地表水源热泵发展中的问题

 ( 1) 基础水温数据不全。对取水点的水温数据, 国家没有准确的数据监测, 使得设计方不能明确取水点温度的全年变化情况。现有的数据过于粗糙, 难以适应地表水源热泵的设计需要。

 

  一般情况都是用已有的数据进行估算, 或者就一个工程进行测算。笔者设计使用黄浦江水的地表水源热泵的时候, 有的单位采用上海水文站的数据, 但是水文站的测试数据是上个世纪80 年代的, 已经达不到现在的要求。某些单位对工程取水点的温度也进行过专门的测试, 但是周期过长, 只测试几个月或者一年不一定能保证按此温度选择的热泵机组总能满足要求。

 

  由某一设计院或者出资方主导的测试, 在数据的共享性和权威性上, 也都难以满足要求。在没有详细数据的情况下, 设计方倾向于进行保守的估计, 所以一般会将系统选大, 这样反而造成了出投资以及运行费用上的浪费, 与使用水源热泵的节能目的也背道而驰。建议国家有关部门尽快出台相关措施, 对我国有使用地表水源热泵需要的水体进行不同深度的连续水温测试, 以供设计使用。

 

  ( 2) 国内对于地表水源热泵的研究相对滞后。目前国内对地表水源热泵基本都以具体的工程作为研究对象, 局限于这个项目的需要, 并没有把相关的研究进一步深入以及全面地考虑地表水源热泵的共性。国内关于地表水源热泵的研究论文数量也偏少, 笔者在中国期刊网上搜索2000 年以来的专门关于地表水源热泵的文章不超过10 篇, 数量远小于污水源热泵、地下水热泵、地源热泵和水环热泵的论文数。在国家大力推广各种节能技术的今天, 地表水源热泵作为一种很有前途的节能方式, 理应受到更大重视。建议国家或者学术机构建立专门的实验室或者实验台, 就地表水源热泵的各种问题进行专门细致的研究, 确立一套简单易行的行业设计方法, 以利于推广。

 

  ( 3) 地表水同其它形式相比, 热的延迟效应不明显。尤其在取水点不够深的时候更是如此。夏季气温最高的时候, 很有可能水温也最高, 机组的效率降低,出力下降, 如果要保证空调的需要, 就需要将机组选大。而在非高温时候, 空调负荷下降, 机组效率上升,造成机组降载过快, 浪费了制冷能力。根据目前的经验, 如果取水点不够深的时候, 可以设立喷泉, 制造人工景观的同时加速地表水的自然蒸发冷却, 降低水体温度。当然, 最好的方法还是和蓄冷技术相结合, 在夜间水体温度下降的时候制冷水或者冰, 用来补充高温时刻的出力不足。

 

  同样, 冬季运行的时候水温随气温变化的延迟也比较小, 在水面不结冰的冬冷夏热地区, 气温最低的月份水温也最低。以黄浦江为例, 1 月份黄浦江的最低温度低于4℃, 如果采用开式系统, 主机就有结冰的危险。这时需要对江水进行预热, 如果建筑物本身有中水或者建筑物附近有污水处理厂, 可以利用中水的热量来预热江水。也可以选择将一部分冷凝器端的热水旁通, 预热进水。

 

  ( 4) 冬季运行时大型离心机有可能不能工作。就目前数据来看, 大型离心式压缩机在进水温度低于8℃的时候很难开机。所以, 目前的工程多采用螺杆机组。

 

  这样, 如果工程比较大, 需要的冷量、热量比较多的情况下, 就面临着机器过多, 效率不高的情况。在一定情况下限制了大型地表水源热泵在大型工程中的应用。

 

  ( 5) 长途取水经济性。夏季工况依靠水的显热来带走热量, 取水量大, 如果取水点距离用水设备过远, 则不经济。因为水源往往低于地面, 而且取水点一般在水下, 把水送到机组要克服从取水点到机组的扬程以及阻力, 所以同样的水量条件下相比传统冷却塔系统, 冷却水泵的功率能耗要大幅度增加。如果水量巨大, 取水点距离机组过远, 可以采用低于取水点的地下机房, 这样水泵就只需要克服管路和设备的阻力, 但是这样必然会带来初投资的大幅度上升。此外, 热泵所产生的热水和冷水循环温差都不会太高, 这样会带来循环水量的上升。综合上面两部分泵的能耗, 有可能超过热泵机组能耗的40%, 这样综合系统性能COP 就从5.5 下降到4 以下。因此, 设计的时候必须特别注意水泵的能耗, 避免水泵能耗过高使系统失去节能的优越性。

 

  ( 6) 大规模应用时, 水体温度以及生态环境的影响未经过测试。1988- 06- 01 起实施的《地面水环境质量标准》中规定: 中华人民共和国领域内江、河、湖泊、水库等具有适用功能的地面水水域, 人为造成的环境水温变化应限制在: 夏季周平均最大温升不大于1℃, 冬季周平均最大温降不大于2℃。经过对南京城市河流的生态学进行初步研究后得出: 水域温度对微生物的数量和种群分布有着密切的相关性。

 

  现在国内关于地表水源热泵对水体环境的影响的相关研究刚刚开始, 还局限于进行CFD 数值模拟, 如果大量推广地表水源热泵的话, 会不会使水体本来的温度发生大幅度的变化而影响水生动植物的生存。现在的开式系统, 取水点一般在水下, 排水点在水面附近, 排水点的温度比较高, 高水温会引起藻类等植物以及其它微生物的大量繁殖, 也会大幅度增加设备结垢的危险, 使机组效率降低。

 

  ( 7) 开式系统和闭式系统的选择要仔细研究。开式系统是直接将地表水引入机组的蒸发器或者冷凝器进行直接换热。开式系统的优点在于省去中间换热环节,使换热效率提高。开式系统最大的问题在于结垢, 因为水要回灌入地表水系, 所以不能用化学方法加药, 现在一般采用反向冲洗等物理方法。闭式系统就是在地表水和机组之间设置一个二次换热的回路, 机组和地表水不直接接触, 没有结垢问题, 但是回路中的水在夏季会产生1～2℃的温升, 冬季会有同样幅度的温降, 在不利条件下使水温变得更加不利。闭式系统的水泵系统同开式系统相比能耗更低, 因为不必克服从取水点到机组的阻力。在冬季运行的时候闭式系统里面可以充防冻液, 没有结冰的危险, 这样可以取更大的进出水温差, 降低水量。举例来说, 如果冬季水体温度为5℃, 那么开式系统的温差至多可以是3℃, 因为2℃的水就有结冻的危险, 而闭式系统就可以取到5℃的温差。

 

  闭式系统的换热器在公共水体中, 如何防止损坏也需要考虑。而且, 目前的主机在空调工况和热泵工况之间无法进行机器内切换, 只能进行水侧切换, 这样, 如果采用开式系统, 就有泥沙或者微生物进入空调器的危险, 有可能对末端设备造成损坏, 并危害用户健康。

 

  ( 8) 取水点不在建筑物附近的时候, 业主需要承担管线以及水泵站的保养维护。在后期管理上所面临的问题可能阻碍地表水源热泵的应用。建议进行区域的供热、供冷规划, 由专门的公司负责运行。