海底隧道渗水余热利用

金吉钊 张琳杰 李俊达 青岛能源热电集团有限公司

1 项目概况及所需冷热负荷

1.1 现有情况摸排

青岛胶州湾隧道南起黄岛区薛家岛，北止团岛云南路、四川路隧道口，全长7800m，其中陆域段3850m，海域段3950m，最深点是84.2m。由于海底隧道地处水面以下，海水深、压力大，因此海水会大量渗入隧道的建筑层内。胶州湾隧道的渗透力度更大，因为隧道的最深处在海平面80m 以下，比国内外许多隧道要深很多，因此压力也更大。

据统计，胶州湾隧道每天的渗水量约3100m³，这些渗水依靠水泵排出。隧道内部一共有3 个泵房，每个泵房内有3 台大型水泵，一用两备。全部水泵实现自动控制，只要水位到达限度，水泵就会自动抽水，所有渗入到隧道内的海水，都会由水泵抽出，通过专门的管道，把海水送到隧道进出口附近的地面，再顺着沟渠流回大海。由于2#泵排水口位于部队院内，无法利用，因此本次利用的渗水为1#和3#泵排水。

对隧道渗水水样化验，结果如下：黄岛端陆地段渗漏水（3#泵房）水样：电导率：2730，浊度：0.126，氯离子（mg/L）：624；海底区域段渗漏水（海底泵房）水样：电导率：43320，浊度：0846，氯离子（mg/L）：17668。

化验结果显示：黄岛端水样属于淡水；海底水样属于海水。黄岛端排水为1#和3#泵房共同排水，为海水和淡水的混合水。

1.2 冷热源供应

根据查阅往年历史数据，黄岛端的3#泵日均向外排水1650t，若使用水箱蓄水，则每小时可使用水量为68.75t。通过调研可知夏季海水最低温度为20℃，冬季海水最低温度10℃。由于蒸发器出水温度在3.5 ～4℃时蒸发器有结冰风险，为最大利用海水热量，本项目按照蒸发器出水温度 5℃考虑，经过蓄水后海水每小时可以利用热量为：Q=4.18×1000×68.75×1000×（10-5）=1436875000J=399kWh。

3#泵房每天平均启泵时间8.5h，一般启动30～40min，遇到海底1#泵房向3#泵房排水，启动时间在60～90min。为计算水箱体积，选取最不利的启动时间90min，此阶段内排水量为V=1650/(8.5/1.5)=291m³。据此计算得知蓄水箱最小体积274m³，因此需新建水箱体积约为300m³。

1.3 所需冷热负荷

隧道附近有新建体育馆的规划，根据体育馆图纸可知，馆内游泳池用水和生活热水对用热的需求负荷为270kW，一年用能822GJ。

隧道附近的某酒店，建筑面积约为8000m2，共140 个房间。因场地内体育馆建设需将酒店使用的6 台额定制热量为45kW的多联机室外机进行移动重新安装。选用一台额定制热量为113kW 的日立水源直膨机对其中的2 台45kW 的室外机进行替换改造，室内机不改动，其余仍使用多联机进行供热供冷。

2 能源站方案设计

2.1 设备选择

选取额定制热量为297kW 水源热泵和113kW 的水源直膨机，考虑到冬季海水水温较低，建议采用直接进机组的形式，机组蒸发器采用钛合金壳管式，增加机组的耐腐蚀。经现场调查可知隧道附近某酒店使用的多联机品牌，为方便更换减少投资选用原品牌的水源直膨机进行替换，可以使原末端风机完美适配新建水源直膨机，不需要新投资。水源变频多联机系统室内机采用制冷剂直接蒸发技术，相比于水冷机组避免了二次热交换所造成的换热效率下降，大幅提高能效比。主要设备规格见表1。

表1 主要设备规格表

2.2 工程安装

2.2.1 取水方式

考虑到当海水流量间歇变化时，为保障海水源热泵系统连续稳定运行设置海水蓄水箱。海水水箱位置为海底隧道出口130m处放置，水箱放置在排水渠，3#泵向外排水为DN350 管道，水泵排水直接排入海水水箱。海水中氯离子浓度过高，水箱采用双层镀锌钢板中间保温。

2.2.2 海水管材选用

考虑到海水中含有的腐蚀性离子浓度较高，拟采用的管网管材内涂环氧树脂螺旋钢管，该管道均具备较好的内防腐蚀性能，同时采用合理的外部防护措施都可以满足本项目的海水取水管网要求。本项目需新敷设2 条DN150 海水管道，将海水从蓄水箱引至热泵房，将热泵房的海水出水排入排水渠，管道总长度为850m。

2.2.3 泵房位置及管道路由

两台海水循环泵安装在蓄水箱旁的排水渠中，设备机组放置在新建体育馆和酒店附近，有足够位置安放机房。海水源热泵机组出水口放置两台二次侧低区循环水泵，沿厂区围栏放置供回水管道，为DN125 管道，管道敷设为60m。从管道路由经过配电室处引出电缆沿管线路由到热泵机房满足设备机组供电。

2.3 技术方案

对能源站的工艺流程进行说明，能源站采用海水蓄水箱+水源热泵+水源直膨机多种能源设备耦合的供热供冷供生活热水系统，系统流程图见图1。

图1 系统流程图

隧道渗水经水泵排至海水蓄水箱，冬季最低水温为10℃，夏季最低水温为20℃。生活热水和泳池水加热系统是由蓄水箱旁的海水循环泵将海水送至水源热泵，热泵提取海水的热量满足用热负荷。冬季水源热泵蒸发侧供回水温度为10/5℃，夏季蒸发侧供回水温度为20/15℃，全年冷凝侧供水温度为55℃，回水温度为50℃。酒店部分房间的空调供暖供冷系统是由蓄水箱旁的海水循环泵将海水送至水源直膨机，冬季直膨机吸收渗水的热量给酒店部分房间供暖，夏季直膨机将房间内的热量转移到海水中。冬季水源直膨机蒸发侧供回水温度为10/5℃，夏季冷凝侧供回水温度为20/25℃。最终保证冬季房间室内温度达到20℃，夏季房间室内温度不高于26℃。

水源热泵和水源直膨机并联接入海水蓄水箱送来的海水，通过调节阀门开度保证两台设备流量都能满足使用。根据生态保护要求，海水被机组提取热量后送至原排水渠。

3 效益分析

3.1 投资估算

由表2 可知本项目建设工程总投资金额约200.6 万元。

表2 设备安装投资估算表

3.2 运行费用估算

电费单价按照0.7 元/kWh 计算，改造后的酒店房间年入住率为30%，年供能量和运行能源费用见表3。由表3 可知，年直接能源成本为7.86 万元。

表3 年供能量和运行费用

3.3 与空气源热泵供能方案比较

3.3.1 运行安全可靠性

海水源系统利用的海水温度比较稳定，冬季最低温度时仍能达到10℃以上。机组能够有效利用海水中的热量。空气源系统中冬季空气温度低，达到零下10℃以下，机组无法有效利用空气中的热量，换热器易结霜，制热量下降且输入功率变大，更耗能。

3.3.2 运行经济性

空气源热泵系统投资约为60 万元，年直接能源成本为13.1 万元，年平均折旧和能源成本费用约为19 万元。海水源系统年平均折旧和能源成本费用约为27 万元。若青岛市将可再生能源供能补贴政策延续，海水源供能系统可申请补贴，从而降低年平均成本费用，因此两者经济性相差无几。

3.3.3 效益

使用海水源系统比使用空气源系统年节省电量约为7.5 万kWh，少排放二氧化碳59840kg，相当于多种了3264 棵树。

4 结语

本项目选取1 个300m³的海水蓄水箱，选取1 台额定制热量为297kW 水源热泵对隧道附近新建体育馆的游泳池泳池水和生活热水加热，选取1 台113kW 的水源直膨机对隧道附近某酒店的部分房间进行供冷供热。

使用海水源系统供能投资约为200 万元，年运行费用为7.86 万元，与空气源供能系统相比，具有良好的经济效益和社会效益。

若该项目能够成功实施，将成为全国首条海底隧道余热利用项目，其减碳意义和宣传影响力具有显著的示范意义。