渗滤取水技术在海水源热泵系统中的应用.doc

渗滤取水技术在海水源热泵系统中的应用
由世俊，吴君华
（天津大学环境科学与工程学院，天津，300072）
（yousj@）

摘 要：海水源热泵系统以海水作为热泵系统的冷热源为建筑物进行供冷和供热。海水温度是海水源热泵系统应用的重要参数，直接决定了热泵系统的运行成本。本文提出将渗滤取水技术应用在海水源热泵系统中，为热泵系统提供水质好且夏季温度较低和冬季温度较高的海水作为冷热源，并结合工程实例对其技术和经济性进行了探讨。该研究以期为在沿海地区推广使用海水源热泵空调系统提供新的思路。
关键词： 海水源热泵；浅层地热能；冷热源
0 引言
    利用海水作热泵的冷热源为建筑物进行供冷和供热的系统为海水源热泵系统。在沿海地区适当推广使用海水源热泵技术供热制冷，可节约供暖和空调所消耗的常规能源，缓解日趋紧张的能源压力。海水作为冷热源的技术难点包括海水腐蚀性要求取水、输配及用水设备均要进行防腐处理；海水容易滋生海生物要求取水系统进行防海生物附着处理；海水含泥或沙要求较好的过滤和除沙处理以减少对设备的磨损；海水取水量要满足用水要求；夏季水温要低冬季水温要高以利于系统运行效率的提高等等，其中防腐蚀、防海生物附着和除沙过滤等技术目前已经相对成熟。满足供水量的前提下供水水温是很重要的参数，它直接决定了热泵系统的运行效率及费用，从而是选择用海水作为热泵系统冷热源的重要因素。
    海水温度在供暖期和供冷期温度变化较大，且冬季温度较低，甚至低于热泵机组的最低温度要求，而夏季温度又较高。陆地土壤温度随着太阳辐射和大气温度的周期性变化而呈周期性变化，并随着深度的增加，温度变化越来越滞后[1]。在采暖季节，浅层土壤（1.6 m以内）平均温度比气温至少高5 ℃[2]。由于土壤的蓄能效应，使得浅层土壤5 m至恒温层在一年内温度变化很小且温度在11-16 ℃，这个浅层低温的地能具有很强的可再生性。海水若能与该土壤层进行换热，其冬季水温会升高，夏季水温会降低，从而作为热泵系统的冷热源，热泵机组运行不仅安全性得以保障，效率也将会提高。
    基于上述分析，提出将渗滤取水技术用于海水源热泵空调系统中，即海水不直接进机组，而是通过渗流到海岸井后再用水泵将水供给机组，从而为机组在夏季提供更低水温和冬季提供更高水温的海水。此外，海水在渗流过程中，经过土壤过滤，水质也会更好。渗滤取水是地表水取水技术中的一种，在国内外均有实际工程实例[3-16]。本文将针对某一实际建筑物，为其设计海水源热泵系统进行供冷和供热。内容包括：结合工程地点的实际水文地质条件，进行海岸井渗滤取水模型的建立；对所建立的模型进行实验验证；设计工程所用的取水系统，并预测其供水水温；最后与其它冷热源方案进行经济性对比。

1 采用渗滤取水技术的海水源热泵系统
    采用渗滤取水方式的海水源热泵如图1所示。地表海水在与海水相通的透水层中渗流进入海岸井，期间经土壤过滤且与土壤换热。取水井设计时要离海尽量的近，保证海水为井水的直接和唯一的补给水源。海水通过透水层与土壤换热后温度在夏季降低或冬季升高5 ℃左右，从而可以使海水在机组中与制冷剂换热后的排水水温基本接近海水温度，对地表海水产生的热污染尽量的小。

图1 海水直接补给地下水地源热泵系统模型

2 拟建工程实例
2.1 工程概况
    工程地点位于天津港船闸所，使用单位为天津港设施中心。该设施中心包括库房、技工车间、生活楼、办公楼和会议室，总的建筑面积约1410 m2，总冷负荷为267.33 kW，总热负荷为204.1 kW。通过对工程地点的地质条件勘测，该地点地面标高为+4.4 m，地面以下6 m为人工回填粘土层，6-9 m为人工回填贝壳土层，9 m以下为淤泥质粘土，具体土层结构见图2。现拟采用采用渗滤取水技术为海水源热泵空调系统进行供水，用户末端使用风机盘管系统。
2.2 理论模拟
采用渗滤取水技术的海水源热泵系统几何模型见图2，其中抽水井直径为0.4 m。该取水系统为热泵机组提供30 m3/h的海水，供回水温差设计为5 ℃。

(a) 平面图

（b）剖面图

图2 计算几何模型

    渗滤取水系统属多孔介质中渗流换热耦合模型，所以本文采用Fluent数值模拟软件进行模型的建立。由于所研究的渗流流态属层流[17]，压降和速度成比例，忽略对流加速以及扩散，所以多孔介质模型简化为Darcy定律，见式(1)[18]。

                                                       (1)

对于多孔介质中的传热，Fluent仍然解标准能量输运方程，只是修改了传导流量和过度项。在多孔介质中，传导流量使用有效传导系数，过渡项包括了介质固体区域的热惯量，见式(2)[18]：
                      (2)

其中：hf为流体的焓；hs为固体介质的焓；φ为介质的多孔性；Shf为流体焓的源项和Shs为固体焓的源项；多孔区域的有效热传导率keff是由流体的热传导率和固体的热传导率的体积平均值计算得到式(3)[18]：
                                                    (3)

其中：kf为流体状态热传导率；ks为固体介质热传导率。
2.3 实验验证
在工程地点做实验井（见图2），直径0.4 m，设计抽水量为45 m3/h， 实际抽水量受到海水潮汐水位变化影响在40-45 m3/h之间波动，在理论模型里设定为平均值43 m3/h。抽水换热试验于2007年12月22日16:00开始，25日上午10:00结束，其中包括抽水过程的66小时和停止抽水后48小时[17]。

 图3 水温的实验值和模拟值对比

    将实验测试值和理论模拟值在相同工况下进行比较，结果如图3所示。从图3可以看出，实验值的波动性很大，主要是水文测验误差受野外环境影响较大。误差主要来源有：由于受到海水潮汐水位变化影响，抽水量处于40-45 m3/h波动；海水温度虽然一天之内变化很小，但是也有±0.5 ℃的波动误差；潜水泵的散热对抽水初期出水水温也有较大影响。而理论模拟是在一系列条件假设下完成的：边界条件设定为稳态、抽水量为实验的平均抽水量43m3/h和海水温度假设为平均海水温度4.8 ℃，所以模拟得到的温度变化曲线没有波动性，但是可以很好的反映水温变化规律，且实验值和模拟值的误差在合理范围之内，基本满足工程应用要求。

2.4 供水水温预测
为该工程设计渗滤取水系统，系统由两个抽水井组成，井的直径设计为0.4 m，具体布置位置见图2。在经验证的理论模型上对设计的取水系统进行供水水温预测，采用不间断供水工况，图4为冬季供水水温预测结果，图5为夏季供水水温预测结果。

图4 冬季供水水温预测图 

图5 夏季供水水温预测图

    从图4看出，设计的渗滤取水井在冬季可以为热泵机组提供的海水温度高于地表海水水温，尤其在供暖中期之前供水水温比海水温度高5 ℃以上。后半期虽然抽水井的供水水温和海水水温相当，但是还是推荐采用井水作为热泵机组的水源，因为通过土壤过滤后井水水质明显好于海水。
    从图5看出，在供冷前半期，渗滤取水井可以为热泵机组提供的海水水温低于地表海水水温4 ℃以上。在供冷中期之后，井水水温与海水温度相当且在供冷末期井水水温略高于海水温度，但是由于仅有1 ℃左右的温差，所以还是推荐采用井水作为热泵机组的水源，原因同上。

3 经济性分析

表1 冷热源方案经济性对比 单位：万元

    按三种方案进行经济性比较，方案1：水冷螺杆机组+冬季板换市政热网采暖；方案2：采用开式表面取水系统的海水源热泵空调系统+冬季备用热源(电加热器)；方案3：采用渗滤取水系统的海水源热泵空调系统。其中方案2，采用直接取海水作为空调热泵系统的冷热源，由于在冬季将近有40天左右时间的地表海水温度低于2 ℃，所以采用电加热器作为备用热源，即在40天的时间内直接采用电加热器供暖，比较结果见表1。从表1可以看出，采用渗滤取水系统的海水源热泵空调系统无论在初投资上还是运行费用上都要优于其它两种方案。
4 结论
    本文提出将渗滤取水技术用于海水源热泵系统，并结合工程实例对其技术和经济性进行了探讨，得出结论：海水通过与土壤换热后作为热泵热源，不仅优于直接采用海水作为冷热源系统，还优于传统的冷水机组+城市热网系统。除此之外，该系统水质好，无需进行防海生物附着处理。总之，渗滤取水与海水源热泵耦合应用系统具有初投资低、运行效率高、环境影响小等优点，为沿海地区使用的海水源热泵空调系统提供一种新的冷热源形式。渗滤取水技术通过渗透取水，既利用海水热能，又利用浅层地热能。本文研究结论以期为在沿海地区推广使用海水源热泵空调系统提供新思路。

参考文献

[1] 范爱武，刘 伟，王崇琦. 土壤温度和水分日变化实验[J]. 太阳能学报，2002,23（6）：721－724.
[2] 毕月虹，陈林根. 天津地区太阳能、土壤热源的性能研究[J]. 太阳能学报，2002,23(1):83－86.
[3] 王勇，肖益民，陈金华等.开式地表水地源热泵取排水方式研究[J].暖通空调，2008，38（10）：124-127.
[4] 胡兴义.辐射式渗滤井取水工程[J].四川电力技术，2001，4：31-32.
[5] 戴陈.渗滤取水（渗流井、辐射井）技术在铁路给水的应用[J].成铁科技, 2005，4：39-42.
[6] 陈永红,姜应和，河床渗井取水及供水设计一例[J]，中国农村水利水电，2006，6：29-33.
[7] 陈永红,袁志宇,杨晓敏等.渗滤取水技术在浠水县南城水厂的应用[J]，中国农村水利水电，2008，6：23-28.
[8] Jones A T, Campbell R L. Sea water desalination: a generalized model for feedwater intakes[C]. OCEANS 2005, Proceedings of MTS/IEEE 3(2005) 2647- 2651.
[9] Tom Pankratz. An overview of seawater intake facilities for seawater desalination. .
[10] Tom Pankratz. Global overview of seawater desalination intake issues. < 2008.8.16.
[11] Thomas Peters, Domènec Pintó. Seawater intake and pre-treatment/brine discharge — environmental issues[J]. Desalination,2008, 221(1-3): 576-584.
[12] S. Bou-Hamad, M. Abdel-Jawad, etc. Performance evaluation of three different pretreatment systems for seawater reverse osmosis technique[J].Desalination, 1997 (110):85-92.
[13] Nikolay Voutchkov. Beach wells vs. open surface intake[J]. Water and Wastewater International, 2004,19(4):22-23.
[14] Nikolay Voutchkov. SWRO desalination process: on the beach-seawater intakes[J]. Filtration & Separation, 2005, 42(8):24-27.
[15] A.M. Hassan a, A.T.M. Jamaluddin a, etc. Investigating intake system effectiveness with emphasis on a self-jetting well-point (SJWP) beachwell system[J]. Desalination 1999(123):195-204.
[16] Elham E1-Zanati, Sherif Eissa. Development of a locally designed and manufactured small-scale reverse osmosis desalination system[J]. Desalination, 2004(165): 133-139.
[17] 吴君华，由世俊，李海山. 海水源热泵系统取水技术试验[J].天津大学学报，2009，42(1):78-82.
[18] Fluent Incorporated. Fluent User’s Guide, 6.2.16, 2005.

Application Infiltration Intake Technology to Seawater Source Heat Pump System
You Shijun, Wu Junhua
（School of Environment Science and Technology, Tianjin University, Tianjin 300072, China）

Abstract：Seawater source heat pump (SWHP) system is used seawater as heat source or sink for heating and cooling the buildings. The seawater temperature is a key parameter for SWHP system, which determined the running cost of the heat pump system. In this paper, application infiltration intake technology to SWHP system is presented aim at providing seawater with better water quality and lower water temperature in summer or higher water temperature in winter. The paper analysis technology and economic performance of this system combined with a project case. All of these give another feasible way to resolve the intake problem for seawater source heat pump which will be used in coastal cities.
Keyword：seawater source heat pump; shallow geothermal energy; heat source/sink