关于海水源热泵，您了解多少？

1.海水源热泵原理

水源热泵技术是一种利用地球表面或浅层水源（如地下水、河流和湖泊），或者是人工再生水源（工业废水、地热尾水等）的低温低位热能资源，采用热泵原理，通过少量的高位电能输入，实现低位热能向高位热能转移，既可供热又可制冷的高效、环保、节能的空调系统。在制热的时候以水作为热源，在制冷的时候以水作为排热源。

水源热泵机组用常规的水源热泵机组即可，设备的大小和数量视建筑物的规模和用途进行选型。下面是一种间接式热泵系统，用特殊的换热装置将海水与热泵机组隔离，，换热装置要求防腐、高效换热，保证系统的可靠运行，基本的工艺流程如图1所示。

图1 海水源热泵系统流程图

假设冬季海水的温度4～8℃，通过热泵的运转，以消耗25%左右的电能，从该温度的海水中提取75%的热量，可得到100%的供热量，以50℃左右对外供热。夏季将热泵系统的阀门进行切换后，将室内24～28℃的热量提取出来排到15℃左右的海水中，实现夏季制冷空调的功能。

2.海水源热泵发展现状

水源热泵的研究开始于19世纪70年代，确定了近海岸海水空调系统的优点。海洋是一个巨大的可再生能源库，进入海洋中的太阳辐射能一部分转变为海流的动能，更多的是以热能的形式储存在海水中,而且海水的热容量又比较大为996kJ/(m3·℃)，空气的仅为1.28kJ/(m3·℃)，随着热泵技术的发展，把海水用作冷源和热源代替传统的锅炉房和冷冻机，进行供热和供冷在技术上已经成为可能，是可再生能源利用达到实用的技术之一。

2.1国外研究现状

海水源热泵技术利用海水作为冷、热源进行供冷和供热，在世界很多国家得到了规模化的应用，特别是瑞典、瑞士、奥地利、丹麦等中、北欧国家，在利用海水源热泵集中供热供冷方面已取得先进而成熟的经验。

位于瑞典首府斯德哥尔摩的virtanRoPsten区域供热站拥有目前世界上最大的集中供热供冷系统，其制热制冷能力为200MW，管网延伸距岸边最长达20km。该工程建于20世纪八十年代中期，位于波罗的海海边，是利用海水制热制冷的典范，近几年瑞典利用海水集中供热供冷发展非常迅速，瑞典1985年至今总建设量约为1000MW区域供热。为Central Network提供了大约60%的总能量输入。

挪威的Stokmarknes医院14000m2，采用了海水源热泵来解决冬季的供热问题，同时采用一台燃油锅炉来满足其峰值负荷，该热泵的供热能力为2200MWh每年。自运行以来可节能1235MWh，节约很多运行费用。减少CO2排放量800t，减少SO2排放量5.5t。

加拿大Halifax滨海地区的Purdwharf办商用综合楼，建筑面积69000m2。采用了海水源热泵系统为其供冷。经过运行证明，该热泵系统较传统制冷系统多投资的费用在两年内即可回收，具有明显节能效果。新斯科舍Nova.Scotia Power项目和多伦多的利用安大略湖水供冷工程等。

日本建成大阪南港宇宙广场区域供热供冷工程，利用海水为23300kw的热泵提供冷热源。另外悉尼奥运会的场馆也使用了海水源热泵技术。

2.2国内发展现状

水源热泵在国内起步较晚，但发展比较迅速，目前从水源热泵的市场应用看，已经有上海、青岛、大连、威海、天津、舟山、厦门、重庆等城市的公共建筑(办公楼,商住楼,商场等),而且住宅建筑上得到了广泛的应用。这对于缓解能源紧张、提高能源利用率、推动节能环保都有着积极意义。

大连市被国家选为全国唯一的水源热泵技术规模化应用示范城市，按照国家《建筑节能实施方案》要求，“十一五”期间，示范城市的水源热泵供热、制冷面积要达5000万m2以上。大连地区在开发海水热泵方面具有得天独厚的有利条件，已经开始在城市供热中大力推广和应用海水源和中水技术，星海湾商务区一期工程、大窑湾港区一期工程、长海县樟子岛镇第四中学冷项目已投入运行，大连星海假日酒店海水源热泵工程，是目前国内最大的海水源热泵工程项目。正在推进小平岛新区、星海湾商务区(二期和三期)、软件产区域实施海水热泵技术的建设工作。

青岛也是具有地理优势的沿海城市，我国第一个海水源热泵项目在青岛发电厂建立，从2004年开始运行，该工程供暖效果良好，运行稳定，空调系统同时供应洗澡热水，经过整个冬季制热和夏季制冷运行监测，机组运行效果非常良好，所耗能量仅为电锅炉供热的1/3，燃煤锅炉的1/2，制冷制热系数高出家用空调机的40%，运行费用仅为普通中央空调的50～60%。同时具有很多海水源热泵示范工程。如青岛奥帆中心海水源热泵应用、

重庆上海的江水源热泵发展较快，已成功地应用了该项技术，以江水为热源的项目颇多，重庆涪陵区江水源热泵示范工程、重庆大剧院江水源热泵示范工程，上海地区以黄埔江为低温热源的世博会场馆，也应用了大型的江水源热泵。

我国海岸线漫长，沿岸岛屿众多，有取之不尽的海水资源，因此海水源热泵空调系统在沿海地区的应用具有广泛的发展前途。

3.海水利用方式的分类

根据热泵机组与地表水连接方式的不同，可将地表水源热泵分为两类：即开式地表水源热泵系统和闭式地表水源热泵系统，其中开式又分为直接利用方式和间接利用方式。简单分类如下。

图2 地表水水经济组的两种方式

（1）闭式是指在冷热源侧采用闭环的水系统，一般采用高密度聚乙烯管作为热交换器，直接投放于海水中，通过换热管中的介质与海水之间的换热来实现能量转移。

其优点是：保证了海水与热泵机组不直接接触，因此热泵机组的换热器无需进行特殊处理，扩大了热泵机组的选择范围。在热泵机组换热器内的循环工质为水或防冻液，机组结垢的可能性很小。由于不需克服取水口到热泵机组的静水高度，闭式系统冷热源侧的循环水泵比开式系统耗电量低。

其缺点是：由于采用塑料换热盘管进行换热，其供热和制冷效率较低，水下换热盘管的布置有一定要求，若布置在公共区域，有可能遭到人为的破坏，因此其使用范围小。

（2）开式直接利用方式是将海水经过水泵提升，通过取水管道直接引入热泵机组的蒸发器或者冷凝器，使海水的热量（或冷量）直接传递给热泵工质，换热的海水再排过排水管道输送回海面。

其优点是：由于海水与热泵机组制冷剂直接换热，因此在相同条件下比闭式系统供热和制冷效率高。海水外网取水点可布置在较深得海水中，而排水点在海边，因此换热后排放的海水对取水区域海水温度的影响小，可保证取水点处海水温度的稳定。

其缺点是：由于海水直接作为换热介质，与热泵机组的蒸发器（或冷凝器）接触，因此其蒸发器（或冷凝器）需采取防腐措施，并且需要定期对其进行清洗，维护费用高。

（3）开式间接利用方式是指利用换热器将海水与热泵机组隔离开，利用循环水泵将海水通过输送管道送至换热器中，使其与热泵回水在换热器中实现能量交换，从而将海水的冷热量传递给水环系统的换热介质，再通过换热介质的循环将冷热量传递给热泵的蒸发器（或冷凝器）而放出冷热量的海水则通过排水管道输送回海面。

这种方式除具有（2）中所述的优点外，还由于与海水直接接触的设备只有换热器，若选择可拆卸的板式换热器，则当换热器受到腐蚀或管路堵塞时，可以方便的进行更换或清洗。

在开式系统中，对引入的海水应进行过滤、杀菌祛藻处理，以防止管道和设备的腐蚀以及海洋生物的附着等，同时应注意将海水取水口与排水口相隔一定距离，而且取水外网的布置不应影响该区域的海洋景观或船只等的航线。

4.海水应用中应注意解决的问题

海水源热泵应用中存在的问题和解决措施海水源热泵作为一种新型的供热、供冷方式，从技术的角度，尤其是热泵机组的技术是相当成熟的，但考虑到我国的国情，以及将海水源热泵技术作为一项整体的系统工程来推广应用时，还存在一些问题需引起重视，并应采取措施加以解决。

海水源热泵空调系统的关键问题主要包括海水取水及海水处理问题，水环热泵系统以及海水作为热泵冷热源的可行性，对于水环热泵系统，目前已有相当的研究和工程应用，属于相对成熟的技术。海水主要的问题概括如下。

4.1海水腐蚀问题

由于海水含盐量高且成分复杂，海水较淡水就有更强的腐蚀性，且海水含盐分中氯化物比例很大，海水中的氯度高达19%，因此大多金属如铁，钢、铸铁等在海水中都易受腐蚀，海水循环泵、海水管道、接触海水的换热器都应该进行防腐处理，或选择耐腐蚀资料。

（1）选用耐腐蚀材料：国内外普遍采用的材料有铝黄铜、海军铜、铜镍、钛玻璃钢及塑料等材料。对于海水换热器来说，当流速较低时可以采用铜合金、当流速高或设备要求的可靠性高时，应选用镍基合金和钛合金。海水泵的某些配合件不允许产生腐蚀且防护困难，应选用高耐腐蚀性材料，但是由于这类金属的价格高，应根据实际情况选用，如环境腐蚀条件比较苛刻或材料用量不大时可以采用此种方法；

（2）管道涂层保护：其方法是在金属表面涂上一层保护膜，将金属管道与海水隔离。目前国内外普遍使用的涂料有环氧树脂漆、环氧沥青涂料以及硅酸锌漆等；阴极防护：利用金属电化学腐蚀原理，将被保护的金属设备进行外阴极极化，以减轻或防止海水管道的金属表面由于电化学原因引起的均匀和局部腐蚀。通常做法有牺牲阳极的阴极保护法和外加电流的阴极保护法。

（3）换热器采用可拆卸钛板板式换热器，设备材料采用钛钢板，而钛钢板具有强度高、传热效率高、耐腐蚀性强等优点，因此在应用海水循环系统中，不仅能很好的传热效果，而且可以解决海水对设备的腐蚀问题，另一方面，清洗或更换方便。可拆式换热器可进行机械清洗，由于热泵空调系统中与海水直接接触的只有换热器，因此只有在换热器处才会由于生物附着而堵塞，采用可拆式换热器则可以很好的解决这一问题。

4.2海洋生物附着问题

海洋生物包括固着生物（牡蛎）粘附微生物（细菌、硅藻和真菌等）、附着生物（海藻等），它们在适宜的条件下大量繁殖，给海水循环带来极大危害，有些海洋附着生物粘附在管壁上，严重时可堵塞管道，影响设备运行，而且海生物的附着也会造成管路局部腐蚀，降低设备的使用寿命。

因此，海洋生物附着、生长对热泵系统运行造成很大影响，必须采取有效措施加以防治。主要措施有：取水排水管道采用海洋生物不易附着生长的管材，如ABS、PVC塑料管；为防止甲壳类海洋生物进入管道，应在取水口设置过滤装置；对于无甲壳海洋生物如水螅虫、藻类等，过滤装置无法拦截，尤其在海水泵房进水口处等潮间带正是海洋生物的繁殖区，应采取向管道系统投放药物( 如氯气、臭氧等)的方法或采用电解海水制氯技术，杀死海洋生物幼虫和孢子。现有防治海洋生物污损的技术基本可以满足要求，但还存在一些问题。例如，电解海水制氯，残余有效氯可生成三氯甲烷，污染环境，又加快了金属腐蚀的速率。这是需要重视的。

4.3结垢问题

海水源热泵机组实际运行中，海水换热器、蒸发器、冷凝器大多数存在着传热系数小、工质流量大的问题，需要根据各自的使用特点采用强化传热技术来提高换热效率。此外，由于海水中存在有机物和各种盐类，结垢也是一个非常突出的问题，采用先进的抗垢技术是提高热泵机组性能的重要技术途径。

4.4取水问题

闭式系统不涉及取水的问题，开式水源热泵系统取水时应根据水体实际特征，在保证取水安全可靠的前提下，合理的选择取水方式，做到初投资少，水温水质高，对环境影响尽量小，最大限度的节能。国内外用于海水源热泵系统的取水方式大部分是直接取海水。海水取水技术内容包括取水方式和供水参数，且供水参数中水温、水质和水量直接影响海水源热泵系统的运行效果，并决定了整个热泵系统的初投资及运行和维修维护费用。海水的主要特点是具有腐蚀性、海洋生物大量繁殖、潮汐河波浪的袭击及泥砂淤积，设置海水取水构筑物时，应根据其特点采取相应的措施。

（1）渗滤取水

海岸井渗滤取水技术的应用受到近海水文地质条件的限制，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，在岸上构建抽水井抽取海水，近海土壤中含水为海水，远岸处为淡水，在淡水与海水之间为混合区域，在设计抽水井时应该避免抽到地下淡水，所以尽量设计在离海岸线较近的地方，保证系统在海水区域中进行抽水，如果在淡水区或混合区进行抽水，就可能出现倒灌问题，海水将侵入淡水区，应该避免该现象，所以海岸井应尽量离海水近。

采用渗滤取水技术，海水通过含水层的过滤，可以降低取到的水的含砂量，从而可以减小对设备的磨损，使得除砂器的使用寿命大大增加。另一方面，海水通过透水层与土壤换热后温度在夏季可降低5℃左右，冬季可升高5℃左右。这样热泵机运行的安全性不仅得以保障，效率也会提高，同时又解决海生物附着的问题，降低水处理费用。

图3渗滤取水方式

（2）泵车（缆车）取水

对于水位变动比较大的水面，泵车取水是根据取水点处地形设置两根导轨和泵车（潜水泵安装在泵车上），利用导轨安装定位泵车，达到潜水泵直接置于固定取水的目的，检修、维修时先关闭支线上的旋切阀，随即拆开波纹管，通过卷扬机沿导轨将泵车拉至检修平台，为避免取水泵车的摆动，在导轨的末端设置车档，在岸上设置拉环，达到固定取水的目的。为防止水中的较大悬浮颗粒进入潜水泵，在取水泵四周装设可开启的细格栅网箱。这种取水方式在柳州市文吕综合楼空调系统水源热泵取水工程中成功应用。

（3）浮船取水

浮船取水是利用水面上的船体作为取水构建物，将取水装置安装船体底部，通过摇臂式或阶梯式连接管道将水供给热泵系统，该取水方式取水头部位于船体底部，船体随水位变幅，可以保证到一定深度的水，供给的可靠性高，且可以避免水面的藻类。出水水质较好，但投资较高，浮船取水方式也有成功的应用工程实例。

（4）自流管（虹吸管）式取水

自流管（虹吸管）式取水是一种采用自流管（虹吸管）把水引到岸边的吸水井内，然后用水泵的吸水管直接从吸水井中抽水，吸水井与泵房可以合建也可以分建，该取水方式应用范围广，技术成熟。

图4 自流管式取水方式

4.5海水防冻

当海水温度较低时，进机组以后容易结冰，会造成设备的故障，影响正常运行，所以在与蒸发器换热的水中，常添加防冻液，常用的防冻液是丙烯乙二醇、乙烯乙二醇、甲醇的水溶液、乙醇的水溶液等作为载冷剂，如果采用开式系统的间接利用方式，将水先引入到板式换热器中，那么就可以避免由于海水温度过低，而造成蒸发器的冰堵现象。若条件允许，冬季海水源热泵系统可利用附近发电厂循环冷却水或污水处理厂的污水余热，作为低温热源进行供热，热泵的制热系数将有很大提高。

4.6水处理

海水在引入机组前，要经过过滤、杀菌、祛藻处理，然后再由电解海水法产生的次氯酸钠杀死海水管路中的海生物幼虫和虫卵，以保证系统的正常运行。

5海水源热泵空调系统设计的注意事项

5.1海水源热泵系统一般规定

1.在确定采用海水源热泵系统前，应进行详细的技术经济分析，分析时应考虑如下因素：1)工程所在地海水温度的变化规律，建筑物距离海水源侧的距离；

2)工程所在地与系统设计有关的气象参数变化规律；

3)拟空调建筑距海水源侧的距离；

2.海水的利用方式应根据海水温度的变化规律、热泵机组产品性能与投资、系统预期寿命

因素确定。

3.海水源热泵系统应根据技术经济分析决定是否设置冷、热源调峰，设调峰冷、热源时，其

年总供热、供冷量占系统年总供热、供冷量的比例不宜大于40％。

4.海水源热泵系统的热泵机组站房宜靠近海水源侧设置。

5.海水源热泵机组的选择应满足：在设计最低进水温度下正常运行，对应设计最低进水温度

的热泵机组供热工况COP宜≥3.0。

5.2设计原则

1.应进行全年动态冷、热负荷计算，分析冷、热负荷随时间的分布规律，若尽量冷热负荷相

差不大，则经济性越好。

2.海水设计温度应根据近30年取水点区域的统计资料选取。

3.热泵机组空调水侧供热工况的设计出水温度不宜高于60℃，温差宜取为10℃。

4.海水进、出换热器或热泵机组的温差不宜超过7℃。

5.海水取水口设计：取水口的位置应考虑退潮、船只航行等影响因素；取水口应置于海

面以下2~4m，且距海底的高度不宜小于2.5 m，以避免吸入海底杂物。取水口处应设置拦污条格栅以及杀菌、防生物附着装置，取水口的最大允许流速宜＜0.2m/s。

6.海水换热器应选用板式，材质为钛或海军铜，换热器应具备可拆卸性。

7.海水泵材质应具有耐海水腐蚀和抗污损能力，如潜水泵宜采用不锈钢材质，循环泵可以采用牺牲阳极保护法等。

8.海水管道的材质：管径≦600mm时，宜采用高密度聚乙烯塑料管；管径＞600mm时，可采用混凝土管道或钢管，并应考虑防腐措施，如采取内刷防腐、祛生物附着涂料和阴极保护相结合的防腐措施。

9.祛藻、防腐，海水输配管道及与海水接触的设备应采取防止海洋生物附着的措施，如海水电解杀菌祛藻、加氯祛藻、加药祛藻等。靠近海边设置的热泵站房内的外表面接触大气的设备、管道及金属结构应采取适合海滨空气特征的防腐措施。通常为涂刷环氧类防腐涂料，如环氧富锌、防锈环氧云铁、环氧沥青等。添加防冻剂的换热介质涉及的管道及阀件其与介质直接接触部位材质均不应含有金属锌。

10.换热介质中添加的防冻剂，应考虑对管道、设备的腐蚀性、化学稳定性、物理特性以及毒性等因素，建议采用工业抑制型乙烯乙二醇；添加防冻剂的换热介质冰点温度，宜比设计最低温度低3～5℃。

5.3监测与控制的特殊要求

1.监测海水的供回水温度及其流量、载冷剂的供回水温度、浓度及流量；

2.监测各类水过滤器的前后压差、监测海水取水口/排水口至热泵机组或换热器进口/出

口的压差。

3.所有与海水接触的传感器和仪表均应为海水专用耐腐蚀型；所有与添加防冻剂换热介

质接触的传感器和仪表其接触部位的材质均不应含有金属锌。

4.系统控制应考虑冬、夏季及过渡季节的运行模式切换。

5.海水源热泵系统的空调末端宜采用水泵变频调节的变流量系统。

（以上信息来源自网络）

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