海水作为热泵系统冷热源的研究

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　引言

　　目前我国对于地源热泵及水源热泵的研究已经较为成熟，土壤、地下水、井水等低位热源作为热泵系统的冷热源得到了广泛的研究与应用。但是地源热泵与水源热泵的选择受到当地地质及水源情况的制约，需根据实际情况慎重选用。对于我国各沿海城市来说，拥有廉价而丰富的海水，能否将之应用于热泵技术中，来解决城市的供暖与供冷问题，这将是暖通行业的又一研究课题。

　　1 、国内外研究现状

　　1.1 国外研究现状

　　目前，海水源热泵的研究与应用主要集中在中、北欧各地区，如瑞典、瑞士、奥地利、丹麦等国家，尤其是瑞典，其在利用海水源热泵集中供热供冷方面已有先进而成熟的经验。位于瑞典斯德哥尔摩市苏伦图那的集中供热供冷系统是目前世界上最大的集中供热供冷系统，其制热制冷能力为200MW，管网延伸距岸边最长达20km.该工程建于八十年代中期，位于波罗的海海边，是利用海水制热制冷的典范，近几年瑞典利用海水集中供热供冷发展非常迅速，预计在未来十年中将突破500GWh的能力。

　　1987年，挪威的Stokmarknes医院，建筑面积14000m2，采用了海水源热泵来解决其漫长冬季的供热问题，同时采用一台燃油锅炉来满足其峰值负荷。该热泵的供热能力为2200MWh/年。自运行以来，每年可节能1235MWh[1]，节约运行费用？31，743，同时可减少CO2排放量800t，SO2排放量5.5t.

　　1992年Halifax滨海地区的Purdy‘s Wharf办公商用综合楼，建筑面积69000m2.该地区每年大约有十个半月需要供冷，而其海水水下23m处全年水温一般在10℃以下，因此该综合楼采用了海水源热泵系统为其供冷。经过运行证明，该热泵系统较传统制冷系统多投资的费用在两年内即可回收[2]，具有明显的节能效果。

　　此外2000年悉尼奥运会的场馆也使用了海水源热泵技术。

　　1.2 国内研究现状

　　在国内，海水的利用主要集中在利用海水进行工业冷却上，近几年海水的用途正在逐渐扩大，已发展成为利用海水做溶剂、还原剂、除尘、饮用水、冲渣冲灰、洗涤净化、水淬、试漏以及生活上使用海水冲厕所、冲洗地面、洗涤、消防等。

　　关于海水作为空调冷热源的问题，1996年青岛理工大学（原青岛建筑工程学院）的于立强教授针对青岛东部开发区14万m2建筑的冷热源选择提出了建设海水冷热源大型热泵站的可行性分析。

　　2002年天津科技大学陈东博士提出以海水作为冷热源，应用大型的制冷＆热泵系统，为沿海城市集中进行冷暖供应的方案，并进行了一系列的分析说明。

　　但就目前为止，对于将海水应用于城市集中供热供冷的冷热源方案都只局限于理论分析与构想，缺乏实验依据，更未应用于工程实际中。

　　2 、工程应用

　　2.1 工程背景

　　青岛市是我国东部重要的经济中心城市、港口城市，是中国历史文化名城和滨海旅游胜地，同时又作为北京2008年奥运会的伙伴城市，具有世界窗口的作用。而目前奥帆赛所处的东部沿海一线，其高竖的烟囱及屋顶冷却塔严重破坏了东部环境的美化，同时造成了环境污染，与绿色奥运精神极不相符，因此为突出“新青岛、新奥运”的主题，青岛市政府已经着手进行全面规划，进一步改善城市生态环境，逐步取消沿海一线的燃煤锅炉，寻求新的、可再生的能源来为城市供暖与供冷。

　　由于青岛地区的地质以花岗岩、变质岩结构为主，储水性能差，开发利用土壤能源存在一定困难；青岛地区的地下水自成一个闭合流域，无稳定客水汇入，储水量丰欠变化完全受大气降水影响，而地下含水沙层浅隙少，储量少，因此利用地下水作为热泵冷热源不能提供可靠、稳定的水量。而青岛由于其天然的地理位置，处于山东半岛南端、黄海之滨，三面环海，海岸线总长度为862km，海湾49处，海岛69个，拥有近海海域1.38万km2，海水资源非常丰富，为海洋资源的开发提供了广阔的空间。

　　有鉴于此，在青岛市政府大力支持下，借鉴瑞典先进成熟的海水源热泵集中供热供冷的经验，青岛市率先于2004年11月在青岛某厂综合楼建成海水源热泵空调系统的试验研究基地，并于2005年1月开始对该系统进行实验测试工作，以掌握并分析该系统的运行特性，为该技术在我国沿海地区的推广应用提供可靠的实验依据。

　　2.2 工程概况

　　青岛某厂综合楼建筑面积2494.7m2，共2层，一层层高5.0m，建筑面积为1589.5m2，主要包括工作间、配膳间、餐厅等；二层层高4.2m，建筑面积为905.2m2，主要包括活动室、娱乐室、会议室、图书馆、办公室等。原有建筑除餐厅设有三台柜式空调机组外，其它功能房间均无任何空调设施。邻近该综合楼建有一浴室，需热水量为100m3/d，原设计是利用蒸汽换热，将热水储存于一20m3的储热水箱内，再提供给浴室使用。根据空调负荷计算，该综合楼空调冷负荷为231.5kW，空调热负荷为187.2kW，浴室最大热负荷为273.5kW.

　　2.3 系统方案[3]

　　经过综合比较分析，考虑到系统的示范性及今后的推广价值，同时为确保热泵机组的使用寿命，保证机组的稳定正常运行，确定在该试点工程中采用开式间接利用方式，即采用换热器将海水与热泵机组隔离开，利用循环水泵将海水通过输送管道送至换热器中，使其与热泵回水在换热器中实现能量交换，从而将海水的冷热量传递给水环系统的循环介质，再通过循环介质将冷热量在热泵的蒸发器（或冷凝器）中传递给末端空调系统，而放出冷热量的海水则通过排水管道输送回海面。这种方式具有供热制冷效率高，供水温度稳定的优点，且由于与海水直接接触的设备只有换热器，若选择耐腐蚀的板式换热器，则可以方便的进行清洗或更换[4，5].

　　该系统海水冷热源来自于经过过滤、杀菌、祛藻处理后输送至厂内取水口处的海水，该取水口位于离综合楼200m远处。由于该厂自1936年以来就采用海水作为工业冷却用水，其海水取水管路及海水处理设备配套齐全，海水外网取水口位于距海边3km的大海中，海水处理设备集中布置在近海一侧，从外网取水口来的海水通过输送管道进入海水处理机房，经过过滤器过滤，再由电解海水法产生的次氯酸钠杀死海水管路中的海生物幼虫或虫卵，然后输送至厂内取水口，再由厂内取水口利用水泵送至各用水车间。因此冬夏季均可直接取用此取水口的海水作为空调系统的冷热源。

　　2.4 系统组成

　　海水源热泵空调系统主要包括海水循环系统、水环热泵系统及末端空调系统等三部分，其中海水循环部分由取水构筑物、海水引入管道、海水泵站及海水排出管道组成。由于该系统直接取用厂内取水口处的海水，因此海水循环系统仅包括海水引入与排出管道及海水循环泵。

　　该系统的主要设备包括海水循环泵、板式换热器、二次网循环水泵、热泵机组、电子水处理仪、补给水泵和补水箱等。同时配备一套自动控制装置，检测安装于管道上的温度传感器测出的供回水温度，转化为电信号后在控制器中与设定值进行比较，通过控制器控制一二次网循环水泵的变频器，调节水泵输入功率，达到节能的目的，同时便于运行管理。

　　综合楼空调系统选用吊装式水－空气热泵机组，直接吊装于走廊或空调房间内，加热浴室热水的热泵机组选用水－水式，落地安装于空调机房内。

　　2.5 防腐及防海生物附着措施[3]

　　对于利用海水作为热泵系统冷热源这一问题，人们比较关心的技术问题主要是海水对设备和管道的腐蚀和海生物附着造成的管道和设备的堵塞等问题，由于该试点工程取用的海水已经经过集中处理，因此仅在以下三方面采取了措施：

　　（1）换热器采用钛板可拆式板式换热器，其在防腐防生物附着方面的优点主要体现在：①设备材料采用钛钢板，而钛钢具有强度高、传热效率高、耐腐蚀性强等优点，因此应用于海水循环系统中，不仅能够达到很好的传热效果，而且可以解决海水对设备的腐蚀问题；②清洗或更换方便。可拆式换热器只要松动压紧螺栓，即可松开板束或卸下板束进行机械清洗，由于该热泵空调系统中与海水直接接触的只有换热器，因此系统只有在换热器处才会由于海生物的附着而堵塞，而采用可拆式换热器则可以很好的解决这一问题。

　　（2）海水循环泵采用专用的耐腐蚀管道泵。

　　（3）海水取水和排水管采用UPVC管材。

　　图1 海水进水温度、二次网回水温度

　　3 实验测试结果及分析

　　3.1 测试仪器

　　超声波流量计、温度传感器、温度采样器、水银温度计、功率表、TSI8386型多功能风速计。

　　3.2 冬季系统运行情况测试

　　由于这一阶段的测试数据较多，共90天的实验记录，因此这里只选取了1月5日至1月26日的数据作为分析对象，该阶段系统处于自动控制运行。期间热水供应系统未运行。而海水供水温度则变化比较平缓，最高供水温度为4.3℃，最低供水温度为3.2℃，平均供水温度为3.8℃，从总体趋势来看海水供水温度较为稳定。海水温差和二次网温差变化也比较稳定，平均温差分别为1.0℃和0.9℃，由于系统处于自动控制状态，而一二次网的变频泵是联锁的，且其流量基本相同，因此一二次网流体的流量变化趋势相同，从而决定了换热器两侧流体的换热温差相差不大。

　　换热器两侧流体的换热温差比较小，其原因主要是因为系统设计时考虑了热水供应系统的热负荷，其热负荷占冬季设计总热负荷的59％，而且根据自动控制系统的设定，当海水温度低于6.7℃时，一二次网循环水泵中定频泵与变频泵同时运行，当负荷变化时依靠变频泵的调节能力来调节流量的大小，进而使系统的供热量满足负荷的变化。由于在此期间，热水供应系统未运行，而此时的海水供水温度又低于6.7℃，因此系统循环水泵定频变频泵同时运行，而变频泵的调节能力有限，当流量降至额定流量的60％时为变频泵的最小流量，因此当系统流量达到最小状态仍不能满足负荷降低的需求时，必然造成换热温差的降低，从而产生了大流量，小温差的运行状态。

　　在测试中，选取了一层和二层各两个典型房间进行室内温度监测，图3表明在测试期间餐厅、工作间、办公室以及图书馆的平均温度分别为22.4℃、25.0℃、18.9℃和20.3℃，满足空调房间的室内温度要求。

　　图1说明浅海处海水温度虽然较室外空气温度的变化稳定，但也受到外界环境一定的影响，水温较低，1月份的最高供水温度仅为4.3℃。而板式换热器的采用保证了系统可以在较低的换热温差下，提取海水中蕴涵的低温热能，从而确保了整个系统冬季运行的可靠性。

　　3.3 流量改变时系统运行性能参数的变化

　　4月1日至4月5日通过手动设定变频器的输入功率，从而调节一二次网循环水泵的流量，来研究流量的改变对系统其它运行参数的影响。本次实验测试了五种状态下的工况，即频率为50Hz，45Hz，40Hz，35Hz和30Hz的情况，测试时间从上午9：00开始至下午5：00结束，然后设定变频器的输入功率，改变系统的流量，并通过其夜间的运行使工况稳定，以利于第二日的测试，室外温度则取测试期间的平均值作为计算参数。本阶段测试期间职工食堂二层热泵机组均未运行。

　　测试结果列于表1中，从表1可以看出，随着系统流量不断减小，换热器两侧流体的换热温差逐渐变大，同时系统性能系数提高。此时循环水泵输入功率在系统总输入功率中的比重减少（表2），说明在此系统中，循环水泵输入功率是影响系统性能系数变化的一个重要因素，因此为提高系统的性能系数应减少循环水泵的输入功率，也就是使循环水泵处于小流量、大温差的运行状态。

　　表2以4月1日的分析结果为对比基础，随着系统流量的改变，其最大流量工况与最小流量工况相比，系统性能系数从2.89提高到4.05，是最大流量时的1.57倍，系统单位时间耗电量减少了48.3％。由于最小流量工况测试日室外空气温度较高，系统供热量较前四天小，仅为4月1日的71.4％，因此可以推出当室外参数相同时，系统的性能系数将超过4.05，系统在小流量时具有较大的节能前景。

　　从表1换热误差可知，海水供热量和二次网吸热量之间的误差在7.3％以内，因此说明该阶段的测试数据较为可靠。

　　3.4 流量恒定时系统运行性能参数的变化

　　从4月6日至4月11日，通过手动设定保持海水流量和二次网循环介质流量稳定不变，研究系统其它运行性能参数的变化情况，此时海水变频泵的频率为40Hz，二次网变频泵的频率为35Hz.4月6日和4月7日两天，由于天气较暖，超过19℃，因此为降低工作间的温度，部分热泵机组处于制冷模式运行；4月9日以后由于寒流的影响，室外空气温度骤降，一层全部热泵机组均处于供热模式运行，该阶段测试中二层热泵机组均未运行。

　　由于4月6日和4月7日系统同时供热供冷，因此对于系统的性能不能用COP来评价，因此本文采用系统的综合性能系数PF（Performance Factor）来评价，即在一段时间内空调房间所得的总冷热量与该段时间内系统所消耗的总能量之比，4月9日至4月11日由于天气较冷，热泵机组均处于供热模式运行，因此对系统性能的评价仍采用COP.比较4月6日～4月8日系统的性能系数，当系统处于定流量工况时，随着室外温度的升高，同时供热供冷的工况与单独的供热工况相比，系统的性能系数PF要高于COP.从4月8日～4月11日的数据可知，系统的制热性能系数COP随着室外空气温度升高而下降，这是因为在该阶段测试中系统的流量保持不变，循环水泵的输入功率不变，而由于房间热负荷随着气温的升高而降低，因此为满足热负荷需求的减少，系统换热温差减少，此时系统从海水中的取热减少，同时由于热泵机组输入功率的减少幅度小于供热量的减少幅度，因此系统的COP降低。本文建议该系统过渡季的运行适宜于同时供热供冷的场合。

　　本系统从调试到正常运行已经持续了四个多月，且为全天不间歇运行，从测试结果分析表明，海水作为热泵系统热源时，不像土壤源那样存在温度场的恢复问题，也无需像地下水源热泵那样考虑地下水的回灌问题，因此海水是沿海地区热泵空调系统理想的热源。

　　本文以海水源热泵空调系统冬季及过渡季运行工况作为研究对象，通过实验数据分析海水作为热泵系统热源时系统运行的可靠性，并分析了系统运行性能参数对系统的影响，得出如下结论：

　　（1）经过冬季的运行测试证明，海水源热泵空调系统可以满足室内的供暖要求。

　　（2）从实验结果分析知，1、2月份气温最低的冬季，海水供水温度较室外空气温度要高，且供水温度较为稳定，而且根据海水温度的逐时变化及日变化来看，海水在一天中极值温度的出现较空气温度具有延迟性，其日变化也具有延迟性，这就保证了当室外空气温度最低，系统需热量最大时，海水的供水温度不是最低，可提取的低温热能较大，系统运行可靠。

　　（3）通过系统流量改变的工况测试分析，循环水泵输入功率占系统总输入功率中的比重较小时，系统的性能系数较大，也即当系统处于小流量、大温差运行状态时，系统运行工况最优。

　　（4）定流量工况下，系统过渡季的运行适宜具有同时供热供冷的场合。

　　（5）海水源热泵与土壤源热泵相比，不存在温度场的恢复问题，因此即使全天24小时不间断的情况下长期运行也不会对系统的性能系数产生很大的影响；

　　该系统从2004年12月开始调试至今未出现海水腐蚀和管路堵塞的问题，系统一直处于稳定运行状态，因此对于海水源热泵来说只要解决好海水取水管网及设备的防腐及防生物附着问题，海水对于沿海城市来说是比较理想的热源。

　　由于该系统测试时间从2005年1月1日起，因此对于夏季工况的测试还无法开展，因此需进一步对该系统进行全年测试，从而对系统的节能效果进行全面的分析。