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1、天津地区使用海水源热泵技术可行性研究天津大学环境科学与工程学院 吴君华 由世俊摘 要 天津海岸线长约133公里，推广使用海水源热泵空调系统有着深刻的意义。本文对天津沿海水文地质条件进行现场的实际测试研究，在其基础上提出将海岸井取水技术用于海水源热泵空调系统，并对其技术和经济可行性进行了探讨。该研究以期为在天津沿海推广使用海水源热泵空调系统提供新思路。关键词 海水源热泵 可行性研究 技术可行性 经济可行性天津属北温带大陆性季风气候，冬季寒冷干燥，夏季湿热多雨，建筑能耗和环境污染问题突出。天津滨海地区周围有便利的海水资源，如果能够借助这些便利条件，适当推广海水源热泵，充分利用这些大量存在的海水作热
2、泵的冷热源，可大大节约供暖和空调所消耗的常规能源、电能、地热和浅层地下水资源，缓解了日趋紧张的能源压力，避免了过渡开采地热和浅层地下水造成的地面下降和地下水源污染的问题，在取得经济效益的同时又解决了环境污染问题，这是一个综合效益。在天津沿海地区推广使用海水源热泵技术供热制冷，将对天津滨海新区乃至整个天津市可再生能源在建筑领域的应用起到重要的作用，符合国家节能政策和产业发展的方向。离海较近的天津沿海地区有着可分为可进行集中供热的区域和难以实现集中供热区域两大部分。难以实现集中供热区域，是指离主要供热管网较远且十分分散。使用海水源热泵系统不仅可以解决天津沿海地区冬季采暖夏季供冷问题，还有利于节约能
3、源、保护环境1。海水作为冷热源包括以下技术难点：海水腐蚀性要求取水、输配及用水设备均要进行防腐处理；海水容易滋生海生物要求取水系统进行防海生物附着处理；海水含泥或沙要求较好的过滤和除沙处理以减少对设备的磨损；海水取水量要满足用水要求；夏季水温要低冬季水温要高以利于系统运行效率的提高，等等。其中防腐蚀、防海生物附着和除沙过滤等技术目前已经相对成熟，决定海水是否能够作为某建筑物的冷热源，满足供水量的前提下供水水温是很重要的参数。天津海域夏季海水温度在22.526.5之间2，较适宜用作海水源热泵空调系统的冷源，空调系统运行效率较高。冬季海水有短期结冰现象，海水温度有相当一段时间低于2，所以为了更好的
4、研究天津海域海水是否能够作为热泵热源，本文将对其水文地质条件进行现场的实际测试研究，在其基础上提出恰当的取水系统，并分析其技术和经济可行性。1 水文地质条件调查图1 渤海水深天津市地处中国华北平原的东北部，西北背枕燕山，东南面临渤海，海岸线长约133公里。渤海是中国最大的内海，其平均水深只有18m，渤海具体水深分布如图1所示。渤海湾水浅并受陆地影响较大，冬季水温普遍偏低。天津沿海地区位于渤海湾西岸，在构造单元上属黄骅坳陷西部的南部凹陷，老的基底岩层深埋于地下，上部覆盖着数百米至数千米厚新生代地层，岸线平直为典型的平原淤泥质海岸3。海水深度为16m的表面水，受泥沙、鱼、海草和海藻、水母和海蜇以及
5、其它海生物高度污染4，不宜直接抽取使用。1.1 天津海域近岸处海水水温测试气温最低的一天水温最低的一天图2 冬季海水温度2007年12月份，我们对近海岸海平面以下5m处的海水水温进行了测试，温度记录如图2所示。通过测试结果发现，海水水温一天内变化幅度很小，在0.2之内。2007年12月期间海水温度在1以下的天数为41天，0以下天数为22天。由于海水冰点在-1.5-1.8之间，所以直接将海水作为热泵热源使用，一般要求海水温度不得低于2，富尔达海水源热泵机组要求最低的进水温度为1.7。可见，冬季天津海域海水不能直接用作热泵热源。1.2 天津海域近岸处土壤及含水层水温测试图3 土壤层温度分布土壤蓄热
6、能力强，一定深度温度整个冬季保持在在11以上，所以海水若能与海底或海岸土壤进行换热，其水温会升高，从而作为热源，热泵机组运行不仅安全性得以保障，效率也将会提高。陆地土壤温度随着太阳辐射和大气温度的周期性变化而呈周期性变化，并随着深度的增加，温度变化越来越滞后5。在采暖季节，浅层土壤（1.6m以内）平均温度比气温至少高56。由于土壤的蓄能效应，使得浅层土壤中存在一个温度常年达到15的恒温地带。同时，地核传导的热也直接作用在这个恒温地带。利用这个浅层低温的地能比直接利用深层地热和太阳能，更具有明显优势。天津地区恒温层深度为30m，温度为13.57。鉴于此，2008年12月份课题组对沿海某地距海20
7、和30m处，深度在11m范围内的土壤层进行了温度监测。该地区69m深度为含水层。图3为含水层水温为15.7时11m内土壤层温度分布。从图3可以看出：原始地层温度16m温度逐渐增大，45m温度变化不大，保持在15.5左右；7m开始温度降低，直到10m温度降为13.5，9m处温度和10m处温度一致；11m处比10m处温高度1。即地层温度随深度的增加而上升，遇到含水层温度有小幅下降，然后温度回升。表1为海水水温和距海20及30m处含水层水温记录表。 表1 水温测试记录表日期海水水温（）距海20m处含水层水温（）距海30m处含水层水温（）1月15日1.810.312.31月25日-0.59.5112月
8、20日1.810.612.8从表1可以看出，含水层水温在距离海水30m处保持比海水温度高1011，若将其作为热源使用，热泵机组效率将大大提高。2 可行性分析2.1 技术可行性在天津沿海地区使用海水源热泵系统，海水可以透过海岸渗透性较强的土壤层，并与该温度较高土壤层换热，温度得到提高。渗透性好的天然土壤层往往是含水层。天津港地下2025m处有黄褐色粉砂层，该层中有承压地下水层，补给来源为海水3，该砂层正好处于恒温带。此外，天津地区位于渤海湾西岸，由于特殊的海滩地貌条件，在历史上多次海进、海退过程中形成了多道贝壳层，现保存完好的就有四道8。贝壳层大都地板向海倾斜，下伏泥质海相沉积的弱透水层。贝壳层
9、是天津沿海地质一大特色，贝壳层以海生贝类为主，含少量淤泥质粘土及粉细砂，结构松散，地下水富集，透水性强。海水除了可以透过这些天然过滤土壤层，也可以人工填充渗透性强的土壤层作为过滤换热层。这些水文地质条件为海岸井取水系统提供了前提。2.2 经济可行性海水取水口的选择和设计是至关重要的，不仅可以优化海水预处理和整个热泵系统运行性能，还可以降低制冷制热的费用。天津地区为软土地基，海岸井取水系统施工难度小，费用低。如目前打垂直海岸井费用为600元/米。通过海岸井取水系统的渗透取海水还可以有效的解决水中悬浮物及藻类对热泵机组的影响，省去防附着设备处理费用。从运行费用角度分析，拥有较高水温的热源，热泵运行
10、COP值较高，节能效果显著。可见，在天津地区使用海岸井取水系统，不仅初投资较低，预处理费用较少而且系统运行效率较高。2.3环境影响分析直接取水系统取海水时，鱼和小的微生物要受到威胁， 根据取水口的位置，取水量和取水速度，海生物被粘附在取水口处的过滤网上，或是被吸入供水系统。浮游生物、幼虫和鱼的卵是最常见的海生物被粘附在取水口处的过滤网上，或是被吸入供水系统。而这些海生物是整个海里生态系统中重要的生物链组成部分，若是这些海生物被处理或吸入供水系统就减少了其它海生物的食物来源，海岸井可以给予天然的过滤。海岸井可能会对地下水造成影响，但是天津沿海地下水属咸水，并且海岸井较浅又靠海很近，对地下水影响相
11、对较小。3 结论本文对天津沿海特殊的水文地质条件进行了实际考察和测试，得出结论：冬季海水温度低且低温期持续时间长，所以建议将海岸井取水系统用于海水源热泵系统，并对其进行了可行性研究。该取水方式所取海水冬季水温比表层海水高，且水质好，无需进行防海生物附着处理。系统具有初投资低、运行效率高、环境影响小等优点，是天津地区使用的海水源热泵空调系统较为合适的取水系统。海岸井取水系统通过渗透取水，既利用海水热能，又利用浅层地热能。本文研究结论以期为在天津沿海推广使用海水源热泵空调系统提供新思路。参考文献1 王德荣，余知，辛玉东.地源热泵技术在天津港推广运用的前景初探. 资源节约与环保，2005.1(1):
12、2830.2 刘哲，魏皓，蒋松年. 渤海多年月平均温盐场的季节变化特征及形成机制的初步分析. 青岛海洋大学学报，2003.33(1):007014.3 候钊. 天津软土地基. 天津：天津科学技术出版社，1987.4 Detlef Gille. Seawater intakes for desalination plants. Desalination 156(2003) 249-256.5 范爱武，刘 伟，王崇琦. 土壤温度和水分日变化实验. 太阳能学报，2002.23（6）：721724.6 毕月虹，陈林根. 天津地区太阳能、土壤热源的性能研究. 太阳能学报，2002.23(1):8386.7 柴寿喜，席燕林.贝壳地基工程特性研究及工程设计.郑州工学院学报，1991.12(3):104110.8 范蕊，马最良. 热渗耦合作用下地下埋管换热器的传热分析.暖通空调，2006.36(2):611.吴君华；女；1978年9月生；博士研究生；天津大学0367信箱；邮编300072；联系电话15302138322；电子邮箱td_。
