引言

　　目前我國對于地源熱泵及水源熱泵的研究已經(jīng)較為成熟，土壤、地下水、井水等低位熱源作為熱泵系統的冷熱源得到了廣泛的研究與應用。但是地源熱泵與水源熱泵的選擇受到當地地質(zhì)及水源情況的制約，需根據實(shí)際情況慎重選用。對于我國各沿海城市來(lái)說(shuō)，擁有廉價(jià)而豐富的海水，能否將之應用于熱泵技術(shù)中，來(lái)解決城市的供暖與供冷問(wèn)題，這將是暖通行業(yè)的又一研究課題。

　　1 、國內外研究現狀

　　1.1 國外研究現狀

　　目前，海水源熱泵的研究與應用主要集中在中、北歐各地區，如瑞典、瑞士、奧地利、丹麥等國家，尤其是瑞典，其在利用海水源熱泵集中供熱供冷方面已有先進(jìn)而成熟的經(jīng)驗。位于瑞典斯德哥爾摩市蘇倫圖那的集中供熱供冷系統是目前世界上最大的集中供熱供冷系統，其制熱制冷能力為200MW，管網(wǎng)延伸距岸邊最長(cháng)達20km.該工程建于八十年代中期，位于波羅的海海邊，是利用海水制熱制冷的典范，近幾年瑞典利用海水集中供熱供冷發(fā)展非常迅速，預計在未來(lái)十年中將突破500GWh的能力。

　　1987年，挪威的Stokmarknes醫院，建筑面積14000m2，采用了海水源熱泵來(lái)解決其漫長(cháng)冬季的供熱問(wèn)題，同時(shí)采用一臺燃油鍋爐來(lái)滿(mǎn)足其峰值負荷。該熱泵的供熱能力為2200MWh/年。自運行以來(lái)，每年可節能1235MWh[1]，節約運行費用？31，743，同時(shí)可減少CO2排放量800t，SO2排放量5.5t.

　　1992年Halifax濱海地區的Purdy‘s Wharf辦公商用綜合樓，建筑面積69000m2.該地區每年大約有十個(gè)半月需要供冷，而其海水水下23m處全年水溫一般在10℃以下，因此該綜合樓采用了海水源熱泵系統為其供冷。經(jīng)過(guò)運行證明，該熱泵系統較傳統制冷系統多投資的費用在兩年內即可回收[2]，具有明顯的節能效果。

　　此外2000年悉尼奧運會(huì )的場(chǎng)館也使用了海水源熱泵技術(shù)。

　　1.2 國內研究現狀

　　在國內，海水的利用主要集中在利用海水進(jìn)行工業(yè)冷卻上，近幾年海水的用途正在逐漸擴大，已發(fā)展成為利用海水做溶劑、還原劑、除塵、飲用水、沖渣沖灰、洗滌凈化、水淬、試漏以及生活上使用海水沖廁所、沖洗地面、洗滌、消防等。

　　關(guān)于海水作為空調冷熱源的問(wèn)題，1996年青島理工大學(xué)（原青島建筑工程學(xué)院）的于立強教授針對青島東部開(kāi)發(fā)區14萬(wàn)m2建筑的冷熱源選擇提出了建設海水冷熱源大型熱泵站的可行性分析。

　　2002年天津科技大學(xué)陳東博士提出以海水作為冷熱源，應用大型的制冷＆熱泵系統，為沿海城市集中進(jìn)行冷暖供應的方案，并進(jìn)行了一系列的分析說(shuō)明。

　　但就目前為止，對于將海水應用于城市集中供熱供冷的冷熱源方案都只局限于理論分析與構想，缺乏實(shí)驗依據，更未應用于工程實(shí)際中。

　　2 、工程應用

　　2.1 工程背景

　　青島市是我國東部重要的經(jīng)濟中心城市、港口城市，是中國歷史文化名城和濱海旅游勝地，同時(shí)又作為北京2008年奧運會(huì )的伙伴城市，具有世界窗口的作用。而目前奧帆賽所處的東部沿海一線(xiàn)，其高豎的煙囪及屋頂冷卻塔嚴重破壞了東部環(huán)境的美化，同時(shí)造成了環(huán)境污染，與綠色奧運精神極不相符，因此為突出“新青島、新奧運”的主題，青島市政府已經(jīng)著(zhù)手進(jìn)行全面規劃，進(jìn)一步改善城市生態(tài)環(huán)境，逐步取消沿海一線(xiàn)的燃煤鍋爐，尋求新的、可再生的能源來(lái)為城市供暖與供冷。

　　由于青島地區的地質(zhì)以花崗巖、變質(zhì)巖結構為主，儲水性能差，開(kāi)發(fā)利用土壤能源存在一定困難；青島地區的地下水自成一個(gè)閉合流域，無(wú)穩定客水匯入，儲水量豐欠變化完全受大氣降水影響，而地下含水沙層淺隙少，儲量少，因此利用地下水作為熱泵冷熱源不能提供可靠、穩定的水量。而青島由于其天然的地理位置，處于山東半島南端、黃海之濱，三面環(huán)海，海岸線(xiàn)總長(cháng)度為862km，海灣49處，海島69個(gè)，擁有近海海域1.38萬(wàn)km2，海水資源非常豐富，為海洋資源的開(kāi)發(fā)提供了廣闊的空間。

　　有鑒于此，在青島市政府大力支持下，借鑒瑞典先進(jìn)成熟的海水源熱泵集中供熱供冷的經(jīng)驗，青島市率先于2004年11月在青島某廠(chǎng)綜合樓建成海水源熱泵空調系統的試驗研究基地，并于2005年1月開(kāi)始對該系統進(jìn)行實(shí)驗測試工作，以掌握并分析該系統的運行特性，為該技術(shù)在我國沿海地區的推廣應用提供可靠的實(shí)驗依據。

　　2.2 工程概況

　　青島某廠(chǎng)綜合樓建筑面積2494.7m2，共2層，一層層高5.0m，建筑面積為1589.5m2，主要包括工作間、配膳間、餐廳等；二層層高4.2m，建筑面積為905.2m2，主要包括活動(dòng)室、娛樂(lè )室、會(huì )議室、圖書(shū)館、辦公室等。原有建筑除餐廳設有三臺柜式空調機組外，其它功能房間均無(wú)任何空調設施。鄰近該綜合樓建有一浴室，需熱水量為100m3/d，原設計是利用蒸汽換熱，將熱水儲存于一20m3的儲熱水箱內，再提供給浴室使用。根據空調負荷計算，該綜合樓空調冷負荷為231.5kW，空調熱負荷為187.2kW，浴室最大熱負荷為273.5kW.

　　2.3 系統方案[3]

　　經(jīng)過(guò)綜合比較分析，考慮到系統的示范性及今后的推廣價(jià)值，同時(shí)為確保熱泵機組的使用壽命，保證機組的穩定正常運行，確定在該試點(diǎn)工程中采用開(kāi)式間接利用方式，即采用換熱器將海水與熱泵機組隔離開(kāi)，利用循環(huán)水泵將海水通過(guò)輸送管道送至換熱器中，使其與熱泵回水在換熱器中實(shí)現能量交換，從而將海水的冷熱量傳遞給水環(huán)系統的循環(huán)介質(zhì)，再通過(guò)循環(huán)介質(zhì)將冷熱量在熱泵的蒸發(fā)器（或冷凝器）中傳遞給末端空調系統，而放出冷熱量的海水則通過(guò)排水管道輸送回海面。這種方式具有供熱制冷效率高，供水溫度穩定的優(yōu)點(diǎn)，且由于與海水直接接觸的設備只有換熱器，若選擇耐腐蝕的板式換熱器，則可以方便的進(jìn)行清洗或更換[4，5].

　　該系統海水冷熱源來(lái)自于經(jīng)過(guò)過(guò)濾、殺菌、祛藻處理后輸送至廠(chǎng)內取水口處的海水，該取水口位于離綜合樓200m遠處。由于該廠(chǎng)自1936年以來(lái)就采用海水作為工業(yè)冷卻用水，其海水取水管路及海水處理設備配套齊全，海水外網(wǎng)取水口位于距海邊3km的大海中，海水處理設備集中布置在近海一側，從外網(wǎng)取水口來(lái)的海水通過(guò)輸送管道進(jìn)入海水處理機房，經(jīng)過(guò)過(guò)濾器過(guò)濾，再由電解海水法產(chǎn)生的次氯酸鈉殺死海水管路中的海生物幼蟲(chóng)或蟲(chóng)卵，然后輸送至廠(chǎng)內取水口，再由廠(chǎng)內取水口利用水泵送至各用水車(chē)間。因此冬夏季均可直接取用此取水口的海水作為空調系統的冷熱源。

　　2.4 系統組成

　　海水源熱泵空調系統主要包括海水循環(huán)系統、水環(huán)熱泵系統及末端空調系統等三部分，其中海水循環(huán)部分由取水構筑物、海水引入管道、海水泵站及海水排出管道組成。由于該系統直接取用廠(chǎng)內取水口處的海水，因此海水循環(huán)系統僅包括海水引入與排出管道及海水循環(huán)泵。

　　該系統的主要設備包括海水循環(huán)泵、板式換熱器、二次網(wǎng)循環(huán)水泵、熱泵機組、電子水處理儀、補給水泵和補水箱等。同時(shí)配備一套自動(dòng)控制裝置，檢測安裝于管道上的溫度傳感器測出的供回水溫度，轉化為電信號后在控制器中與設定值進(jìn)行比較，通過(guò)控制器控制一二次網(wǎng)循環(huán)水泵的變頻器，調節水泵輸入功率，達到節能的目的，同時(shí)便于運行管理。

　　綜合樓空調系統選用吊裝式水－空氣熱泵機組，直接吊裝于走廊或空調房間內，加熱浴室熱水的熱泵機組選用水－水式，落地安裝于空調機房?jì)取?/p>

　　2.5 防腐及防海生物附著(zhù)措施[3]

　　對于利用海水作為熱泵系統冷熱源這一問(wèn)題，人們比較關(guān)心的技術(shù)問(wèn)題主要是海水對設備和管道的腐蝕和海生物附著(zhù)造成的管道和設備的堵塞等問(wèn)題，由于該試點(diǎn)工程取用的海水已經(jīng)經(jīng)過(guò)集中處理，因此僅在以下三方面采取了措施：

　�。�1）換熱器采用鈦板可拆式板式換熱器，其在防腐防生物附著(zhù)方面的優(yōu)點(diǎn)主要體現在：①設備材料采用鈦鋼板，而鈦鋼具有強度高、傳熱效率高、耐腐蝕性強等優(yōu)點(diǎn)，因此應用于海水循環(huán)系統中，不僅能夠達到很好的傳熱效果，而且可以解決海水對設備的腐蝕問(wèn)題；②清洗或更換方便�？刹鹗綋Q熱器只要松動(dòng)壓緊螺栓，即可松開(kāi)板束或卸下板束進(jìn)行機械清洗，由于該熱泵空調系統中與海水直接接觸的只有換熱器，因此系統只有在換熱器處才會(huì )由于海生物的附著(zhù)而堵塞，而采用可拆式換熱器則可以很好的解決這一問(wèn)題。

　�。�2）海水循環(huán)泵采用專(zhuān)用的耐腐蝕管道泵。

　�。�3）海水取水和排水管采用UPVC管材。

　　圖1 海水進(jìn)水溫度、二次網(wǎng)回水溫度

　　3 實(shí)驗測試結果及分析

　　3.1 測試儀器

　　超聲波流量計、溫度傳感器、溫度采樣器、水銀溫度計、功率表、TSI8386型多功能風(fēng)速計。

　　3.2 冬季系統運行情況測試

　　由于這一階段的測試數據較多，共90天的實(shí)驗記錄，因此這里只選取了1月5日至1月26日的數據作為分析對象，該階段系統處于自動(dòng)控制運行。期間熱水供應系統未運行。而海水供水溫度則變化比較平緩，最高供水溫度為4.3℃，最低供水溫度為3.2℃，平均供水溫度為3.8℃，從總體趨勢來(lái)看海水供水溫度較為穩定。海水溫差和二次網(wǎng)溫差變化也比較穩定，平均溫差分別為1.0℃和0.9℃，由于系統處于自動(dòng)控制狀態(tài)，而一二次網(wǎng)的變頻泵是聯(lián)鎖的，且其流量基本相同，因此一二次網(wǎng)流體的流量變化趨勢相同，從而決定了換熱器兩側流體的換熱溫差相差不大。

　　換熱器兩側流體的換熱溫差比較小，其原因主要是因為系統設計時(shí)考慮了熱水供應系統的熱負荷，其熱負荷占冬季設計總熱負荷的59％，而且根據自動(dòng)控制系統的設定，當海水溫度低于6.7℃時(shí)，一二次網(wǎng)循環(huán)水泵中定頻泵與變頻泵同時(shí)運行，當負荷變化時(shí)依靠變頻泵的調節能力來(lái)調節流量的大小，進(jìn)而使系統的供熱量滿(mǎn)足負荷的變化。由于在此期間，熱水供應系統未運行，而此時(shí)的海水供水溫度又低于6.7℃，因此系統循環(huán)水泵定頻變頻泵同時(shí)運行，而變頻泵的調節能力有限，當流量降至額定流量的60％時(shí)為變頻泵的最小流量，因此當系統流量達到最小狀態(tài)仍不能滿(mǎn)足負荷降低的需求時(shí)，必然造成換熱溫差的降低，從而產(chǎn)生了大流量，小溫差的運行狀態(tài)。

　　在測試中，選取了一層和二層各兩個(gè)典型房間進(jìn)行室內溫度監測，圖3表明在測試期間餐廳、工作間、辦公室以及圖書(shū)館的平均溫度分別為22.4℃、25.0℃、18.9℃和20.3℃，滿(mǎn)足空調房間的室內溫度要求。

　　圖1說(shuō)明淺海處海水溫度雖然較室外空氣溫度的變化穩定，但也受到外界環(huán)境一定的影響，水溫較低，1月份的最高供水溫度僅為4.3℃。而板式換熱器的采用保證了系統可以在較低的換熱溫差下，提取海水中蘊涵的低溫熱能，從而確保了整個(gè)系統冬季運行的可靠性。

　　3.3 流量改變時(shí)系統運行性能參數的變化

　　4月1日至4月5日通過(guò)手動(dòng)設定變頻器的輸入功率，從而調節一二次網(wǎng)循環(huán)水泵的流量，來(lái)研究流量的改變對系統其它運行參數的影響。本次實(shí)驗測試了五種狀態(tài)下的工況，即頻率為50Hz，45Hz，40Hz，35Hz和30Hz的情況，測試時(shí)間從上午9：00開(kāi)始至下午5：00結束，然后設定變頻器的輸入功率，改變系統的流量，并通過(guò)其夜間的運行使工況穩定，以利于第二日的測試，室外溫度則取測試期間的平均值作為計算參數。本階段測試期間職工食堂二層熱泵機組均未運行。

　　測試結果列于表1中，從表1可以看出，隨著(zhù)系統流量不斷減小，換熱器兩側流體的換熱溫差逐漸變大，同時(shí)系統性能系數提高。此時(shí)循環(huán)水泵輸入功率在系統總輸入功率中的比重減少（表2），說(shuō)明在此系統中，循環(huán)水泵輸入功率是影響系統性能系數變化的一個(gè)重要因素，因此為提高系統的性能系數應減少循環(huán)水泵的輸入功率，也就是使循環(huán)水泵處于小流量、大溫差的運行狀態(tài)。

　　表2以4月1日的分析結果為對比基礎，隨著(zhù)系統流量的改變，其最大流量工況與最小流量工況相比，系統性能系數從2.89提高到4.05，是最大流量時(shí)的1.57倍，系統單位時(shí)間耗電量減少了48.3％。由于最小流量工況測試日室外空氣溫度較高，系統供熱量較前四天小，僅為4月1日的71.4％，因此可以推出當室外參數相同時(shí)，系統的性能系數將超過(guò)4.05，系統在小流量時(shí)具有較大的節能前景。

　　從表1換熱誤差可知，海水供熱量和二次網(wǎng)吸熱量之間的誤差在7.3％以?xún)�，因此說(shuō)明該階段的測試數據較為可靠。

　　3.4 流量恒定時(shí)系統運行性能參數的變化

　　從4月6日至4月11日，通過(guò)手動(dòng)設定保持海水流量和二次網(wǎng)循環(huán)介質(zhì)流量穩定不變，研究系統其它運行性能參數的變化情況，此時(shí)海水變頻泵的頻率為40Hz，二次網(wǎng)變頻泵的頻率為35Hz.4月6日和4月7日兩天，由于天氣較暖，超過(guò)19℃，因此為降低工作間的溫度，部分熱泵機組處于制冷模式運行；4月9日以后由于寒流的影響，室外空氣溫度驟降，一層全部熱泵機組均處于供熱模式運行，該階段測試中二層熱泵機組均未運行。

　　由于4月6日和4月7日系統同時(shí)供熱供冷，因此對于系統的性能不能用COP來(lái)評價(jià)，因此本文采用系統的綜合性能系數PF（Performance Factor）來(lái)評價(jià)，即在一段時(shí)間內空調房間所得的總冷熱量與該段時(shí)間內系統所消耗的總能量之比，4月9日至4月11日由于天氣較冷，熱泵機組均處于供熱模式運行，因此對系統性能的評價(jià)仍采用COP.比較4月6日～4月8日系統的性能系數，當系統處于定流量工況時(shí)，隨著(zhù)室外溫度的升高，同時(shí)供熱供冷的工況與單獨的供熱工況相比，系統的性能系數PF要高于COP.從4月8日～4月11日的數據可知，系統的制熱性能系數COP隨著(zhù)室外空氣溫度升高而下降，這是因為在該階段測試中系統的流量保持不變，循環(huán)水泵的輸入功率不變，而由于房間熱負荷隨著(zhù)氣溫的升高而降低，因此為滿(mǎn)足熱負荷需求的減少，系統換熱溫差減少，此時(shí)系統從海水中的取熱減少，同時(shí)由于熱泵機組輸入功率的減少幅度小于供熱量的減少幅度，因此系統的COP降低。本文建議該系統過(guò)渡季的運行適宜于同時(shí)供熱供冷的場(chǎng)合。

　　本系統從調試到正常運行已經(jīng)持續了四個(gè)多月，且為全天不間歇運行，從測試結果分析表明，海水作為熱泵系統熱源時(shí)，不像土壤源那樣存在溫度場(chǎng)的恢復問(wèn)題，也無(wú)需像地下水源熱泵那樣考慮地下水的回灌問(wèn)題，因此海水是沿海地區熱泵空調系統理想的熱源。

　　本文以海水源熱泵空調系統冬季及過(guò)渡季運行工況作為研究對象，通過(guò)實(shí)驗數據分析海水作為熱泵系統熱源時(shí)系統運行的可靠性，并分析了系統運行性能參數對系統的影響，得出如下結論：

　�。�1）經(jīng)過(guò)冬季的運行測試證明，海水源熱泵空調系統可以滿(mǎn)足室內的供暖要求。

　�。�2）從實(shí)驗結果分析知，1、2月份氣溫最低的冬季，海水供水溫度較室外空氣溫度要高，且供水溫度較為穩定，而且根據海水溫度的逐時(shí)變化及日變化來(lái)看，海水在一天中極值溫度的出現較空氣溫度具有延遲性，其日變化也具有延遲性，這就保證了當室外空氣溫度最低，系統需熱量最大時(shí)，海水的供水溫度不是最低，可提取的低溫熱能較大，系統運行可靠。

　�。�3）通過(guò)系統流量改變的工況測試分析，循環(huán)水泵輸入功率占系統總輸入功率中的比重較小時(shí)，系統的性能系數較大，也即當系統處于小流量、大溫差運行狀態(tài)時(shí)，系統運行工況最優(yōu)。

　�。�4）定流量工況下，系統過(guò)渡季的運行適宜具有同時(shí)供熱供冷的場(chǎng)合。

　�。�5）海水源熱泵與土壤源熱泵相比，不存在溫度場(chǎng)的恢復問(wèn)題，因此即使全天24小時(shí)不間斷的情況下長(cháng)期運行也不會(huì )對系統的性能系數產(chǎn)生很大的影響；

　　該系統從2004年12月開(kāi)始調試至今未出現海水腐蝕和管路堵塞的問(wèn)題，系統一直處于穩定運行狀態(tài)，因此對于海水源熱泵來(lái)說(shuō)只要解決好海水取水管網(wǎng)及設備的防腐及防生物附著(zhù)問(wèn)題，海水對于沿海城市來(lái)說(shuō)是比較理想的熱源。

　　由于該系統測試時(shí)間從2005年1月1日起，因此對于夏季工況的測試還無(wú)法開(kāi)展，因此需進(jìn)一步對該系統進(jìn)行全年測試，從而對系統的節能效果進(jìn)行全面的分析。

　　作者簡(jiǎn)介：張莉

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