顿汉布什全封闭螺杆海水源热泵机组成功应用
慧聪空调制冷网针对青岛海域的状况，采用烟台顿汉布什公司独有的海水防腐蚀技术，成功地解决了海水直接进机组的防腐蚀问题，降低了设备投资费用，提高了机组效率，节约了运行费用，实现了制冷、制热、制热水的功能，将为青岛市及全国的建筑节能技术的推广起到良好的示范作用。
[关键词]海水源热泵机组；节能环保；制冷、供暖、洗浴热水
Successful Application and Development of Dunham-bush Enclose Screw Sea WaterSource Heat Pump Units in Qingdao Li Aiyan Zuo Shaoliang Dong Xiaxia Yantai Dunham-bush Industrial Co.,LTD Summary] Aim at condition of Qingdao sea,successfully solved the anti-corrosion problem cause by sea water directly into the unit by use Yantai Dunham-bush unique seawater anticorrosion technology. Reduce the equipment investment cost,raise the efficiency and decrease operating cost,realize cooling,heating,hot water function. Built a great role model of building energy efficiency technology to Qingdao and whole country. [key words] sea water source heat pump units; Energy conservation and environmental protection; Cooling,bath hot water
引言
海水源热泵技术是利用地球表面浅层水源（海水）吸收的太阳能和地热能而形成的低温低位热能资源，并采用热泵原理，通过少量的高位电能输入，实现低位热能向高位热能转移的一种技术。采用烟台顿汉布什公司独有的海水防腐蚀技术，成功地解决了海水直接进机组的防腐蚀问题，降低了设备投资费用，提高了机组效率，节约了运行费用。同时又成功地解决了海水温度随着室外温度不断变化，低温度提取海水热量的技术难题。
一、青岛海域的海水资源的状况
1、地理位置：
青岛地处山东半岛东南部，位于东经119度30分～121度，北纬35度35分～37度09分。海岸线（含所属海岛岸线）总长为862.64公里，其中大陆岸线730.64公里，69个海岛的岸线长132公里，总计海岸长862.64公里，大陆岸线占山东省全省岸线的1/4强。海岸线曲折，岬湾相间，面积大于0.5平方公里的海湾，自北而南分布着丁字湾、崂山湾、小岛湾、太清宫口、崂山口、麦岛湾、浮山湾、前海湾、胶州湾、唐岛湾等32个海湾，优越的自然环境，优良海域的水文条件尤其适合海水源热泵项目的建设和实施。
2、海水水温：
青岛海域海水平均温度1月、2月份为5.5℃，12月份为9℃。表1.1全年各月份海平面海水平均温度（℃）根据中国海洋信息网、国家海洋预报台公布的数据，2008年2月份青岛海域海水温度约为2－4℃左右。
图1.1 2008年2月中旬海温预报（国家海洋预报台）
图1.2 2008年6月下旬海温预报（国家海洋预报台）
1999年至2008年最低表层海水温度2000年2月15日2.3℃，2005年2月21日2.6℃；
1999年至2008年，取暖季节最低海水平均温度6.09℃，取暖季节最高海水平均温度8.12℃；
冬季时，海水深度7米处，海水温度高于表层水温0.4℃；夏季海水最高温度25℃左右，海水深度7米处，海水温度低于表层水温3.5℃左右。深水区盐度31.8‰，冰点温度-1.7℃；浅水区域盐度30.5‰，冰点温度-1.7℃；PH值8.1。
3.海水水质：
青岛海域为较清洁海域，符合国家海水水质标准中二类海水水质的海域，如图1.3所示。海水盐度冬夏季为31‰左右。
4.海水潮位：
海域最低潮位2006-02-27日08时12.5cm，2006年最高潮位380cm，涨潮水满至海堤，沿河入海口处进入河内200米，落潮线距海堤300米。
综上分析青岛海域沿海一线优越的地理位置、丰富的海水资源，适合海水源热泵工程的建设。
二、全封闭螺杆式海水源热泵机组在青岛海域应用的现状
从顿汉布什公司海水机组的发展的情况来看，自2004年烟台莱佛士船厂、爪洼船厂、南通美利昌通宝船务等船厂分别采用海水冷却的方式选用了顿汉布什海水冷水机组117台，随着热泵技术的发展，自2006年以后安国阳光逸景、天津中心渔港、大连港、唐山海港、海西船厂、香槟海岸等项目采用顿汉布什海水热泵机组100多台，供热、供冷面积达到200多万平方米，从热源的提取的形式看，从最早的直接海水冷却到打沙滩井的海水供冷、供热，海水源热泵的应用积累了大量的经验数据，得到了快速的发展，先针对青岛的海西船厂和香槟海岸进行详细的介绍。
1、青岛海西船厂海水源热泵情况介绍
1.1工程概况
青岛海西重机有限责任公司是武汉船用机械有限责任公司的全资子公司，隶属于中国船舶重工集团，是从事起重机械、港口装卸机械设计制造的专业厂家。公司位于青岛市经济技术开发区，地处胶州湾入口，交通运输非常方便，总规划面积51万平方米，其中厂房面积30万平方米，装配场地面积21万平方米，码头岸线长约1000米。
青岛海西重机有限责任公司在厂区中央空调综合应用热泵技术，以工业余热、海水资源为热（冷）源，实现供应生活热水、冬季采暖、夏季空调的节能减排项目。通过热泵形式实现以下功能：
1.1.1利用空压机冷却水作为热泵低温热源实现一年四季的洗浴热水供应。洗浴用水要求每天提供60℃以上的热水150m3，可供3000人的洗浴。洗浴用水的使用时间主要集中在下午16～18点，其余时间不用（一期工程）。
1.1.2利用海水作为热泵低温热源实现办公楼、食堂及部分宿舍楼的夏季制冷空调和冬季采暖以及部分宿舍楼的冬季采暖。
1.2、热泵系统总体设计方案
1.2.1、低温热源的情况
厂区内现设计一个空压机站房，其中150m³的离心式空压机4台（每台空压机的冷却水循环量为90m3/h），主要用于喷涂车间，间歇应用；30m³的空压机4台（冷却水循环量为40m3/h），主要用于维持正常生产，常年运行（每年只有几天不运行）。循环水温度（从空压机出来的水）一般为32℃，冬季最低为22℃，夏季最高为42℃，循环水的温差在6-12℃左右，取11℃，循环水的降温采用冷却塔进行降温冷却。同时，本工程濒临黄海，夏季时—5米以下处的海水温度在22℃以下，冬季海水温度在3℃以上（大部分时间在5℃以上），也是热泵一种比较好的低温热源。因此，本工程具有比较优良的冷热源，采用热泵系统实现冬季供暖、夏季制冷，同时一年四季提供洗浴热水具有得天独厚的优势。
1.2.2、系统设计方案
以海水做为热泵的低温热源，实现各种办公楼和生活宿舍楼的冬季采暖，以及办公楼、食堂、部分宿舍楼的夏季制冷空调。办公楼、食堂、1#宿舍楼的末端采用风机盘管形式，冬季供热，夏季供冷（中央空调形式），2#宿舍楼的末端采用地板辐射采暖形式，冬季供热，夏季不供冷。
空调部分冷、热负荷计算表
序号
建筑名称
建筑面积
单位冷负荷
总冷负荷
单位热负荷
总热负荷
㎡
W/㎡
kw
W/㎡
kw
1
理化试验楼
1900
90
171
90
171
2
食堂
3000
90
270
90
270
3
1#宿舍楼
6000
90
540
90
540
4
2#宿舍楼
16817
——
——
50
841
5
综合办公楼
20000
90
1800
70
1400
6
合计
47717
2781
3222
1.2.2.2洗浴用水系统设计方案
每天提供60℃的洗浴热水150m3，可供3000人的洗浴。
每天洗浴需总热负荷：冬季：1.163×150×（60℃-8℃）＝9072KW/天；
通常卫生热水机组每天运行8～14小时，则卫生热水机组总热负荷为648kw～1134kw。
洗浴用水的使用时间集中在一个时间段，本方案设置2个净容量各为75m3的蓄热水箱，总蓄水量150m3，可以充分保证洗浴热水的用量。
1.2.3、主机及附属设备选型
1.2.3.1空调部分主机：
机组选型原则：满足最恶劣工况条件下（海水温度为3℃时）工程供暖的使用要求。
空调部分主机选用烟台顿汉布什工业有限公司生产的立式全封闭螺杆海水源热泵机组WCFXHP50TN两台。
夏季：采用海水作为冷却水，制冷时，在海水进出水温度为22/27℃，空调冷水进出水温度为12/7℃时，机组的制冷量为1666kw，输入功率为253.7kw，COP值6.57。
冬季：最恶劣工况条件下，全部采用海水做为热源水，海水进出水温度为3/0℃，热水进出水温度为45/50℃时，机组的制热量为1659kw，输入功率为393.5kw，COP值4.22。
正常工作下，利用空压机余热水换热之后的热源水，热源水进出水温度为16/5℃，热水进出水温度为45/50℃时，机组的制热量为1888kw，输入功率为405.3kw，COP值4.66。
1.2.3.2洗浴热水：
机组选型原则：为了满足使用机组使用效率，洗浴用水的使用时间集中在一个时间段，为减少热泵主机的容量，降低设备初投资，同时在最恶劣工况条件下（海水温度为3℃时）的能够正常使用。
洗浴热水机组选用烟台顿汉布什工业有限公司生产的立式全封闭螺杆海水源热泵机组WCFXHP18SRN两台。
冬季：最恶劣工况条件下，全部采用海水做为热源水，海水进出水温度为3/0℃，热水进出水温度为55/60℃时，机组的制热量为347kw，输入功率为111.9kw，COP值3.10。
正常工作下，利用空压机余热水换热之后的热源水，热源水进出水温度为16/5℃，热水进出水温度为55/60℃时，机组的制热量为447kw，输入功率为115.3kw，COP值3.88。
2、青岛香槟海岸的情况介绍
青岛香槟海岸住宅小区，建筑面积总建筑面积159369m2，要求冬季采用地板辐射采暖，夏季采用风机盘管制冷。本项目经过2010-2012年冬季的运行，性能稳定，该项目通过了财政部、建设部“可再生项目能源在建筑应用中示范项目”的审批。
本工程为青岛颐荣置业房地产开发有限公司开发建设的“香槟海岸”小区和“好望海岸”大厦，工程坐落于青岛胶南市经济开发区两河路、海水浴场对面，东靠两河大河200米，南临黄海，距离海边约500米。
“香槟海岸”小区，末端地板辐射供暖，不供冷、不提供生活热水，总热负荷值：4267kW，其中低区2267kW，高区2000kW。
“好望海岸”大厦，采暖、供冷末端为风机盘管，总热负荷：3824.6kW，其中低区和中区为2800kW，高区为1024.4kW，总冷负荷：4246.4kW，其中低区和中区为3200kW，高区为1046.4kW。
选用顿汉布什全封闭螺杆式海水源热泵机组4台，WCFXHP69S2台，WCFXHP54T2台,机组提供的冷热水：夏季供冷水，温度为7/12℃；冬季供热水，温度为50/45℃,冬季海水温度3/0℃，夏季海水温度22/27℃，室内温度整个冬季都高于18℃。
三、目前推广海水源热泵存在的问题
3.1投资的经济性
结合国内几个工程的投资和运行费用的状况，通过以一个一万平米的办公楼的中央空调冷、热源为例进行了分析,其结果如下:
设备名称
初投资
平均运行费用
海水源热泵
159.04万元
16.97元/m2.年
水源热泵
118.69万元
16.64元/m2.年
燃煤锅炉+冷水机组
144.24万元
16.84元/m2.年
燃油锅炉+冷水机组
144.39万元
29.83元/m2.年
电锅炉+冷水机组
137.23万元
44.39元/m2.年
直燃式溴化锂机组
295.44万元
36.69元/m2.年
通过经济分析报告来看，初投资高，为海水源的发展受到了一定的限制。
3.2技术的可行性
3.2.1海水源热泵系统的技术关键点
海水对金属材料有着强烈的腐蚀性，因此如何经济、可靠地解决海水对材料的腐蚀性，成了海水源热泵的技术关键点，根据海水的利用方式，一般分为闭式和开式，其中开式又分为直接利用方式和间接利用方式。
3.2.1.1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塑料管作为热交换器，直接将其投放于海水中，通过换热盘管中的介质与海水之间的换热来实现能量转移。
这种方式的优点主要包括：
①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；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。
其缺点有：
①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，若布置于公共区域，有可能遭到人为的破坏，因此其使用范围小。
3.2.1.2、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人热泵机组的蒸发器（或冷凝器），使海水的热量（或冷量）直接传递给热泵工质，换热后的海水再通过排水管道输送回海面。
其优点是：
①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；
②海水外网取水点可布置在较深的海水中，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，对机组的防腐蚀的工艺和材料要求较高。
3.2.1.3、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。
这种方式的优点是：机组不与海水接触，与海水直接接触的设备只有换热器，可拆式的钛板板式换热器，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。
缺点是：钛板换热器的造价很高，同时由于增加了中间换热，使冬季进到机组的温度降低，夏季进到机组的温度升高，因此整个系统运行费用也比方式2的要高。
因此是应用之前要做一个投资和运行费用的比较，便于系统的选择。
3.2.2海水源热泵机组的防腐蚀措施
顿汉布什公司满液式蒸发器技术，这为海水源热泵机组的发展奠定了基础，满液式海水源热泵相对其它水源热泵，具有更优的节能效果，但因海水中含有大量的氯离子，对普通换热器材料具有较强的腐蚀性，因此海水源热泵的海水换热器的防腐蚀的措施尤为重要。
常规换热器的换热管通常采用紫铜管，不耐海水腐蚀；海水换热器的换热管采用耐海水腐蚀的铝黄铜管或镍铜管，更有甚者采用钛管。B10的经济性和抗腐蚀性在前述几种换热管中俱佳，铝黄铜管最经济，但抗蚀性能比镍铜管B10差一些，使用寿命会比采用B10换热管的换热器短；镍铜管B30的抗蚀性比B10强，但成本也高许多；对海水抗蚀性最强的是钛管，但成本也成几倍趋势增长，一般只在军事等极其重要的场所才使用。可根据用户对成本和使用寿命的要求提供不同的材质。对于管程为海水侧的换热器（冷凝器和满液式蒸发器），为防止海水对常规容器的管板和水室的腐蚀，这些部位也要采用特殊材质，对机组的工艺的要求非常高。
四、结论：
顿汉布什满液技术为海水源热泵技术提供了很好的技术保证。
青岛海岸线总长海岸长862.64多公里，具备一个得天独厚应用海水源热泵的条件，海水源热泵是一种节能环保的空调系统形式。在任何地区拟采用这种系统之前，一定要对当地的海水情况进行深入细致的调查勘探，针对不同的地区、不同使用规模、不同的设计形式、不同的机组的配置形式进行合理的配置。
参考文献：熊能照空调用的热泵技术及应用机械工业出版社1997
GB50366-2005地源热泵系统工程技术规范[S].北京.中国建筑工业出版社2005
姜宝成地源热泵的技术经济性评价哈尔滨工业大学学报2003.35（2）
左景伊腐蚀数据与选材手册北京化学工业出版社1995
烟台顿汉布什工业有限公司李爱彦
liaiyan@dunham-bush.com.cn
