基于江水源热泵技术的流域水文水质评价

摘 要：流域水文水质条件对沿线取水工程具有较大影响。江水源热泵技术对江水水文水质条件要求较高，其水质不仅能够影响热泵机组的换热性能和引起换热器结垢，还对热泵机组及其附件的使用寿命产生严重影响。研究结合长江流域水文站监测数据，采用模糊评价法，对其水量、水温、水位和水质（pH、铁离子、锰离子、钙离子、镁离子和总硬度）进行评价分析，并综合长江流域水文状况，综合判断该流域水文水质条件对水源热泵机组的适宜性。研究表明，长江流域有着明显的季节性变化，夏季水质较差，冬季水质较好；流域较为适合作水源热泵的水源，但是含沙量和浊度较大，需要在设计和运行时候要考虑除沙工艺，对于要求较高的水源热泵还需要考虑除铁和锰的工艺。

关键词：长江流域；水文水质；模糊综合评价；海明距离

1.前言

长江是我国第一、世界第三大河流，其沿线取水工程较多[1] ，南水北调西线取水工程全部在长江流域。水源热泵技术作为一种可再生能源利用技术，具有高效、节能、环保等特点，因而日益受到关注。水质条件的好坏对水源热泵机组换热器结垢起着决定性的作用[2-4]，因此在取水过程中需要结合水文和水质进行综合分析[5]。长江水水质是江水源热泵利用时必须考虑的重要条件之一，也是影响江水源热泵系统效率的关键因素[5]。因此在实施江水源热泵工程时，要明确长江水水质及水文条件，确定科学合理的利用方式。

目前，学者对长江水质的评价分析较多。刘荣珍等采用模糊数学方法，对长江17个地区的水质状况进行了综合评价，评价结果显示长江水质情况总体较好；尤永祥等通过采用模糊综合评价方法对长江下游贵池河段的水质进行评价，提出考察多种因子复合影响水质状况评价的科学性[7]；焦军彩等运行模糊综合评价和聚类分析的方法，对长江水质评价和分类，结果表明模糊评价结果与模糊聚类分析结果一致，更优于传统的统计方法，从而为水質检测提供了一种更科学、有效的方法；白雪莲等过对江水源热泵换热器结垢的水质影响因素进行分析，确定了主要水质指标及其取值，采用模糊综合评价法，利用实际监测数据，分析了作为水源热泵源水的江水水质类别，偏重于水质的分析[8]；柴峰等从水量、水位、水温、水质4个方面分析了长江和嘉陵江的水源特性，提出了江水源热泵的应用条件和要求，但对于水质的分析较少[2]；贾遵峰等仅针对重庆地区嘉陵江和长江的水质变化进行了分析，但是选取的水质指标较少[9]。由此可见，目前针对长江取水工程中水源热泵适宜性的评价较少，且很少考虑到江水水文条件，本研究结合江水源热泵技术应用对长江流域水文水质开展综合评价，为江水源热泵技术的应用提供科学依据，为同类工程的实施提供可借鉴的方法和经验。

本文通过对长江流域三个水文站（寸滩站、北碚站、朱沱站）2008年6月至2009年3月共8个月的测试水质资料数据（水量、水温、水质）进行整理和分析，采用模糊数学评价法对江水水文水质条件进行评价分析，综合判断长江流域江水源热泵技术的适用性，为今后实施该类型工程提供可借鉴的方法。

2.江水源热泵技术

水源热泵是利用水体中蕴藏的太阳能资源作为热源，利用水体散热后的低温水作为冷源，进行能量转换的供暖空调系统。江水源热泵技术即利用江河水作为冷热源发展水源热泵的技术，具有投入低、效果好的特点。水源热泵应用时要求水体水温适宜、水量充足稳定，水质优良，当水体含有大量泥沙、悬浮物或者其它离子时会影响水源热泵换热器机组的运行。江水水质状况直接影响换热器传热效果，进而影响江水源热泵技术的有效应用。因此，在使用水源热泵之前需要对江水水质进行评价。

3.研究区域概况

研究区域位于中国西南部的重庆市，地处长江沿岸，属于夏热冬冷地区。夏季有大量的供冷需求，冬季有大量的供热需求，工程离长江江面的距离约50 m，具有良好的利用长江水的条件。综合考虑经济性及节能效益，本项目的冷热源形式采用江水源热泵复合冷热电三联供系统方案[12]。该方案中江水源热泵对长江水质要求较高，故选取该区域范围内位于重庆市江北区寸滩乡的寸滩站水文站；位于重庆市北碚区北温泉的北碚水文站和和重庆长江上游朱沱镇的朱沱水文站共三个水文站水文与水质监测数据进行分析研究，研究基础数据来源于文献。

4.评价与分析

4.1长江流域水源热泵水文评价

4.1.1水温条件

水温是影响水源热泵系统运行效果的重要因素。如表1所示是寸滩、北碚和朱沱三水文站的水温实测值。

看出寸滩站与朱沱站供冷季节最高温度不超过28℃，供热季节最低温度不小于10℃，满足《地表水水源热泵机组水质标准》要求的供冷季节最高月温度不超过28℃，供热季节最低月温度不低于10℃的要求，具有非常好的适宜性。北碚站8月份前后温度高于28 ℃（超出1.5℃），1月份温度低于10℃（低1.0℃），并不是太适宜作为水源热泵的供水水源，但是其它月份水温适宜性良好，可以作为热源热泵供水水源，故在取水退水设计时要注意这两个月份的温度要求[13]。

长江水的水温主要受来流水温及流经地域的气候条件影响，冬、夏季水温存在明显区别，整体呈现冬季低、夏季高的变化趋势。长江水水体的温度比空气稳定，可以提高机组的效率。但与常规空调系统相比，长江水源热泵系统并非在所有条件下均具有节能性。参照文献[2]中给出的数据，当取水高差为22m时，机组进水温度只要不高于31.17℃，江水源热泵就比常规空调系统节能，而当取水高差增加至25m时，机组进水温度需要低于30.77℃，江水源热泵才具有优势。

与湖泊水库等滞流水体相比，长江水的品质较高，水體热容量较大，流动性好，具有很好的热恢复能力，不用担心由于建筑排热导致的水体温度的变化问题，比较适宜作为地表水水源热泵[10]。但是由于水体温度受到当地天气气候的变化的影响，在供冷季节8月份前后的温度和供热季节1月份前后的可能会出现小范围超标现象。

4.1.2流量与水位条件

水体水量是满足地表水源热泵稳定运行的另一个重要参数。对于长江这类大型流动性水体，在水量上主要考虑水体水量稳定性的问题，这关系到水源热泵取水的稳定性；在水位上主要考虑水体水位的变动幅度大小，对于水位变化过大的流动型水体，应收集冬季和夏季的水位标高，全年运行的地表水系统，应以制冷制热季节中的最低水位作为设计取水标高。否则将不能满足取水水量的稳定。

据统计出寸滩站平均流量11368m3/s，最低流量出现在3月份为3710m3/s；平均水位线1790m，最低水位在400m。北碚站平均流量108m3/s，最低流量出现在9月份位6m3/s；平均水位线136m，最低水位线在16m。朱沱站平均流量2387m3/s，最低流量出现在2月份为9548m3/s；平均水位线142m，最低水位线在36m。

由水量水位分析可见，长江水季節性变化较为明显，夏季水位较高，水量较为丰沛；冬季水位较低，水量较为缺乏。寸滩站与朱沱站流量、水位较为规律，且极其丰沛，完全可以满足热泵用水量，取水稳定性较好；北碚站流量、水位变化较大，取水稳定性较差，在取水和退水设计时候要特别注意冬季1、2月份水量和水位的限制，该以这两个月份的水位为设计依据。变化平稳，处于较低水平。对于目前重庆地区较多采用的江水直进机组的开式系统，取水高差及其变化特性是系统设计和优化运行的关键因素[2]，水量并不会成为水源热泵在长江地区应用的限制性条件。

4.2长江流域水源热泵水质评价

水质不仅影响热泵机组的换热性能，还对热泵机组及其附件的使用寿命产生严重影响，GB50736-2012《民用建筑供暖通风与空气调节设计规范》和GB 50366-2009《地源热泵系统工程技术规范》中对进入热泵机组的水质提出了明确要求。地表水水质须满足清澈、水质稳定、不腐蚀、不滋生微生物或生物、不结垢等条件。故需分析长江水域的水质条件，确定水源热泵机组的适宜性，同时为系统采用有效的技术措施提供基础。

4.2.1含沙量

江水中的细小泥沙颗粒沉降在换热器表面，逐渐形成污垢，因此在利用江河水作为江水源热泵源水时，含沙量是一个需要重点控制的水质指标[11]。图7-10分别为2008年6月～2009年3月之间三个水文站含沙量变化图和泥沙粒径变化图，图7、9中红线表示《地表水水源热泵机组水质标准》中对水源热泵含沙量的限制值100 mg/L（0.1 kg/m3）。

根据文献[12]可以看出，2008年6月至2009年3月寸滩站水域典型断面的年最大、最小含沙量分别为2.95kg/m3与0.022kg/m3，平均含沙量约为0.48kg/m3；据统计出寸滩站悬浮颗粒物中值粒径变化范围为0.004mm至0.012mm；平均粒径变化范围为0.013mm至0.051mm；最大粒径变化范围为0.228mm至0.424mm。含沙量较高，全年含沙量大于等于规定值，取水退水设计时需要对水源热泵做好除沙工艺，保证水源热泵正常工作。

据统计，北碚站水域典型断面的年最大、最小含沙量分别为0.497 kg/m3与0.004 kg/m3，平均含沙量约为0.039 kg/m3，夏季7、8、9三个月含沙量超出规定值，朱沱站悬浮颗粒物中值粒径变化范围为0.006 mm至0.017 mm；平均粒径变化范围为0.016 mm至0.059 mm；最大粒径变化范围为0.259 mm至0.464 mm。在取水退水设计时需要在这三个月對水源热泵做好除沙工艺，保证水源热泵正常工作。

朱沱站水域典型断面的年最大、最小含沙量分别为1.67kg/m3与0.027kg/m3，平均含沙量约为0.61kg/m3，冬季1、2、3月含沙量较低，朱沱站悬浮颗粒物中值粒径变化范围为0.006mm至0.017mm；平均粒径变化范围为0.016mm至0.059mm；最大粒径变化范围为0.259mm至0.464mm。比较适宜作为水源热泵水源，其它时间做好除沙工艺，保证水源热泵正常工作。

4.2.2浊度

水的浊度体现了水中悬浮物的含量。悬浮物越多，越容易引起换热器结垢。天然河流中含有较多的物质成分，尤其以泥沙为主，而浊度受泥沙影响较大。在江水源热泵系统中，除沙器在去除水中泥沙的同时，对江水的浊度也进行了一定程度的处理。

据统计2008年6月～2009年3月之间三个水文站测试数据中浊度变化情况，可以看出，浊度变现出来比较明显的季节性变化，冬季水温低，泥沙含量较小，浊度较低，夏季水温高，泥沙含量较大，浊度较高。江水源热泵水源浊度在100NTU—250NTU之间经过处理后可以满足规范要求[10]，由此而知，寸滩、朱沱和北碚三水文站测量的水中浊度指标远远超过了该要求。因此，浊度大是江水源热泵在长江流域使用的重大限制条件，在取水退水设计时候要特别注意前端水处理，降低浊度到250NTU以内，保证机组的正常运行和使用寿命。

4.2.3化学指标

本文结合长江水的实际情况，选取pH、铁离子、含沙量、浊度和钙离子等水质指标，采用模糊数学评价作为水质评价的方法，对长江水进行水质评价。模糊综合评价法是以模糊数学作为基础，应用模糊数学关系合成原理进行综合评价的一种方法，该方法广泛应用于对水质的评价[16-17]。模糊数学评价方法大概分为以下几个步骤：a.找出模糊评价集；b.划分评价等级；c.建立隶属函数，计算模糊评判矩阵；d.确定指标权重；e.进行模糊评判，得出模糊综合评判结果。

（1）评价集

根据江水引起水源热泵机组换热器结垢的程度，将江水水质分为三类。一类：水质优，不仅满足标准的规定，而且不易引起换热器结垢；二类：水质良，某些指标不满足标准的规定，容易导致换热器结垢，但通过基本水处理装置后水质指标可以达到标准的要求；三类：水质差，水质指标不满足规范要求，且某些指标经基本水处理后依然不能满足规范规定.

（2）模糊关系矩阵

（3）模糊综合评价

从模糊评价结果看来，在三个水文站中，北碚站处水质较为稳定而且水质较好，都是二类水质；寸滩和朱沱两处水质表现出夏季水质较差，冬季水质较好，主要由于冬季温度低，水质较清，含沙量和浊度较低，而夏季温度高，含沙量和浊度较高。因此，从水质方面来看，长江作为江水源热泵的源水时，水质不能完全达到标准的要求，某些指标超出限值，需要经过水处理后方可进入机组。而在汛期时，由于含沙量和浊度特别大，不利于直接式系统，容易引起换热器结垢。

5.结论

研究主要從水文（流量、水位、水温）和水质方面对长江水域三个水文站（寸滩站、北碚站和朱沱站）的水质测试数据进行了分析，得出以下结论：

5.1从三个水文站水质测试数据和相关分析来看，长江水域有着明显的季节性变化，夏季水质较差，冬季水质较好；

5.2从水文水质方面分析来看，长江水域较为适合作为水源热泵的水源，但是含沙量和浊度较高，颗粒粒径级别较大，需要在设计和运行时候要考虑除沙工艺。对于要求较高的水源热泵还需要考虑除铁和锰的工艺；

5.3通过对江水源水质和水文情况进行分析，表明长江该段水域适合作为低位热源的水源热泵系统应用。利用江水作为水源热泵水源时，须解决江水的含沙量问题，尤其是夏季含沙量大，容易引起水源热泵换热器结垢。而且水质指标不能完全达到要求值，需要在系统设计与运行时候采取相应的水处理措施。

参考文献：

[1]焦军彩，张小平，马树建.长江水质的模糊综合评价和模糊聚类分析研究[J].长江大学学报（自科版）理工卷，2009，（3）.

[2]柴峰，白雪莲.江水源热泵的水源条件分析[J].暖通空调，2013，（7）.

[3]白雪莲，刘宁毅，林真国，等.水源热泵综合节能技术的工程应用分析[J].制冷与空调，2012，（1）.

[4]陈晓.地表水源热泵系统的运行特性与运行优化研究[D].湖南大学，2006.

[5]管继玲.长江上游地区江水源热泵取水——水处理系统评价方法及技术路线研究[D].重庆大学，2010.

[6]刘荣珍，赵军.模糊评价模型在长江水质评价中的应用[J].兰州交通大学學报，2007，（6）.

[7]尤永祥，曹贯中，肖仲凯，等.模糊综合评价法在长江下游贵池河段水质评价中的应用[J].水利科技与经济，2012，（4）.

基金项目：2016年度浙江省大学生科技创新活动计划（新苗人才计划）项目（2016R414036）

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