江水源热泵的技术关键与工程案例分析顾铭;马宏权;王勇【摘 要】从水温、水质、取排水等方面分析了江水源热泵应用中的关键技术与难 点,对长江流域利用江水做空调系统冷热源的可行性及关键技术措施进行了对应分 析,针对目前国内最大的地表水源热泵区域供冷供热项目--南京鼓楼高新技术产业 园区,从水温、水质、取排水(尾水利用)、环境影响及经济性等方面详细分析了该项 目所采用的技术措施.【期刊名称】《建筑热能通风空调》【年(卷),期】2010(029)004【总页数】5页(P38-42) 【关键词】 江水源热泵;水温;水处理;环境影响;区域供冷供热【作 者】 顾铭;马宏权;王勇【作者单位】 重庆大学城市建设与环境工程学院;南京丰盛新能源科技股份有限公司;重庆大学城市建设与环境工程学院【正文语种】 中 文0 引言近年来，水源热泵以其高效、节能、环保等特点引起了国内学者的广泛关注，一些城市已有工程案例相比于空气源热泵，水源热泵能效比高，运行稳定，运行过程不需冷却塔，也不需锅炉房及相关烟气处理措施，能在一定程度上缓解城市热岛效 应，是一种可再生能源利用方式然而，水源热泵的高效运行依赖于优质的冷热源， 获得优质冷热源是系统高效、稳定运行的前提条件。
我国北方一些地区曾广泛应用地下水，其水温非常合适，但是基于回灌等问题的考 虑，大面积推广有一定的难度 ［1］然而，我国地表水资源丰富，特别是南方地区，2007年全国地表水资源（淡水）总量为24242.5亿m3，其中长江流域地表水资 源总量为8699.3亿m3,占35.9%［2］丰富的水资源，为实施地表水源热泵提供 了可行性同时，长江流域人口众多，占全国的 30.8%，经济相对发达，又属于 夏热冬冷地区［3］，空调负荷较大随着经济的增长、人民生活水平的提高，长江 流域空调负荷必将大幅增长，建筑能耗将大幅增加长江流域具备丰富的地表水资 源，充分利用其作为空调冷热源，不仅能够大幅降低空调能耗，降低对电网及燃气 供应尖峰压力的冲击，同时还能缓解城市热岛效应，改善室内环境及城市热环境本文对江水源热泵应用的技术关键进行了研究，通过实际案例分析了关键技术措施 的实施方式，对江水源热泵的应用推广有一定参考价值1 水源热泵实施关键技术无论是地下水源热泵还是地表水源热泵，要实现系统高效、稳定、经济等方面的优 势，必须满足一系列技术条件，如：水源的水温稳定、热品质优良（冬暖夏凉）， 水质能满足要求，系统运行控制策略合理等。
国内外已有的工程案例表明，水温、 水质、水量、维护管理方面的问题是实现系统高效节能运行的关键所在1.1 水温水温方面常见问题有：1）进水温度不合适，机组保护这在长江流域及其以北地区冬季地表水供热情况下很常见，特别是较浅的河流、湖泊、水库，冬季最寒冷的时刻地表水温一般在4工以下，且表层可能结冰，为防止机组内结冰阻塞和管道涨裂，机组一般设置低温保 护因此冬季极端气候条件下，机组会反复启停，甚至不能正常运行2）取水温差过大，引起热污染、生态污染等水温对水生物的生长繁殖和分布具 有显著影响，因此，空调系统排水温度有一定限制，需要满足相关规范，如 GB3838-2002《地表水环境质量标准》1.2 水质水质方面的问题可以归纳为以下两方面：1） 取水水质不好，引起结垢、腐蚀或产生生物污泥，堵塞管道，由此造成能耗增 加、系统不能正常运行、设备寿命缩短等，水源热泵机组及附属设备对水质有明确 要求2） 排水处理不当，引起二次污染如水处理过程中投放磷系化合物，泄露或不经 处理排水会导致水体富营养化另外，机组常用乙二醇等防冻液，如不慎泄露会给 水体和空气环境带来严重污染1.3 水量系统长期运行会对水体温度造成影响，特别是取、排水在同一水体的地表水源热泵， 若水源水量偏少或取、排水位置不合理，均会导致水温状况迅速恶化，降低系统运 行效率，甚至导致机组不能正常运行。
1.4 运行、维护与管理运行、维护、管理水平直接决定系统的能效、寿命：1） 安装管理不当，损坏换热盘管地表水源热泵系统有大量取回水管安装在室外， 对于闭式地表水源热泵，则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） 取回水位置设置不合理，导致机组取水能耗大、效率低，无法发挥优势3） 系统的运行策略不仅要考虑建筑负荷，还要考虑水源状况，应能根据水温实时 情况自动调节，先进的监测、控制策略是必要的1.5 经济性为解决以上问题，可能会引起初投资的增长或运行费用的增加，需要作详细经济技 术对比1）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，但随着技术的革新及市场的成熟，差距正在缩小； 2）在运行成本上，水源热泵具有较高的能效比，其能耗低于冷水机组或风冷热泵， 而且水源热泵系统不需要冷却塔，在冷却水侧也没有水损失，可以节约大量用水；3）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综合看来，一般水源热泵系统增量投资可以在 5 年之内回收2 江水源热泵应用现状与技术难点 江水源热泵是一种利用江水为冷热源的地表水源热泵形式。
长江水资源丰富，夏季 江水温度低于空气温度，而冬季则高于空气温度，且江水温度相对稳定，因此江水 源热泵效率高、运行稳定；同时，沿江流域空调负荷大、增长速度快，江水源热泵 越来越受沿江城市青睐目前，已经有一些工程采用江水源热泵，如：重庆南滨某 娱乐城空调工程［4］，在建的重庆江北CBD、南京鼓楼高新技术产业园区区域供冷 供热项目；其他利用江河水做冷热源的还有上海世博园区域供冷系统［5］，上海十 六铺工程［6］等江水源热泵具有水源热泵的一般特征，其技术难点同样在于水温、水质、水量以及 运行管理上，应用江水源热泵首先要满足以下三个前提条件：①获得水务等有关部 门的用水、排水许可；②设计和建造专用的取水排水设施（实施江水源热泵一般使 用开式系统）；③水处理代价及环境影响在可接受范围内2.1 江水水温、水质长江流域漫长，沿江水温有较大变化，如长江重庆段多年夏季月均水温为22~25°C,冬季月均水温11~16°C［7］,而南京实测数据显示夏季月均水温28~31°C, 冬季月均水温7 ~12弋虽然两地水温条件均满足水源热泵机组要求，但重庆段水温明显要优于南京段水温长江重庆段累年水质数据与水源热泵要求水质指标如 表 1［6］。
表1长江重庆段水质数据?重庆段夏季月均含沙量为307~920mg/L，冬季月均含沙量为23~42mg/L，年 平均含沙量为522mg/L而南京段实测PH在7~8之间，Fe2+含量＜0.05mg/L, 年平均含沙量为107mg/L，粒径0.015mm从水质上看，两地之间同样存在差 异：南京段的含沙量要远小于重庆段的，但无论重庆段还是南京段，江水含沙量均 不满足水源热泵系统要求，需要进行处理由于取水水温和取水能耗是耦合的，较高的水温需控制的水泵及水处理能耗的要求 就更低可见，沿江不同地区江水源热泵的设计取回水温度不同，水处理过程也应 有所区别，应针对工程所在地，充分调查当地江水数据，采取适合的处理措施2.2 取水设施由于江水流速较大、瞬时含沙量高、悬浮物多，而沿江建筑大多数地势较高，这都 给取水带来了困难取水方式、取水位置和泵站位置的设置不同于普通地表水源热 泵，既要保证能够获得优质、稳定的江水，又不能使得取水扬程过大，以避免取水 能耗过大此外，还要考虑涨落潮、枯水季节的影响由于各季节江水径流量有变 化，且各种因素影响，江水水位会时常发生变动，因而取水口位置的设置必须要保 证低水位条件下系统能够取得优质水源。
此外，江水源热泵的取水设施还应考虑航 运情况，应与有关部门取得协调地表水取水有固定式和移动式之分，移动式适用于水位变化幅度大，没有漂木、浮 筏、行船撞击的河段，对江水源热泵不适用；固定取水构筑物有岸边式、河床式、 竖井式泵房、斗槽式等［8］，应根据沿江各地地质及水文条件、航运情况等构建取 水设施2.3 水处理 江水水质一般不能完全满足水源热泵机组要求，特别是含沙量问题采用传统的沉 淀除沙，需要构造较大的沉淀池，然而，普通的机械除沙法对于去除粒径小于 0.1mm 的沙粒效果非常有限对于江水源热泵系统，可以选用斜板式沉淀+旋流 除砂器+综合水处理，既可以清除江水中悬浮杂物、降低江水含沙量，又可以对江 水进行一定化学处理，降低对管道的腐蚀和结垢影响，该方式占地面积小、运行较 为简便；采用中间换热器也是一种可行方案，对于水处理成本太高，或者经过大量 处理后含沙量依然不满足水质要求的，可以考虑使用中间换热器，但需要考虑其1 的温度损失另外，重庆大学王子云等人对适合于江水水质的换热器进行了大量研究，其着眼点在于换热器自身，设计了专用换热器，直接引用江水至换热 器中，不进行复杂的除沙处理，同时要保证换热器能够长期高效运行。
该换热器不 仅可以降低水处理成本，还不存在温度损失，可以充分利用源侧水温2.4 尾水处理 经过水源热泵机组热交换后，江水水温会有明显的改变，因此排水可能会对周围水 环境有一定影响：水温的变化会直接影响水生生物的生存环境，而水处理过程中使 用的化学药品也可能对水体产生化学污染因此排水对水体水温的改变、污染物的 扩散需要经过严密计算和论证江水的流量很大，并且有一定的自恢复能力，一般 情况下小规模、分散的水源热泵系统排水不会明显改变江水温度的分布，然而，若 大规模的应用（如区域供冷供热工程）则应当进行详细的计算和模拟论证水处理 方式因具体项目而异，所用药品不应破坏环境此外，经过处理和换热的尾水，直接排放了也是一种浪费，可以作为中水或景观用 水再利用2.5 输配系统 取水管网的规划要在充分调研当地已有地下管线的基础上进行，以避免对已有管线 的破坏，并应充分考虑已有管网的热影响一般取、排水管道系统采用直埋管方式， 无需保温，然而当取水管线较长、热污染明显时，则有必要考虑沿程水温损失，必 要条件下需要做好保温措施与其他管道系统一样，输配管网的阻力平衡及匹配水泵的问题也是考虑的重点3 应用江水源热泵的工程案例分析 南京鼓楼高新技术产业园区区域供冷供热项目位于南京河西新城区北部，该园区总 占地面积119万m2，规划总建筑面积231.71万m(2地上面积191.57万m2 , 地下面积40.14万m2),平均容积率1.7，建筑密度17.3%，绿地率37.3%。
园 区空调计算负荷如表2所示表2园区区域供冷供热项目空调负荷情况?考虑到系统负荷大，同时，园区与长江的最近水平距离仅300m左右，具有临江 的天然优势，采用江水源热泵、大温差变流量、冰蓄冷等多项节能技术为园区进行 集中供冷供热项目建设周期计划为八年，分设两个能源中心，分两期建成其中一期工程，即第 一能源中心，建设周期为两年一期能源中心为地下建筑，建筑面积为 5000m2， 采用长江水源热泵空调方式，夏季利用长江水冷却，冬季提取长江水低品位热能供 热3.1 设计供回水温度及水温影响分析根据长江南京段累年水温数据，设计江水侧夏季温差8工，供回水温度为32 ( 28 ) /40 ( 36)°C,冬季温差4工，即供回水温度8/4工在输配侧，为实现节能目标，设计大温差变流量技术，夏季设计供回水温度 4(5) /11C,温差7(6)C,管网及水泵温升0.5C,用户侧换热温差1.5C,用户侧 供回水温度6(7)/13C;冬季供回水温度48/40C,温差8C,管网温降0.5C, 用户侧换热温差1.5C,用户侧供回水温度46/38C根据GB3838—2002 :人为造成的环境水温变化应限制在：周平均最。