滲濾取水技術(shù)在海水源熱泵系統(tǒng)中的應(yīng)用

滲濾取水技術(shù)在海水源熱泵系統(tǒng)中的應(yīng)用由世俊，吳君華（天津大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，天津，300072）（yousj@）摘要：海水源熱泵系統(tǒng)以海水作為熱泵系統(tǒng)的冷熱源為建筑物進(jìn)行供冷和供熱。海水溫度是海水源熱泵系統(tǒng)應(yīng)用的重要參數(shù)，直接決定了熱泵系統(tǒng)的運(yùn)行成本。本文提出將滲濾取水技術(shù)應(yīng)用在海水源熱泵系統(tǒng)中，為熱泵系統(tǒng)提供水質(zhì)好且夏季溫度較低和冬季溫度較高的海水作為冷熱源，并結(jié)合工程實(shí)例對其技術(shù)和經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行了探討。該研究以期為在沿海地區(qū)推廣使用海水源熱泵空調(diào)系統(tǒng)提供新的思路。關(guān)鍵詞：海水源熱泵；淺層地?zé)崮?；冷熱?引言利用海水作熱泵的冷熱源為建筑物進(jìn)行供冷和供熱的系統(tǒng)為海水源熱泵系統(tǒng)。在沿海地區(qū)適當(dāng)推廣使用海水源熱泵技術(shù)供熱制冷，可節(jié)約供暖和空調(diào)所消耗的常規(guī)能源，緩解日趨緊張的能源壓力。海水作為冷熱源的技術(shù)難點(diǎn)包括海水腐蝕性要求取水、輸配及用水設(shè)備均要進(jìn)行防腐處理；海水容易滋生海生物要求取水系統(tǒng)進(jìn)行防海生物附著處理；海水含泥或沙要求較好的過濾和除沙處理以減少對設(shè)備的磨損；海水取水量要滿足用水要求；夏季水溫要低冬季水溫要高以利于系統(tǒng)運(yùn)行效率的提高等等，其中防腐蝕、防海生物附著和除沙過濾等技術(shù)目前已經(jīng)相對成熟。滿足供水量的前提下供水水溫是很重要的參數(shù)，它直接決定了熱泵系統(tǒng)的運(yùn)行效率及費(fèi)用，從而是選擇用海水作為熱泵系統(tǒng)冷熱源的重要因素。海水溫度在供暖期和供冷期溫度變化較大，且冬季溫度較低，甚至低于熱泵機(jī)組的最低溫度要求，而夏季溫度又較高。陸地土壤溫度隨著太陽輻射和大氣溫度的周期性變化而呈周期性變化，并隨著深度的增加，溫度變化越來越滯后⑴。在采暖季節(jié)，淺層土壤（1.6m以內(nèi)）平均溫度比氣溫至少高5。。2］°由于土壤的蓄能效應(yīng)，使得淺層土壤5m至恒溫層在一年內(nèi)溫度變化很小且溫度在11-16°C，這個淺層低溫的地能具有很強(qiáng)的可再生性。海水若能與該土壤層進(jìn)行換熱，其冬季水溫會升高，夏季水溫會降低，從而作為熱泵系統(tǒng)的冷熱源，熱泵機(jī)組運(yùn)行不僅安全性得以保障，效率也將會提高。基于上述分析，提出將滲濾取水技術(shù)用于海水源熱泵空調(diào)系統(tǒng)中，即海水不直接進(jìn)機(jī)組，而是通過滲流到海岸井后再用水泵將水供給機(jī)組，從而為機(jī)組在夏季提供更低水溫和冬季提供更高水溫的海水。此外，海水在滲流過程中，經(jīng)過土壤過濾，水質(zhì)也會更好。滲濾取水是地表水取水技術(shù)中的一種，在國內(nèi)外均有實(shí)際工程實(shí)例［3-16］。本文將針對某一實(shí)際建筑物，為其設(shè)計海水源熱泵系統(tǒng)進(jìn)行供冷和供熱。內(nèi)容包括：結(jié)合工程地點(diǎn)的實(shí)際水文地質(zhì)條件，進(jìn)行海岸井滲濾取水模型的建立;對所建立的模型進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證;設(shè)計工程所用的取水系統(tǒng)，并預(yù)測其供水水溫；最后與其它冷熱源方案進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性對比。1采用滲濾取水技術(shù)的海水源熱泵系統(tǒng)采用滲濾取水方式的海水源熱泵如圖1所示。地表海水在與海水相通的透水層中滲流進(jìn)入海岸井，期間經(jīng)土壤過濾且與土壤換熱。取水井設(shè)計時要離海盡量的近，保證海水為井水的直接和唯一的補(bǔ)給水源。海水通過透水層與土壤換熱后溫度在夏季降低或冬季升高5C左右，從而可以使海水在機(jī)組中與制冷劑換熱后的排水水溫基本接近海水溫度，對地表海水產(chǎn)生的熱污染盡量的小。

圖1海水直接補(bǔ)給地下水地源熱泵系統(tǒng)模型2擬建工程實(shí)例2.1工程概況工程地點(diǎn)位于天津港船閘所，使用單位為天津港設(shè)施中心。該設(shè)施中心包括庫房、技工車間、生活樓、辦公樓和會議室，總的建筑面積約1410m2,總冷負(fù)荷為267.33kW，總熱負(fù)荷為204.1kW。通過對工程地點(diǎn)的地質(zhì)條件勘測，該地點(diǎn)地面標(biāo)高為+4.4m，地面以下6m為人工回填粘土層，6-9m為人工回填貝殼土層，9m以下為淤泥質(zhì)粘土，具體土層結(jié)構(gòu)見圖2?，F(xiàn)擬采用采用滲濾取水技術(shù)為海水源熱泵空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行供水，用戶末端使用風(fēng)機(jī)盤管系統(tǒng)。2.2理論模擬采用滲濾取水技術(shù)的海水源熱泵系統(tǒng)幾何模型見圖2,其中抽水井直徑為0.4m。該取水系統(tǒng)為熱泵機(jī)組提供30m3/h的海水，供回水溫差設(shè)計為5°C。(a)平面圖

(b)剖面圖圖2(b)剖面圖滲濾取水系統(tǒng)屬多孔介質(zhì)中滲流換熱耦合模型，所以本文采用Fluent數(shù)值模擬軟件進(jìn)行模型的建立。由于所研究的滲流流態(tài)屬層流RS壓降和速度成比例，忽略對流加速以及擴(kuò)散，所以多孔介質(zhì)模型簡化為Darcy定律，見式(1)"］。=----v(1)“a對于多孔介質(zhì)中的傳熱，F(xiàn)luent仍然解標(biāo)準(zhǔn)能量輸運(yùn)方程，只是修改了傳導(dǎo)流量和過度項(xiàng)。在多孔介質(zhì)中，傳導(dǎo)流量使用有效傳導(dǎo)系數(shù)，過渡項(xiàng)包括了介質(zhì)固體區(qū)域的熱慣量，見式⑵四：(1)系問舟+(】-眼處)+京浮網(wǎng)=爵iJ.AjIj.Aj..Ij.Aj.!J.'+狀字箜+讀+【*點(diǎn)(2)Dr吼其中：hf為流體的焓；hs為固體介質(zhì)的焓；。為介質(zhì)的多孔性；Shf為流體焓的源項(xiàng)和Shs為固體焓的源項(xiàng)；多孔區(qū)域的有效熱傳導(dǎo)率keff是由流體的熱傳導(dǎo)率和固體的熱傳導(dǎo)率的體積平均值計算得到式(3)［18］：(2)焰=喊了+(1_洪(3)其中：kf為流體狀態(tài)熱傳導(dǎo)率；ks為固體介質(zhì)熱傳導(dǎo)率。2.3實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證S在工程地點(diǎn)做實(shí)驗(yàn)井(見圖2)，直徑0.4m，設(shè)計抽水量為45m3/h，實(shí)際抽水量受到海水潮汐水位變化影響在40-45m3/h之間波動，在理論模型里設(shè)定為平均值43m3/h。抽水換熱試驗(yàn)于2007年12月22日16:00開始，25日上午10:00結(jié)束，其中包括抽水過程的66小時和停止抽水后48小時【17】。

2S62902S92S7一實(shí)驗(yàn)值*模擬值2S62902S92S7一實(shí)驗(yàn)值*模擬值圖3水溫的實(shí)驗(yàn)值和模擬值對比將實(shí)驗(yàn)測試值和理論模擬值在相同工況下進(jìn)行比較，結(jié)果如圖3所示。從圖3可以看出，實(shí)驗(yàn)值的波動性很大，主要是水文測驗(yàn)誤差受野外環(huán)境影響較大。誤差主要來源有：由于受到海水潮汐水位變化影響，抽水量處于40-45m3/h波動；海水溫度雖然一天之內(nèi)變化很小，但是也有土0.5°C的波動誤差；潛水泵的散熱對抽水初期出水水溫也有較大影響。而理論模擬是在一系列條件假設(shè)下完成的:邊界條件設(shè)定為穩(wěn)態(tài)、抽水量為實(shí)驗(yàn)的平均抽水量43m3/h和海水溫度假設(shè)為平均海水溫度4.8C，所以模擬得到的溫度變化曲線沒有波動性，但是可以很好的反映水溫變化規(guī)律，且實(shí)驗(yàn)值和模擬值的誤差在合理范圍之內(nèi)，基本滿足工程應(yīng)用要求。2.4供水水溫預(yù)測為該工程設(shè)計滲濾取水系統(tǒng)，系統(tǒng)由兩個抽水井組成，井的直徑設(shè)計為0.4m，具體布置位置見圖2。在經(jīng)驗(yàn)證的理論模型上對設(shè)計的取水系統(tǒng)進(jìn)行供水水溫預(yù)測，采用不間斷供水工況，圖4為冬季供水水溫預(yù)測結(jié)果，圖5為夏季供水水溫預(yù)測結(jié)果。

295.0290.0285.0280；0題275.0-270；0265.0R0255.0圖4冬季供水水溫預(yù)測圖圖5夏季供水水溫預(yù)測圖圖4冬季供水水溫預(yù)測圖圖5夏季供水水溫預(yù)測圖從圖4看出，設(shè)計的滲濾取水井在冬季可以為熱泵機(jī)組提供的海水溫度高于地表海水水溫，尤其在供暖中期之前供水水溫比海水溫度高5°C以上。后半期雖然抽水井的供水水溫和海水水溫相當(dāng)，但是還是推薦采用井水作為熱泵機(jī)組的水源，因?yàn)橥ㄟ^土壤過濾后井水水質(zhì)明顯好于海水。從圖5看出，在供冷前半期，滲濾取水井可以為熱泵機(jī)組提供的海水水溫低于地表海水水溫4C以上。在供冷中期之后，井水水溫與海水溫度相當(dāng)且在供冷末期井水水溫略高于海水溫度，但是由于僅有1C左右的溫差，所以還是推薦采用井水作為熱泵機(jī)組的水源，原因同上。

3經(jīng)濟(jì)性分析表1冷熱源方案經(jīng)濟(jì)性對比單位：萬元冷熱濾方案4一年的運(yùn)行費(fèi)用4水冷螺桿機(jī)組+辱陵市岐恐網(wǎng)采曖q冷螺桿機(jī)組口18.5"供冷期電費(fèi)口5.-33^板式換熱器q0.311^供暖期電費(fèi)40.14^熱網(wǎng)增容費(fèi)q18.30^熱網(wǎng)使用費(fèi)『3：66^里庶甕費(fèi)和配電設(shè)施費(fèi)？17.32^總計49.13^配套管路和室內(nèi)設(shè)備費(fèi)用q45.90^總計點(diǎn)100.44^采用升式表面取水系統(tǒng)的海水源熱泵空調(diào)系統(tǒng)+冬季備用熱源〔電加魏器w加熱器q1.00^'供冷期電費(fèi)『4.47^地源熱泵機(jī)蛆q38.00^供暖期電費(fèi)供9.2"曳痍瓷費(fèi)和配電設(shè)施費(fèi)『47.13^總計913.配套管路和室內(nèi)設(shè)備費(fèi)用『45.W總計+j.該.03^不用滲濾取水系統(tǒng)的海水源熱泵空調(diào)系統(tǒng)『地源地泵機(jī)組戶■38.00^供冷期電費(fèi)44*卯井的構(gòu)建費(fèi)用7D潟M供暖期電費(fèi)『4.TW醵瓷費(fèi)和配電設(shè)施費(fèi)F14.05^?總計4904^配套管路和室內(nèi)設(shè)備費(fèi)用445.9CI4總計《98.70^按三種方案進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性比較，方案1：水冷螺桿機(jī)組+冬季板換市政熱網(wǎng)采暖；方案2：采用開式表面取水系統(tǒng)的海水源熱泵空調(diào)系統(tǒng)+冬季備用熱源（電加熱器）；方案3：采用滲濾取水系統(tǒng)的海水源熱泵空調(diào)系統(tǒng)。其中方案2,采用直接取海水作為空調(diào)熱泵系統(tǒng)的冷熱源，由于在冬季將近有40天左右時間的地表海水溫度低于2°C,所以采用電加熱器作為備用熱源，即在40天的時間內(nèi)直接采用電加熱器供暖，比較結(jié)果見表1。從表1可以看出，采用滲濾取水系統(tǒng)的海水源熱泵空調(diào)系統(tǒng)無論在初投資上還是運(yùn)行費(fèi)用上都要優(yōu)于其它兩種方案。4結(jié)論本文提出將滲濾取水技術(shù)用于海水源熱泵系統(tǒng)，并結(jié)合工程實(shí)例對其技術(shù)和經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行了探討，得出結(jié)論：海水通過與土壤換熱后作為熱泵熱源，不僅優(yōu)于直接采用海水作為冷熱源系統(tǒng)，還優(yōu)于傳統(tǒng)的冷水機(jī)組+城市熱網(wǎng)系統(tǒng)。除此之外，該系統(tǒng)水質(zhì)好，無需進(jìn)行防海生物附著處理。總之，滲濾取水與海水源熱泵耦合應(yīng)用系統(tǒng)具有初投資低、運(yùn)行效率高、環(huán)境影響小等優(yōu)點(diǎn)，為沿海地區(qū)使用的海水源熱泵空調(diào)系統(tǒng)提供一種新的冷熱源形式。滲濾取水技術(shù)通過滲透取水，既利用海水熱能，又利用淺層地?zé)崮?。本文研究結(jié)論以期為在沿海地區(qū)推廣使用海水源熱泵空調(diào)系統(tǒng)提供新思路。參考文獻(xiàn)范愛武，劉偉，王崇琦.土壤溫度和水分日變化實(shí)驗(yàn)[J].太陽能學(xué)報，2002,23(6)：721一724.畢月虹，陳林根.天津地區(qū)太陽能、土壤熱源的性能研究J].太陽能學(xué)報，2002,23(1):83一86.王勇，肖益民，陳金華等.開式地表水地源熱泵取排水方式研究[J].暖通空調(diào)，2008,38：124-127.⑷胡興義.輻射式滲濾井取水工程[J].四川電力技術(shù)，2001，4：31-32.戴陳.滲濾取水(滲流井、輻射井)技術(shù)在鐵路給水的應(yīng)用[J].成鐵科技,2005,4：39-42.陳永紅，姜應(yīng)和，河床滲井取水及供水設(shè)計一例[J]，中國農(nóng)村水利水電，2006,6：29-33.陳永紅，袁志宇，楊曉敏等.滲濾取水技術(shù)在浠水縣南城水廠的應(yīng)用[J]，中國農(nóng)村水利水電，2008，6：23-28.JonesAT,CampbellRL.Seawaterdesalination:ageneralizedmodelforfeedwaterintakes[C].OCEANS2005,ProceedingsofMTS/IEEE3(2005)2647-2651.TomPankratz.Anoverviewofseawaterintakefacilitiesforseawaterdesalination.</readings/desal/Seawaterdesal.pdf>.TomPankratz.Globaloverviewofseawaterdesalinationintakeissues.</documents/Pankratz%20-%20Global%20Overview%20of%20Intake%20Issues.pdf>,2008.8.16.ThomasPeters,DomenecPinto.Seawaterintakeandpre-treatment/brinedischarge一environmentalissues[J].Desalination,2008,221(1-3):576-584.S.Bou-Hamad,M.Abdel-Jawad,etc.Performanceevaluationofthreedifferentpretreatmentsystemsforseawaterreverseosmosistechnique[J].Desalination,1997(110):85-92.NikolayVoutchkov.Beachwellsvs.opensurfaceintake[J].WaterandWastewaterInternational,2004,19(4):22-23.NikolayVoutchkov.SWROdesalinationprocess:onthebeach-seawaterintakes[J].Filtration&Separation,2005,42(8):24-27.A.M.Hassana,A.T.M.Jamaluddina,etc.Investigatingintakesystemeffectivenesswithemphasisonaself-jettingwell-point(SJWP)beachwellsystem[J].Desalination1999(123):195-204.ElhamE1-Zanati,SherifEissa.Developmentofalocallydesignedandmanufacturedsmall-scalereverseosmosisdesalinationsystem[J].Desalination,2004(165):133-139.吳君華，由世俊，李海山.海水源熱泵系統(tǒng)取水技術(shù)試驗(yàn)[J].天津大學(xué)學(xué)報，2009，42(1):78-82.FluentIncorporated.FluentUser’sGuide,6.2.16,2005.ApplicationInfiltrationIntakeTechnologytoSeawaterSourceHeatPumpSystemYouShijun,WuJunhua(SchoolofEnvironmentScienceandTechnology,TianjinUniversity,Tianjin300072,Chin)Abstra