海水源热泵技术在大连地区发展现状分析

2016-11-30刘志斌张宇坤

绿色科技 2016年14期

关键词：端木源热泵热泵

范伟，刘志斌，张宇坤

(大连民族大学土木工程学院，辽宁大连 116650)

海水源热泵技术在大连地区发展现状分析

范伟，刘志斌，张宇坤

(大连民族大学土木工程学院，辽宁大连 116650)

从海水源热泵应用条件、发展前景、技术经济评价、环境效益、海水热扩散问题、系统运行状况、打井取水历程、排水温度和余氯排放对海水环境的影响、在养殖水体升温和废水余热回收中的应用以及太阳能-海水源热泵联合供暖系统性能等多方面对海水源热泵在大连地区的发展现状进行了分析，从搭建海水源热泵试验台、取水技术、施工技术及发展新型海水源热泵形式等几方面提出大连地区海水源热泵的发展方向。

海水源热泵；节能减排；大连；发展现状

1　引言

大连，一座拥有丰富海水资源的城市，其得天独厚的地理优势逐渐受到该地区学者的广泛关注。2005年11月，大连市被选为全国唯一的海水源热泵技术规模化应用示范城市[1]，标志着海水源热泵技术在大连地区的发展正式起步，就此，一项利用海洋资源的技术在大连应运而生。海水源热泵工作原理是将海水中存在的大量低品位能收集起来，借助压缩机系统做功，通过消耗少量电能，实现建筑物制热制冷的目的，此项技术在大连这座海滨城市的发展潜力巨大。

2　大连地区海水源热泵发展现状

大连地区最早开展海水源热泵技术研究的是大连理工大学端木琳课题组，在10多年的时间里取得了丰硕成果。

2004年，该课题组蒋爽等人从海水比热较大的特点出发，提出将海水源热泵应用于区域供热供冷，取代传统的锅炉房和冷冻机，使可再生能源在大连地区的利用成为可能。作者详细分析了瑞典斯德哥尔摩成功应用海水源热泵的实例，指出大连气候与斯德哥尔摩非常接近，海水源热泵技术有极大的应用空间，但作者也指出经验不能完全照搬，应该因地制宜，走规模化道路[2]。

2005～2006年间，该课题组成员对海水空调的发展前景做了详细分析，对海水源热泵空调系统和深水冷源空调系统各组成部分设计运行作了较为详细的介绍，重点对海水空调的经济性和环境影响做了分析，对比研究了两种系统与传统空调系统的能耗情况，结果表明海水空调的节能效果显著，说明海水空调在大连地区的应用是可行的，笔者还提出未来海水空调应从海水热扩散输移模拟、系统方案优化选择、经济分析与能源环境综合评价等方向发展[3,4]。2007年，对海水空调系统应用在单体建筑上的可行性进行了研究，利用费用年值法和追加投资动态回收年法，对传统空调系统和海水源热泵空调系统进行了对比，仅从经济性考虑，海水空调系统没有优势，如果给予其一定的电费优惠政策，采用热泵系统多增加投资费用的回收期为5年左右，此方案在经济上才可行。笔者还对新方案环境收益和能源利用效率进行了分析，结果表明，一年节约的一次能源为 290 t标准煤，5 t粉尘，4 t二氧化硫，2.3 t氮化物，800 t二氧化碳，1200 t淡水资源，环境改善效果明显[5,6]。

2006～2007年间，课题组评价了海水源热泵的技术经济性。张朝辉利用寿命周期成本法对大连市星海湾区域供冷供热项目的冷热源设计方案进行了评价，分析表明，利用海水源热泵方案在民用电价下的寿命周期成本比较低，方案可行，但本研究的LCC方法缺少成本估算和环境影响评价，是后续研究的方向[7]。李震对大连地区某疗养院海水源热泵系统与地源热泵系统及传统空调系统进行了技术经济对比分析，结果表明，海水源热泵空调系统初投资要低于地源热泵系统但是要高于传统冷水机组与城市热网联合运行的系统，由于本项目离海边特别近，地处偏僻没有城市热网，地源热泵系统的占地面积大，所以海水源热泵系统是最佳选择[8]。金权等介绍了大连某港口候船厅应用海水源热泵的案例，对其设计原理、运行方案和运行概况进行了详细阐述，分析了经济效益和环境效益，采用动态的技术经济学方法计算了系统的费用年值，并与城市热网供热、燃气锅炉、燃油锅炉和地源热泵进行了对比研究，由于此工程所在地无城市热网和燃气管道，且考虑环境效益的因素和国家可再生能源利用的政策，采用海水源热泵系统是最合理的[9]。

2007～2009年间，课题组成员对海水热扩散问题进行了深入研究。分别从二维及三维热扩散预测方法两方面报道了国内外的研究现状，指出对近岸海洋环境热扩散模拟的研究朝着更加精细化、可视化、智能化的方向发展，并提出海水温度对热泵系统的影响及取排水口结构形式的模拟是未来的研究方向[10]。分别对大连星海湾海水源热泵空调系统及小平岛海水源热泵区域供冷系统排水热扩散问题进行了二维模拟，计算了各自水域的流速场及温度场，流速的模拟结果与实测结果吻合较好，验证了模型的准确性，夏季工况的海水温升及冬季工况的海水温降均未超过国家规定的1 ℃，满足取排水要求，作者还指出要实现连续温排水的精细模拟，必须采用三维模型来实现[11,12]。

2009～2011年间，课题组详细研究了海水源热泵制冷制热的节能评价及影响因素。当海水源热泵区域供热系统比传统的区域锅炉房供热系统节能时，推导并计算出了海水热泵区域供热机组的制热系数节能临界值的表达式，结果表明，制热性能系数节能临界值不仅随锅炉热效率的提高而升高，而且还随区域供热半径的增加而增大，此外，该值还与海水热泵的设计参数有关[13,14]。分析了制冷机组能耗的影响因素，构建了基于动态规划理论的机组组合在供冷季内最小总能耗的计算模型，通过对某办公楼工程的计算，得到海水热泵机组方案能实现16.3%的节能率，不论是采用海水热泵机组还是普通水冷机组，最佳的机组组合策略都不是由2台相同规格的机组所组成的[15]。

2012～2013年间，课题组在大连多个地点应用海水源热泵进行了制热制冷实验研究，经计算得到，2013年冬季极端海水温度期间，所测试热泵机组的实际平均制热性能系数为2.43，相应工况下的系统平均制热性能系数为1.86，如果将实例工程的海水源热泵机组换成目前市场上已有的性能更好的产品，机组自身的制热性能系数能提高约34.2%，系统整体能效可提升约24.2%[16]。2012年供暖季机组和系统的平均制热性能系数分别为2.99和2.30，夏季“免费”供冷(热泵机组不开启)测试期间，系统的平均制冷性能系数为3.35。优化和改善海水取水点位置和保证海水蓄水池正常循环，既是满足设计要求的一个基本保证，也是提高海水源热泵系统运行效率的一个基本方法[17]。

端木琳课题组对海水源热泵技术在大连地区的应用进行了详细研究，成果显著。与此同时，大连地区的其他学者也开展了相关研究。

2009年付国栋等对位于大连星海商务区单机制热容量为8.3 MW的某再生海水源热泵原理、系统运行方式和运行状况进行了报道，对该系统冬夏季运行时一次网供回水温度、再生水温度、环境温度和制冷(热)量等进行了在线监测，并对系统的节能减排效果进行了分析。结果表明，系统各项参数运行良好，测试期间系统供热COP均在3.2以上，系统制冷COP均在4.0以上，是一种节能环保的冷热源形式[18]。

2010年王晓峰等以大连港大窑湾码头集装箱二期业务楼为例，介绍了通过打井取水应用海水源热泵技术的历程，确定了海水井取水的地理条件及距热泵的位置。采用耐海水腐蚀的玻璃钢材质替代传统钢材，试制成功具有过滤及反冲功能的除砂器，研发了海水井专用多孔水泥管井壁，改善了井水质量，提高了井的使用寿命等多项防腐措施。实施对地下热源的保护，将供暖初始相对温度较高的海水截流回灌，防止热资源初期无端地消耗和浪费[19]。

2012年刘凤丽以某海水源热泵项目为例，对排水温度变化及排水中含有的余氯等会影响排水海域生态环境的因素进行了研究。对工程海域二维潮流进行了数值模拟，结果表明，工程海域属强流区，水深流急，有利于污染物的稀释扩散。在温排水排放过程中，养殖区和保护区界线内的温升值可达0.1 ℃，远低于一类海水水质标准的限值，在冷排水连续排放期间，温降对海域环境的影响极其轻微，余氯排放对养殖区和保护区余氯浓度均低于0.0015 mg/L，不会构成污染损害[20]。

2014年李秀辰等将海水源热泵技术应用于养殖水体升温与废水余热回收中，首先将养殖废水通过预热器预热，而后送到蒸发器和冷凝器中发挥热源作用。探讨了养殖废水温度和流量对热泵的制热性能、养殖用水升温和废水余热回收效果的影响，结果表明，海水源热泵的制热性能随养殖废水温度和流量的增加而提高；养殖废水温度升高或流量减小，养殖用水升温和废水降温幅度均随之增加。另外，利用 10.5～14.6 ℃的养殖废水作热源时，海水源热泵对养殖用水的升温费用比燃煤(油、气)锅炉和电加热分别降低 0.36、2.91、5.86 和5.68 元/t，每年比燃煤锅炉减排二氧化碳 2.7～7.3 t[21]。姜海元等阐述并分析了大连星海国际展览中心空调系统的具体设计方案，其中，海水源热泵作为空调供暖热源，市政区域海水源热泵热水(60 ℃/50 ℃)经过板式换热器换热成58 ℃/48 ℃ 的热水使用，供热效果较好[22]。原鹏丽等构建了太阳能-海水源热泵联合供暖系统，以大连地区为例，采用TRNSYS软件对系统进行模拟计算，并对其节能效益进行评价，结果表明，蒸发温度提高，热泵机组的制热量和COP值随之提高；热泵机组平均制热性能系数COP为4.41，系统平均 COP值为2.96；太阳能-水源热泵系统相对于常规供暖系统，节约一次能源541231 kW·h，系统节能率为25. 8 %[23]。

3　大连地区海水源热泵发展方向

大连地区的诸位学者已对海水源热泵做了大量研究，但对于海水取水技术、取水温度、施工技术等问题并未做详细阐述，这将是今后大连地区海水源热泵发展的新方向。

(1)搭建海水源热泵实验室，利用室内试验结合数值模拟的方式直观系统的研究热泵性能；

(2)研究取水方式、取水口形式、水温、水质和水量等海水取水技术参数，这些参数直接影响着海水源热泵系统运行效果；

(3)相比于其他形式热泵系统，由于海水资源具有易腐蚀和易污染的特殊性，造成了施工复杂的特点，需针对性的掌握海水源热泵系统施工技术；

(4)大力发展太阳能-海水源热泵联合供热供冷系统，综合利用太阳能与热泵两种节能方式，将节能效益得以充分发挥；

(5)研究吸收式海水源热泵系统性能，评价其节能效果。

4　结语

本文分析了大连地区海水源热泵系统的应用现状。首先，详细介绍了端木琳课题组研究成果，2004年开始至今，该课题组从海水源热泵应用条件、发展前景、技术经济评价、环境效益、海水热扩散问题、节能判据分析及实例应用等多方面对海水源热泵系统进行了详细研究，海水源热泵节能效果显著，已在大连多地开展应用。其次，介绍了大连地区其他学者的研究成果，包括：海水源热泵系统运行状况、打井取水技术发展历程、排水温度和余氯排放对海水环境的影响、在养殖水体升温和废水余热回收中的应用、海水空调系统性能以及太阳能-海水源热泵联合供暖系统性能，应用领域逐渐扩大。最后，提出了搭建海水源热泵试验台、研究取水技术、掌握施工技术及发展新型海水源热泵形式等是大连地区海水源热泵的发展方向。

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