东江湖库区地表水地源热泵系统的可行性与应用

朱晓保

摘 要：东江湖水库位于湖南省郴州市，是“东江水电站”的蓄水水库。其水量、水温、水质和供水稳定满足地表水地源热泵系统的要求，夏季水温较低、冬季有火力发电的工业热水，使得其优势明显。在具体的应用的也取得了较好的效果。

关键词：东江湖；地表水地源热泵；温差制冷；水库冷源

“地源热泵”的概念最早在1912 年由瑞士的专家提出，是通过输入少量的高品位能源实现由低品位热能向高品位热能转移。地表水式地源热泵问世于20世纪30年代，是地源热泵中最早使用的热泵系统的一种。该系统通过布置在水底的闭合换热系统与江河、湖泊、海水等进行冷热交换。它利用水下稳定的温度和显著的散热性，不需钻井挖沟，初投资最小，是简单、环保的供冷、暖方式。

1 东江湖库区的水文、水质特征

东江湖位于湖南省东南部的资兴市境内，属国家级禁止开发区域。自1986年蓄水以来，充分发挥了湖南省重要饮用水源地、湘江生态补水、防洪调峰、观光旅游、保护生物多样性和发电等综合功能。

1.1 东江湖库区水文、地质特征

东江湖是湘江一级支流耒水河上游的一座大型水库，是湖南省蓄积量最大的一级饮用水湖泊。流域面积4719平方公里，占耒水流域总面积的39.6%，水面面积160平方公里，总库容97.4亿立方米，正常蓄水81.2亿立方米，平均水深51米，最深处达157米。

该地区多年平均气温16.9℃，极端最高气温38.6℃，最低（山顶）气温-7.5℃，多年平均降水量1325.2㎜。境内山岭层叠，最高海拔1691米，最低海拔180米。地势第一级为河谷及阶地、构造陷落盆地和丘陵岗地，海拔500米以下，占总面积的22.65%，该级土质深厚肥沃，现大部分为淹没区。

1.2 东江湖库区的水质情况

主要入湖（库）的河流有：浙水、滁水、资兴江、沤江、淇江。各河流含少量平均为0.22千克每立方米，水温多年平均为16℃左右。根据监测数据与《国家地表水环境质量标准》，东江湖水质良好。对东江湖多个监测点的数据分析，水质达到或优于《地表水环境质量标准》Ⅱ类水标准；小东江饮用水源符合《饮用水源水质标准》Ⅰ级标准。

但在东江湖流域52个乡镇中，只有3个乡镇建有污水处理设施，沿河集镇的生活垃圾、生活污水均未经处理直接排入水体。流域内分布着瑶岗仙矿、汝城小垣—井坡矿区，多为本地资源粗加工为主的小企业。这些废水都排入东江湖流域，废水中含有害物质对水质影响较大。

2 东江湖库区应用水源热泵系统的可行性分析

东江湖库区地能用于地表水地源热泵系统的水量充足、水深较大。相对于库容量而言，来水及泄水的水量比例不大。太阳辐射全年不是太大，气温较低、地温与水库水温相近，库表水体的吸放热终年变化不大。和大部分容量大而且较深的发电用水库一样，东江湖温度分层是非常明显的。东江湖的水温适合地表水地源热泵系统的要求。

水质稳定，达到国家Ⅰ级标准或Ⅱ类水标准，只需要进行简单的过滤处理就可以净化，满足要求。由于水体的酸碱度适中，在交换热量的过程中，水体对管道的腐蚀不大，也不容易产生水垢。整体来看水体质量对管道和换热系统使用寿命的影响不大。但也需要注意控制上游生活污水和禁止矿产的粗放开发。

需要特别指出的是小东江河流段夏季排水温度低于气温，这就给制冷空调提供了可利用的自然温差源 。东江水库下排水从库内水深约 50 m 处排出，最高出水温度为 14.4℃（ 10月） ， 最低出库水温为11.8℃。受东江水库的底层水排出的影响，小东江及鲤鱼江流程几十里河水水温终年变化不大，常年水温维持在 13-18 ℃，夏季水温在 13-15 ℃的时间居多，制冷可用温差达 11-13 ℃。

3 东江湖库区地表水地源热泵系统应用

东江湖库区冬季气温不高，水温分布均匀，在10 ℃左右，相对郴州冬季3-10℃的平均气温而言，具有一定的采暖意义。夏季水温分层明显，可以分为温水层、 温跃层和冷水层。水面25m以下水温稳定在10℃ 以下，完全能满足民用建筑的制冷要求。

理想的制冷循环是逆卡诺循环，它的能效系数只与循环的高、低温热源温度及其差额有关。对于制冷用空调而言，当房间温度一定时，室外冷源的温度越低，则空调的能效系数越大。对于供热用空调而言，当供热房间温度一定时，室外蒸发器的热源温度越高 ，供热系数越大。在郴州地区煤炭资源丰富，在东江湖的下游建立了火力发电厂，电厂冷却循环水的水温较高，又可以在冬季采暖的过程中发挥较好的效果。正是这样独特的条件，是的东江湖库区的地表水地源热泵系统的效果可以最大程度发挥。

蒋爱华和梅炽的《水库温差能在制冷空调中的利用研究》一文中提到：位于东江湖下游的鲤鱼江电厂的空调系统既是以河水为冷源的空调系统。该空调系统夏季利用东江水库排水作为冷媒直接对全厂供冷，冬季采用该厂发电用蒸汽轮机的抽汽加热河水供热。该系统的受益范围为全厂生活区和办公区，设计总冷负荷为4350kW，总热负荷为3970kW。该项目总投资745万元，与普通的同规模集中空调系统相比，节约投资超过1000万元，每年可节约运行费用100多万元，节能效果显著。

4 结论

东江湖库区水量丰富、水质较好，适合地表水地源热泵系统的应用。作为一座大型发电水库，水温分层分布，在水体较深处排除的发电用水的水温基本恒定，具备冬暖夏热的供冷热条件。而有火力发电厂位于流域的下游，更把这种优势发挥得更大。但目前东江湖库区地表水地源热泵系统的应用并不多，一是因为作为国家级禁止开发区，东江湖主体湖面周围的社区和工厂都已经搬迁，需要供冷热的建筑物不多。二是因为在资源型地区，而地表水地源热泵系统初装成本太高，大家的供冷热的习惯还停留在原来的思维上。因此，要发挥好东江湖库区地表水地源热泵的应用优势，要解决长距离的换热过程中能量散耗的问题；要开发小型、低成本地源热泵系统；也要加大节能环保的宣传更新理念。

参考文献：

[1]蒋爱华，梅炽.水库温差能在制冷空调中的利用研究[Z].暖通空调，2004（03）.endprint