吳春旭，吳必軍，葉 寅

（1. 中國科學(xué)院廣州能源研究所，廣州 510640；2. 中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049）

海洋熱能利用進(jìn)展*

吳春旭1,2，吳必軍1?，葉 寅1

（1. 中國科學(xué)院廣州能源研究所，廣州 510640；2. 中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049）

海洋熱能儲量巨大，隨時(shí)間變化相對穩(wěn)定，具有廣闊的開發(fā)利用前景。當(dāng)前，海洋熱能利用技術(shù)主要包括海洋溫差能發(fā)電技術(shù)、海洋溫差能制淡技術(shù)以及海水源熱泵技術(shù)。發(fā)電技術(shù)要求海水溫差不小于 20℃，制淡技術(shù)要求海水溫差不小于 10℃，海水源熱泵技術(shù)則在不同緯度地區(qū)、不同季節(jié)均能應(yīng)用。本文重點(diǎn)分析了海洋溫差能發(fā)電技術(shù)的3種循環(huán)方式，針對低溫差導(dǎo)致低發(fā)電效率的問題，提出了利用太陽輻射加熱溫海水以提高溫差和利用波浪能驅(qū)動(dòng)泵以降低系統(tǒng)能耗兩種提高發(fā)電效率的方法。

海洋熱能；溫差發(fā)電；海水淡化；熱泵

0 引 言

海洋熱能是一種重要的海洋能，狹義的海洋熱能是指海洋溫差能，廣義的海洋熱能是指海水由于與環(huán)境在熱力學(xué)參數(shù)上（主要是溫度）存在差異而產(chǎn)生的可資利用的熱能。海洋熱能儲量巨大，其每年儲量的估算值約為4.4×1016kW·h[1]。目前對其利用的研究主要集中在海洋溫差能發(fā)電技術(shù)、海洋溫差能制淡技術(shù)以及海水源熱泵技術(shù)。海洋溫差發(fā)電越來越受到各國的重視，隨著發(fā)電系統(tǒng)凈輸出功和凈效率的提高，其應(yīng)用前景更加廣闊；海洋溫差能制淡技術(shù)目前尚處試驗(yàn)階段，降低海水輸送能耗、提高換熱器傳熱效率是該技術(shù)今后研究的重點(diǎn)；海水源熱泵技術(shù)的研究近些年來逐漸興起，已經(jīng)取得一定規(guī)模的應(yīng)用，隨著水源、海水腐蝕和海生物附著等問題的解決，海水源熱泵技術(shù)必將得到更廣泛的應(yīng)用。

1 海洋溫差能發(fā)電技術(shù)

海洋溫差發(fā)電技術(shù)的基本原理是：利用海洋表面的溫海水加熱某些低沸點(diǎn)工質(zhì)并使之汽化，或通過降壓使海水汽化以驅(qū)動(dòng)汽輪機(jī)發(fā)電；同時(shí)利用從深海提取的冷海水將做功后的乏汽冷凝，使之重新變?yōu)橐簯B(tài)，形成系統(tǒng)循環(huán)。按照現(xiàn)有技術(shù)，可以轉(zhuǎn)化為電力的海洋溫差能大約為10 000 (TW·h)/a，在多種海洋能資源中，其儲量僅次于波浪能[2]，能源密度最高[3]。此外，海洋溫差能隨時(shí)間變化相對穩(wěn)定，因此海洋溫差能發(fā)電技術(shù)有望為熱帶海島地區(qū)提供充足、穩(wěn)定的電力。

海洋溫差發(fā)電技術(shù)要求海水溫差達(dá)到 20℃以上[4]。海洋深層受太陽輻射影響較小，全球 800 m以下的海水溫度約為 4℃，因此海洋溫差能的資源分布主要取決于海水表層溫度。赤道附近海域吸收太陽輻射最多，海水表層年平均溫度可達(dá) 25℃～28℃，與深層海水的最大溫差可達(dá)24℃，是海洋溫差能資源蘊(yùn)藏最為豐富的地區(qū)[5]。如圖 1所示，海洋溫差能廣泛分布在除了南美洲西岸海域以外的北緯20°到南緯20°之間的赤道地區(qū)，橫跨太平洋、大西洋及印度洋。研究表明，全球有98個(gè)國家和地區(qū)可從海洋溫差發(fā)電技術(shù)中受益[8]。

圖1 全球海洋熱能分布[6,7]Fig. 1 The global distribution of ocean thermal energy

1.1 海洋溫差能發(fā)電技術(shù)研究進(jìn)展

1881年，法國人 Arsonval[9]提出了海洋溫差發(fā)電的概念。目前，根據(jù)所用工質(zhì)及流程的不同，海洋溫差發(fā)電的主要方式有三種，即閉式循環(huán)系統(tǒng)、開式循環(huán)系統(tǒng)及混合式循環(huán)（見圖2），其中閉式循環(huán)系統(tǒng)最接近商業(yè)化應(yīng)用。

1929年，Claude[10]在古巴建成了一座開式循環(huán)發(fā)電裝置，輸出功率為22 kW。由于設(shè)計(jì)上的缺陷，電廠自身的耗電量大于發(fā)電量，該裝置以失敗告終，但從實(shí)驗(yàn)上證明了海洋溫差能發(fā)電的可行性。

開式循環(huán)又稱“閃蒸法”、擴(kuò)容法或Claude循環(huán)。以海水為工質(zhì)，表層溫海水在負(fù)壓的閃蒸器里迅速蒸發(fā)，所產(chǎn)生的濕飽和水蒸汽推動(dòng)汽輪機(jī)旋轉(zhuǎn)，乏汽通過冷凝器時(shí)被深層冷海水冷卻，凝結(jié)成淡水后被排出，工質(zhì)不循環(huán)使用。該系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是直接以溫海水為工作介質(zhì)，無需海水與工質(zhì)的熱交換，結(jié)構(gòu)相對簡單；可獲得淡水。其缺點(diǎn)是系統(tǒng)處于負(fù)壓；汽輪機(jī)壓降較低、效率低、尺寸大；海水需要脫氣處理；由于只有不到 0.5%的溫海水變?yōu)檎羝鸞8]，因此必須泵送大量的溫海水，以產(chǎn)生足夠的蒸汽來推動(dòng)巨大的低壓汽輪機(jī)，這限制了系統(tǒng)凈發(fā)電能力。

1989年中國科學(xué)院廣州能源研究完成了霧滴提升循環(huán)實(shí)驗(yàn)研究，有效提升高度達(dá)21 m，并建造了兩座容量分別為10 W和60 W的開式循環(huán)試驗(yàn)臺[11]。美國在夏威夷建成了210 kW的岸基開式循環(huán)OTEC電站，進(jìn)行了發(fā)電并生產(chǎn)淡水[12]。

為了避免Claude建造的開式循環(huán)發(fā)電站遇到的能耗大于發(fā)電量的問題，1965年美國安德遜父子提出了以丙烷為工質(zhì)的閉式循環(huán)系統(tǒng)[13]。

閉式循環(huán)又稱“中間介質(zhì)法”。用低沸點(diǎn)物質(zhì)如氨、氟里昂等作為工質(zhì)，表層溫海水通過蒸發(fā)器時(shí)使內(nèi)儲的液態(tài)工質(zhì)蒸發(fā)變?yōu)闈耧柡驼羝⑼苿?dòng)汽輪機(jī)旋轉(zhuǎn)，乏汽通過冷凝器時(shí)被深層冷海水冷凝成液體，再被工質(zhì)泵送回蒸發(fā)器循環(huán)使用。該系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是裝置（特別是透平機(jī)組）尺寸大大縮??；使用低沸點(diǎn)工質(zhì)，不存在不凝結(jié)氣體對系統(tǒng)的影響；系統(tǒng)容易進(jìn)行工業(yè)放大。其缺點(diǎn)是海水與工質(zhì)需要進(jìn)行換熱，減小了可利用溫差；蒸發(fā)器和冷凝器體積增大，材料金屬耗量大，維護(hù)困難；不能產(chǎn)生淡水。

圖2 海洋溫差能發(fā)電朗肯循環(huán)系統(tǒng)Fig. 2 The Rankine cycle of OTEC

1979年，世界上第一個(gè)具有凈功率輸出OTEC裝置，名為“MINI-OTEC”的50 kW漂浮閉式循環(huán)OTEC電站在美國夏威夷建成[14]，這是海洋熱能利用歷史性的發(fā)展。1981年，東京電力公司在瑙魯建造全岸基閉式循環(huán)OTEC電站，發(fā)電功率為120 kW[15]。印度國家海洋技術(shù)所于2001年建造了1 MW的漂浮閉式循環(huán)OTEC電站[16]。我國國家海洋局第一海洋研究所于2012年成功建成了15 kW閉式溫差能發(fā)電裝置，填補(bǔ)了我國在此領(lǐng)域的空白[17]。

混合式循環(huán)同時(shí)含有開式循環(huán)和閉式循環(huán)。在開式循環(huán)系統(tǒng)中，溫海水閃蒸產(chǎn)生濕飽和水蒸汽，水蒸汽通過一個(gè)換熱器時(shí)凝結(jié)生成淡水；在另一側(cè)的閉式循環(huán)系統(tǒng)中，液態(tài)工質(zhì)在水蒸汽冷凝釋放出來的潛熱加熱下發(fā)生汽化產(chǎn)生濕飽和蒸汽，驅(qū)動(dòng)汽輪機(jī)，乏汽通過另一個(gè)熱交換器時(shí)被深層冷海水冷凝成液體，再被工質(zhì)泵送回蒸發(fā)器循環(huán)使用。該系統(tǒng)綜合了開式和閉式循環(huán)系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)，既可發(fā)電又可生產(chǎn)淡水。其缺點(diǎn)為系統(tǒng)較復(fù)雜，工程造價(jià)較高。

1982年，九州電力公司在鹿兒島縣德之島建立了岸基混合式循環(huán)OTEC電站，發(fā)電功率50 kW[18]。

以上三種循環(huán)都屬于朗肯循環(huán)，換熱由蒸發(fā)和冷凝兩部分構(gòu)成，結(jié)構(gòu)簡單可靠。由于OTEC系統(tǒng)溫差較小，朗肯循環(huán)熱效率僅約為3%[19,20]，考慮系統(tǒng)耗能和機(jī)械損失，發(fā)電效率僅約為1%。1981年，Kalina提出了以氨水混合物作為工質(zhì)的 Kalina循環(huán)[21]。與朗肯循環(huán)相比，Kalina循環(huán)增加了一個(gè)分餾子系統(tǒng)，利用內(nèi)部回?zé)峒夹g(shù)將透平乏氣余熱用于分餾過程，提高了循環(huán)熱效率。通過改變混合工質(zhì)成分濃度的方法使混合工質(zhì)變溫蒸發(fā)，使得混合工質(zhì)的氣化溫升曲線與熱源的溫降曲線更好地匹配，從而降低換熱過程中的不可逆損失。1994年，上原春男發(fā)明了以氨水混合物為工質(zhì)的Uehara循環(huán)[22]。Uehara循環(huán)包括做功循環(huán)和分離/吸收循環(huán)，通過采用貧氨回?zé)岷椭虚g回?zé)峒夹g(shù)，減少了循環(huán)過程中的熱量損失，其熱效率為4.97%[23]，比Kalina循環(huán)高1%～2%[24]。

1.2 海洋溫差能發(fā)電技術(shù)發(fā)展趨勢

海洋溫差較?。s 20℃），由卡諾定理可知其理想循環(huán)熱效率僅為約5%，并且系統(tǒng)中泵的耗功對系統(tǒng)凈發(fā)電能力限制較大。因此，提高系統(tǒng)發(fā)電效率和凈發(fā)電量是今后海洋溫差能發(fā)電技術(shù)研究的重點(diǎn)，相應(yīng)要克服的技術(shù)難題如下：

（1）提高海水溫差，減少系統(tǒng)能耗。比如，利用太陽輻射加熱可提高溫海水溫度；利用波浪能驅(qū)動(dòng)泵則可降低系統(tǒng)能耗。

（2）改進(jìn)海洋溫差能熱力循環(huán)技術(shù)?，F(xiàn)有的海洋溫差發(fā)電循環(huán)按循環(huán)熱效率升序排列依次為朗肯循環(huán)、Kalina循環(huán)和上原循環(huán)，與按系統(tǒng)的復(fù)雜性升序排列相同。由于以氨作為工質(zhì)的閉式朗肯循環(huán)簡單可靠，易于工業(yè)放大，目前被廣泛采用。今后熱力循環(huán)技術(shù)改進(jìn)的重點(diǎn)是協(xié)調(diào)兼顧循環(huán)系統(tǒng)可行性和發(fā)電效率。

（3）研制高效透平和換熱設(shè)備。氨透平作為海洋溫差能發(fā)電的關(guān)鍵設(shè)備，其相對內(nèi)效率大小直接影響系統(tǒng)循環(huán)熱效率大小。因此對氨透平的優(yōu)化設(shè)計(jì)具有重要意義，其中包括葉輪設(shè)計(jì)、機(jī)械密封、內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和行星輪減速箱設(shè)計(jì)等。由于海水溫差較小，而可利用溫差大小直接決定系統(tǒng)循環(huán)熱效率大小和換熱器的面積，所以對高效換熱設(shè)備的研制極其重要。目前，海洋溫差發(fā)電裝置使用的換熱器主要有殼管式、板框式和板翹式3種。新研制的換熱器應(yīng)具備防腐蝕和防生物附著功能，因?yàn)閭鹘y(tǒng)的換熱器容易被海水腐蝕和海生物附著，導(dǎo)致其換熱效率大大降低。

（4）制作與敷設(shè)深水冷水管。商業(yè)規(guī)模電站冷水管直徑約為5 m，岸式系統(tǒng)要求冷水管長達(dá)2 000 m以獲得約 5℃的冷海水，這要求冷水管必須具有足夠的強(qiáng)度和良好的保溫性能。目前，冷水管的材料主要包括R-玻璃、高密度聚乙烯、玻璃纖維塑料和碳纖維化合物。

2 海洋溫差能制淡技術(shù)

目前，國內(nèi)外對海洋溫差能利用的研究主要集中在發(fā)電上，海洋溫差能海水淡化僅作為海洋溫差能發(fā)電的副產(chǎn)品，海洋溫差能海水淡化技術(shù)的獨(dú)立研究較少。但由于化石能源和淡水資源的日益短缺，海洋溫差能海水淡化技術(shù)日益受到國內(nèi)外專家學(xué)者的重視。海洋溫差能海水淡化技術(shù)的基本原理是：利用真空泵為海水淡化系統(tǒng)提供壓力約為2 kPa的工作環(huán)境，表層溫海水進(jìn)入負(fù)壓閃蒸室后迅速蒸發(fā)為脫鹽蒸汽，脫鹽蒸汽通過冷凝器時(shí)被深層冷海水冷凝為脫鹽水。

與海洋溫差能發(fā)電技術(shù)相比，由于不需要推動(dòng)巨大的汽輪機(jī)，在海洋溫差能制淡裝置中，閃蒸器和冷凝器之間的壓降較小，僅作為蒸汽流通的動(dòng)力，相應(yīng)的海水溫差不小于10℃即可滿足要求。這拓展了海洋溫差能技術(shù)應(yīng)用的時(shí)間和空間范圍，即在冬季或中高緯度地區(qū)也能應(yīng)用。

2.1 海洋溫差能制淡技術(shù)研究進(jìn)展

國外學(xué)者對海洋溫差能海水淡化的研究較早。Muthunayagam[25]和 Kumar[26]等通過建立液滴閃蒸模型及試驗(yàn)裝置從理論上證實(shí)了海洋溫差能海水淡化技術(shù)的可行性。其中 Muthunayagam等建立的海水淡化示范工程取得了較大進(jìn)展。如圖3所示，該系統(tǒng)的最高鹽水溫度為 26℃～32℃，閃蒸壓力為（1.3～2.3）kPa，最大給水流量為1 000 L/h。在不同的最高鹽水溫度、閃蒸壓力和噴嘴高度下，系統(tǒng)進(jìn)行了264次實(shí)驗(yàn)，獲得的實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論預(yù)測值基本符合，最高淡水產(chǎn)率為4%。

圖3 Muthunayagam的海水淡化系統(tǒng)Fig. 3 The desalination system of Muthunayagam

Mani等[26,27]也對海洋溫差能海水淡化技術(shù)進(jìn)行了深入研究，實(shí)驗(yàn)測量數(shù)據(jù)證實(shí)了系統(tǒng)的可行性，得出了淡水產(chǎn)量隨閃蒸器壓力增加和冷凝溫度的升高而降低，隨蒸發(fā)溫度的升高而提高的結(jié)論。

但由海洋溫差能低品位特性帶來的兩大難題降低了海洋溫差能海水淡化技術(shù)在經(jīng)濟(jì)上的可行性。第一，由于海洋溫差能能量密度小，為獲取足夠的能量，就必須抽取大量海水，從而造成較高的海水傳輸能耗；第二，表層海水與深層海水溫差較小，通常只有20℃～25℃，明顯低于常規(guī)海水淡化技術(shù)中所獲得的40℃以上的傳熱溫差，導(dǎo)致傳熱效率較低，傳熱面積較大。因此，海洋溫差能的低品位特性要求海洋溫差能海水淡化系統(tǒng)能耗較低，換熱器傳熱效率較高。

Kharabsheh等[28]率先提出了一種利用太陽能和海洋溫差能進(jìn)行海水淡化的創(chuàng)新設(shè)計(jì)。隨后 Gude等[27]對該系統(tǒng)進(jìn)行了改進(jìn)，并進(jìn)行了詳細(xì)的數(shù)學(xué)建模和分析。該系統(tǒng)主要有兩個(gè)創(chuàng)新點(diǎn)：一是引入吸收制冷系統(tǒng)，使其在海水淡化的同時(shí)起到制冷的作用，增加了整個(gè)系統(tǒng)的綜合經(jīng)濟(jì)效益；二是將蒸發(fā)室、冷凝器安裝在高于水平面約10 m處，利用水壓和大氣壓的平衡實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行，減少了輸送能耗，海水泵主要克服管道阻力損失。

天津大學(xué)劉奕晴等[30]于 2004年對混合式海洋溫差能利用系統(tǒng)進(jìn)行了理論研究，結(jié)果表明：溫海水先進(jìn)入閃蒸器再進(jìn)入蒸發(fā)器更有利于產(chǎn)出淡水；溫海水先進(jìn)入蒸發(fā)器，熱能最大限度地被用于發(fā)電，因此更適用于發(fā)電。2007年，邵福喜等[31]對噴淋式閃蒸海水淡化進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，建立了計(jì)算不平衡溫差的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式，并推導(dǎo)出了閃蒸率與不平衡溫差的關(guān)系式。

浙江大學(xué)李浩[32]和王昊等[33]參考Muthunayagam和Kharabsheh等的研究成果，建立了一種虹吸式海洋溫差能海水淡化工藝。通過虹吸效應(yīng)減少海水輸送能耗，并通過利用較為高效的閃蒸冷凝設(shè)備提高了海洋溫差能的利用率。

青島理工大學(xué)周奇等[34]提出了結(jié)合海洋溫差能發(fā)電技術(shù)與低溫多效海水淡化技術(shù)的新型裝置。其優(yōu)點(diǎn)是在不影響發(fā)電效率的同時(shí)充分利用蒸汽潛熱；冷暖海水都是發(fā)電系統(tǒng)換熱器出口海水，不需額外消耗輸送功。周奇等[35]分別對銅光管和銅翅片管換熱器進(jìn)行模擬和實(shí)驗(yàn)，推導(dǎo)了淡水產(chǎn)率和系統(tǒng)效率的理論計(jì)算式，得出溫度與速度分布圖及換熱系數(shù)關(guān)系曲線。

2.2 海洋溫差能制淡技術(shù)發(fā)展趨勢

目前，海洋溫差能制淡技術(shù)主流研究方向仍是常規(guī)的海水淡化技術(shù)，如多級閃蒸、反滲透和多效蒸餾等方法。但常規(guī)技術(shù)往往存在高能耗、高費(fèi)用和裝置不耐腐蝕等缺點(diǎn)。對于急需淡水但能源短缺的偏遠(yuǎn)海島，海洋溫差能海水淡化技術(shù)具有良好的應(yīng)用前景。

針對海洋溫差能的低品位屬性，減少海水輸送能耗、提高換熱器傳熱效率仍是今后海洋溫差能淡化技術(shù)研究的重點(diǎn)。對于缺乏電力的偏遠(yuǎn)海島，應(yīng)就地取材，研究利用波浪能驅(qū)動(dòng)溫水泵、冷水泵和真空泵，以減少海洋溫差能海水淡化系統(tǒng)對電力的依賴。

3 海水源熱泵技術(shù)

國內(nèi)外對海水源熱泵技術(shù)的研究和應(yīng)用已進(jìn)行了約30年。海水的熱容量較大，溫度變化較小，因此海水常作為大型熱泵系統(tǒng)的熱源或冷源。海水源熱泵空調(diào)系統(tǒng)通常由海水循環(huán)管路系統(tǒng)、水環(huán)熱泵系統(tǒng)和室內(nèi)空調(diào)管路系統(tǒng)3部分組成，如圖4所示。海水源熱泵技術(shù)的基本原理是：冬季時(shí)，工質(zhì)將海水中的熱能收集起來，借助壓縮機(jī)系統(tǒng)，通過消耗少量電能，給建筑物供暖；夏季時(shí)，工質(zhì)將室內(nèi)的熱能收集起來（室內(nèi)制冷），借助壓縮機(jī)系統(tǒng)，通過消耗少量電能，向海水放熱。

圖4 海水源熱泵工作原理Fig. 4 The operating principle of seawater source heat pump

與海洋溫差能技術(shù)相比，海水源熱泵技術(shù)不受海水溫差的限制，因此在技術(shù)上不受時(shí)間和空間的限制。如表1所示，以青島附近海域?yàn)槔?，由于海水溫度與空氣環(huán)境溫度顯著不同，冬季的淺表或深層海水均可作為熱泵熱源，夏季深層海水可直接用來供冷，以提高熱泵系統(tǒng)的熱力學(xué)效率。

表1 青島附近海域的溫度變化[36]Table 1 The temperature variation of the sea near Qingdao

3.1 國外海水源熱泵研究和應(yīng)用現(xiàn)狀

海水源熱泵技術(shù)在北歐國家的應(yīng)用比較領(lǐng)先，其中，挪威和瑞典已經(jīng)達(dá)到規(guī)?；瘧?yīng)用的程度，現(xiàn)在整個(gè)北歐有180多臺大型熱泵在運(yùn)行[37]。

瑞典的 Vartan Ropsten是世界上最大的海水源熱泵供熱站，總裝機(jī)容量為180 MW，機(jī)組平穩(wěn)高效運(yùn)行近 30年[38]。1984年，斯洛文尼亞的 Budva市建設(shè)了多功能太陽能耦合海水源熱泵系統(tǒng)，用于賓館的供熱、空調(diào)、生活熱水和游泳池[39]。1987年，挪威的 Stokmarknes醫(yī)院采用海水源熱泵實(shí)現(xiàn)冬季供熱，熱泵機(jī)組供熱能力為1.7 MW[40]。荷蘭海牙建立了海水源熱泵系統(tǒng)用于供暖和為居民提供生活熱水，實(shí)現(xiàn)了居民供暖和生活熱水的熱量全部來自海水，每年CO2排放量可減少50%[41]。希臘的薩洛尼卡機(jī)場建立了以海水和地?zé)嵯嘟Y(jié)合作為冷、熱源的熱泵系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)建筑物的制冷和供暖[42]。美國、加拿大[43-47]等開展了海水制冷的理論和實(shí)驗(yàn)研究，結(jié)果表明：利用溫度約為 7℃的深海水作為冷源的冷卻系統(tǒng)，能夠提高能源利用率；盡管采用海水制冷的空調(diào)系統(tǒng)能源運(yùn)行費(fèi)用很低，但是整個(gè)系統(tǒng)初投資很高，可以采用蓄熱技術(shù)和海水空調(diào)系統(tǒng)相結(jié)合，減少高峰期的運(yùn)行費(fèi)用。日本Nishikawatsu大學(xué)的研究人員發(fā)現(xiàn)：利用海水的潛熱作為熱泵系統(tǒng)的熱源能滿足室內(nèi)溫度和相對濕度的要求；海水源熱泵系統(tǒng)用于供暖和制冷的能耗比燃油驅(qū)動(dòng)的吸收式熱泵低19%，運(yùn)行費(fèi)用比空氣源熱泵低42%，CO2排放量減少50%[48,49]。

3.2 國內(nèi)海水源熱泵研究和應(yīng)用現(xiàn)狀

我國海水源熱泵技術(shù)的研究和發(fā)展主要集中在大連、青島、天津等北方沿海城市，近幾年，海水源熱泵技術(shù)在廈門得到應(yīng)用。

2003年，天津科技大學(xué)的陳東等[50]研究證實(shí)了海水源熱泵技術(shù)在北方沿海城市的可行性。2004年，大窯灣礦石碼頭采用海水源熱泵系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)供熱制冷。該項(xiàng)目為我國大中型海水源熱泵工程的應(yīng)用提供了成功經(jīng)驗(yàn)[51]。蘇立娟等[52,53]于2006年提出并分析了三種使用海水制冷熱泵系統(tǒng)的海水換熱方案：間接式強(qiáng)制對流換熱、直接式自然對流換熱和直接式強(qiáng)制對流換熱；2007年又提出并分析了兩級海水源熱泵的運(yùn)行特性和能耗特點(diǎn)[54]。周修茹等[55]提出同時(shí)使用海水源熱泵連續(xù)運(yùn)行和間歇運(yùn)行兩種模式以解決冬季海水溫度接近冰點(diǎn)的問題。2008年青島奧帆委媒體中心采用了海水源熱泵空調(diào)系統(tǒng)，每年可節(jié)約運(yùn)行資金12萬元[56]。山東青島理工大學(xué)胡松濤等[57,58]結(jié)合青島的海水條件，對海水源熱泵的應(yīng)用進(jìn)行了研究。大連理工大學(xué)端木琳等[59-66]結(jié)合大連的海水和地質(zhì)情況，對海水源熱泵擴(kuò)散問題、3E評價(jià)及海水源熱泵的節(jié)能判據(jù)進(jìn)行了研究。天津大學(xué)由世俊、吳君華等，在天津自然海水資源條件下，研究了拋管式[67,68]、打井取水式[69]和防腐型海水源熱泵[37]。

3.3 海水源熱泵技術(shù)研究趨勢與黃海冷水團(tuán)綜合利用

海水源熱泵技術(shù)在技術(shù)上已相當(dāng)成熟，并在近幾年得到了廣泛應(yīng)用，但海水源熱泵在運(yùn)行過程中還存在一些亟待解決的難題：提高換熱器低溫差傳熱效率；發(fā)展冷海水、載冷介質(zhì)絕熱傳輸技術(shù)；防止設(shè)備及管道被海水腐蝕和微生物附著；解決單機(jī)功率大、水源利用率高等難題。

在全世界海洋中緯度區(qū)域中，黃海冷水團(tuán)是唯一具有淺水、低溫和規(guī)模宏大等特點(diǎn)的水域。黃海冷水團(tuán)水體體積約為5×1012m3。夏季，5℃～8℃的冷海水位于距離黃海海岸約10 km的25 m深處，而對于一般海域，5℃～8℃的冷海水位于距離其海岸約300 km的800 m深處，這體現(xiàn)了黃海冷水團(tuán)利用的優(yōu)越性。冬季，黃海海域有黃海暖流通過，此時(shí)的表面溫海水可作為區(qū)域供熱的熱源。

根據(jù)黃海溫差資源分布特征，考慮海水源熱泵系統(tǒng)和深水冷源系統(tǒng)的結(jié)合形式，在過渡季和夏季部分負(fù)荷時(shí)可以利用冷海水直接供冷，在峰值負(fù)荷時(shí)運(yùn)行熱泵制冷；在冬季時(shí)切換部分閥門，熱泵按照供熱模式進(jìn)行區(qū)域供熱。利用完后的冷海水可用于海珍品工廠化養(yǎng)殖。

4 結(jié) 語

海洋熱能儲量巨大，隨時(shí)間變化相對穩(wěn)定，其開發(fā)利用具有廣闊的前景。本文橫向?qū)Ρ攘撕Ｑ鬅崮芾玫?個(gè)領(lǐng)域?qū)Ｋ疁夭畹囊蟪潭?，縱向分析了各個(gè)領(lǐng)域的研究現(xiàn)狀、研究重點(diǎn)和發(fā)展趨勢。其中，重點(diǎn)分析了海洋溫差能發(fā)電技術(shù)的3種循環(huán)方式，針對低溫差導(dǎo)致低發(fā)電效率的問題，提出了利用太陽輻射加熱溫海水以提高溫差和利用波浪能驅(qū)動(dòng)泵以降低系統(tǒng)能耗兩種提高發(fā)電效率的方法。

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A Review of Ocean Thermal Energy Utilization

WU Chun-xu1,2, WU Bi-jun1, YE Yin1
(1.Guangzhou Institute of Energy Conversion, Chinese Academy of Sciences, Guangzhou 510640, China; 2. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China)

With huge reserve and being relatively stable over time change, ocean thermal energy has broad exploitation and utilization prospects. Currently, ocean thermal energy utilization technologies mainly include ocean thermal energy conversion (OTEC) technology, ocean thermal energy seawater desalinization technology and seawater source heat pump technology. OTEC technology requires seawater temperature difference not to be less than 20oC, and ocean thermal energy seawater desalinization technology requires seawater temperature difference not to be less than 10oC, while seawater source heat pump technology can be applied in different latitude area and different seasons. This paper mainly analyzes three kinds of OTEC circles, in view of the low power generation efficiency caused by low temperature difference, putting forward two ways to improve the power generation efficiency: improving seawater temperature difference by using solar radiation to heat the warm seawater and reducing the system energy consumption by using the wave energy to drive pumps.

ocean thermal energy; ocean thermal energy conversion (OTEC); seawater desalinization; heat pump

TK521+.34；P743.4

A

10.3969/j.issn.2095-560X.2014.06.008

2095-560X（2014）06-0454-08

吳春旭（1988-），男，碩士，助理研究員，主要從事海洋熱能利用技術(shù)研究。

2014-08-06

2014-09-15

國家自然科學(xué)基金（51276185）

? 通信作者：吳必軍，E-mail：wubj@ms.giec.ac.cn

吳必軍（1965-），男，博士，研究員，主要從事海洋能轉(zhuǎn)換技術(shù)研究。

葉 寅（1986-），男，碩士，助理研究員，主要從事波浪能開發(fā)與利用。