渗滤取水技术在海水源热泵系统中的应用

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1、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@tju.edu.cn）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

2、   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

3、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（1.6m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5m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

4、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

5、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

6、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1410m2，总冷负荷为267.33kW，总热负荷为204.1kW。通过对工程地点的地质条件勘测，该地点地面标高为+4.4m，地面以下6m为人工回填粘土层，6-9m为人工回填贝壳土层，9m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.

7、4m。该取水系统为热泵机组提供30m3/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

8、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