金吉釗 張琳杰 李俊達 青島能源熱電集團有限公司

1 項目概況及所需冷熱負荷

1.1 現(xiàn)有情況摸排

青島膠州灣隧道南起黃島區(qū)薛家島，北止團島云南路、四川路隧道口，全長7800m，其中陸域段3850m，海域段3950m，最深點是84.2m。由于海底隧道地處水面以下，海水深、壓力大，因此海水會大量滲入隧道的建筑層內(nèi)。膠州灣隧道的滲透力度更大，因為隧道的最深處在海平面80m 以下，比國內(nèi)外許多隧道要深很多，因此壓力也更大。

據(jù)統(tǒng)計，膠州灣隧道每天的滲水量約3100m3，這些滲水依靠水泵排出。隧道內(nèi)部一共有3 個泵房，每個泵房內(nèi)有3 臺大型水泵，一用兩備。全部水泵實現(xiàn)自動控制，只要水位到達限度，水泵就會自動抽水，所有滲入到隧道內(nèi)的海水，都會由水泵抽出，通過專門的管道，把海水送到隧道進出口附近的地面，再順著溝渠流回大海。由于2#泵排水口位于部隊院內(nèi)，無法利用，因此本次利用的滲水為1#和3#泵排水。

對隧道滲水水樣化驗，結(jié)果如下：黃島端陸地段滲漏水（3#泵房）水樣：電導(dǎo)率：2730，濁度：0.126，氯離子（mg/L）：624；海底區(qū)域段滲漏水（海底泵房）水樣：電導(dǎo)率：43320，濁度：0846，氯離子（mg/L）：17668。

化驗結(jié)果顯示：黃島端水樣屬于淡水；海底水樣屬于海水。黃島端排水為1#和3#泵房共同排水，為海水和淡水的混合水。

1.2 冷熱源供應(yīng)

根據(jù)查閱往年歷史數(shù)據(jù)，黃島端的3#泵日均向外排水1650t，若使用水箱蓄水，則每小時可使用水量為68.75t。通過調(diào)研可知夏季海水最低溫度為20℃，冬季海水最低溫度10℃。由于蒸發(fā)器出水溫度在3.5 ～4℃時蒸發(fā)器有結(jié)冰風(fēng)險，為最大利用海水熱量，本項目按照蒸發(fā)器出水溫度 5℃考慮，經(jīng)過蓄水后海水每小時可以利用熱量為：Q=4.18×1000×68.75×1000×（10-5）=1436875000J=399kWh。

3#泵房每天平均啟泵時間8.5h，一般啟動30～40min，遇到海底1#泵房向3#泵房排水，啟動時間在60～90min。為計算水箱體積，選取最不利的啟動時間90min，此階段內(nèi)排水量為V=1650/(8.5/1.5)=291m3。據(jù)此計算得知蓄水箱最小體積274m3，因此需新建水箱體積約為300m3。

1.3 所需冷熱負荷

隧道附近有新建體育館的規(guī)劃，根據(jù)體育館圖紙可知，館內(nèi)游泳池用水和生活熱水對用熱的需求負荷為270kW，一年用能822GJ。

隧道附近的某酒店，建筑面積約為8000m2，共140 個房間。因場地內(nèi)體育館建設(shè)需將酒店使用的6 臺額定制熱量為45kW的多聯(lián)機室外機進行移動重新安裝。選用一臺額定制熱量為113kW 的日立水源直膨機對其中的2 臺45kW 的室外機進行替換改造，室內(nèi)機不改動，其余仍使用多聯(lián)機進行供熱供冷。

2 能源站方案設(shè)計

2.1 設(shè)備選擇

選取額定制熱量為297kW 水源熱泵和113kW 的水源直膨機，考慮到冬季海水水溫較低，建議采用直接進機組的形式，機組蒸發(fā)器采用鈦合金殼管式，增加機組的耐腐蝕。經(jīng)現(xiàn)場調(diào)查可知隧道附近某酒店使用的多聯(lián)機品牌，為方便更換減少投資選用原品牌的水源直膨機進行替換，可以使原末端風(fēng)機完美適配新建水源直膨機，不需要新投資。水源變頻多聯(lián)機系統(tǒng)室內(nèi)機采用制冷劑直接蒸發(fā)技術(shù)，相比于水冷機組避免了二次熱交換所造成的換熱效率下降，大幅提高能效比。主要設(shè)備規(guī)格見表1。

表1 主要設(shè)備規(guī)格表

2.2 工程安裝

2.2.1 取水方式

考慮到當(dāng)海水流量間歇變化時，為保障海水源熱泵系統(tǒng)連續(xù)穩(wěn)定運行設(shè)置海水蓄水箱。海水水箱位置為海底隧道出口130m處放置，水箱放置在排水渠，3#泵向外排水為DN350 管道，水泵排水直接排入海水水箱。海水中氯離子濃度過高，水箱采用雙層鍍鋅鋼板中間保溫。

2.2.2 海水管材選用

考慮到海水中含有的腐蝕性離子濃度較高，擬采用的管網(wǎng)管材內(nèi)涂環(huán)氧樹脂螺旋鋼管，該管道均具備較好的內(nèi)防腐蝕性能，同時采用合理的外部防護措施都可以滿足本項目的海水取水管網(wǎng)要求。本項目需新敷設(shè)2 條DN150 海水管道，將海水從蓄水箱引至熱泵房，將熱泵房的海水出水排入排水渠，管道總長度為850m。

2.2.3 泵房位置及管道路由

兩臺海水循環(huán)泵安裝在蓄水箱旁的排水渠中，設(shè)備機組放置在新建體育館和酒店附近，有足夠位置安放機房。海水源熱泵機組出水口放置兩臺二次側(cè)低區(qū)循環(huán)水泵，沿廠區(qū)圍欄放置供回水管道，為DN125 管道，管道敷設(shè)為60m。從管道路由經(jīng)過配電室處引出電纜沿管線路由到熱泵機房滿足設(shè)備機組供電。

2.3 技術(shù)方案

對能源站的工藝流程進行說明，能源站采用海水蓄水箱+水源熱泵+水源直膨機多種能源設(shè)備耦合的供熱供冷供生活熱水系統(tǒng)，系統(tǒng)流程圖見圖1。

圖1 系統(tǒng)流程圖

隧道滲水經(jīng)水泵排至海水蓄水箱，冬季最低水溫為10℃，夏季最低水溫為20℃。生活熱水和泳池水加熱系統(tǒng)是由蓄水箱旁的海水循環(huán)泵將海水送至水源熱泵，熱泵提取海水的熱量滿足用熱負荷。冬季水源熱泵蒸發(fā)側(cè)供回水溫度為10/5℃，夏季蒸發(fā)側(cè)供回水溫度為20/15℃，全年冷凝側(cè)供水溫度為55℃，回水溫度為50℃。酒店部分房間的空調(diào)供暖供冷系統(tǒng)是由蓄水箱旁的海水循環(huán)泵將海水送至水源直膨機，冬季直膨機吸收滲水的熱量給酒店部分房間供暖，夏季直膨機將房間內(nèi)的熱量轉(zhuǎn)移到海水中。冬季水源直膨機蒸發(fā)側(cè)供回水溫度為10/5℃，夏季冷凝側(cè)供回水溫度為20/25℃。最終保證冬季房間室內(nèi)溫度達到20℃，夏季房間室內(nèi)溫度不高于26℃。

水源熱泵和水源直膨機并聯(lián)接入海水蓄水箱送來的海水，通過調(diào)節(jié)閥門開度保證兩臺設(shè)備流量都能滿足使用。根據(jù)生態(tài)保護要求，海水被機組提取熱量后送至原排水渠。

3 效益分析

3.1 投資估算

由表2 可知本項目建設(shè)工程總投資金額約200.6 萬元。

表2 設(shè)備安裝投資估算表

3.2 運行費用估算

電費單價按照0.7 元/kWh 計算，改造后的酒店房間年入住率為30%，年供能量和運行能源費用見表3。由表3 可知，年直接能源成本為7.86 萬元。

表3 年供能量和運行費用

3.3 與空氣源熱泵供能方案比較

3.3.1 運行安全可靠性

海水源系統(tǒng)利用的海水溫度比較穩(wěn)定，冬季最低溫度時仍能達到10℃以上。機組能夠有效利用海水中的熱量?？諝庠聪到y(tǒng)中冬季空氣溫度低，達到零下10℃以下，機組無法有效利用空氣中的熱量，換熱器易結(jié)霜，制熱量下降且輸入功率變大，更耗能。

3.3.2 運行經(jīng)濟性

空氣源熱泵系統(tǒng)投資約為60 萬元，年直接能源成本為13.1 萬元，年平均折舊和能源成本費用約為19 萬元。海水源系統(tǒng)年平均折舊和能源成本費用約為27 萬元。若青島市將可再生能源供能補貼政策延續(xù)，海水源供能系統(tǒng)可申請補貼，從而降低年平均成本費用，因此兩者經(jīng)濟性相差無幾。

3.3.3 效益

使用海水源系統(tǒng)比使用空氣源系統(tǒng)年節(jié)省電量約為7.5 萬kWh，少排放二氧化碳59840kg，相當(dāng)于多種了3264 棵樹。

4 結(jié)語

本項目選取1 個300m3的海水蓄水箱，選取1 臺額定制熱量為297kW 水源熱泵對隧道附近新建體育館的游泳池泳池水和生活熱水加熱，選取1 臺113kW 的水源直膨機對隧道附近某酒店的部分房間進行供冷供熱。

使用海水源系統(tǒng)供能投資約為200 萬元，年運行費用為7.86 萬元，與空氣源供能系統(tǒng)相比，具有良好的經(jīng)濟效益和社會效益。

若該項目能夠成功實施，將成為全國首條海底隧道余熱利用項目，其減碳意義和宣傳影響力具有顯著的示范意義。