海水源熱泵技術在大連地區發展現狀分析

范 偉，劉志斌，張宇坤

(大連民族大學 土木工程學院，遼寧 大連 116650)

?

海水源熱泵技術在大連地區發展現狀分析

范 偉，劉志斌，張宇坤

(大連民族大學 土木工程學院，遼寧 大連 116650)

從海水源熱泵應用條件、發展前景、技術經濟評價、環境效益、海水熱擴散問題、系統運行狀況、打井取水歷程、排水溫度和余氯排放對海水環境的影響、在養殖水體升溫和廢水余熱回收中的應用以及太陽能-海水源熱泵聯合供暖系統性能等多方面對海水源熱泵在大連地區的發展現狀進行了分析，從搭建海水源熱泵試驗臺、取水技術、施工技術及發展新型海水源熱泵形式等幾方面提出大連地區海水源熱泵的發展方向。

海水源熱泵；節能減排；大連；發展現狀

1　引言

大連，一座擁有豐富海水資源的城市，其得天獨厚的地理優勢逐漸受到該地區學者的廣泛關注。2005年11月，大連市被選為全國唯一的海水源熱泵技術規?；瘧檬痉冻鞘衃1]，標志著海水源熱泵技術在大連地區的發展正式起步，就此，一項利用海洋資源的技術在大連應運而生。海水源熱泵工作原理是將海水中存在的大量低品位能收集起來，借助壓縮機系統做功，通過消耗少量電能，實現建筑物制熱制冷的目的，此項技術在大連這座海濱城市的發展潛力巨大。

2　大連地區海水源熱泵發展現狀

大連地區最早開展海水源熱泵技術研究的是大連理工大學端木琳課題組，在10多年的時間里取得了豐碩成果。

2004年，該課題組蔣爽等人從海水比熱較大的特點出發，提出將海水源熱泵應用于區域供熱供冷，取代傳統的鍋爐房和冷凍機，使可再生能源在大連地區的利用成為可能。作者詳細分析了瑞典斯德哥爾摩成功應用海水源熱泵的實例，指出大連氣候與斯德哥爾摩非常接近，海水源熱泵技術有極大的應用空間，但作者也指出經驗不能完全照搬，應該因地制宜，走規?；缆穂2]。

2005～2006年間，該課題組成員對海水空調的發展前景做了詳細分析，對海水源熱泵空調系統和深水冷源空調系統各組成部分設計運行作了較為詳細的介紹，重點對海水空調的經濟性和環境影響做了分析，對比研究了兩種系統與傳統空調系統的能耗情況，結果表明海水空調的節能效果顯著，說明海水空調在大連地區的應用是可行的，筆者還提出未來海水空調應從海水熱擴散輸移模擬、系統方案優化選擇、經濟分析與能源環境綜合評價等方向發展[3,4]。2007年，對海水空調系統應用在單體建筑上的可行性進行了研究，利用費用年值法和追加投資動態回收年法，對傳統空調系統和海水源熱泵空調系統進行了對比，僅從經濟性考慮，海水空調系統沒有優勢，如果給予其一定的電費優惠政策，采用熱泵系統多增加投資費用的回收期為5年左右，此方案在經濟上才可行。筆者還對新方案環境收益和能源利用效率進行了分析，結果表明，一年節約的一次能源為 290 t標準煤，5 t粉塵，4 t二氧化硫，2.3 t氮化物，800 t二氧化碳，1200 t淡水資源，環境改善效果明顯[5,6]。

2006～2007年間，課題組評價了海水源熱泵的技術經濟性。張朝輝利用壽命周期成本法對大連市星海灣區域供冷供熱項目的冷熱源設計方案進行了評價，分析表明，利用海水源熱泵方案在民用電價下的壽命周期成本比較低，方案可行，但本研究的LCC方法缺少成本估算和環境影響評價，是后續研究的方向[7]。李震對大連地區某療養院海水源熱泵系統與地源熱泵系統及傳統空調系統進行了技術經濟對比分析，結果表明，海水源熱泵空調系統初投資要低于地源熱泵系統但是要高于傳統冷水機組與城市熱網聯合運行的系統，由于本項目離海邊特別近，地處偏僻沒有城市熱網，地源熱泵系統的占地面積大，所以海水源熱泵系統是最佳選擇[8]。金權等介紹了大連某港口候船廳應用海水源熱泵的案例，對其設計原理、運行方案和運行概況進行了詳細闡述，分析了經濟效益和環境效益，采用動態的技術經濟學方法計算了系統的費用年值，并與城市熱網供熱、燃氣鍋爐、燃油鍋爐和地源熱泵進行了對比研究，由于此工程所在地無城市熱網和燃氣管道，且考慮環境效益的因素和國家可再生能源利用的政策，采用海水源熱泵系統是最合理的[9]。

2007～2009年間，課題組成員對海水熱擴散問題進行了深入研究。分別從二維及三維熱擴散預測方法兩方面報道了國內外的研究現狀，指出對近岸海洋環境熱擴散模擬的研究朝著更加精細化、可視化、智能化的方向發展，并提出海水溫度對熱泵系統的影響及取排水口結構形式的模擬是未來的研究方向[10]。分別對大連星海灣海水源熱泵空調系統及小平島海水源熱泵區域供冷系統排水熱擴散問題進行了二維模擬，計算了各自水域的流速場及溫度場，流速的模擬結果與實測結果吻合較好，驗證了模型的準確性，夏季工況的海水溫升及冬季工況的海水溫降均未超過國家規定的1 ℃，滿足取排水要求，作者還指出要實現連續溫排水的精細模擬，必須采用三維模型來實現[11,12]。

2009～2011年間，課題組詳細研究了海水源熱泵制冷制熱的節能評價及影響因素。當海水源熱泵區域供熱系統比傳統的區域鍋爐房供熱系統節能時，推導并計算出了海水熱泵區域供熱機組的制熱系數節能臨界值的表達式，結果表明，制熱性能系數節能臨界值不僅隨鍋爐熱效率的提高而升高，而且還隨區域供熱半徑的增加而增大，此外，該值還與海水熱泵的設計參數有關[13,14]。分析了制冷機組能耗的影響因素，構建了基于動態規劃理論的機組組合在供冷季內最小總能耗的計算模型，通過對某辦公樓工程的計算，得到海水熱泵機組方案能實現16.3%的節能率，不論是采用海水熱泵機組還是普通水冷機組，最佳的機組組合策略都不是由2臺相同規格的機組所組成的[15]。

2012～2013年間，課題組在大連多個地點應用海水源熱泵進行了制熱制冷實驗研究，經計算得到，2013年冬季極端海水溫度期間，所測試熱泵機組的實際平均制熱性能系數為2.43，相應工況下的系統平均制熱性能系數為1.86，如果將實例工程的海水源熱泵機組換成目前市場上已有的性能更好的產品，機組自身的制熱性能系數能提高約34.2%，系統整體能效可提升約24.2%[16]。2012年供暖季機組和系統的平均制熱性能系數分別為2.99和2.30，夏季“免費”供冷(熱泵機組不開啟)測試期間，系統的平均制冷性能系數為3.35。優化和改善海水取水點位置和保證海水蓄水池正常循環，既是滿足設計要求的一個基本保證，也是提高海水源熱泵系統運行效率的一個基本方法[17]。

端木琳課題組對海水源熱泵技術在大連地區的應用進行了詳細研究，成果顯著。與此同時，大連地區的其他學者也開展了相關研究。

2009年付國棟等對位于大連星海商務區單機制熱容量為8.3 MW的某再生海水源熱泵原理、系統運行方式和運行狀況進行了報道，對該系統冬夏季運行時一次網供回水溫度、再生水溫度、環境溫度和制冷(熱)量等進行了在線監測，并對系統的節能減排效果進行了分析。結果表明，系統各項參數運行良好，測試期間系統供熱COP均在3.2以上，系統制冷COP均在4.0以上，是一種節能環保的冷熱源形式[18]。

2010年王曉峰等以大連港大窯灣碼頭集裝箱二期業務樓為例，介紹了通過打井取水應用海水源熱泵技術的歷程，確定了海水井取水的地理條件及距熱泵的位置。采用耐海水腐蝕的玻璃鋼材質替代傳統鋼材，試制成功具有過濾及反沖功能的除砂器，研發了海水井專用多孔水泥管井壁，改善了井水質量，提高了井的使用壽命等多項防腐措施。實施對地下熱源的保護，將供暖初始相對溫度較高的海水截流回灌，防止熱資源初期無端地消耗和浪費[19]。

2012年劉鳳麗以某海水源熱泵項目為例，對排水溫度變化及排水中含有的余氯等會影響排水海域生態環境的因素進行了研究。對工程海域二維潮流進行了數值模擬，結果表明，工程海域屬強流區，水深流急，有利于污染物的稀釋擴散。在溫排水排放過程中，養殖區和保護區界線內的溫升值可達0.1 ℃，遠低于一類海水水質標準的限值，在冷排水連續排放期間，溫降對海域環境的影響極其輕微，余氯排放對養殖區和保護區余氯濃度均低于0.0015 mg/L，不會構成污染損害[20]。

2014年李秀辰等將海水源熱泵技術應用于養殖水體升溫與廢水余熱回收中，首先將養殖廢水通過預熱器預熱，而后送到蒸發器和冷凝器中發揮熱源作用。探討了養殖廢水溫度和流量對熱泵的制熱性能、養殖用水升溫和廢水余熱回收效果的影響，結果表明，海水源熱泵的制熱性能隨養殖廢水溫度和流量的增加而提高；養殖廢水溫度升高或流量減小，養殖用水升溫和廢水降溫幅度均隨之增加。另外，利用 10.5～14.6 ℃的養殖廢水作熱源時，海水源熱泵對養殖用水的升溫費用比燃煤(油、氣)鍋爐和電加熱分別降低 0.36、2.91、5.86 和5.68 元/t，每年比燃煤鍋爐減排二氧化碳 2.7～7.3 t[21]。姜海元等闡述并分析了大連星海國際展覽中心空調系統的具體設計方案，其中，海水源熱泵作為空調供暖熱源，市政區域海水源熱泵熱水(60 ℃/50 ℃)經過板式換熱器換熱成58 ℃/48 ℃ 的熱水使用，供熱效果較好[22]。原鵬麗等構建了太陽能-海水源熱泵聯合供暖系統，以大連地區為例，采用TRNSYS軟件對系統進行模擬計算，并對其節能效益進行評價，結果表明，蒸發溫度提高，熱泵機組的制熱量和COP值隨之提高；熱泵機組平均制熱性能系數COP為4.41，系統平均 COP值為2.96；太陽能-水源熱泵系統相對于常規供暖系統，節約一次能源541231 kW·h，系統節能率為25. 8 %[23]。

3　大連地區海水源熱泵發展方向

大連地區的諸位學者已對海水源熱泵做了大量研究，但對于海水取水技術、取水溫度、施工技術等問題并未做詳細闡述，這將是今后大連地區海水源熱泵發展的新方向。

(1)搭建海水源熱泵實驗室，利用室內試驗結合數值模擬的方式直觀系統的研究熱泵性能；

(2)研究取水方式、取水口形式、水溫、水質和水量等海水取水技術參數，這些參數直接影響著海水源熱泵系統運行效果；

(3)相比于其他形式熱泵系統，由于海水資源具有易腐蝕和易污染的特殊性，造成了施工復雜的特點，需針對性的掌握海水源熱泵系統施工技術；

(4)大力發展太陽能-海水源熱泵聯合供熱供冷系統，綜合利用太陽能與熱泵兩種節能方式，將節能效益得以充分發揮；

(5)研究吸收式海水源熱泵系統性能，評價其節能效果。

4　結語

本文分析了大連地區海水源熱泵系統的應用現狀。首先，詳細介紹了端木琳課題組研究成果，2004年開始至今，該課題組從海水源熱泵應用條件、發展前景、技術經濟評價、環境效益、海水熱擴散問題、節能判據分析及實例應用等多方面對海水源熱泵系統進行了詳細研究，海水源熱泵節能效果顯著，已在大連多地開展應用。其次，介紹了大連地區其他學者的研究成果，包括：海水源熱泵系統運行狀況、打井取水技術發展歷程、排水溫度和余氯排放對海水環境的影響、在養殖水體升溫和廢水余熱回收中的應用、海水空調系統性能以及太陽能-海水源熱泵聯合供暖系統性能，應用領域逐漸擴大。最后，提出了搭建海水源熱泵試驗臺、研究取水技術、掌握施工技術及發展新型海水源熱泵形式等是大連地區海水源熱泵的發展方向。

[1]田宇. 海水源熱泵系統在大連地區的應用[J]. 門窗，2015(1)：239.

[2]蔣爽，李震，端木琳，等. 海水熱泵系統的應用及發展前景[J]. 節能與環保，2005(10)：11～14.

[3]李震，端木琳，舒海文，等. 海水空調的發展及在中國應用前景分析[J]. 暖通空調，2005，35(11)：20～26.

[4]蔣爽，端木琳，李震，等. 海水空調-空調節能環保新技術[J]. 建筑熱能通風空調，2006，25(4)：28～34.

[5]端木琳，李震，舒海文，等. 海水源熱泵空調系統的經濟與環境評價研究[J]. 暖通空調，2007，37(8)：149～153，148.

[6]李震，端木琳，舒海文，等. 用于單體建筑的海水空調系統[J]. 可再生能源，2007，25(1)：89～92.

[7]張朝輝，李震，端木琳，等. 區域供冷供熱冷熱源方案的壽命周期成本分析[J]. 建筑科學，2007，23(4)：74～77，94.

[8]李震，端木琳，舒海文，等. 大連某療養院海水熱泵系統與傳統空調方案的技術經濟對比分析[J]. 建筑科學，2007，23(2)：92～95.

[9]金權，寇偉，王文桐，等. 大連某港口候船樓海水源熱泵系統的技術經濟分析[J]. 建筑科學，2007，23(10)：103～108.

[10]蔣爽，端木琳，王樹剛. 海水熱擴散研究進展與新問題分析[J]. 能源環境保護，2006，20(5)：5～9.

[11]端木琳，李震，蔣爽，等. 大連星海灣海水源熱泵空調系統熱擴散數值模擬研究[J]. 太陽能學報，2008，29(7)：832～836.

[12]李震，王薇薇，端木琳. 小平島海水源熱泵區域供冷溫排水熱擴散研究[J]. 山東建筑大學學報，2009，24(2)：164～167.

[13]舒海文，端木琳，李祥立，等. 海水源熱泵區域供熱系統的節能判據研究[J]. 西安建筑科技大學學報(自然科學版)，2009，41(4)：561～565.

[14]舒海文，端木琳，朱穎心，等. 海水熱泵區域供熱的節能判斷及影響因素[J]. 哈爾濱工業大學學報，2010，42(12)：1995～1998.

[15]舒海文，李祥立，端木琳，等. 基于動態規劃的海水熱泵機組組合節能評價[J]. 哈爾濱工業大學學報，2011，43(10)：139～142.

[16]舒海文，祝明睿，曾琦杰，等. 大連某海水源熱泵區域供熱系統的實測分析[J]. 暖通空調，2014，44(11)：62～66，74.

[17]賈欣，端木琳，舒海文，等. 黃海北部海水源熱泵供熱和免費供冷系統實測[J]. 制冷學報，2014，35(6)：42～46.

[18]付國棟，陳愛露，姜益強，等. 國內規模最大再生(海)水源熱泵系統運行狀況分析[J]. 建筑科學，2009，25(10)：93～97.

[19]王曉峰，王大方，洪光. 淺析大連港區海水源熱泵的應用[J]. 制冷與空調，2010，10(2)：84～87，79.

[20]劉鳳麗. 海水源熱泵項目排水對海域生態環境的影響[J]. 現代農業科技，2012，12：195～196.

[21]李秀辰，母剛，張國琛，等. 海水源熱泵在養殖水體升溫與廢水余熱回收中的應用效果[J]. 農業工程學報，2014，30(3)：142～148.

[22]姜海元，宋孝春，勞逸民，等. 大連星海國際展覽中心空調系統設計[J]. 暖通空調，2014，44(5)：46～50.

[23]原鵬麗，尹洪超，英鵬. 太陽能-海水源熱泵聯合供暖系統的模擬研究[J]. 節能，2014(4)：25～28，2.

2016-06-02

范偉(1988—)，男，助理工程師，碩士，主要從事建筑節能技術研究。

TU833+.3；P746

A

1674-9944(2016)14-0191-02