海底隧道滲水余熱利用

金吉釗 張琳杰 李俊達 青島能源熱電集團有限公司

1 項目概況及所需冷熱負荷

1.1 現有情況摸排

青島膠州灣隧道南起黃島區薛家島，北止團島云南路、四川路隧道口，全長7800m，其中陸域段3850m，海域段3950m，最深點是84.2m。由于海底隧道地處水面以下，海水深、壓力大，因此海水會大量滲入隧道的建筑層內。膠州灣隧道的滲透力度更大，因為隧道的最深處在海平面80m 以下，比國內外許多隧道要深很多，因此壓力也更大。

據統計，膠州灣隧道每天的滲水量約3100m3，這些滲水依靠水泵排出。隧道內部一共有3 個泵房，每個泵房內有3 臺大型水泵，一用兩備。全部水泵實現自動控制，只要水位到達限度，水泵就會自動抽水，所有滲入到隧道內的海水，都會由水泵抽出，通過專門的管道，把海水送到隧道進出口附近的地面，再順著溝渠流回大海。由于2#泵排水口位于部隊院內，無法利用，因此本次利用的滲水為1#和3#泵排水。

對隧道滲水水樣化驗，結果如下：黃島端陸地段滲漏水（3#泵房）水樣：電導率：2730，濁度：0.126，氯離子（mg/L）：624；海底區域段滲漏水（海底泵房）水樣：電導率：43320，濁度：0846，氯離子（mg/L）：17668。

化驗結果顯示：黃島端水樣屬于淡水；海底水樣屬于海水。黃島端排水為1#和3#泵房共同排水，為海水和淡水的混合水。

1.2 冷熱源供應

根據查閱往年歷史數據，黃島端的3#泵日均向外排水1650t，若使用水箱蓄水，則每小時可使用水量為68.75t。通過調研可知夏季海水最低溫度為20℃，冬季海水最低溫度10℃。由于蒸發器出水溫度在3.5 ～4℃時蒸發器有結冰風險，為最大利用海水熱量，本項目按照蒸發器出水溫度 5℃考慮，經過蓄水后海水每小時可以利用熱量為：Q=4.18×1000×68.75×1000×（10-5）=1436875000J=399kWh。

3#泵房每天平均啟泵時間8.5h，一般啟動30～40min，遇到海底1#泵房向3#泵房排水，啟動時間在60～90min。為計算水箱體積，選取最不利的啟動時間90min，此階段內排水量為V=1650/(8.5/1.5)=291m3。據此計算得知蓄水箱最小體積274m3，因此需新建水箱體積約為300m3。

1.3 所需冷熱負荷

隧道附近有新建體育館的規劃，根據體育館圖紙可知，館內游泳池用水和生活熱水對用熱的需求負荷為270kW，一年用能822GJ。

隧道附近的某酒店，建筑面積約為8000m2，共140 個房間。因場地內體育館建設需將酒店使用的6 臺額定制熱量為45kW的多聯機室外機進行移動重新安裝。選用一臺額定制熱量為113kW 的日立水源直膨機對其中的2 臺45kW 的室外機進行替換改造，室內機不改動，其余仍使用多聯機進行供熱供冷。

2 能源站方案設計

2.1 設備選擇

選取額定制熱量為297kW 水源熱泵和113kW 的水源直膨機，考慮到冬季海水水溫較低，建議采用直接進機組的形式，機組蒸發器采用鈦合金殼管式，增加機組的耐腐蝕。經現場調查可知隧道附近某酒店使用的多聯機品牌，為方便更換減少投資選用原品牌的水源直膨機進行替換，可以使原末端風機完美適配新建水源直膨機，不需要新投資。水源變頻多聯機系統室內機采用制冷劑直接蒸發技術，相比于水冷機組避免了二次熱交換所造成的換熱效率下降，大幅提高能效比。主要設備規格見表1。

表1 主要設備規格表

2.2 工程安裝

2.2.1 取水方式

考慮到當海水流量間歇變化時，為保障海水源熱泵系統連續穩定運行設置海水蓄水箱。海水水箱位置為海底隧道出口130m處放置，水箱放置在排水渠，3#泵向外排水為DN350 管道，水泵排水直接排入海水水箱。海水中氯離子濃度過高，水箱采用雙層鍍鋅鋼板中間保溫。

2.2.2 海水管材選用

考慮到海水中含有的腐蝕性離子濃度較高，擬采用的管網管材內涂環氧樹脂螺旋鋼管，該管道均具備較好的內防腐蝕性能，同時采用合理的外部防護措施都可以滿足本項目的海水取水管網要求。本項目需新敷設2 條DN150 海水管道，將海水從蓄水箱引至熱泵房，將熱泵房的海水出水排入排水渠，管道總長度為850m。

2.2.3 泵房位置及管道路由

兩臺海水循環泵安裝在蓄水箱旁的排水渠中，設備機組放置在新建體育館和酒店附近，有足夠位置安放機房。海水源熱泵機組出水口放置兩臺二次側低區循環水泵，沿廠區圍欄放置供回水管道，為DN125 管道，管道敷設為60m。從管道路由經過配電室處引出電纜沿管線路由到熱泵機房滿足設備機組供電。

2.3 技術方案

對能源站的工藝流程進行說明，能源站采用海水蓄水箱+水源熱泵+水源直膨機多種能源設備耦合的供熱供冷供生活熱水系統，系統流程圖見圖1。

圖1 系統流程圖

隧道滲水經水泵排至海水蓄水箱，冬季最低水溫為10℃，夏季最低水溫為20℃。生活熱水和泳池水加熱系統是由蓄水箱旁的海水循環泵將海水送至水源熱泵，熱泵提取海水的熱量滿足用熱負荷。冬季水源熱泵蒸發側供回水溫度為10/5℃，夏季蒸發側供回水溫度為20/15℃，全年冷凝側供水溫度為55℃，回水溫度為50℃。酒店部分房間的空調供暖供冷系統是由蓄水箱旁的海水循環泵將海水送至水源直膨機，冬季直膨機吸收滲水的熱量給酒店部分房間供暖，夏季直膨機將房間內的熱量轉移到海水中。冬季水源直膨機蒸發側供回水溫度為10/5℃，夏季冷凝側供回水溫度為20/25℃。最終保證冬季房間室內溫度達到20℃，夏季房間室內溫度不高于26℃。

水源熱泵和水源直膨機并聯接入海水蓄水箱送來的海水，通過調節閥門開度保證兩臺設備流量都能滿足使用。根據生態保護要求，海水被機組提取熱量后送至原排水渠。

3 效益分析

3.1 投資估算

由表2 可知本項目建設工程總投資金額約200.6 萬元。

表2 設備安裝投資估算表

3.2 運行費用估算

電費單價按照0.7 元/kWh 計算，改造后的酒店房間年入住率為30%，年供能量和運行能源費用見表3。由表3 可知，年直接能源成本為7.86 萬元。

表3 年供能量和運行費用

3.3 與空氣源熱泵供能方案比較

3.3.1 運行安全可靠性

海水源系統利用的海水溫度比較穩定，冬季最低溫度時仍能達到10℃以上。機組能夠有效利用海水中的熱量。空氣源系統中冬季空氣溫度低，達到零下10℃以下，機組無法有效利用空氣中的熱量，換熱器易結霜，制熱量下降且輸入功率變大，更耗能。

3.3.2 運行經濟性

空氣源熱泵系統投資約為60 萬元，年直接能源成本為13.1 萬元，年平均折舊和能源成本費用約為19 萬元。海水源系統年平均折舊和能源成本費用約為27 萬元。若青島市將可再生能源供能補貼政策延續，海水源供能系統可申請補貼，從而降低年平均成本費用，因此兩者經濟性相差無幾。

3.3.3 效益

使用海水源系統比使用空氣源系統年節省電量約為7.5 萬kWh，少排放二氧化碳59840kg，相當于多種了3264 棵樹。

4 結語

本項目選取1 個300m3的海水蓄水箱，選取1 臺額定制熱量為297kW 水源熱泵對隧道附近新建體育館的游泳池泳池水和生活熱水加熱，選取1 臺113kW 的水源直膨機對隧道附近某酒店的部分房間進行供冷供熱。

使用海水源系統供能投資約為200 萬元，年運行費用為7.86 萬元，與空氣源供能系統相比，具有良好的經濟效益和社會效益。

若該項目能夠成功實施，將成為全國首條海底隧道余熱利用項目，其減碳意義和宣傳影響力具有顯著的示范意義。