孫宏偉

（江蘇河海新能源有限公司，常州 213100）

隨著我國(guó)十二五節(jié)能規(guī)劃中有關(guān)可再生能源工作的展開(kāi)，可再生能源的建筑利用日益引起人們的重視。水源熱泵技術(shù)是一種清潔能源應(yīng)用技術(shù)，水源熱泵本身具有節(jié)能、環(huán)保的特性，實(shí)現(xiàn)了利用可再生能源和提高能源利用率來(lái)降低建筑能耗的目的。

與此同時(shí)，水源熱泵技術(shù)利用江河湖海水作為冷熱源，在規(guī)模化應(yīng)用過(guò)程中會(huì)有大量的冷量和熱量排入水體中，盡管在水體擾動(dòng)和與空氣換熱作用下冷熱量有所衰減，仍會(huì)對(duì)受納水體水環(huán)境產(chǎn)生一定的影響，在特定區(qū)域可能會(huì)產(chǎn)生水體熱污染現(xiàn)象。

1. 水源熱泵技術(shù)工程應(yīng)用

水源熱泵利用水體吸收的太陽(yáng)能和地?zé)崮苄纬傻牡蜏氐臀粺崮苜Y源，采用熱泵原理通過(guò)少量的高位電能輸入，實(shí)現(xiàn)低位熱能向高位熱能轉(zhuǎn)移的一種技術(shù)。

國(guó)外地表水源熱泵的研究始于20世紀(jì)30年代，蘇黎世區(qū)域供熱站的建設(shè)標(biāo)志著水源熱泵技術(shù)投入工程應(yīng)用。隨著能源危機(jī)的爆發(fā)，水源熱泵在北美地區(qū)迎來(lái)了發(fā)展高潮，并開(kāi)展了大量基礎(chǔ)性研究實(shí)驗(yàn)，中、北歐國(guó)家及日本在水源熱泵技術(shù)工程應(yīng)用方面具有豐富的建設(shè)及運(yùn)營(yíng)經(jīng)驗(yàn)[1]。

我國(guó)水源熱泵技術(shù)的工程應(yīng)用起步相對(duì)較晚，2004青島發(fā)電廠項(xiàng)目落成實(shí)現(xiàn)了零的突破。其后，青島、大連等地區(qū)水源熱泵技術(shù)工程應(yīng)用發(fā)展迅速，相繼有多項(xiàng)示范工程建成投入運(yùn)營(yíng)，包括北京奧運(yùn)村項(xiàng)目、廣州亞運(yùn)村項(xiàng)目等。

2. 水源熱泵排水對(duì)水環(huán)境的影響

2.1 水源熱泵系統(tǒng)原理

水源熱泵系統(tǒng)夏季供冷，冬季供熱，通過(guò)換向閥切換實(shí)現(xiàn)。

夏季水源熱泵系統(tǒng)原理圖見(jiàn)圖1，換熱介質(zhì)通過(guò)壓縮機(jī)做功在熱泵機(jī)組的蒸發(fā)器、冷凝器和壓縮機(jī)中循環(huán)，蒸發(fā)器中的低溫液態(tài)制冷劑與空調(diào)末端的冷凍水回水換熱，液態(tài)制冷劑蒸發(fā)吸熱，使冷凍水回水降溫為冷凍水供水；冷凝器中的高溫高壓制冷劑與水源水回水換熱，將熱量排到水源水水中。

冬季水源熱泵系統(tǒng)原理圖見(jiàn)圖2，換熱介質(zhì)通過(guò)壓縮機(jī)做功在熱泵機(jī)組的蒸發(fā)器、冷凝器和壓縮機(jī)中循環(huán)，蒸發(fā)器中的低溫液態(tài)制冷劑與空調(diào)末端的水源水回水換熱，液態(tài)制冷劑蒸發(fā)吸熱，使水源水回水降溫為冷凍水供水；冷凝器中的高溫高壓制冷劑與空調(diào)末端回水換熱，將熱量轉(zhuǎn)移到空調(diào)供水中。

圖1 重慶江北城CBD和上海黃浦江十六鋪水源熱泵項(xiàng)目

圖2 夏季水源熱泵系統(tǒng)原理圖

圖3 冬季水源熱泵系統(tǒng)原理圖

夏季運(yùn)行過(guò)程中，從取水口引進(jìn)低溫冷卻水，與熱泵機(jī)組進(jìn)行熱交換，水溫升高后（即溫排水）再由排水口排放進(jìn)入受納水體。冷卻水進(jìn)入受納水體后有三個(gè)去向：由排水口回歸進(jìn)入取水口即所謂二次熱回歸；由水域的自由表面逸散進(jìn)入大氣；由環(huán)境水體帶走進(jìn)入下游水域。為充分保障熱泵機(jī)組高效運(yùn)行，保護(hù)受納水體水環(huán)境均需要掌握排放水域的速度場(chǎng)和溫度場(chǎng)變化情況。

冬季運(yùn)行過(guò)程中，從取水口引進(jìn)水源水，與熱泵機(jī)組進(jìn)行熱交換，水溫降低后（即冷排水）再由排水口排放進(jìn)入受納水體。

2.2 水源熱泵排水對(duì)水環(huán)境的影響

有關(guān)水源熱泵空調(diào)系統(tǒng)對(duì)水環(huán)境的影響研究文獻(xiàn)資料偏少，對(duì)于溫排水排放的文獻(xiàn)資料更多集中于電廠溫排水對(duì)受納水體影響的研究[2,3]。

國(guó)外學(xué)者從20世紀(jì)40年代開(kāi)始就有關(guān)電廠溫排水對(duì)附近海域的影響做過(guò)很多的調(diào)查和研究，并發(fā)展了各種數(shù)值模型。其中，英國(guó)學(xué)者Ri-ou建立了一種二維模型，將計(jì)算域分成兩層，考慮了海水與空氣間的相互作用以及風(fēng)的作用，模擬計(jì)算了英國(guó)北部近岸海域的溫升分布。國(guó)外研究機(jī)構(gòu)較早制訂了溫度評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，英國(guó)于1961年提出最高排水溫度的規(guī)定和措施，法國(guó)在70年代的《環(huán)境法》中規(guī)定河水溫度不得超過(guò)30℃（7月份法國(guó)的平均最高氣溫24℃），根據(jù)具體情況，該值有時(shí)為排放口處的水溫1968年美國(guó)聯(lián)邦政府正式頒布了廢熱水排放溫度：河流不得超過(guò)自然水溫的2.8℃；湖泊、水庫(kù)夏天上層水溫不得超過(guò)自然水溫的1.7℃；沿海岸水域不得超過(guò)2.2℃。

我國(guó)相關(guān)的研究工作起步較晚，于80年代開(kāi)始著手相關(guān)研究，但主要集中在淡水經(jīng)濟(jì)魚(yú)類(lèi)受電廠溫排水的影響研究。1988年李燕初等用淺水方程以及相應(yīng)的定解條件為模型，采用交替方向隱式差分方法ADD，對(duì)擬建蒿嶼電廠溫排水排入水體后在附近海域的溫度分布及濃度分布進(jìn)行了計(jì)算，但計(jì)算結(jié)果存在一定的局限性，只適用于遠(yuǎn)區(qū)的垂直平均狀況；1998年王麗霞等針對(duì)青島黃島發(fā)電廠工程，根據(jù)一階湍流封閉理論建立了三維熱擴(kuò)散預(yù)測(cè)模型；水利水電科學(xué)研究院利用破開(kāi)算子法建立了二維模型，對(duì)淺灘水域邊界采用窄縫法來(lái)模擬計(jì)算秦山核電站冷卻水排放對(duì)遠(yuǎn)區(qū)的影響；通用流體力學(xué)模擬軟件FLUENT，可以動(dòng)態(tài)模擬流動(dòng)結(jié)果，通用性較強(qiáng)，功能全面，幾乎可以求解工程界中各種復(fù)雜問(wèn)題CFD軟件提供了可視化操作平臺(tái)，在工程界發(fā)揮著越來(lái)越大的作用[4]。

我國(guó)的溫度評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》GB3838-2002，人為造成的環(huán)境水溫變化應(yīng)限制在周平均最大溫升≤1℃，周平均最大溫降≤2℃。《海水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)》GB3097-1997中規(guī)定，一類(lèi)水人為造成的海水溫升夏季不超過(guò)當(dāng)時(shí)當(dāng)?shù)?℃，其他季節(jié)不超過(guò)2℃；二類(lèi)水人為造成的海水溫升不超過(guò)當(dāng)時(shí)當(dāng)?shù)?℃。

3. 水源熱泵取排水方式對(duì)水環(huán)境的影響

水源熱泵取水方式需綜合考慮水量、水溫、水質(zhì)等因素，還需盡可能減少二次熱回歸的影響。電廠冷卻水取水水工布置方式具有一定的借鑒意義，常用的水工布置方式有分列式、差位式、重疊式等取水方式[5,6]。

水源熱泵尾水排放方式對(duì)水環(huán)境影響課題在國(guó)家“十一五”科技支撐計(jì)劃的資助下，針對(duì)江水源熱泵和湖水源熱泵開(kāi)展了相關(guān)研究工作，研究尾水不同排放及出流方式對(duì)受納水體溫升的影響。研究結(jié)果表明，江水源熱泵系統(tǒng)從整體土看射流式排放方式優(yōu)予表面式和淹沒(méi)式排放方式，雙口出流方式優(yōu)于單口出流方式，其中對(duì)河道水域溫升影響最小的排放方式為表面式排水順流雙口出流方；湖水源熱泵系統(tǒng)水環(huán)境溫升影響較小的排放方式有：穿孔管橫向分散出流射流排放、穿孔管橫向分散出流表面排放、穿孔管橫向分散出流淹沒(méi)排放、雙口出流射流排放，其中穿孔管橫向分散出流射流為最優(yōu)排放方式。海水源熱泵系統(tǒng)尾水排放方式對(duì)水域溫升的影響的文獻(xiàn)未見(jiàn)報(bào)道。

4. 結(jié)論

水源熱泵技術(shù)是一種清潔能源應(yīng)用技術(shù)，利用江河湖海水作為冷熱源，在規(guī)?；瘧?yīng)用過(guò)程中會(huì)有大量的冷量和熱量排入水體中，對(duì)受納水體水環(huán)境產(chǎn)生一定的影響，尾水不同排放及出流方式對(duì)受納水體溫升也會(huì)產(chǎn)生一定的影響。

[1]艷濤，王惠民，吳修鋒，等.溫排水對(duì)水體生態(tài)環(huán)境影響的分析及處理[J].水資源保護(hù)，2008. 24(2)：70-72.

[2]宏權(quán)，龍惟定.水源熱泵應(yīng)用與水體熱污染[J].暖通空調(diào)，2009，39(7)：66-70

[3]曉群，曾江寧，曾淦寧，等.濱海電廠溫排水對(duì)浮游動(dòng)物分布的影響[J].生態(tài)學(xué)雜志，2008，27(6)：933-939.

[4]金華，劉勇，丁勇，等.重慶市開(kāi)縣人民醫(yī)院湖水源熱泵空調(diào)系統(tǒng)實(shí)測(cè)分析[J].暖通空調(diào)，2008，38(8)：111-114.

[5]卿曉霞, 崔相楠, 周健, 等. 江水熱泵系統(tǒng)尾水排放方式優(yōu)選實(shí)驗(yàn)研究[J]. 土木建筑與環(huán)境工程，2011，33(1): 105-107.

[6]周健, 干麗莎,劉月紅, 等. 湖水源熱泵系統(tǒng)尾水排放方式對(duì)水域溫升分布的影響[J]. 中國(guó)給水排水,2010,26(19):54- 57.