1 前言
江水具有很好的宏观热能特征，将其作为热泵冷热源为建筑物供暖供冷前景巨大，在国内引起了广泛关注，目前也有一些应用案例。相比各类空气源热泵，江水源热泵能够获得更高的能效，并能缓解城市热岛效应。
长江流域处于夏热冬冷地区[1]，冬夏季空调负荷较大。随着经济的增长、人民生活水平的提高，空调系统必将普及，空调负荷必将大幅增长。水源热泵机组在冬季采集来自湖水、河水、地下水及地热尾水，甚至工业废水 污水中的低品位热能供给室内取暖；在夏季则把室内的热量取出，释放到水中，制取冷水达到夏季空调供冷的目的。江水源热泵利用长江水作为系统的冷热源，效率高，且不需冷却塔和锅炉等设备，机房占用面积小，不向大气排放污染物及热量，改善室内环境及城市环境。充分利用长江水资源不仅能够大幅度降低冬夏季空调能耗，而且降低电网及燃气的供应尖峰，达到高效、节能、环保的目的。本文还综述了该领域目前的应用与研究现状。
2 对江水作为冷热源的分析[
由于江河水一年四季温度变化较小，水量丰富稳定，是水源热泵良好的低位能源。长江、嘉陵江流经整个重庆主城区，常年年均水流量长江为8500m3/s，嘉陵江为2430m3/s，两江合流后为10930m3/s；冬（12-2月）夏（6-9月）季平均江水温度（水下0.5m处），冬季12.8℃，夏季23.5℃；冬夏季平均含砂量，夏季745mg/l，冬季30.6mg/l；嘉陵江夏季504mg/l，冬季5.34mg/l。
以嘉陵江冬季江水温度和大气温度的测量分析结果为例，见表1，得出冬季嘉陵江水温分布稳定，平均在9.2~13.1℃之间，且变化非常平稳，没有大的波动，最冷月平均水温8.8℃;而空气温度则存在较大的波动，月平均气温波动范围虽不大，在8.6~12.8℃，但日平均温度波动频繁，最低只有6.6℃，最高达17.7℃，分布极不稳定。通过测量得知，冬季水温沿深度方向呈递增的趋势，经分析，水面以下2~3m处水温已很接近。因此，江水用作空调冷热源在温度和稳定性方面都较空气有明显的优势。
表1 冬季各月平均值、最大值、最小值
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分项 |
江水温度 |
空气参数 |
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0.3m |
1m |
2m |
3m |
温度 |
湿度 |
压力Mpa |
||
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2006年12月 |
平均值 |
12.5 |
12.8 |
13.0 |
13.1 |
10.4 |
69.8 |
99.8 |
|
最大值 |
12.7 |
13.1 |
13.9 |
13.6 |
12.6 |
75.3 |
99.9 |
|
|
最小值 |
12.4 |
12.7 |
12.2 |
12.9 |
9.0 |
61.3 |
99.6 |
|
|
2007年1月 |
平均值 |
9.2 |
9.5 |
9.7 |
9.8 |
8.6 |
66.5 |
99.8 |
|
最大值 |
9.3 |
9.7 |
10.6 |
10.3 |
11.4 |
74.7 |
99.9 |
|
|
最小值 |
9.1 |
9.4 |
8.8 |
9.6 |
6.6 |
54.0 |
99.6 |
|
|
2006年2月 |
平均值 |
10.7 |
10.9 |
11.0 |
11.1 |
12.8 |
66.3 |
99.2 |
|
最大值 |
10.8 |
11.0 |
11.4 |
11.3 |
17.4 |
75.8 |
99.5 |
|
|
最小值 |
10.6 |
10.8 |
10.5 |
11.0 |
10.0 |
51.9 |
98.9 |
|
3 江水源热泵应用关键技术
相对于空气源热泵，江水源热泵较为可靠，能效比高，运行费用低。但要实现其自身优势，必须满足一定条件，除了水量，总体而言还要保证水温、水质及系统运行管理要求，这也是江水源热泵应用的技术关键。
3.1 水温方面
1)进水温度不适合，机组自动保护。由于热源温度一般不会太高，故夏季制冷工况下一般没有问题，但用于冬季供热工况时，进水温度可能过低，为防止机组内结冰阻塞和管道涨裂，机组一般设置自动保护停机，机组的反复启停会影响空调系统的正常运行，且降低机组寿命。
2)以长江水体作为空调系统冷热源, 承担来自建筑的冷热量, 将对环境和生态造成一定的影响[3]。当夏季向水体中排放的热量超过一定限值时,氧气在水中溶解度会降低、水体中物理化学和生物反应速度会加快,因此导致有毒物质增加,需氧有机物氧化分解速度加快,耗氧量增加,水体缺氧加剧,进一步引起部分生物缺氧窒息,抵抗力降低,产生病变乃至死亡，水体温度升高,对水生生物的群落以及水生生物的繁殖行为也有一定的影响；在冬季,如果从水体中大量取热,将使水体温度降低,同样会对水体环境造成一定的负面影响。因此，在系统设计过程中应该计算排热或吸热对水体温度造成的影响是否超过生态环境的承受能力，排水水温需要满足国家相关规范。
3.2 水质方面
2)排水处理不当，引起二次污染。若水处理过程中投放磷系化合物，泄露或不经处理排放会导致水体富营养化。另外，机组常用乙二醇防冻液，如不慎泄露会给水体和空气环境带来严重污染。因此排水必须经过适当处理，达标排放。
3.3 运行管理方面
1)安装管理不当，损坏换热盘管。对于江水源热泵系统，必然有大量取/回水管安置在室外，且有大量换热盘管置于水体中，需要防止人为或非人为的破坏。
2)取/回水口的位置设置要合理，否则取水能耗太大，系统运行效率降低，无法发挥水源热泵系统优势。在运行江水源热泵时要充分进行经济性分析，如果初投资费用及运行费用太高，不能发挥江水源热泵系统高能效比优势，那么江水源热泵方案则不再具有可行性。
在水源热泵的实际工程中，解决以上问题可能会引起投资增长或运行费用增加，需要作详细对比。从初投资来看，一般水源热泵机组及其配套取/回水设施及水处理设施的总投资比传统风冷热泵及冷水机组要高，但随着技术的革新，差距正在缩小，有利于水源热泵的推广；在运行成本上，水源热泵机组具有较高的能效比，其能耗比相应的冷水机组或风冷热泵要低，而且水源热泵系统不需要冷却塔，在冷却水侧没有水损失；在维护成本上，水源热泵系统往往具有较高的自动控制水平，其操作运行及维护所需人工较少，可以远程控制，维护成本比传统系统要低。
4 .应用现状与研究进展
针对于江水源热泵的应用技术关键，我国现已提出一些具有创新意义的研究方案，主要包括：尾水处理及综合利用、江水源热泵取水/水处理技术、节能减排，降低总费用等。
4.1 尾水处理及综合利用
经过水源热泵机组热交换后，江水水温必将有明显改变，因此排水可能对水环境与生态环境有一定影响，而水处理过程中使用的化学药品也可能对水体产生污染。因此需要对水体水温的改变、污染物的扩散进行严密计算和模拟论证，所用处理药品不能破坏环境。总之，排水要满足相关政策法规。
此外，经过处理和换热的尾水，直接排放了也是一种浪费，可以结合具体条件综合利用。尾水的利用可按以下几个流程进行处理：
流程1 ：作为水处理基本流程,出水直接用于绿化和浇洒道路:水源热泵尾水→沉砂池 →粗滤池→精密过滤器→出水。
流程2 ：为流程1+消毒,用于直接与人体接触的洗车、冲厕等:流程 1的出水→消毒→接触池→洗车、冲厕。
流程3 ：将用于补充河道的水进行物理降温,即可满足使用要求:水源热泵尾水→物理降温→补充下圩河。
以上处理方案有如下优势:
1)除用于河道补水之外,其他用途的回用水处理工艺均采用流程1的出水,处理构筑物与设备机房集中,有利于日常管理,投资最省;
2)对于与人接触的洗车、保洁等用水,采用基本工艺处理后,在用水点投加消毒剂并设置接触池,在满足水质指标的前提下,避免了消毒剂对绿化的不利影响,同时减少了消毒剂用量;
3)河道补水量大,在原水的水质指标均能满足使用要求的基础上,仅针对要求不苛刻的水温进行适当的降低,利用系统的出水余压,结合周围景观完成物理降温过程;
4)基本水处理流程不用投加混凝剂,可自动完成反冲洗等,使用安全可靠,运行费用低廉,解决了物管部门的后顾之忧。
江水经过处理、换热后，尾水没有直接排放，而是能够得到综合利用，大大提升了水系统运行效益，并且对环境有正面影响。
4.2 江水源热泵取水/水处理技术
针对江水水质，特别是含沙量问题，要采用合理的水处理技术。从实际工程看，目前的取水方式主要有直接取水供给水源热泵机组、传统水厂的水处理方式、斜板头+旋流除砂器+综合水处理器的方式、旋流除砂器+综合水处理器+板式换热器方式、复合式的取水/水处理方式。但这些取水/水处理技术还存在较大的缺陷，取水模式与机组和输配系统的整合优化性差，不足以引导实际的规模化推广应用。
对于取水技术的创新与发展，现已提出渗透取水与水源热泵技术相结合的取水方案，该方案利用长江河床的卵石层作为天然过滤器，通过渗透滤嘴在河底硐室内汇集江水，各个硐室内汇集的江水通过江底集水隧道、导井送至竖井，然后利用水泵直接抽往热泵机组使用。取水方案设计时注意枯水季节水位与取水硐室集水量的关系，确保取水水量可以满足冬季负荷所需的水量。
相比传统的取水方式，渗滤取水系统有水温适宜、水质好、方案的可行性和可靠性高、环境影响小、输送效率比较高和取水可二次利用等优点。但采用渗滤取水也有初投资高的缺点。与直接采用地表取水的水源热泵系统相比能够节约30%的电能消耗，节省70%的建设用地，实现大幅度的资源节约，有着广阔的推广示范价值及发展前景。
4.3 节能减排，降低总费用
在对江水源热泵进行运行管理时要进行经济性分析，为了更好的达到节能减排，降低运行费用的目的，可以将水源热泵与冰蓄冷系统联合运行,弥补了水源热泵投资过高或冰蓄冷制冷效率低的单方面缺点, 对环境保护有重要意义。
水源热泵与冰蓄冷联合的应用技术，适于峰谷电价有差异，电网用电负荷不均匀的情况,在电力负荷很低的夜间采用制冷机组制冷,用冰将冷量贮存起来,在用电高峰期将其释放,以满足建筑物的空调需冷量的一部分,通过转移高峰负荷，大大减少了水源热泵取水量,降低了装机容量和运行费用,提高了设备利用率。在减少制冷设备的基础上,进一步减少了水泵、系统管路、取水泵房及水处理设备的占地面积,减少相应变配电设备投资和电力增容费用。既体现绿色建造的理念又节约了运行费用,符合我国公共建筑中节能、节地、节水、节材和环保效益的要求，有广阔的发展前景。
总之，应用江水源热泵应当结合技术、经济以及环境进行整体分析。目前针对于江水源热泵的应用技术还不够成熟，一些实践应用问题亟待解决，是目前工程界必须面对的。要确保充分发挥水源热泵高能效比的优势，降低运行费用，同时尽可能降低对环境的影响，真正做到节能环保、有效降低总费用。
5 结论
1)江水可以作为节能环保的空调冷热源。与空气相比，江水水温夏低冬高，且相对稳定，。应用江水源热泵可以降低能耗，减缓城市热岛效应，改善人居环境。
2)江水源热泵在长江流域有着广阔的应用前景。随着我国长江流域经济增长，空调负荷越来越大，江水可以为沿江建筑提供足够冷热量，故江水源热泵能够且应该为我国建筑节能事业及能源规划作出特殊贡献。
尽管应用江水源热泵技术难点多，但只要结合实际条件，综合考虑多方面因素，创造性的运用先进技术，这些问题是可以解决的。
参考文献
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[2]国家水利部.2007年中国水资源公报[R].北京,2008.
[3]王新兰.热污染的危害及管理建议[J].环境保护科学, 2006,32（6）：69-71.
[4]GB50050－95 工业循环冷却水处理设计规范[S].北京：中国计划出版社,1995.
[5]GB/T14848-93 地下水环境质量标准[S].北京：中国标准出版社,2009.
[6]吕伟娅,江浩等 .给水排水[J] ,2009（10）:82-85.
[7]董孟能,姜涵等.重庆江水水源热泵应用关键技术—取水及水质处理技术探讨 [J] .建设科技, 2007（17）：84-85.
[8]范芸青,卢军等.重庆市某江水源热泵系统设计与分析 [J] .铁道标准设计,2008（S1）：85-87.
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