夏季黄海冷水团冷源估算及开发方式分析

于华明，于文胜，张剑，于海庆，王凯迪，卢绿

(1.中国海洋大学 海洋与大气学院 青岛 266100；2.中国海洋大学 物理海洋教育部重点实验室 青岛 266003；3.国家海洋局北海海洋技术保障中心 青岛 266033；4.青岛海洋地质研究所 青岛 266071)



夏季黄海冷水团冷源估算及开发方式分析

于华明1，2，于文胜3，张剑4，于海庆1，2，王凯迪1，2，卢绿1，2

(1.中国海洋大学 海洋与大气学院 青岛 266100；2.中国海洋大学 物理海洋教育部重点实验室 青岛 266003；3.国家海洋局北海海洋技术保障中心 青岛 266033；4.青岛海洋地质研究所 青岛 266071)

通过分析2011年8月的出海调查数据，绘制了不同断面上的温度分布图及调查海域底部的温度分布图，基本了解了黄海冷水团西边界的空间分布特征；根据热力学及流体力学的基本理论，在忽略热量传递次要项的前提下，通过计算海水在输运过程中的“冷量”损失，得到了黄海冷水在输运过程中的温度变化情况；进一步结合青岛地区海水源热泵技术的具体应用情况，分析探讨了黄海冷水团的开发利用前景。结果表明：黄海冷水团边缘距离岸边较近，约20～40 km，在冷水输运过程中“冷量”损失较小，管道内部末端水温仅升高5℃～6℃，并且青岛地区已经具备相对成熟的海水温差能利用技术，这些都为黄海冷水团的开发利用提供了理论与现实基础。

黄海冷水团；温度分布；“冷量”损失；海水源热泵

1 引言

21世纪以来，能源短缺问题越来越成为阻碍人类发展的难题，如何开发利用新型可再生能源已经迫在眉睫。目前，各个国家都将目光转向开发前景广阔的海洋。海洋中蕴藏着丰富的可再生能源，其中一部分是由太阳辐射能转变而成的动能，而更多的是储存在海水中的热能，即海水温差能。夏季，在我国黄海海域的底层存在一个范围广阔的低温、高盐水体，即黄海冷水团。黄海冷水团冷水储量巨大，如何将其中的冷水“冷量”有效地提取出来并尽可能节约成本，成为制约黄海冷水团开发利用的瓶颈。“冷量”是与热量相对的物理量，由于冷水有吸收热量，给建筑物“降温”的效果，故采用“冷量”来表述。本文将分析2011年8月黄海冷水团西部边界的空间分布特征，并且给出将黄海冷水输运上岸过程中“冷量”损失的计算方法，继而实地调查青岛地区海水温差能的利用情况，进一步分析黄海冷水团的开发利用前景。

2 黄海冷水团空间分布特征

2.1 黄海冷水团简介

在黄海，夏季垂直向分层现象很明显。南、北黄海表层的大部分，由黄海(混合)水团盘踞，其北部是由冬季的“黄海(混合)水团”的上层部分增温降盐变性而成，其南部则是冬季的“黄—东海混合水团”的上层部分历经变性而来。变性的结果使该水团的温度上升到24℃～27℃，而盐度低达31.0左右。在黄海的深水区域，20 m以深直到海底，海水的盐度比冬季略有降低，为32.0～33.5；而水温，底层最冷处可在6℃以下，与上层的高温形成强烈的对比，所以被称为“黄海冷水团”，即与黄海表层水团相对应[1]。

黄海冷水团在南、北黄海各有冷中心。北黄海的冷中心，多年平均位置在38°14′N、122°12′E附近。最低水温多年平均为5.81℃，多年平均盐度为32.20。南黄海有东西两个冷中心，其多年变化略大于北黄海，西部冷中心的变化又比东部更明显。黄海冷水团的边界水平方向上也有年际变化，黄海冷水团的顶界与季节性跃层的深度休戚相关，既有短周期的扰动，又有月际和年际的变动，但相对而言，年平均变动较小,尤其是在海区的中央部分。

2.2 空间分布特征分析

2011年8月在山东半岛东端威海附近海域的观测点分布如图1所示，本次观测设置了12个断面，共测得85个站点的数据，具体分布如图1所示。

图1 2011年8月山东半岛东端威海附近海域的测点分布

图2 断面温度分布图(以测点8～14为例)

如图2所示，若以10℃作为冷水团与周围海水的温度分界线，则在此断面上，冷水团边界在测点9号附近。如果把所有断面上的数据进行插值绘图处理，便可得到黄海冷水团的西部边界(图3)。

图3 乳山附近海域海底温度分布

从图1～图3中可以看出，夏季黄海冷水团距离位于山东半岛的威海市较近，尤其是接近威海荣成市。黄海冷水团的边缘距离山东半岛东端陆地20～40 km，黄海冷水团相比近岸海水具有明显的低温特征，开发利用前景广阔。

3 探究长距离输水过程中的“冷量”损失

3.1 输水距离及温度分布分析

管道输水过程中，水平方向距离约为43 km，竖直方向距离约为40 m，坡度较缓，所以可以将该输水过程看做水平输水过程。

输水管道末端海表面温度约为26℃，输水初始端温度在10℃以下，通过换算，得经度1°约跨88.72 km，纬度1°约跨111.3 km。

站点14的位置为122°12′418″E、37°33′100″N，站点8的位置为122°14′216″E、37°55′022″N，两个站点的经度差0°01′798″、纬度差0°21′922″，计算可得经度的距离差为2.659 km，纬度距离差为40.665 km，站点8和站点14之间距离约为40.752 km。假设两相邻站点间距离相等且各站点在一条直线上，则两相邻站点间距离约为6.8 km。

在具体的计算过程中，管外环境温度随距离的变化可以近似地用分段线性函数表示。

3.2 “冷量”损失分析

黄海冷水团的“冷量”利用过程，就是将黄海冷水团的冷水通过管道输送到岸上，并通过热交换或热泵等方式实现能量转移，从而达到夏季为建筑物制冷的效果。下文的输水方案以测点8～14所在断面为例，对冷水输送过程及其沿程“冷量”损失做简要分析。

3.2.1 管道热传导导致的“冷量”损失

假设输水速度恒定，管道外温度和管道内温度分别用两条折线表示，如图4所示。管道外部海水温度分布，可以用线性函数分段给出表达式，每一段上斜率表示为a(i)；管道内部的海水温度T1分布，可以近似地认为它也可以用线性函数分段表示，每段的斜率表示为c(i)。

图4 管内外温度变化示意图

下面我们具体分析由于热传导导致的管道内部海水“冷量”的损失。

我们选取一段长为S0的管道作为研究对象；T0为管道内部海水初始温度；T1为管道内水温；T为环境水温；v为输水速度；V为此段海水体积；A为此段的外表面积；Qt为单位时间内通过侧面积为A的管道所传递的热量；Q0为Qt关于时间的积分；海水密度为ρ；M为选取段海水的质量；h为管道厚度；d为管道直径(d≫h)；a、c为直线斜率；x为海水运动的距离。

3.2.2 水头损失导致的机械能转化为热能

(1)沿程损失

沿程损失的公式为

在x(i)到x(i+1)的区间内，

(2)局部损失

局部损失的公式为

虽然局部阻力ζ系数相对于沿程阻力系数较大，但本问题中输水管道路径在短距离内近似为直线，可认为不存在弯头；输水总长度较大，阀门密度(平均单位长度阀门数量)小，阀门导致的局部阻力可忽略；管与管之间接头存在少量局部阻力，管道直径较大状况下，取平均值后也很小，可忽略。 综上所述，局部损失的能量可以忽略。

(3)水泵机械搅拌做功

水泵机械搅拌做功所转化的能量相对于整个热传导过程很小，可以忽略。

3.2.3 “冷量”损失计算

由于

代入上式，可得

由上式，可得

这样，只要求出c(i)，就可以根据

利用编程可以将输水路径分成很多间隔相同的直线部分，这样，只要知道各个连接点的经纬度及温度分布情况，就可以计算出此连接点的管道内部温度，从而也就得出管道内海水温度由取水点输送到岸边的变化情况。将运行结果绘入温度随输水距离变化图中(图5)，可以看出：在8～14站点之间管外温度由8.2℃上升到20.3℃，管内温度由8.2℃上升到13.2℃左右，计算结果在情理之中。要想进一步探究管道内部海水温度的实际变化情况，需进行模拟实验。

图5 输水过程中管内外温度变化

3.2.4 降低输水过程中能量损耗措施

根据以上分析和计算结果，提出如下降低输水过程中能量损耗的措施。

(1)降低输水管材的导热率。比如，在管道外壁上喷涂保温层或者在其他性能相差不大时，选取导热率小的管材。

(2)缩短输水路径长度。通过具体地分析与研究黄海冷水团的特性，优化输水路线，减小输水路径的长度。

(3)减小管内壁粗糙度。

(4)增大管内流速。增大流速会减少热传导导致的“冷量”损失，但会增加水头损失导致的“冷量”损失，可根据水泵等因素进行综合考虑。

(5)增大管道直径与厚度。

4 黄海冷水团开发利用前景展望

4.1 海水源热泵技术的开发背景

从20世纪60年代开始，瑞典的首府斯德哥尔摩就开始利用热泵技术进行区域供暖，这种对环境严格保护的做法使其保持着干净的海水、清新的空气和湛蓝的天空，成为世界上最美丽的城市之一。在斯德哥尔摩有60%的用户采用区域供暖系统，而其中50%是用的热泵，其他50%分别由燃油锅炉、电锅炉和少数燃煤锅炉进行峰期负荷调整，满足市场的供暖需求。1995年，斯德哥尔摩以波罗的海作为主要冷源的热泵供冷系统开始进行实际的市场运行。位于瑞典斯德哥尔摩市苏伦图那的集中供热供冷系统是目前世界上最大的集中供热供冷系统，其制热制冷能力为250 MW，可满足斯德哥尔摩市60%的制热制冷需求。瑞典热泵的成功应用也给我们国家推行水源热泵方面的技术应用提供了成功的典范。

我国有着1.8万km余的海岸线，以及众多的岛屿和半岛，海洋资源丰富，并已经进行了几十年的集中供热，积累了丰富的经验，有着较为完善的管网设计及管理经验。20世纪40年代中期瑞典引进区域供热技术，积累了40多年的集中供热的经验后于90年代初引进集中供冷技术，其从区域供热到区域供冷的过程也对我国的集中供热供冷有着借鉴意义。据资料显示，我国黄、渤海地区海水温度最低的2月表面温度大都在2℃以上，这个温度达到热泵的运行条件，在瑞典同样的水温状况热泵的COP值能达到3左右，而且取水深度的降低可以减少管道安装成本[2]。在夏季，水深35 m处水温在12℃～14℃，受黄海冷水团等的影响，等温线更密集可以取得更低温度的海水。除小部分水温较低的地区外其余海域都有可能作为热源，而基本所有海域都可作为冷源。可见，我国沿海地区是有应用海水源热泵技术的条件的。

4.2 实地调查青岛地区海水源热泵技术的应用情况

青岛是我国沿海地区严重缺水的城市之一，地质以花岗岩、变质岩结构为主，储水能力差，不利于开发土壤热能；地下水自成一个闭合流域，无稳定外水汇入，储水量变化完全受大气降水影响，而青岛的年降水量并不高，且集中在6-9月，加上地下含水层浅隙少，储量少，大量抽取会造成地面塌陷和海水入侵，所以也不适合推广地下水源热泵项目；青岛三面环海，河流短浅，因此地表水并不丰富，地表水热泵在青岛也难以应用[3]。青岛属暖温带沿海季风气候，累年年均气温为12.2℃，累年月平均气温8月最高、1月最低，分别为25℃、-0.4℃，累年年均相对湿度为75%，累年各月有一定差异，累年平均风速为5.5 m/s。根据青岛的气候条件，冷热负荷相差不大，适合应用热泵技术[4]。空气源热泵受室外温度影响大，而对于海水源热泵，室外温度对海水温度的影响缓慢，与当地空气的最高和最低温度存在差别，这对热泵工作非常有利。而且，夏季海水温度低于空气，冬季则相反，这可以提高海水源热泵工作能效，可见海水源热泵更为稳定、高效。青岛有着丰富的海水资源，拥有近岸海域约13 000 km2，海岸线长约730 km。青岛冬季海水温度一般稳定在2℃以上，同时冰点温度也通常在-2℃左右。夏季海水温度在20℃～30℃，是非常好的冷却水，而且临近黄海冷水团，这都为采用海水源热泵技术提供了良好的条件。

在当前建设资源节约型社会和环境友好型社会的形势下，青岛地区依据自身优势开始研发应用海水源热泵技术。青岛新天地环保有限公司承建的青岛发电厂食堂及工会办公楼海水源热泵空调示范工程于2004年11月正式投入运行，填补了国内真正使用海水供热供冷技术的空白，随后，青岛奥帆中心、青岛小港湾蓝色经济产业基地(以下简称“小港湾”)、麦岛金岸等地也陆续建立试点工程。笔者所在的调研组以青岛地区已应用的海水源热泵工程为例展开调查，以了解该技术的应用现状，并预测其发展前景。此次调研小组走访的部门和试点工程包括：华电青岛发电有限公司、奥帆中心、小港湾、青岛市环保局以及青岛市供热办公室。

4.2.1 青岛市发电厂

青岛市发电厂是我国海水源热泵工程的第一个试点项目，于2004年建成并正式投入使用，目前由于旧厂改造原有管道拆除及该公司准备上三期工程而暂时停用。笔者所在的调研小组进入发电厂对曾经使用海水源热泵技术的职工食堂进行了参观，通过访问食堂工作人员了解之前的运行状况和实际效果，在相关人员的带领下于暂时停运的机房外透过窗户对热泵机组进行了参观，并采访了相关人员，了解了该工程的具体情况。

利用海水源热泵技术所建成的空调系统主要承担食堂(含厨房)及工会办公楼的供热、供冷要求，同时还提供职工浴室的洗澡热水。职工食堂建筑面积2 494.7 m2，共2层，1层层高5.0 m，建筑面积为1 589.5 m2，主要包括食堂工作间、配膳间、职工餐厅等；2层层高4.2 m，建筑面积为905.2 m2，主要包括活动室、娱乐室、会议室、图书馆、办公室等。邻近职工食堂建有职工浴室，需热水量为100 m3/d。职工食堂主要分就餐区和厨房灶间两部分，24 h营业。厨房灶间由于有蒸汽锅等散热量较大的设施、设备，冬季白天温度在26℃～28℃,需要制冷运行；晚上需要制热运行。为满足不同区域在同一时间对冷热的不同需求，该工程中在室内采用水—空气热泵机组，保证机组可以随时冷热切换，用“二管制”替代了“四管制”，从而节省了水管路的费用，而且方便运行管理。海水管道选用耐腐蚀的新型UPVC管材，换热器选用耐腐蚀性强的钛板换热器，循环水泵采用牺牲阳极的办法防止海水腐蚀泵体。本工程中实行变流量变温差的设计，选用了变频水泵。并且自主开发了相应的自动控制系统，使各个设备根据设定的情况自动运行，起到了很好的节能效果。2004年11月至2005年3月31日，经过整个冬季的运行测试，效果良好，经济效益明显。

笔者在走访餐厅职工时了解到，之前使用海水源空调时，夏季制冷效果非常明显，尤其是在厨房，现在暂停使用致使厨房无法降温，温度很高，对员工工作环境的舒适度有很大影响。员工们都表示在传统空调和海水源空调中更愿意选择后者，且期待海水源空调能早日恢复使用。可见当时该设备运行是很成功的，受到员工的普遍欢迎。只是由于刚刚开始使用新技术，在外观上并不美观，略显粗糙。

4.2.2 青岛奥帆中心

青岛奥帆中心的媒体中心是我国首家应用海水源热泵空调的公建筑。媒体中心位于第29届奥运会青岛国际帆船中心的最南端，紧邻大海，建筑面积8 189 m2。2006年海水源热泵机组在这里建设完成，主要用于夏季制冷；2008年1月，奥帆中心冬季首次采用海水源热泵空调系统供热。海水源热泵空调利用稳定的海水作为冷热源，为媒体中心供暖、制冷。通过3年多的空调季节使用，该系统运行稳定，节能效果明显。

奥帆中心所使用的热泵机组是购买于美国的间接式热泵机组，由于采用了钛合金板式换热器，所以成本较高，总投资为576万余元[5]。采用板式换热器的好处是海水不用直接进入机组便可以从中提取能量，从而可以很好地解决机组腐蚀问题，使用时间相对较长。传统空调投资约425万元，两者相比，海水源热泵技术投资较传统空调多了150多万元。但是，按目前试运行数据比较，海水源热泵技术运行费用约16.8万元/a，传统技术运行费用约28.56万元/a，每年可收回投资约12万元[6]。

海水源热泵技术、太阳能热力系统、风力发电系统曾向世人诠释了“绿色奥运、科技奥运、人文奥运”的理念，但笔者通过实际调研发现目前仍在投入使用的只有海水源热泵技术，包括奥帆赛媒体中心、奥帆赛博物馆和奥帆赛音乐厅在内的场馆都在使用该技术来供热制冷。笔者所在的调研组曾进入博物馆内进行调查，在博物馆大厅内有两个出气口，其制冷效果非常好，与厅外炎热的气温形成鲜明的对比。目前，在为确保大型活动顺利进行而安装的15台机组中，实际运行的只有7台左右，约一半处于闲置状态。但值得注意的是，海水源空调以其绿色环保、高效节能、运行费用低、系统利用率高等优势，逐渐走入人们的视野，为大众使用清洁、环保能源提供了一种选择。

4.2.3 小港湾

继青岛华电和奥帆中心媒体中心使用海水源热泵以后，小港湾办公楼成为另一个在青岛成功推广的海水源热泵应用项目。

青岛小港湾蓝色经济产业基地办公楼的海水源热泵工程建筑面积约1万m2，设计总冷负荷为931.9 kW，总热负荷730 kW，由海水源热泵主机及其附属设备、水源井及潜水泵、末端管网3部分组成。热泵机组选择了国产机组(山东富尔达生产的LSBLGR-770S机组)。该项目是青岛市首个采用海水直接进机组、不需要板式换热器的项目，总投资额比使用国外进口设备要减少30%。项目总投资额在240万元左右(包括末端)，根据设计要求，机组全年供热和供冷的电费控制在每平方米22元以内。除降低了费用外，没有板式换热器的机组可以大大提高海水的利用效率，cop值甚至可以达到3.3。但是没有板式换热器的机组也存在问题：腐蚀问题一旦没解决好，机组将面临报废，而采用板式换热器的机组海水不需进入机组，因此出现腐蚀时需要维修的也只是钛板换热器。目前，国外一般不采用海水直接进入机组的热泵技术。

笔者所在的调研组在小港湾会议室访问了相关人员，了解其运行的具体情况，同时亲身感受其制冷效果。会议室内温度很舒适，且末端设备设计的较为美观、大方。据介绍，室内温度可调，夏季每天运行10 h，每隔一段时间相关人员进行监测，记录机组运行状态参数。随后调研组成员跟随技术人员参观了热泵机组，该机组占地空间并不大，但在机房内机器运行的噪音较大，设备生产商可以考虑对此进行改进。小港湾海水源热泵项目，是青岛地区最讲究经济效益的项目，也是海逸景园的试点项目，它试运行的效果将直接关系到海水源热泵技术向居民区推广成功与否。

4.3 黄海冷水团开发利用前景分析

21世纪以来，全球能源消耗逐渐加剧，我们对化石能源的无限制利用注定将造成其枯竭的局面，并引起诸多的环境问题。因此，新型绿色能源已经成为各国关注的焦点，有些国家甚至把它作为主要的经济增长支柱。在我国，海洋能的利用尚处于起步阶段。随着我国理论知识的逐渐积累及海洋开发意识的增强，近年来我们已经在海洋能开发利用方面取得了很大的突破。但是对于大规模的海洋温差能利用工程，我国至今还没有提上日程。黄海冷水团的出现，为我们提供了一个契机。

黄海冷水团冷水储量巨大，离岸距离较近，对辽东半岛及山东半岛来说，是天然的能源宝库。黄海冷水团的开发利用，将极大地缓解辽东半岛及山东半岛的能源危机。此工程虽然前期投资较大，但是由于黄海冷水团长期存在，所以后期只需输入少量电能，便可以在夏季给大规模的建筑物“降温”，在冬季给建筑物提供热量。因此，从理论上来说，此工程不仅可行，而且具有很好的应用前景。

此外，笔者对青岛地区的温差能利用情况进行了实地调研。温差能利用的最好实例是海水源热泵的应用。通过走访青岛发电厂、奥帆中心、小港湾及环保局等海水源热泵技术的利用及推广单位，我们了解到，它不仅经济适用，而且制冷制热效果明显。然而，它的前期投入巨大，且对地理环境的要求很高，即使小规模的应用也具有很大的局限性。但是如果将黄海冷水团的冷水抽取上岸，并借助陆上输水管路系统，将从根本上解决地理环境的局限。再辅以政府部门的经济投入、大力宣传，我国将会在温差能的利用方面迈进一大步。

5 结语

本文利用2011年8月份的出海调查数据，绘制了山东威海附近海域底部的温度分布图，分析了黄海冷水团西边界的空间分布特征。利用热力学及流体力学的知识，根据输水管道的基本参数，分析计算了在输水过程中海水的“冷量”损失，从而得出在输水过程中管道内部海水温度的变化特征。通过实地调研，了解了青岛地区温差能的利用情况，并据此探讨了黄海冷水团的开发利用前景。结果表明：黄海冷水团边界离岸较近，可根据调查海域的温度分布特征选取适当的取水点进行取水；夏季，在输水过程中管内海水温度仅仅升高了5℃～6℃，末端海水可用于提取“冷量”；海水源热泵技术带来了巨大的经济和环境效益，为黄海冷水团的开发利用提供了现实基础。黄海冷水团的开发利用理应提上日程，为我国海水温差能的利用迈进坚实的一步。

[1] 冯士筰,李凤岐,李少菁.海洋科学导论[M].北京：高等教育出版社,1999.

[2] 蒋爽,李震,端木琳,等.海水热泵系统的应用及发展前景[J].资源与发展，2005(5)：31-35.

[3] 李金伟.海水源热泵特性分析及其在青岛地区的应用[J].煤气与热力,2011(3)：A07-A11.

[4] 邢秀强,王海英.海水源、地源热泵在青岛应用的可能性[J].煤气与热力,2007(7)：69-72.

[5] 佚名.海水空调风力发电 岛城低碳经济风生水起[Z].2009.

[6] 孙邦君，李丰会.海水源热泵技术在青岛奥帆基地媒体中心工程中的应用[J].施工技术,2010(7)：73-76.

The Estimation and Exploitation of the Huanghai Sea Cold Water Mass in Summer

YU Huaming1，2,YU Wensheng3,ZHANG Jian4,YU Haiqing1,2,WANG Kaidi1,2，LU Lyu1，2

(1.Ocean University of China,College of Physical and Environmental Oceanography,Qingdao 266100，China;2.Physical Oceanography Laboratory,Ocean University of China,Qingdao 266003，China;3.North China Sea Branch of State Oceanic Administration,Qingdao 266033,China;4.Qingdao Institute of Marine geology,Qingdao 266071，China)

The exploration for the exploitation of renewable energy is getting more and more important for economic development nowadays.In this paper，the west boundary characters of the Huanghai Sea Cold Water Mass was described by picturing the temperature distribution using the data got in August，2011.According to the basic theory of thermodynamics and hydromechanics，the variation of the temperature of flowing cold water was worked out on condition that some minor influencing factors were ignored.In addition，the exploitation prospect of the Huanghai Sea Cold Water Mass was discussed by doing a research on the development of seawater source heat pump in Qingdao.The major conclusions of this paper were shown as follows: the edge of the Huanghai Sea Cold Water Mass is close to the shoreside (about 20 to 40 km)，the cold energy loses little in the heat transfer process and the inside-pipeline-temperature is just 5℃ or 6℃ higher than the initial temperature.Besides，the development of Seawater source heat pump in Qingdao is relatively matured and the use of this technology is expanding.All these can provide a foundation academically and realistically for the exploitation of the Huanghai Sea Cold Water Mass.

Huanghai Sea Cold Water Mass，Temperature distribution，Cold energy losing，Seawater source heat pump

2016-01-26；

2016-06-20

于华明,副教授，博士，研究方向为海洋能资源评估、海洋潮汐、数值模拟，电子信箱：hmyu@ouc.edu.cn

张剑，助理研究员，硕士，研究方向为海洋地质、工程地质、海洋环境、沉积动力，电子信箱：yuzu79@sina.com

P7

A

1005-9857(2016)07-0110-08