東江湖庫(kù)區(qū)地表水地源熱泵系統(tǒng)的可行性與應(yīng)用

朱曉保

摘 要：東江湖水庫(kù)位于湖南省郴州市，是“東江水電站”的蓄水水庫(kù)。其水量、水溫、水質(zhì)和供水穩(wěn)定滿足地表水地源熱泵系統(tǒng)的要求，夏季水溫較低、冬季有火力發(fā)電的工業(yè)熱水，使得其優(yōu)勢(shì)明顯。在具體的應(yīng)用的也取得了較好的效果。

關(guān)鍵詞：東江湖；地表水地源熱泵；溫差制冷；水庫(kù)冷源

“地源熱泵”的概念最早在1912 年由瑞士的專家提出，是通過(guò)輸入少量的高品位能源實(shí)現(xiàn)由低品位熱能向高品位熱能轉(zhuǎn)移。地表水式地源熱泵問(wèn)世于20世紀(jì)30年代，是地源熱泵中最早使用的熱泵系統(tǒng)的一種。該系統(tǒng)通過(guò)布置在水底的閉合換熱系統(tǒng)與江河、湖泊、海水等進(jìn)行冷熱交換。它利用水下穩(wěn)定的溫度和顯著的散熱性，不需鉆井挖溝，初投資最小，是簡(jiǎn)單、環(huán)保的供冷、暖方式。

1 東江湖庫(kù)區(qū)的水文、水質(zhì)特征

東江湖位于湖南省東南部的資興市境內(nèi)，屬國(guó)家級(jí)禁止開發(fā)區(qū)域。自1986年蓄水以來(lái)，充分發(fā)揮了湖南省重要飲用水源地、湘江生態(tài)補(bǔ)水、防洪調(diào)峰、觀光旅游、保護(hù)生物多樣性和發(fā)電等綜合功能。

1.1 東江湖庫(kù)區(qū)水文、地質(zhì)特征

東江湖是湘江一級(jí)支流耒水河上游的一座大型水庫(kù)，是湖南省蓄積量最大的一級(jí)飲用水湖泊。流域面積4719平方公里，占耒水流域總面積的39.6%，水面面積160平方公里，總庫(kù)容97.4億立方米，正常蓄水81.2億立方米，平均水深51米，最深處達(dá)157米。

該地區(qū)多年平均氣溫16.9℃，極端最高氣溫38.6℃，最低（山頂）氣溫-7.5℃，多年平均降水量1325.2㎜。境內(nèi)山嶺層疊，最高海拔1691米，最低海拔180米。地勢(shì)第一級(jí)為河谷及階地、構(gòu)造陷落盆地和丘陵崗地，海拔500米以下，占總面積的22.65%，該級(jí)土質(zhì)深厚肥沃，現(xiàn)大部分為淹沒(méi)區(qū)。

1.2 東江湖庫(kù)區(qū)的水質(zhì)情況

主要入湖（庫(kù)）的河流有：浙水、滁水、資興江、漚江、淇江。各河流含少量平均為0.22千克每立方米，水溫多年平均為16℃左右。根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與《國(guó)家地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》，東江湖水質(zhì)良好。對(duì)東江湖多個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)分析，水質(zhì)達(dá)到或優(yōu)于《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》Ⅱ類水標(biāo)準(zhǔn)；小東江飲用水源符合《飲用水源水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)》Ⅰ級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。

但在東江湖流域52個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)中，只有3個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)建有污水處理設(shè)施，沿河集鎮(zhèn)的生活垃圾、生活污水均未經(jīng)處理直接排入水體。流域內(nèi)分布著瑤崗仙礦、汝城小垣—井坡礦區(qū)，多為本地資源粗加工為主的小企業(yè)。這些廢水都排入東江湖流域，廢水中含有害物質(zhì)對(duì)水質(zhì)影響較大。

2 東江湖庫(kù)區(qū)應(yīng)用水源熱泵系統(tǒng)的可行性分析

東江湖庫(kù)區(qū)地能用于地表水地源熱泵系統(tǒng)的水量充足、水深較大。相對(duì)于庫(kù)容量而言，來(lái)水及泄水的水量比例不大。太陽(yáng)輻射全年不是太大，氣溫較低、地溫與水庫(kù)水溫相近，庫(kù)表水體的吸放熱終年變化不大。和大部分容量大而且較深的發(fā)電用水庫(kù)一樣，東江湖溫度分層是非常明顯的。東江湖的水溫適合地表水地源熱泵系統(tǒng)的要求。

水質(zhì)穩(wěn)定，達(dá)到國(guó)家Ⅰ級(jí)標(biāo)準(zhǔn)或Ⅱ類水標(biāo)準(zhǔn)，只需要進(jìn)行簡(jiǎn)單的過(guò)濾處理就可以凈化，滿足要求。由于水體的酸堿度適中，在交換熱量的過(guò)程中，水體對(duì)管道的腐蝕不大，也不容易產(chǎn)生水垢。整體來(lái)看水體質(zhì)量對(duì)管道和換熱系統(tǒng)使用壽命的影響不大。但也需要注意控制上游生活污水和禁止礦產(chǎn)的粗放開發(fā)。

需要特別指出的是小東江河流段夏季排水溫度低于氣溫，這就給制冷空調(diào)提供了可利用的自然溫差源 。東江水庫(kù)下排水從庫(kù)內(nèi)水深約 50 m 處排出，最高出水溫度為 14.4℃（ 10月） ， 最低出庫(kù)水溫為11.8℃。受東江水庫(kù)的底層水排出的影響，小東江及鯉魚江流程幾十里河水水溫終年變化不大，常年水溫維持在 13-18 ℃，夏季水溫在 13-15 ℃的時(shí)間居多，制冷可用溫差達(dá) 11-13 ℃。

3 東江湖庫(kù)區(qū)地表水地源熱泵系統(tǒng)應(yīng)用

東江湖庫(kù)區(qū)冬季氣溫不高，水溫分布均勻，在10 ℃左右，相對(duì)郴州冬季3-10℃的平均氣溫而言，具有一定的采暖意義。夏季水溫分層明顯，可以分為溫水層、 溫躍層和冷水層。水面25m以下水溫穩(wěn)定在10℃ 以下，完全能滿足民用建筑的制冷要求。

理想的制冷循環(huán)是逆卡諾循環(huán)，它的能效系數(shù)只與循環(huán)的高、低溫?zé)嵩礈囟燃捌洳铑~有關(guān)。對(duì)于制冷用空調(diào)而言，當(dāng)房間溫度一定時(shí)，室外冷源的溫度越低，則空調(diào)的能效系數(shù)越大。對(duì)于供熱用空調(diào)而言，當(dāng)供熱房間溫度一定時(shí)，室外蒸發(fā)器的熱源溫度越高 ，供熱系數(shù)越大。在郴州地區(qū)煤炭資源豐富，在東江湖的下游建立了火力發(fā)電廠，電廠冷卻循環(huán)水的水溫較高，又可以在冬季采暖的過(guò)程中發(fā)揮較好的效果。正是這樣獨(dú)特的條件，是的東江湖庫(kù)區(qū)的地表水地源熱泵系統(tǒng)的效果可以最大程度發(fā)揮。

蔣愛(ài)華和梅熾的《水庫(kù)溫差能在制冷空調(diào)中的利用研究》一文中提到：位于東江湖下游的鯉魚江電廠的空調(diào)系統(tǒng)既是以河水為冷源的空調(diào)系統(tǒng)。該空調(diào)系統(tǒng)夏季利用東江水庫(kù)排水作為冷媒直接對(duì)全廠供冷，冬季采用該廠發(fā)電用蒸汽輪機(jī)的抽汽加熱河水供熱。該系統(tǒng)的受益范圍為全廠生活區(qū)和辦公區(qū)，設(shè)計(jì)總冷負(fù)荷為4350kW，總熱負(fù)荷為3970kW。該項(xiàng)目總投資745萬(wàn)元，與普通的同規(guī)模集中空調(diào)系統(tǒng)相比，節(jié)約投資超過(guò)1000萬(wàn)元，每年可節(jié)約運(yùn)行費(fèi)用100多萬(wàn)元，節(jié)能效果顯著。

4 結(jié)論

東江湖庫(kù)區(qū)水量豐富、水質(zhì)較好，適合地表水地源熱泵系統(tǒng)的應(yīng)用。作為一座大型發(fā)電水庫(kù)，水溫分層分布，在水體較深處排除的發(fā)電用水的水溫基本恒定，具備冬暖夏熱的供冷熱條件。而有火力發(fā)電廠位于流域的下游，更把這種優(yōu)勢(shì)發(fā)揮得更大。但目前東江湖庫(kù)區(qū)地表水地源熱泵系統(tǒng)的應(yīng)用并不多，一是因?yàn)樽鳛閲?guó)家級(jí)禁止開發(fā)區(qū)，東江湖主體湖面周圍的社區(qū)和工廠都已經(jīng)搬遷，需要供冷熱的建筑物不多。二是因?yàn)樵谫Y源型地區(qū)，而地表水地源熱泵系統(tǒng)初裝成本太高，大家的供冷熱的習(xí)慣還停留在原來(lái)的思維上。因此，要發(fā)揮好東江湖庫(kù)區(qū)地表水地源熱泵的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，要解決長(zhǎng)距離的換熱過(guò)程中能量散耗的問(wèn)題；要開發(fā)小型、低成本地源熱泵系統(tǒng)；也要加大節(jié)能環(huán)保的宣傳更新理念。

參考文獻(xiàn)：

[1]蔣愛(ài)華，梅熾.水庫(kù)溫差能在制冷空調(diào)中的利用研究[Z].暖通空調(diào)，2004（03）.endprint