基于人工海洋湿地的生态建筑设计及其能耗分析

黎荣标 赵敬德 李启宇 严国庆

基于人工海洋湿地的生态建筑设计及其能耗分析

黎荣标 赵敬德 李启宇 严国庆

东华大学环境科学与工程学院

由于海水对管道腐蚀、换热回水对周边海洋生态环境热污染等问题，限制了海水源热泵系统的推广应用。该文提出了一种基于人工海洋湿地的生态小区的设计理念。该生态小区内构建了人工海洋湿地作为冷热源，使用海水源热泵系统解决小区内的空调制冷和供暖问题。通过对这种生态小区的能耗分析，结果表明该生态小区系统可以比起常规系统更加节能，而且减少淡水资源的使用，利用人工海洋湿地对海水的净化作用，既减少了海水对管道的腐蚀，又解决了冷却回水直接排放的热污染问题。

海洋湿地生态小区建筑能耗海水源热泵系统节水

0 引言

生态小区是一个以人类生活与生产活动为中心的，由人和环境组成的自然、社会、经济的复合生态系统，是人类建筑的发展的趋势[1]。但是，在沿海及海岛地区，由于淡水资源的紧缺，限制了生态小区的发展。国内外专家学者提出了将海水源热泵系统应用到生态小区中的构想：考虑到深层海水温度常年恒定，海水成为了最理想的地位冷热源[2]。但要直接利用海水作为热泵系统的冷热源需要解决以下常见的问题：

1）海水的净化和管道、设备的腐蚀。产生管道腐蚀的主要原因是：海水中颗粒悬浮物对于管道冲刷[3]；水生浮游性动植物附着在管道之上影响管道传热以及海水作为强电解质对于管道的侵蚀[4]。

2）空调系统对周边生态环境的影响。海洋湿地净化的海水经过空调系统后，未经处理就直接排入周边海域，会影响甚至破坏周边海域生态环境，从而降低了海洋自净能力[5]。

而我国沿海地区包括沿海11个省、市、自治区，土地面积约为130万平方公里，占全国的13.5%；居住人口占全国40%，国民生产总值占全国60%以上，拥有的水资源却只占26%全国的淡水资源[6]。沿海地区淡水资源紧缺，有效使用海洋资源可以减缓沿海地区淡水资源紧缺的现状。

为了有效缓解和解决以上问题，本文中提出了“一种基于人工海洋湿地的生态小区”的设计理念。

1 基于人工海洋湿地生态小区设计

1.1基于人工海洋湿地生态小区概述

基于人工海洋湿地的生态小区的设计是一种间接利用海洋海水资源的设计，实现了利用人工湿地净化海洋海水，并将此海水与海水源热泵系统换热。海水源热泵系统为小区内建筑提供冷供热。

该生态小区主要包括了生态小区居住楼、主体海洋湿地、换热池、综合沉淀池、建筑储备用水池。来自海洋的海水首先被引入人工海洋湿地，由湿地进行初步的净化，净化后的海水在换热池中再被海水源热泵机组使用。热泵换热回水不是直接排放到海洋中去，而是用于喷泉或是水体景观换热，避免了直接排放对海洋原始生态的影响。

该生态小区不但实现了再生能源的有效利用，缓解沿海地区淡水资源紧缺、地下水水资源匮乏的问题，而且通过海洋湿地来净化海洋海水，减少了海水对管道腐蚀、消除了热泵冷却回水的热污染问题。

1.2生态小区的人工海洋湿地构建

这种人工海洋湿地是指，在沿海地区的天然海洋湿地或者在废弃的盐碱地的基础上，进行土方工程搭建综合沉淀池、换热池、建筑储备用水池以及海洋湿地主体建设。整个人工海洋湿地设计形状为“巨”型，目的是便于对海水的净化。人工海洋湿地的设计流量和体积应该最少要满足海水源热泵系统的冷热源的需求量。相应的可依据生态小区的建筑风格配以水景，增加艺术美感。人工海洋湿地的流程图如图1。

图1 生态小区中海洋湿地系统流程图

如图1所示，主要包括了内循环和外循环。外区是海洋湿地与海洋的循环作用。如图1a所示，来自海洋的海水经过综合沉淀池直接进入到人工湿地中，在人工湿地对来自海洋的海水进行净化处理，部分海水排回海洋中。内区是系统换热循环，如图1b所示，经由人工海洋湿地净化后的海水经过综合沉淀池区作用，过滤泥沙、重金属以及藻类，然后在换热池与海水源热泵机组换热。

1.3生态小区中的海水源热泵系统

海水源热泵机组只要通过输入少量的高位电能，就能实现低位热能向高位热能转移。20世纪80年代以来，瑞典已经建成了一些大型海水源热泵，其他国家也建了一些大型海水源热泵站[7]。基于海洋湿地生态小区的核心是使用海水源热泵机组为小区提供所需的冷量和热量。该系统具有以下优点：

1）有效利用了可再生能源，热泵系统环保效益显著。相对于燃煤锅炉，海水源热泵在运行中不会产生污染环境。海水源热泵系统碳排放最高可减少50%[8]。

2）高效节能，运行费用低。海水源热泵具有较高的COP值，一般在3.6～5.5左右。

3）一机多用，使用灵活。海水源热泵冬季可以代替锅炉为建筑供热。夏季可以代替制冷机组和冷却塔为建筑供冷[9]。

2 案例分析

2.1生态小区工程概述

本文为位于福建厦门沿海区域的某生态小区提供了设计方案。

该项目位于福建厦门的沿海区域，由30栋别墅组成，主要包括了三类别墅型式：G型（12栋）、C型（10栋）、B型（8栋）。总建筑面积12800m2，空调面积为12157m2。小区平面图如图2所示。

图2 生态小区平面图

2.2研究方法

本文将使用eQUEST建筑能耗模拟对生态小区进行能耗分析。eQUEST软件根据输入的建筑情况和室内设计温度值，动态地计算出建筑的全年能耗[10]。

为了研究方便，定义使用节能率为指标，体现海水热泵系统的节能效果。这里自定义相对节能率的概念：即海水源热泵系统耗能相对于常规冷却塔空调系统耗电量节电比率，定义公式如下：

式中：γ为相对节能率；PCCCT为冷却塔系统的全年用电量，kWh；PSWHP为海水源热泵系统的全年用电量，kWh。

2.3生态小区eQUEST建筑模型

小区的别墅eQUEST建模如图3。

图3 建筑eQUEST模型外观

2.3.1空调负荷计算

使用eQUEST软件计算出该小区的建筑冷逐月冷热负荷，如图4。

图4生态小区每月最大冷热负荷变化

图4 为该小区的空调负荷的逐月分布，最大的制冷负荷为1335.5kW，最大热负荷250.7kW。

2.3.2冷水机组设备选型

本小区空调系统拟采用区域供能，根据空调负荷状况，分别选用海水源热泵机组系统为建筑提供冷量并选用另一套普通冷水机组作为参照系统。海水源热泵机组的冷热源侧接海洋湿地中的换热池，普通制冷机组冷热源侧使用冷却塔系统。选取1.1的富余系数，即制冷机组应该满足1469kW制冷量要求。主要技术参数如表1。

表1 区域供冷用机组参数

2.3.3生态小区eQUEST空调系统模型

本文在eQUEST内进行了空调系统模型搭建工作，如图5所示。

图5两套eQUEST空调系统

图5 a使用两台海水源热泵机组，海水进入机组在蒸发器侧换热；图5b中使用普通冷水机组，并依靠开式冷却塔与外界换热。模拟的目的是对比冷热源侧节能性，因此选定相同的空调末端。

2.4冷热源侧节能性分析

对设好的eQUEST系统模型进行的全年能耗模拟计算。计算海水源热泵系统和参照系统全年耗电量，如图6。

图6 生态小区空调设备全年耗电量

在空调末端相同的情况下，对比海水源热泵系统与常规冷却塔系统，其冷热源侧全年耗电量分析如下：

对比冷热源换热侧耗电量，海水源热泵系统比冷却塔系统耗电量减少42197kWh的电量，相对节能率高达96.68%；这是因为相比冷却塔系统，海水源热泵系统冷热源侧水温比较恒定，海水表层以下5m海水温度在9～27℃波动[11]；而且节省了冷却塔、部分水泵的耗电量。得益于海水温度的恒定，制冷效率COP可以达到5.5，减少了冷水机组的耗电量。

如图7所示，海水源热泵系统全年相对节能率为21.17%，7月份达到最大值，节能率为29.86%。也就是说，相对于普通冷却塔空调系统，海水源热泵系统全年运行更加节能，尤其是在夏季，这是因为在夏天当空气温度高于35℃时，常规空调机组效率开始下降，空气温度越高，机组制冷效率越低，能耗增加。在空气温度为30℃时，常规空调机组能效比COP也仅有2.2左右。也说明了室外空气温度越高，冷水机组制冷效率越低，能耗增加。反观海水源热泵系统，夏季制冷工况冷却水供水温度较低，这使得海水源热泵机组能效都维持在一个较高的水平。

图7 每月冷热源侧相对节能率

因此可以得出结论，使用海水源热泵系统比起国内常见的冷却塔系统在耗电量上明显的优越性。

2.5冷热源侧节水性分析

使用海水源热泵系统，省却了冷却塔的用水量，所以节水量即冷却塔系统全年所需要的补水量，通过系统的循环水量确定。

系统循环水量计算式如下[12]：

式中：G为冷却水量，kg/s；Q0为冷却机组制冷量，kW；c为水的比热容，kJ/(kg℃)；k为制冷机耗功的热量系数，取1.2；△T为冷却塔供回水温差，取5℃。

计算得出循环水量为84kg/s。取补水率为2%～3%，以总循环水量的2%为补水率[13]。由eQUEST模拟可知，冷却塔全年运行时间为5245h。计算可得，全年冷却塔系统补水量为31721.76t，则海水源热泵系统每年的节水量为31721.76t。

3 结论

本文首次提出了“基于海洋湿地的生态小区”设计理念，并对这样的生态小区设计、建筑能耗、建筑耗水等做了分析。

从设计上看，将海洋湿地和海水源热泵系统巧妙的结合在一起为生态小区服务，体现了人居环境与自然环境和谐共存设计理念。

这种使用海水源热泵系统在冷热源侧耗水量比使用冷却塔系统省却了冷却塔耗水有效的缓解沿海及海岛地区因为淡水资源的紧缺，而限制了生态小区的发展的问题，在淡水资源紧缺的沿海城市意义重大。

而使用了海水源热泵，从环保角度看，当海水源热泵系统运行不受环境条件制约，不会对大气和地下水造成污染，并且还能充分地利用海水热源。从技术角度看，海水源热泵机组COP值比普通冷水机组有很大的提高，具有很好的节能效果。归结这种基于人工海洋湿地的生态小区具有以下优点：

1）可以减少管道、设备的腐蚀性问题。延长管道使用寿命，保证系统高效安全运行。

2）消除或减弱供冷回水温度对周边生态环境的影响。

3）使用海水源热泵系统更加节水，缓解沿海地区淡水资源紧缺现状。

4）相比于常见的冷却塔作为冷热源的空调系统而言，该海水源热泵系统。

因此，本文中提出了“一种基于人工海洋湿地的生态小区“的设计理念是符合生态小区可持续发展和可再生能源的有效利用。

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The Ec o-c om m unity De s ign a nd Ene rgy Cons um ption Ana lys is for Cons truc te d Ma rine We tla nd

LI Rong-biao,ZHAO Jin-de,LI Qi-yu,YAN Guo-qing
School of Environmental Science&Engineering,Donghua University

The application of sea water source heat pump system is limited due to seawater corrosion and thermal impact of directly drained cooling water.A design concept of eco-community based on constructed marine wetland is proposed in this investigation.A constructed marine wetland is designed to be the heating and cooling source,and seawater heat pump system is selected for the space cooling and heating of the eco-community.Energy analysis simulation of the eco-community is conducted,and the result shows that the eco-community has not only higher efficiency of energy and water usage than conventional HVAC system,but also declines the thermal impact on ocean ecosystem and the corrosion of the pipelines.

eco-community,constructed marine wetland,energy consumption analysis,water conservation,seawater heat pump

1003-0344（2014）06-076-4

2013-8-26

黎荣标（1988～），男，硕士研究生；东华大学环境学院5139室（201620）；E-mail:lirongbiaont@126.com