑對綠化的不利影響,同時(shí)減少了消毒劑用量;
3)河道補(bǔ)水量大,在原水的水質(zhì)指標(biāo)均能滿足使用要求的基礎(chǔ)上,僅針對要求不苛刻的水溫進(jìn)行適當(dāng)?shù)慕档?利用系統(tǒng)的出水余壓,結(jié)合周圍景觀完成物理降溫過程;
4)基本水處理流程不用投加混凝劑,可自動(dòng)完成反沖洗等,使用安全可靠,運(yùn)行費(fèi)用低廉,解決了物管部門的后顧之憂。
江水經(jīng)過處理、換熱后，尾水沒有直接排放，而是能夠得到綜合利用，大大提升了水系統(tǒng)運(yùn)行效益，并且對環(huán)境有正面影響。
4.2 江水源熱泵取水/水處理技術(shù)
針對江水水質(zhì)，特別是含沙量問題，要采用合理的水處理技術(shù)。從實(shí)際工程看，目前的取水方式主要有直接取水供給水源熱泵機(jī)組、傳統(tǒng)水廠的水處理方式、斜板頭+旋流除砂器+綜合水處理器的方式、旋流除砂器+綜合水處理器+板式換熱器方式、復(fù)合式的取水/水處理方式。但這些取水/水處理技術(shù)還存在較大的缺陷，取水模式與機(jī)組和輸配系統(tǒng)的整合優(yōu)化性差，不足以引導(dǎo)實(shí)際的規(guī)?；茝V應(yīng)用。
對于取水技術(shù)的創(chuàng)新與發(fā)展，現(xiàn)已提出滲透取水與水源熱泵技術(shù)相結(jié)合的取水方案，該方案利用長江河床的卵石層作為天然過濾器，通過滲透濾嘴在河底硐室內(nèi)匯集江水，各個(gè)硐室內(nèi)匯集的江水通過江底集水隧道、導(dǎo)井送至豎井，然后利用水泵直接抽往熱泵機(jī)組使用。取水方案設(shè)計(jì)時(shí)注意枯水季節(jié)水位與取水硐室集水量的關(guān)系，確保取水水量可以滿足冬季負(fù)荷所需的水量。
相比傳統(tǒng)的取水方式，滲濾取水系統(tǒng)有水溫適宜、水質(zhì)好、方案的可行性和可靠性高、環(huán)境影響小、輸送效率比較高和取水可二次利用等優(yōu)點(diǎn)。但采用滲濾取水也有初投資高的缺點(diǎn)。與直接采用地表取水的水源熱泵系統(tǒng)相比能夠節(jié)約30%的電能消耗，節(jié)省70%的建設(shè)用地，實(shí)現(xiàn)大幅度的資源節(jié)約，有著廣闊的推廣示范價(jià)值及發(fā)展前景。
4.3 節(jié)能減排，降低總費(fèi)用
在對江水源熱泵進(jìn)行運(yùn)行管理時(shí)要進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性分析，為了更好的達(dá)到節(jié)能減排，降低運(yùn)行費(fèi)用的目的，可以將水源熱泵與冰蓄冷系統(tǒng)聯(lián)合運(yùn)行,彌補(bǔ)了水源熱泵投資過高或冰蓄冷制冷效率低的單方面缺點(diǎn), 對環(huán)境保護(hù)有重要意義。
水源熱泵與冰蓄冷聯(lián)合的應(yīng)用技術(shù)，適于峰谷電價(jià)有差異，電網(wǎng)用電負(fù)荷不均勻的情況,在電力負(fù)荷很低的夜間采用制冷機(jī)組制冷,用冰將冷量貯存起來,在用電高峰期將其釋放,以滿足建筑物的空調(diào)需冷量的一部分,通過轉(zhuǎn)移高峰負(fù)荷，大大減少了水源熱泵取水量,降低了裝機(jī)容量和運(yùn)行費(fèi)用,提高了設(shè)備利用率。在減少制冷設(shè)備的基礎(chǔ)上,進(jìn)一步減少了水泵、系統(tǒng)管路、取水泵房及水處理設(shè)備的占地面積,減少相應(yīng)變配電設(shè)備投資和電力增容費(fèi)用。既體現(xiàn)綠色建造的理念又節(jié)約了運(yùn)行費(fèi)用,符合我國公共建筑中節(jié)能、節(jié)地、節(jié)水、節(jié)材和環(huán)保效益的要求，有廣闊的發(fā)展前景。
總之，應(yīng)用江水源熱泵應(yīng)當(dāng)結(jié)合技術(shù)、經(jīng)濟(jì)以及環(huán)境進(jìn)行整體分析。目前針對于江水源熱泵的應(yīng)用技術(shù)還不夠成熟，一些實(shí)踐應(yīng)用問題亟待解決，是目前工程界必須面對的。要確保充分發(fā)揮水源熱泵高能效比的優(yōu)勢，降低運(yùn)行費(fèi)用，同時(shí)盡可能降低對環(huán)境的影響，真正做到節(jié)能環(huán)保、有效降低總費(fèi)用。
5 結(jié)論
1)江水可以作為節(jié)能環(huán)保的空調(diào)冷熱源。與空氣相比，江水水溫夏低冬高，且相對穩(wěn)定，。應(yīng)用江水源熱泵可以降低能耗，減緩城市熱島效應(yīng)，改善人居環(huán)境。
2)江水源熱泵在長江流域有著廣闊的應(yīng)用前景。隨著我國長江流域經(jīng)濟(jì)增長，空調(diào)負(fù)荷越來越大，江水可以為沿江建筑提供足夠冷熱量，故江水源熱泵能夠且應(yīng)該為我國建筑節(jié)能事業(yè)及能源規(guī)劃作出特殊貢獻(xiàn)。
盡管應(yīng)用江水源熱泵技術(shù)難點(diǎn)多，但只要結(jié)合實(shí)際條件，綜合考慮多方面因素，創(chuàng)造性的運(yùn)用先進(jìn)技術(shù)，這些問題是可以解決的。
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