引言

　　目前我國對于地源熱泵及水源熱泵的研究已經(jīng)較為成熟，土壤、地下水、井水等低位熱源作為熱泵系統(tǒng)的冷熱源得到了廣泛的研究與應(yīng)用。但是地源熱泵與水源熱泵的選擇受到當(dāng)?shù)氐刭|(zhì)及水源情況的制約，需根據(jù)實際情況慎重選用。對于我國各沿海城市來說，擁有廉價而豐富的海水，能否將之應(yīng)用于熱泵技術(shù)中，來解決城市的供暖與供冷問題，這將是暖通行業(yè)的又一研究課題。

　　1、國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

　　1.1國外研究現(xiàn)狀

　　目前，海水源熱泵的研究與應(yīng)用主要集中在中、北歐各地區(qū)，如瑞典、瑞士、奧地利、丹麥等國家，尤其是瑞典，其在利用海水源熱泵集中供熱供冷方面已有先進(jìn)而成熟的經(jīng)驗。位于瑞典斯德哥爾摩市蘇倫圖那的集中供熱供冷系統(tǒng)是目前世界上最大的集中供熱供冷系統(tǒng)，其制熱制冷能力為200MW，管網(wǎng)延伸距岸邊最長達(dá)20km.該工程建于八十年代中期，位于波羅的海海邊，是利用海水制熱制冷的典范，近幾年瑞典利用海水集中供熱供冷發(fā)展非常迅速，預(yù)計在未來十年中將突破500GWh的能力。

　　1987年，挪威的Stokmarknes醫(yī)院，建筑面積14000m2，采用了海水源熱泵來解決其漫長冬季的供熱問題，同時采用一臺燃油鍋爐來滿足其峰值負(fù)荷。該熱泵的供熱能力為2200MWh年。自運(yùn)行以來，每年可節(jié)能1235MWh[1]，節(jié)約運(yùn)行費(fèi)用？31，743，同時可減少CO2排放量800t，SO2排放量5.5t.

　　1992年Halifax濱海地區(qū)的Purdy‘sWharf辦公商用綜合樓，建筑面積69000m2.該地區(qū)每年大約有十個半月需要供冷，而其海水水下23m處全年水溫一般在10℃以下，因此該綜合樓采用了海水源熱泵系統(tǒng)為其供冷。經(jīng)過運(yùn)行證明，該熱泵系統(tǒng)較傳統(tǒng)制冷系統(tǒng)多投資的費(fèi)用在兩年內(nèi)即可回收[2]，具有明顯的節(jié)能效果。

　　此外2000年悉尼奧運(yùn)會的場館也使用了海水源熱泵技術(shù)。

　　1.2國內(nèi)研究現(xiàn)狀

　　在國內(nèi)，海水的利用主要集中在利用海水進(jìn)行工業(yè)冷卻上，近幾年海水的用途正在逐漸擴(kuò)大，已發(fā)展成為利用海水做溶劑、還原劑、除塵、飲用水、沖渣沖灰、洗滌凈化、水淬、試漏以及生活上使用海水沖廁所、沖洗地面、洗滌、消防等。

　　關(guān)于海水作為空調(diào)冷熱源的問題，1996年青島理工大學(xué)（原青島建筑工程學(xué)院）的于立強(qiáng)教授針對青島東部開發(fā)區(qū)14萬m2建筑的冷熱源選擇提出了建設(shè)海水冷熱源大型熱泵站的可行性分析。

　　2002年天津科技大學(xué)陳東博士提出以海水作為冷熱源，應(yīng)用大型的制冷＆熱泵系統(tǒng)，為沿海城市集中進(jìn)行冷暖供應(yīng)的方案，并進(jìn)行了一系列的分析說明。

　　但就目前為止，對于將海水應(yīng)用于城市集中供熱供冷的冷熱源方案都只局限于理論分析與構(gòu)想，缺乏實驗依據(jù)，更未應(yīng)用于工程實際中。

　　2、工程應(yīng)用

　　2.1工程背景

　　青島市是我國東部重要的經(jīng)濟(jì)中心城市、港口城市，是中國歷史文化名城和濱海旅游勝地，同時又作為北京2008年奧運(yùn)會的伙伴城市，具有世界窗口的作用。而目前奧帆賽所處的東部沿海一線，其高豎的煙囪及屋頂冷卻塔嚴(yán)重破壞了東部環(huán)境的美化，同時造成了環(huán)境污染，與綠色奧運(yùn)精神極不相符，因此為突出新青島、新奧運(yùn)的主題，青島市政府已經(jīng)著手進(jìn)行全面規(guī)劃，進(jìn)一步改善城市生態(tài)環(huán)境，逐步取消沿海一線的燃煤鍋爐，尋求新的、可再生的能源來為城市供暖與供冷。

　　由于青島地區(qū)的地質(zhì)以花崗巖、變質(zhì)巖結(jié)構(gòu)為主，儲水性能差，開發(fā)利用土壤能源存在一定困難；青島地區(qū)的地下水自成一個閉合流域，無穩(wěn)定客水匯入，儲水量豐欠變化完全受大氣降水影響，而地下含水沙層淺隙少，儲量少，因此利用地下水作為熱泵冷熱源不能提供可靠、穩(wěn)定的水量。而青島由于其天然的地理位置，處于山東半島南端、黃海之濱，三面環(huán)海，海岸線總長度為862km，海灣49處，海島69個，擁有近海海域1.38萬km2，海水資源非常豐富，為海洋資源的開發(fā)提供了廣闊的空間。

　　有鑒于此，在青島市政府大力支持下，借鑒瑞典先進(jìn)成熟的海水源熱泵集中供熱供冷的經(jīng)驗，青島市率先于2004年11月在青島某廠綜合樓建成海水源熱泵空調(diào)系統(tǒng)的試驗研究基地，并于2005年1月開始對該系統(tǒng)進(jìn)行實驗測試工作，以掌握并分析該系統(tǒng)的運(yùn)行特性，為該技術(shù)在我國沿海地區(qū)的推廣應(yīng)用提供可靠的實驗依據(jù)。

　　2.2工程概況

　　青島某廠綜合樓建筑面積2494.7m2，共2層，一層層高5.0m，建筑面積為1589.5m2，主要包括工作間、配膳間、餐廳等；二層層高4.2m，建筑面積為905.2m2，主要包括活動室、娛樂室、會議室、圖書館、辦公室等。原有建筑除餐廳設(shè)有三臺柜式空調(diào)機(jī)組外，其它功能房間均無任何空調(diào)設(shè)施。鄰近該綜合樓建有一浴室，需熱水量為100m3d，原設(shè)計是利用蒸汽換熱，將熱水儲存于一20m3的儲熱水箱內(nèi)，再提供給浴室使用。根據(jù)空調(diào)負(fù)荷計算，該綜合樓空調(diào)冷負(fù)荷為231.5kW，空調(diào)熱負(fù)荷為187.2kW，浴室最大熱負(fù)荷為273.5kW.

　　2.3系統(tǒng)方案[3]

　　經(jīng)過綜合比較分析，考慮到系統(tǒng)的示范性及今后的推廣價值，同時為確保熱泵機(jī)組的使用壽命，保證機(jī)組的穩(wěn)定正常運(yùn)行，確定在該試點工程中采用開式間接利用方式，即采用換熱器將海水與熱泵機(jī)組隔離開，利用循環(huán)水泵將海水通過輸送管道送至換熱器中，使其與熱泵回水在換熱器中實現(xiàn)能量交換，從而將海水的冷熱量傳遞給水環(huán)系統(tǒng)的循環(huán)介質(zhì)，再通過循環(huán)介質(zhì)將冷熱量在熱泵的蒸發(fā)器（或冷凝器）中傳遞給末端空調(diào)系統(tǒng)，而放出冷熱量的海水則通過排水管道輸送回海面。這種方式具有供熱制冷效率高，供水溫度穩(wěn)定的優(yōu)點，且由于與海水直接接觸的設(shè)備只有換熱器，若選擇耐腐蝕的板式換熱器，則可以方便的進(jìn)行清洗或更換[4，5].

　　該系統(tǒng)海水冷熱源來自于經(jīng)過過濾、殺菌、祛藻處理后輸送至廠內(nèi)取水口處的海水，該取水口位于離綜合樓200m遠(yuǎn)處。由于該廠自1936年以來就采用海水作為工業(yè)冷卻用水，其海水取水管路及海水處理設(shè)備配套齊全，海水外網(wǎng)取水口位于距海邊3km的大海中，海水處理設(shè)備集中布置在近海一側(cè)，從外網(wǎng)取水口來的海水通過輸送管道進(jìn)入海水處理機(jī)房，經(jīng)過過濾器過濾，再由電解海水法產(chǎn)生的次氯酸鈉殺死海水管路中的海生物幼蟲或蟲卵，然后輸送至廠內(nèi)取水口，再由廠內(nèi)取水口利用水泵送至各用水車間。因此冬夏季均可直接取用此取水口的海水作為空調(diào)系統(tǒng)的冷熱源。

　　2.4系統(tǒng)組成

　　海水源熱泵空調(diào)系統(tǒng)主要包括海水循環(huán)系統(tǒng)、水環(huán)熱泵系統(tǒng)及末端空調(diào)系統(tǒng)等三部分，其中海水循環(huán)部分由取水構(gòu)筑物、海水引入管道、海水泵站及海水排出管道組成。由于該系統(tǒng)直接取用廠內(nèi)取水口處的海水，因此海水循環(huán)系統(tǒng)僅包括海水引入與排出管道及海水循環(huán)泵。

　　該系統(tǒng)的主要設(shè)備包括海水循環(huán)泵、板式換熱器、二次網(wǎng)循環(huán)水泵、熱泵機(jī)組、電子水處理儀、補(bǔ)給水泵和補(bǔ)水箱等。同時配備一套自動控制裝置，檢測安裝于管道上的溫度傳感器測出的供回水溫度，轉(zhuǎn)化為電信號后在控制器中與設(shè)定值進(jìn)行比較，通過控制器控制一二次網(wǎng)循環(huán)水泵的變頻器，調(diào)節(jié)水泵輸入功率，達(dá)到節(jié)能的目的，同時便于運(yùn)行管理。

　　綜合樓空調(diào)系統(tǒng)選用吊裝式水－空氣熱泵機(jī)組，直接吊裝于走廊或空調(diào)房間內(nèi)，加熱浴室熱水的熱泵機(jī)組選用水－水式，落地安裝于空調(diào)機(jī)房內(nèi)。

　　2.5防腐及防海生物附著措施[3]

　　對于利用海水作為熱泵系統(tǒng)冷熱源這一問題，人們比較關(guān)心的技術(shù)問題主要是海水對設(shè)備和管道的腐蝕和海生物附著造成的管道和設(shè)備的堵塞等問題，由于該試點工程取用的海水已經(jīng)經(jīng)過集中處理，因此僅在以下三方面采取了措施：

　?。?）換熱器采用鈦板可拆式板式換熱器，其在防腐防生物附著方面的優(yōu)點主要體現(xiàn)在：①設(shè)備材料采用鈦鋼板，而鈦鋼具有強(qiáng)度高、傳熱效率高、耐腐蝕性強(qiáng)等優(yōu)點，因此應(yīng)用于海水循環(huán)系統(tǒng)中，不僅能夠達(dá)到很好的傳熱效果，而且可以解決海水對設(shè)備的腐蝕問題；②清洗或更換方便?？刹鹗綋Q熱器只要松動壓緊螺栓，即可松開板束或卸下板束進(jìn)行機(jī)械清洗，由于該熱泵空調(diào)系統(tǒng)中與海水直接接觸的只有換熱器，因此系統(tǒng)只有在換熱器處才會由于海生物的附著而堵塞，而采用可拆式換熱器則可以很好的解決這一問題。

　　（2）海水循環(huán)泵采用專用的耐腐蝕管道泵。

　?。?）海水取水和排水管采用UPVC管材。

　　圖1海水進(jìn)水溫度、二次網(wǎng)回水溫度

　　3實驗測試結(jié)果及分析

　　3.1測試儀器

　　超聲波流量計、溫度傳感器、溫度采樣器、水銀溫度計、功率表、TSI8386型多功能風(fēng)速計。

　　3.2冬季系統(tǒng)運(yùn)行情況測試

　　由于這一階段的測試數(shù)據(jù)較多，共90天的實驗記錄，因此這里只選取了1月5日至1月26日的數(shù)據(jù)作為分析對象，該階段系統(tǒng)處于自動控制運(yùn)行。期間熱水供應(yīng)系統(tǒng)未運(yùn)行。而海水供水溫度則變化比較平緩，最高供水溫度為4.3℃，最低供水溫度為3.2℃，平均供水溫度為3.8℃，從總體趨勢來看海水供水溫度較為穩(wěn)定。海水溫差和二次網(wǎng)溫差變化也比較穩(wěn)定，平均溫差分別為1.0℃和0.9℃，由于系統(tǒng)處于自動控制狀態(tài)，而一二次網(wǎng)的變頻泵是聯(lián)鎖的，且其流量基本相同，因此一二次網(wǎng)流體的流量變化趨勢相同，從而決定了換熱器兩側(cè)流體的換熱溫差相差不大。

　　換熱器兩側(cè)流體的換熱溫差比較小，其原因主要是因為系統(tǒng)設(shè)計時考慮了熱水供應(yīng)系統(tǒng)的熱負(fù)荷，其熱負(fù)荷占冬季設(shè)計總熱負(fù)荷的59％，而且根據(jù)自動控制系統(tǒng)的設(shè)定，當(dāng)海水溫度低于6.7℃時，一二次網(wǎng)循環(huán)水泵中定頻泵與變頻泵同時運(yùn)行，當(dāng)負(fù)荷變化時依靠變頻泵的調(diào)節(jié)能力來調(diào)節(jié)流量的大小，進(jìn)而使系統(tǒng)的供熱量滿足負(fù)荷的變化。由于在此期間，熱水供應(yīng)系統(tǒng)未運(yùn)行，而此時的海水供水溫度又低于6.7℃，因此系統(tǒng)循環(huán)水泵定頻變頻泵同時運(yùn)行，而變頻泵的調(diào)節(jié)能力有限，當(dāng)流量降至額定流量的60％時為變頻泵的最小流量，因此當(dāng)系統(tǒng)流量達(dá)到最小狀態(tài)仍不能滿足負(fù)荷降低的需求時，必然造成換熱溫差的降低，從而產(chǎn)生了大流量，小溫差的運(yùn)行狀態(tài)。

　　在測試中，選取了一層和二層各兩個典型房間進(jìn)行室內(nèi)溫度監(jiān)測，圖3表明在測試期間餐廳、工作間、辦公室以及圖書館的平均溫度分別為22.4℃、25.0℃、18.9℃和20.3℃，滿足空調(diào)房間的室內(nèi)溫度要求。

　　圖1說明淺海處海水溫度雖然較室外空氣溫度的變化穩(wěn)定，但也受到外界環(huán)境一定的影響，水溫較低，1月份的最高供水溫度僅為4.3℃。而板式換熱器的采用保證了系統(tǒng)可以在較低的換熱溫差下，提取海水中蘊(yùn)涵的低溫?zé)崮?，從而確保了整個系統(tǒng)冬季運(yùn)行的可靠性。

　　3.3流量改變時系統(tǒng)運(yùn)行性能參數(shù)的變化

　　4月1日至4月5日通過手動設(shè)定變頻器的輸入功率，從而調(diào)節(jié)一二次網(wǎng)循環(huán)水泵的流量，來研究流量的改變對系統(tǒng)其它運(yùn)行參數(shù)的影響。本次實驗測試了五種狀態(tài)下的工況，即頻率為50Hz，45Hz，40Hz，35Hz和30Hz的情況，測試時間從上午9：00開始至下午5：00結(jié)束，然后設(shè)定變頻器的輸入功率，改變系統(tǒng)的流量，并通過其夜間的運(yùn)行使工況穩(wěn)定，以利于第二日的測試，室外溫度則取測試期間的平均值作為計算參數(shù)。本階段測試期間職工食堂二層熱泵機(jī)組均未運(yùn)行。

　　測試結(jié)果列于表1中，從表1可以看出，隨著系統(tǒng)流量不斷減小，換熱器兩側(cè)流體的換熱溫差逐漸變大，同時系統(tǒng)性能系數(shù)提高。此時循環(huán)水泵輸入功率在系統(tǒng)總輸入功率中的比重減少（表2），說明在此系統(tǒng)中，循環(huán)水泵輸入功率是影響系統(tǒng)性能系數(shù)變化的一個重要因素，因此為提高系統(tǒng)的性能系數(shù)應(yīng)減少循環(huán)水泵的輸入功率，也就是使循環(huán)水泵處于小流量、大溫差的運(yùn)行狀態(tài)。

　　表2以4月1日的分析結(jié)果為對比基礎(chǔ)，隨著系統(tǒng)流量的改變，其最大流量工況與最小流量工況相比，系統(tǒng)性能系數(shù)從2.89提高到4.05，是最大流量時的1.57倍，系統(tǒng)單位時間耗電量減少了48.3％。由于最小流量工況測試日室外空氣溫度較高，系統(tǒng)供熱量較前四天小，僅為4月1日的71.4％，因此可以推出當(dāng)室外參數(shù)相同時，系統(tǒng)的性能系數(shù)將超過4.05，系統(tǒng)在小流量時具有較大的節(jié)能前景。

　　從表1換熱誤差可知，海水供熱量和二次網(wǎng)吸熱量之間的誤差在7.3％以內(nèi)，因此說明該階段的測試數(shù)據(jù)較為可靠。

　　3.4流量恒定時系統(tǒng)運(yùn)行性能參數(shù)的變化

　　從4月6日至4月11日，通過手動設(shè)定保持海水流量和二次網(wǎng)循環(huán)介質(zhì)流量穩(wěn)定不變，研究系統(tǒng)其它運(yùn)行性能參數(shù)的變化情況，此時海水變頻泵的頻率為40Hz，二次網(wǎng)變頻泵的頻率為35Hz.4月6日和4月7日兩天，由于天氣較暖，超過19℃，因此為降低工作間的溫度，部分熱泵機(jī)組處于制冷模式運(yùn)行；4月9日以后由于寒流的影響，室外空氣溫度驟降，一層全部熱泵機(jī)組均處于供熱模式運(yùn)行，該階段測試中二層熱泵機(jī)組均未運(yùn)行。

　　由于4月6日和4月7日系統(tǒng)同時供熱供冷，因此對于系統(tǒng)的性能不能用COP來評價，因此本文采用系統(tǒng)的綜合性能系數(shù)PF（PerformanceFactor）來評價，即在一段時間內(nèi)空調(diào)房間所得的總冷熱量與該段時間內(nèi)系統(tǒng)所消耗的總能量之比，4月9日至4月11日由于天氣較冷，熱泵機(jī)組均處于供熱模式運(yùn)行，因此對系統(tǒng)性能的評價仍采用COP.比較4月6日～4月8日系統(tǒng)的性能系數(shù)，當(dāng)系統(tǒng)處于定流量工況時，隨著室外溫度的升高，同時供熱供冷的工況與單獨的供熱工況相比，系統(tǒng)的性能系數(shù)PF要高于COP.從4月8日～4月11日的數(shù)據(jù)可知，系統(tǒng)的制熱性能系數(shù)COP隨著室外空氣溫度升高而下降，這是因為在該階段測試中系統(tǒng)的流量保持不變，循環(huán)水泵的輸入功率不變，而由于房間熱負(fù)荷隨著氣溫的升高而降低，因此為滿足熱負(fù)荷需求的減少，系統(tǒng)換熱溫差減少，此時系統(tǒng)從海水中的取熱減少，同時由于熱泵機(jī)組輸入功率的減少幅度小于供熱量的減少幅度，因此系統(tǒng)的COP降低。本文建議該系統(tǒng)過渡季的運(yùn)行適宜于同時供熱供冷的場合。

　　本系統(tǒng)從調(diào)試到正常運(yùn)行已經(jīng)持續(xù)了四個多月，且為全天不間歇運(yùn)行，從測試結(jié)果分析表明，海水作為熱泵系統(tǒng)熱源時，不像土壤源那樣存在溫度場的恢復(fù)問題，也無需像地下水源熱泵那樣考慮地下水的回灌問題，因此海水是沿海地區(qū)熱泵空調(diào)系統(tǒng)理想的熱源。

　　本文以海水源熱泵空調(diào)系統(tǒng)冬季及過渡季運(yùn)行工況作為研究對象，通過實驗數(shù)據(jù)分析海水作為熱泵系統(tǒng)熱源時系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性，并分析了系統(tǒng)運(yùn)行性能參數(shù)對系統(tǒng)的影響，得出如下結(jié)論：

　?。?）經(jīng)過冬季的運(yùn)行測試證明，海水源熱泵空調(diào)系統(tǒng)可以滿足室內(nèi)的供暖要求。

　　（2）從實驗結(jié)果分析知，1、2月份氣溫最低的冬季，海水供水溫度較室外空氣溫度要高，且供水溫度較為穩(wěn)定，而且根據(jù)海水溫度的逐時變化及日變化來看，海水在一天中極值溫度的出現(xiàn)較空氣溫度具有延遲性，其日變化也具有延遲性，這就保證了當(dāng)室外空氣溫度最低，系統(tǒng)需熱量最大時，海水的供水溫度不是最低，可提取的低溫?zé)崮茌^大，系統(tǒng)運(yùn)行可靠。

　?。?）通過系統(tǒng)流量改變的工況測試分析，循環(huán)水泵輸入功率占系統(tǒng)總輸入功率中的比重較小時，系統(tǒng)的性能系數(shù)較大，也即當(dāng)系統(tǒng)處于小流量、大溫差運(yùn)行狀態(tài)時，系統(tǒng)運(yùn)行工況最優(yōu)。

　?。?）定流量工況下，系統(tǒng)過渡季的運(yùn)行適宜具有同時供熱供冷的場合。

　?。?）海水源熱泵與土壤源熱泵相比，不存在溫度場的恢復(fù)問題，因此即使全天24小時不間斷的情況下長期運(yùn)行也不會對系統(tǒng)的性能系數(shù)產(chǎn)生很大的影響；

　　該系統(tǒng)從2004年12月開始調(diào)試至今未出現(xiàn)海水腐蝕和管路堵塞的問題，系統(tǒng)一直處于穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)，因此對于海水源熱泵來說只要解決好海水取水管網(wǎng)及設(shè)備的防腐及防生物附著問題，海水對于沿海城市來說是比較理想的熱源。

　　由于該系統(tǒng)測試時間從2005年1月1日起，因此對于夏季工況的測試還無法開展，因此需進(jìn)一步對該系統(tǒng)進(jìn)行全年測試，從而對系統(tǒng)的節(jié)能效果進(jìn)行全面的分析。