(1.福建工程學(xué)院 土木工程學(xué)院， 福建 福州 350118； 2.福建省土木工程新技術(shù)與信息化重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 福建 福州 350118)

江水源熱泵系統(tǒng)作為一種以江河水為冷熱源的節(jié)能技術(shù)，由于其具有取水水源充足、年際水溫

變化小等優(yōu)點(diǎn)而得到較廣泛的應(yīng)用[1]。隨著國家對建筑節(jié)能與可再生能源利用的日益重視，江水源熱泵系統(tǒng)的推廣和應(yīng)用也得到了政府部門的大力支持。水源條件中，除了位置受到地理?xiàng)l件的限制以外，水溫、水質(zhì)、水位是影響設(shè)備和系統(tǒng)性能的重要因素[2]。掌握江水的水溫、水質(zhì)和水位等因素是確定江水源系統(tǒng)設(shè)計的主要條件。因此，建立江水源熱泵系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫對江水源熱泵系統(tǒng)的推廣應(yīng)用有著重大意義。例如重慶大學(xué)對長江和嘉陵江水溫、水質(zhì)、水位開展為期一年的實(shí)地測試，初步建立重慶市江水源熱泵技術(shù)應(yīng)用的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫[3]，為江水源熱泵系統(tǒng)在重慶的應(yīng)用提供重要參考。

閩江是福建省第一大河，自西北向東南流經(jīng)福州，為福州市區(qū)主要干流，河長139 km[4]。據(jù)竹岐水文站數(shù)據(jù)顯示，閩江多年平均徑流量540.4億m3[4]，蘊(yùn)含著豐富的水能資源。福州市區(qū)已建和在建的江水源熱泵系統(tǒng)項(xiàng)目主要集中在北港南岸，例如福州東部新城的商務(wù)中心(福州市行政中心)和海峽文化藝術(shù)中心。本研究自2013年以來對福州段閩江水溫、水質(zhì)和水位等水文數(shù)據(jù)進(jìn)行了長期的監(jiān)測，建立了福州市閩江水源熱泵技術(shù)應(yīng)用基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫。

1 測試方法

本次試驗(yàn)主要是監(jiān)測福州閩江水溫、水質(zhì)和水位等水文數(shù)據(jù)，同時數(shù)據(jù)庫對采樣時的天氣、氣溫、潮汐和位置進(jìn)行了詳細(xì)記錄。對各江段測試數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析后，對水源條件相對較差的江段和適于江水水源熱泵項(xiàng)目推廣的江段加強(qiáng)測試。

2 溫度數(shù)據(jù)與特征分析

2.1 氣候特征分析

福州地區(qū)四季分明，7月至9月為夏季，其中7月為最熱月；12月至次年2月為冬季，其中1月為最冷月。福州市典型氣象年氣溫數(shù)據(jù)[6]顯示，最熱月日平均氣溫高達(dá)31 ℃左右，最冷月日平均氣溫最低至7.3 ℃，冬、夏兩季溫差約24 ℃；福州夏季溫度較高，最高溫度為38 ℃，冬季最低溫度3.8 ℃；福州5～10月均存在大量高溫超過30 ℃的天氣。因此，福州使用空調(diào)系統(tǒng)制冷時間較長，從而耗能相對較高。

2.2 水溫數(shù)據(jù)分析

江水溫度是決定江水源熱泵系統(tǒng)可行性和經(jīng)濟(jì)性的關(guān)鍵因素[7-9]。對閩江水溫的空間分布特征進(jìn)行測試，同時對不同江段、不同江水深度和不同離岸距離的江水進(jìn)行溫度測試，多次測試數(shù)據(jù)表明溫差小于0.1 ℃，水溫表現(xiàn)出一定的均一性。下面將以2014年為例介紹水溫數(shù)據(jù)特征。

冬季和夏季水溫測試數(shù)據(jù)顯示，水溫在最冷月和最熱月的極端天氣中表現(xiàn)出明顯的穩(wěn)定優(yōu)勢。最冷月和最熱月的日氣溫水溫變化如圖1、圖2所示。

圖1 最冷月的日氣溫水溫變化Fig.1 The variation of daily temperatures in the coldest month

圖2 最熱月的日氣溫水溫變化Fig. 2 The variation of daily temperatures in the hottest month

2014年1月5日氣溫在7～15 ℃之間波動，最大溫差8 ℃，平均氣溫11 ℃；水溫在14.2～14.5 ℃之間波動，最大溫差0.3 ℃，平均水溫14.4 ℃。2014年7月15日為極端酷熱天氣，在此之前福州已持續(xù)15日以上最高氣溫超過35 ℃，當(dāng)日氣溫在24～36 ℃之間波動，最大溫差12 ℃，平均氣溫30 ℃；水溫在28.7～29.6 ℃之間波動，最大溫差0.9 ℃，平均水溫29.2 ℃。

2014年溫度逐月變化數(shù)據(jù)如圖3所示，水溫與氣溫總體變化規(guī)律具有一致性，水溫度隨氣溫的升高而升高，隨氣溫的降低而降低。對比水溫與氣溫發(fā)現(xiàn)，4～9月水溫低于氣溫，10～3月水溫高于氣溫。其中，冬季水溫明顯高于氣溫2～4.6 ℃，水溫平均高于氣溫3 ℃；夏季水溫略低于氣溫0.8～2.1 ℃，水溫平均低于氣溫1.4 ℃。2014年閩江月平均水溫在14.5～28.9 ℃之間變化，月平均氣溫在12～31 ℃之間變化。福州冬季空氣調(diào)節(jié)室外計算溫度為4.4 ℃，夏季空氣調(diào)節(jié)室外計算干球溫度為35.9 ℃，夏季空氣調(diào)節(jié)室外計算濕球溫度為28 ℃[10]。冷卻塔的出水溫度一般比濕球溫度高3～5 ℃，因此相對于空氣，江水作為冷熱源更易于提高設(shè)備運(yùn)行效率。

圖3 2014年水溫與氣溫月變化曲線Fig.3 The monthly variation of water temperatures and air temperatures in 2014

3 水質(zhì)數(shù)據(jù)與特征分析

獲得江水水質(zhì)數(shù)據(jù)可為實(shí)際工程提供合理選擇取水和水處理方式的依據(jù)，從而降低工程造價。福州位于閩江下游，境內(nèi)的閩江段均為感潮河段[11]，水質(zhì)受徑流與潮汐共同影響。對不同江段水質(zhì)進(jìn)行水質(zhì)測試，測試數(shù)據(jù)顯示，距離入?？谠浇臐岫?、總鐵、礦化度等水質(zhì)參數(shù)值也越高；同一江段分別南北兩岸取樣進(jìn)行水質(zhì)測試，結(jié)果顯示，南岸濁度明顯高于北岸。

本研究選擇具有代表性的江段對水質(zhì)進(jìn)行逐月的采樣測試，針對降水和潮汐對水質(zhì)的影響加強(qiáng)測試。將閩江水質(zhì)與參考文獻(xiàn)[12-14]中對采用地表水的水源熱泵機(jī)組推薦的水質(zhì)允許值進(jìn)行比較，如表1所示，除濁度和總鐵外，閩江的其他水質(zhì)參數(shù)均能滿足水源熱泵機(jī)組和換熱器的要求。

表1閩江水質(zhì)與水源熱泵機(jī)組推薦的水質(zhì)要求對比

Tab.1ComparisonofMinjiangRiverwaterqualityandrecommendedwaterqualityofthewatersourceheatpumpsystem

測試參數(shù)閩江允許值備注pH6．54～7．96．5～8．5滿足要求濁度/NTU5～960<100不滿足要求ρ總鐵(mg·L-1)0．12～25．6<1．0不滿足要求ρCaO(mg·L-1)9．25～19．75<200滿足要求ρCl-(mg·L-1)1．77～14．18<100滿足要求ρSO42-(mg·L-1)9．61～26．42<200滿足要求ρ礦化度(g·L-1)0．07～0．14<3滿足要求ρH2S(mg·L-1)<0．05～0．15<0．5滿足要求

基于上述原因，本研究提高了對濁度和總鐵等參數(shù)的采樣測試頻率，并重點(diǎn)監(jiān)測由于降水和泄洪引起的水質(zhì)變化。

經(jīng)多年測試，濁度逐月變化的典型數(shù)據(jù)如圖4所示，閩江水濁度數(shù)值整體保持在40NTU以下，但8、9、10、11月存在濁度在100NTU以上的現(xiàn)象。多年來濁度最大值為960NTU，其取樣時間為2013年8月26日退潮階段，取樣地點(diǎn)在馬尾羅星塔附近水域。造成這一現(xiàn)象的原因是由于臺風(fēng)天氣引起大量降水，上游水庫開始泄洪，閩江流量迅速增加，江水?dāng)y帶大量泥沙導(dǎo)致濁度急劇升高，并可持續(xù)5～7 d。

圖4 閩江濁度變化柱狀圖Fig.4 Variation of turbidity ofMinjiang River

經(jīng)多年測試，總鐵逐月變化的典型數(shù)據(jù)如圖5所示，閩江水總鐵含量整體保持在0.7 mg/L以下，但8、9、10月存在總鐵在1 mg/L以上的現(xiàn)象，最大值25.6 mg/L出現(xiàn)在2013年10月28日漲潮階段，取樣地點(diǎn)在馬尾羅星塔附近水域。造成這一現(xiàn)象的原因是由于福州近20天未有降雨，枯水季節(jié)海水倒灌嚴(yán)重，導(dǎo)致鐵離子含量急劇升高。

圖5 閩江總鐵變化柱狀圖Fig.5 Total iron variation of Minjiang River

4 水位數(shù)據(jù)與特征分析

福州境內(nèi)閩江水位變化是區(qū)域降水、上游來水補(bǔ)給和潮汐等因素共同作用的結(jié)果。閩江水位情勢十分復(fù)雜，如流水侵蝕作用具有多年變化周期性，徑流補(bǔ)給形式的變化具有季節(jié)性周期，潮汐影響具有日變化周期等。

監(jiān)測中發(fā)現(xiàn)潮汐對水位的影響尤為顯著。閩江是福建省最大獨(dú)流入東海河流，受東海潮汐的影響，每日各有兩個高、低潮，時間間隔約6 h。根據(jù)實(shí)測資料統(tǒng)計分析，閩江口最大潮差6.95 m，平均潮差4.37 m。潮差自閩江口向閩江上游逐漸減少，白巖潭水文監(jiān)測站最大潮差達(dá)5.42 m，平均潮差達(dá)3.82 m；解放大橋(下)水文監(jiān)測站最大潮差達(dá)4.78 m，平均潮差達(dá)2.88 m[4]。

閩江馬尾段是福建自貿(mào)試驗(yàn)區(qū)福州片區(qū)所在地，也是規(guī)劃建設(shè)的新區(qū)，因此水位監(jiān)測選擇在馬尾段進(jìn)行。據(jù)國家海洋信息中心資料顯示，馬尾潮高基準(zhǔn)面在平均海平面下2.96 m。2014年馬尾水文監(jiān)測站最大潮差達(dá)5.34 m，平均潮差達(dá)4.20 m。2014年閩江馬尾段的水位測試數(shù)據(jù)如圖6所示。受潮汐影響每日最高水位在4.06～5.55 m之間波動，每日最低水位在0.04～1.71 m之間波動，每日最大水位差在2.58～5.34 m之間波動，水位年變化幅度約5.51 m。

圖6 2014年閩江水位變化曲線Fig.6 The monthly water level variation of Minjiang River in 2014

圖7 2014年閩江逐月水位變化曲線Fig.7 Water level variation of Minjiang River in 2014

閩江馬尾段2014年逐月水位變化如圖7所示。2014年閩江最高水位出現(xiàn)在9月，最低水位出現(xiàn)在1月。馬尾段最高水位受潮汐影響，即每日最高水位在漲潮階段出現(xiàn)。每月最高水位變化平穩(wěn)，在5.24～5.55 m之間。最低水位受氣候和水口水電站泄洪量影響波動較大，最低水位出現(xiàn)在1月枯水期；8月雖然是豐水期，但因水口水電站蓄洪，導(dǎo)致出現(xiàn)最低水位偏低的現(xiàn)象。最低水位的最大值出現(xiàn)在4月，最小值出現(xiàn)在1月；而最大水位差的最大值出現(xiàn)在1月，最小值出現(xiàn)在4月?？梢婇}江的枯水期水位主要受潮汐影響，洪水期水位主要受徑流控制，平水期徑流和潮流相互作用，相互消長。

5 結(jié)論與建議

福州地區(qū)閩江全年水溫分布的特點(diǎn)是，冬季水溫明顯高于氣溫2～4.6 ℃，平均3 ℃，夏季水溫略低于氣溫0.8～2.1 ℃，平均1.4 ℃。相對于空氣而言，江水是優(yōu)質(zhì)的冷熱源，水源熱泵運(yùn)行具有更高的能效比。基于江水溫度的穩(wěn)定性，在江水源熱泵系統(tǒng)設(shè)計中可采用日水溫取代逐時水溫。

水質(zhì)方面，除濁度和總鐵外，閩江的其他水質(zhì)參數(shù)均能滿足水源熱泵機(jī)組和換熱器的要求。8、9、10、11月存在濁度在100 NTU以上的現(xiàn)象，8、9、10月存在總鐵在1 mg/L以上的現(xiàn)象。因此，在對應(yīng)時間段應(yīng)著重解決濁度大造成的堵塞問題，并考慮鐵離子過高對水源熱泵機(jī)組產(chǎn)生銹蝕的影響。

閩江水位受多種因素影響，變化頻繁，其中潮汐對水位的影響尤為顯著。閩江每日最大水位差在2.58～5.34 m之間波動，水位年變化幅度約5.51 m。因此，在進(jìn)行閩江水源熱泵系統(tǒng)設(shè)計時，需結(jié)合航道要求和水位變化，確定合理的取水位置。由于漲潮階段江水倒流現(xiàn)象明顯，系統(tǒng)排水口應(yīng)遠(yuǎn)離取水口，并采用多點(diǎn)式排放，防止倒流影響取水溫度。

[1] 楊露露,盧軍,白雪蓮,等.重慶地區(qū)江水源熱泵取水水源的時序分析[J].中國給水排水,2014,30(23):123-126.

[2] 柴峰,白雪蓮.江水源熱泵的水源條件分析[J].暖通空調(diào)，2013,43(7):44-47.

[3] 李百戰(zhàn),賈遵鋒,丁勇,等.重慶市江水源熱泵技術(shù)應(yīng)用基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫建設(shè)[J].暖通空調(diào),201141(1):95-98.

[4] 戴志忠.福州地區(qū)水文特征分析[J].水利科技,2004(3):9-11.

[5] 國家環(huán)保局.水和廢水監(jiān)測分析方法[M].北京:中國環(huán)境科學(xué)出版社,2002:34-41.

[6] 中國氣象局氣象信息中心氣象資料室,清華大學(xué)建筑技術(shù)科學(xué)系.中國建筑熱環(huán)境分析專用氣象數(shù)據(jù)集[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社，2005.

[7] 徐偉,劉志堅(jiān).中國地源熱泵技術(shù)發(fā)展與展望[J].建筑科學(xué),2013,29(10):26-33.

[8] KINDAICHI Sayaka, NISHINA Daisaku, WEN Liwei et al. Potential for using water reservoirs as heat sources in heat pump systems[J]. Applied Thermal Engineering. 2015(76):47-53.

[9] SI Pengfei, LI Angui, RONG Xiangyang X et al. New optimized model for water temperature calculation of river-water source heat pump and its application in simulation of energy consumption[J]. Renewable Energy.2015(84):65-73.

[10] 中國建筑科學(xué)研究院.民用建筑供暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計規(guī)范：GB50736-2012[S]北京:中國建筑工業(yè)出版社,2012.

[11] 洪小筠.閩江下游感潮河段水污染特性分析[J].水利科技，2010(3):4-5.

[12] 中國建筑科學(xué)研究院.地源熱泵系統(tǒng)工程技術(shù)規(guī)范：GB 50366-2005[S].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2009.

[13] 中華人民共和國建設(shè)部.采暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計規(guī)范：GB50019-2003[S].北京: 中國計劃出版社,2003.

[14] 王子云,付祥釗,仝慶貴.利用長江水作熱泵系統(tǒng)冷熱源的技術(shù)分析[J].中國給水排水，2007,23(6):6-9.