清洁能源海水源热泵技术的工程应用研究

孙宏伟（江苏河海新能源有限公司，常州　213100）

清洁能源海水源热泵技术的工程应用研究

孙宏伟
（江苏河海新能源有限公司，常州213100）

海水源热泵是一种清洁能源技术，利用海水吸收与储存的太阳辐射能和浅表地热能为建筑供冷供热，在可再生能源领域具有良好的发展前景。

海水源热泵；可再生能源；清洁能源

海水源热泵技术是一种清洁能源利用技术，在国内外已有多项应用工程成功案例，其中大连成为我国的海水源热泵应用示范城市。我国海岸线长达3万多公里，有众多的岛屿和半岛，各沿海地区海洋热能资源极为丰富，为海水源热泵技术利用提供了广阔的资源利用条件。

近年来，随着可再生能源技术方面的政策扶持力度加大，海水源热泵技术在我国具备实施的现实条件。同时，在区域海水源热泵解决方案中，由于海水源热泵技术具有良好的节能和经济效益的特点，在沿海地区发展前景良好。

1.海洋热能

1.1海洋热能的概念

海洋热能是海水吸收与储存的太阳辐射能。据统计，海洋接受的太阳辐射能，按平均功率计，约为60万亿千瓦以上；按热量计，为每秒14万亿千卡，相当于200万吨优质煤燃烧时放出的全部热量。仅取总量的万分之一，即有60亿千瓦，相对于全世界300年的能源需要，海洋热能是目前海洋资源开发中的重要研究方向［1］。

海水的温度以℃表示，海水温度的高低，决定于辐射过程、大气与海水之间的热量交换和蒸发等因素。海水温度基本上都是随深度增加而减小。一般情况下，低纬度海区水温高，高纬度海区水温低，高低之差可达30℃。水温一般随深度的增加而降低，表层海水温度在25℃～30℃，其附近温度的减小较快。典型的温度—深度剖面上有数十米厚的表层，称为混合层，其海水充分混合，接近同温状态。混合层下的温度骤变区，称为温跃层。温跃层特性因季节而异，夏季随混合层的变暖而增“强”，冬季则因表层水的冷却而变“弱”。

1.2海洋热能利用方式

海洋热能主要利用在海洋热能空调、海洋温差能发电和海水冷却等领域。

海水源热泵利用海水吸收的太阳能和地热能形成的低温低位热能资源，采用热泵原理通过少量的高位电能输入，实现低位热能向高位热能转移的一种技术，具有绿色环保、资源高效利用、占地面积小等优点［2］。

2.海水源热泵技术在国内外发展情况

2.1国内发展情况

我国海水源热泵技术工程应用起步较晚，2004年第一个海水源热泵示范工程在青岛建成。青岛其后实施了石老人生态旅游健身区、黄岛区千禧龙花园小区三期等利用海水源热泵技术实现供热、供冷、供水“三联供”的项目。

近年来，大连随着星海湾商务区、北海热电厂、长海县獐子岛住宅改造海水源热泵等项目先后上马实施，海水源热泵区域供能面积不断扩大，被国家建设部选为全国唯一的水源热泵技术规模化应用示范城市。

此外，上海地区利用海水源将大型热泵和区域供冷结合，广州市可以利用珠江的河水进行区域供冷等。结合当地的地理、气候、水温条件，走上了海水源热泵技术工程应用的规模化道路。

2.2国外发展情况

1930年第一台现代蒸汽压缩式热泵在苏格兰诞生，标志着压缩式热泵应用进入新的时代。20世纪70年代的石油危机促使吸收式热泵的研究和应用得到了很大的发展，美国以及加拿大等北美国家对水源热泵开展了一系列基础性的实验研究。

90年代中期海水源热泵技术在瑞典投入工程应用，其后有超过20家公司在瑞典提供销售区域供冷的服务。瑞典有上百个大型热泵站，总容量约为1200MW，其中斯德哥尔摩热泵站年容量最大。

此外，20世纪70～90年代，悉尼歌剧院、大阪南港宇宙广场等项目应用海水源热泵技术满足了区域供冷供热的需求。

3.海水源热泵技术原理

海水源热泵技术对海水的利用方式一般分为直接利用和间接利用两种方式。

3.1直接利用方式

将海水经过水泵提升，通过取水管道直接引入热泵机组的换热器，使海水的冷热量直接传递给热泵工质，换热后的海水再通过排水管道输送回海面。

图1　大连星海湾商务区和青岛千禧龙花园小区三期海水源热泵项目

图2　直接利用方式系统原理图

图3　间接利用方式系统原理图

图4　岸边进水头式

3.2间接利用方式

间接利用方式一：在冷热源侧采用闭环的水系统，一般采用高密度聚乙烯塑料管作为热交换器，直接将其投放于海水中，通过换热盘管中的换热介质与海水之间的换热来实现能量转移。

间接利用方式二：利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换热介质，再通过换热介质的循环将冷热量传递给热泵的换热器，放出冷热量的海水则通过排水管道输送回海面。

4.海水源热泵项目取水水工布置

由于潮汐等水文条件的限制，海水取水问题是海水源热泵关键技术之一。常用的取水方式主要包括岸边进水头式、岸边渗透式等取水方式［3］。

取水技术内容包括取水方式和供水参数，且供水参数中水温、水质和水量直接影响海水源热泵系统的运行效果，并决定了整个热泵系统的初投资及运行和维修维护费用。

4.1岸边进水头式取水

能源中心建在海岸边，取水头放在海水较深的位置。取水头部内设格栅及旋转滤网，其中格栅采用膨胀螺栓进行固定，布设旋转滤网。

4.2岸边渗透式取水

在海岸边钻广口井，海水则通过渗透渗入广口井内，水源水受潮汐水位的影响较小，还可以通过一次沙滤的过程，提高了取水水质，再通过取水潜水泵将广口井中的海水送至能源中心。

国内有学者研究发现，渗流换热过程中含水层温度变化最大，含水层周围土壤层的温度变化有明显的衰减和滞后，海水渗流与土壤换热后供水水温提高［4］。

图5　岸边渗透式

5.海水源热泵技术节能和环保效益

海水源热泵机组运行减少了电力消耗，减轻了电网常年运行负荷。同时降低了一次能源消耗过程中产生的SO2、CO2等污染物排放，减少ODS（消耗臭氧物质）排放缓解温室效应，具有很好的节能效益。

由我国污染物排放定额可知，假设节约用电1000 k.wh，相当于节约标准煤400kg，相当于CO2减排997kg，粉尘272kg，SO2减排30kg，NOx减排15kg，环保效益十分显著。

6.结论

海水源热泵是一种可再生能源技术，主要是利用海水吸收与储存的太阳辐射能和浅表地热能，为区域建筑供冷供热。

我国沿海地区结合当地的地理、气候、水温条件，选择合适的海水源热泵系统形式及取水水工布置形式，以期取得良好的节能和环保效益。

［1］张莉， 胡松涛. 海水作为热泵系统冷热源的研究［J］. 建筑热能通风空调， 2006. 25 （3）：34-38， 57.

［2］蒋爽， 李震. 海水热泵系统的应用及发展前景［J］. 节能与环保，2005，10： 11-14.

［3］Gille D. Seawater intakes for desalination plants［J］.Desalination，2003，156（1/2/3）：249-256.

［4］吴君华，由世俊，李海山. 海水源热泵系统取水技术试验［J］. 天津大学学报，2009，42（1）：78- 82.