在提倡节能环保的大环境下,地表水源热泵是一种广受关注的可再生能源利用技术。开发利用江、河、湖、海等天然水体中蕴含的大量冷热源的地表水源热泵系统既具有节能优势、又具有环保效益,是当前建筑节能与建筑新能源开发利用的热点和前沿课题^[1] 。然而,水源的水质不佳会使热泵系统产生污垢、磨损、锈蚀,还会出现由于微生物不断繁殖而产生的生物污泥问题,造成机组换热器的运行受到影响,制冷制热效率下降以及设备使用寿命缩短等问题^[2~6]。相对使用冷却塔的空调系统,只有当水源水温和取水系统的能耗满足一定制约条件时,地表水源热泵系统在能耗方面才具有节能性^[7] 。江水温度决定了其作为水源热泵系统冷热源的品位和稳定性,当取水高差H₀=22m时,机组进水温度只要不高于31.17℃,江水源热泵系统就比常规空调系统节能,而当取水高差增加至25m时,机组进水温度需低于30.77℃,江水源热泵系统才有优势^[8] 。

　　 闽江是福建省第一大河,自西北向东南流经福州,境内长150km,流域面积8 000km^2[9] ,为福州市区主要干流。闽江江面开阔,河水流速较缓,平均坡降仅0.86‰,受潮水顶托作用,沉积作用显著,尤其在下游段泥沙淤积较多。根据竹岐站多年监测数据,闽江多年平均含沙量为0.14kg/m³。水源多靠大气降水补给,年平均径流量629亿m^3[10] 。受到温度演变的周期性、城市热岛效应、气候变暖、大气环流的周期性大调整等多方面因素的影响,福州地区年平均气温在1990年后升温显著^[11,12]]。福州目前应对高温采取的制冷方式以电能为主。

　　 范亚明^[13] 以福州的气候、水文条件为基础,根据不同类型地表水的水温和水质特性,结合地表水利用的节能条件,分析在福州采用地表水源热泵的发展前景,结果表明闽江周边的用户适合采用水源热泵。赵钦铭^[14] 通过福州闽江与重庆嘉陵江的对比,认为福州闽江可再生能源在建筑上的应用条件比重庆嘉陵江更优越。目前福州市区虽有少数项目采用闽江水源作为冷热源,但由于缺乏对福州市区段闽江水温水质的系统调查,闽江地表水源热泵系统在福州并未得到推广应用^{[15,16,17]15~17]}。本研究首先对闽江福州段的水温和水质进行了实测分析,在此基础上,对闽江水作为水源热泵水源的适应性进行了深入研究和探讨,旨在为闽江地表水源热泵系统在福州地区的推广提供技术支撑。

　　 闽江福州段沿岸及岸边附近是目前福州市区已建及规划新建的中高档住宅区,也是福建自贸试验区福州片区所在地。综合考虑福州市区城市规划及地表水源热泵项目的推广,试验段为穿越市区的北港闽江段,其中将洪山桥以上部分视为上游,洪山桥至魁浦大桥段视为中游,魁浦大桥以下流域视为下游(见图1)。

　　 根据水源热泵系统对水源水温和水质的要求,在2013年7月~2015年3月期间,对闽江福州段的水温以及pH、总铁、浊度、硬度、氯离子(Cl^-)、硫酸根离子(SO₄^2-)和矿化度等多项水质指标进行采样分析,采样和测定均按标准方法^[18] 。水温测试使用美国HOBO(型号U20-001-02)水温水位记录仪进行测试。闽江水口水库坝址以下至长门口为感潮河段^[19] ,因此福州市区境内的闽江段均为感潮河段。故本研究除了对空调使用季节即冬夏两季进行水温和水质的重点监测外,还考虑潮汐影响。

　　 对福州市闽江不同深度、不同离岸距离的水温监测结果显示不同深度、不同离岸距离的最大温差均小于0.1℃。这是由于闽江江水属于连续流动的流水水体,水体内部不断进行着热量交换,因此沿水深方向不易形成温度分层分布状况,整个水流水体在某一横截面处呈等温分布;同时受潮汐的影响,江水能够很好地混合,上、中、下游水温趋于同步,没有明显的温差变化。

　　 2013年7月~2015年3月期间对福州闽江进行水温监测,监测数据显示福州段闽江水温全年变化范围在14.2~29.3℃,其中夏季(7~9月)月平均水温范围在28.2~29.3℃,冬季(12~2月)月平均水温范围在14.2~17.3℃。

　　 如图2所示,将近两年的“实测月平均水温”与位于市区上游的竹歧水文站所测得“历年月平均水温”^[20] 进行比较,可见“实测月平均水温”在冬季皆高于“历年月平均水温”,而在夏季皆低于“历年月平均水温”,估计是受到日益严重的市区工业和生活污废水排放以及潮汐导致的海水倒灌的影响。同时,可以看出“实测月平均水温”与“月平均干球温度”变化趋势基本一致,最高温出现在7月,实测月平均水温28.9℃,月平均干球温度29℃;最低温出现在1月,实测月平均水温14.5℃,月平均干球温度11.4℃。4~8月“实测月平均水温”低于“月平均干球温度”,其余月份“实测月平均水温”高于“月平均干球温度”。由于水的热容比较大,故水温相比气温的变化具有一定滞后性,这种情况在冬季表现尤为明显。

　　 监测数据显示,水温较气温相对稳定,日温差通常在1℃以内,尤其冬季受太阳辐射影响较小,日温差均在0.6℃以内。福州属于我国太阳能资源分类中第四类地区,4~10月太阳能资源丰富,11~3月比较贫乏。根据福州典型气象年数据,7月太阳总辐射量最高,为568.1 MJ/m²,12月太阳总辐射量最低,为212.4MJ/m²,建议夏季使用水源时进行遮阳处理,防止太阳辐射导致水温升高。

　　 水质是地表水源热泵系统开发与利用的决定性因素。水质监测发现福州闽江中、下游存在海水倒灌现象,此外,中游江岸为福州新建中高档住宅区,也是福建自贸试验区福州片区所在地,因此特别对闽江中、下游的各项指标进行了重点监测。考虑到典型季节的需求,监测工作主要在冬季和夏季进行。

　　 监测数据显示,福州闽江pH主要集中在6.54~7.9,满足水源热泵系统对水源pH=6.5~8.5^[21] 的要求。其中夏季的pH在6.54~7.43,冬季在7.18~7.9,冬季比夏季略高。

　　 由图3可知闽江福州段上、中、下游的pH差异不大。同一时段对中游的岸边与中央水体水质的监测结果表明:落潮时,岸边与中央水体的pH无明显差异;涨潮时,岸边水体的pH明显高于中央水体。

　　 水源中总铁和浊度过高会加剧水垢的形成,阻塞管道,影响系统的正常运行。在长达近两年的水质监测中发现闽江上游水质满足水源热泵系统对水源总铁低于1 mg/L和浊度低于100NTU^[21] 的要求,但中、下游存在总铁和浊度不满足要求的现象。现将监测中的典型数据列于表1进行分析。

　　 2013年7、8月分别对在短时间内受同一次潮汐影响的上、中、下游的总铁和浊度进行监测。由表1中监测数据NO.1~NO.12可以看出,在同一次涨落潮中不同江段的总铁和浊度数据波动较大:上游总铁和浊度最低,主要因为其受涨落潮的影响较小;中游总铁和浊度中等,因受潮汐影响,其数值存在波动性;下游总铁和浊度最高,且数值波动性最大。对下游总铁和浊度进一步监测,得出几组数据,其中从NO.13~NO.20可以看出,同一天内下游总铁和浊度变化较大,主要是由于下游岸边淤泥丰富,受潮汐影响,产生强烈的扰动,携带大量泥沙和铁离子。NO.12~NO.22数据则显示下游水质不满足水源热泵系统对水源总铁和浊度的要求。从数据NO.23~NO.32可以看出中游水质除NO.32浊度高达300NTU,其余均满足水源热泵系统对水源总铁和浊度的要求。根据取样记录,NO.32是因受大量降水的影响造成浊度升高。从数据NO.28~NO.29可以看出中游落潮时中央与岸边水体总铁和浊度不存在明显差异性。

　　 综上,中游取水应该注意受强降水天气影响引起的水质浊度增大问题,下游取水需采用过滤器或除砂设备处理浊度大和铁离子含量偏高的问题。

　　 监测数据显示,福州闽江水硬度的范围主要集中在9.25~19.75mg/L,满足水源热泵系统对水源硬度<200mg/L^[21] 的要求。

　　 如图4所示,2013年7、8月分别对在短时间内受同一次潮汐影响的上、中、下游的硬度进行监测,数据显示中、下游的硬度略高于上游,且波动较大。此外,同一时段对中游的岸边与中央水体水质的监测结果表明:落潮时,中央水体硬度高于岸边;涨潮时,岸边水体硬度高于中央。

　　 水源中Cl^-和SO₄^2-的浓度过高会导致以金属和碳钢等为材料的管道和设施的的腐蚀^[22] 。监测数据显示,福州闽江Cl^-浓度主要集中在1.77~14.18 mg/L,满足水源热泵系统对水源Cl^-<100mg/L^[21] 的要求;SO₄^2-浓度主要集中在9.61~26.42mg/L,满足水源热泵系统对水源SO₄^2-<200mg/L^[21] 的要求。其中夏季Cl^-集中在1.77~9.57mg/L,SO₄^2-集中在9.61~12.97mg/L;而冬季Cl^-和SO₄^2-浓度明显升高,Cl^-集中在12.41~14.18mg/L,SO₄^2-集中在22.09~26.42mg/L,估计是受冬季江水流量降低、海水倒灌加剧等因素的影响。

　　 如图5所示,2013年7、8月分别对在短时间内受同一次潮汐影响的上、中、下游的Cl^-和SO₄^2-浓度进行监测,上游Cl^-浓度稳定不受潮汐影响,中、下游Cl^-浓度高于上游,且随潮汐变化波动较大,以中游波动最为明显;各江段SO₄^2-浓度无明显差异,且受潮汐影响不明显。在同一时段对中游的岸边与中央水体监测数据显示:落潮时,中央水体Cl^-浓度高于岸边,SO₄^2-浓度无明显差异;涨潮时,岸边水体Cl^-浓度高于中央,SO₄^2-浓度低于中央。

　　 监测数据显示,福州闽江矿化度主要集中在73.33~140.49mg/L,满足水源热泵系统对水源矿化度<3g/L^[21] 的要求。其中夏季矿化度范围集中在73.33~124.3mg/L;冬季江水流量减少、海水倒灌加剧,矿化度明显升高,主要集中在139.66~140.49mg/L。

　　 如图6所示,2013年7、8月分别对在短时间内受同一次潮汐影响的上、中、下游的矿化度进行监测,结果表明上游矿化度最低,数值变化几乎不受涨落潮影响;中、下游受潮汐影响矿化度高于上游,且数值波动性大。在同一时段对于中游岸边与中央水体监测结果显示,岸边与中央水体矿化度存在差异:中游落潮时,中央水体矿化度高于岸边;中游涨潮时,岸边水体矿化度高于中央。

　　 水质监测结果显示闽江水质受到潮汐影响,下面就不同江段受潮汐影响情况进行分析。2013年7、8月甲基橙碱度、硅酸、硬度、硫酸根离子、氯离子和矿化度等多项水质指标的测试结果均满足水源热泵系统对水源水质的要求。由图7可知甲基橙碱度、硬度、氯离子和矿化度具有随时间同增减的特点,其变化趋势具有一致性,不同江段涨落潮的水质监测结果表明:中游涨潮时因受到海水倒灌影响,各种离子浓度急剧升高;下游落潮时因水量减少,且江岸淤泥过多也会导致离子浓度升高。

　　 在不同季节和位置对中游涨潮时进行水质监测,结果如图8所示:图中1号、2号点分别为2013年7、8月中游涨潮时的水质,3号、4号点分别为2014年7月中游涨潮时岸边和中央水体的水质,5号、6号分别为2014年1、2月中游涨潮时的水质。监测结果显示中游涨潮时,中央水体的硬度、氯离子和矿化度低于岸边,冬季水体的甲基橙碱度、硬度、硫酸根离子、氯离子和矿化度明显高于夏季。

　　 福州闽江水作为水源热泵的冷热源具有非常大的应用前景。福州闽江水温全年变化范围在14.2~29.3℃,其中,夏季月平均水温在28.2~29.3℃,冬季月平均水温在14.2~17.3℃。受太阳辐射影响,夏季水温较气温优势不明显,在利用时可搭建遮阳设施以控制水温。冬季水温较气温高,相比于空气具有更好的热源品质。

　　 水质方面,降水和潮汐是引起闽江水质变化的主要因素,一方面持续降水或突发性大量降水,会导致江水流量和流速增加,江水的搬运能力增强,携带大量泥沙和铁离子,致使水体总铁和浊度含量急剧升高。另一方面枯水季节降水量小,江水流量降低,潮汐引起的海水倒灌现象加剧,在潮水顶托作用的影响下,产生强烈的扰动,致使浊度、甲基橙碱度、硬度、硫酸根离子、氯离子和矿化度急剧升高。

　　 福州境内闽江中、下游浊度、总铁、硬度、Cl^-和矿化度等都高于上游,且随潮汐变化波动较大,分析认为是受到潮汐引起的海水倒灌的影响。中游涨潮时甲基橙碱度、硬度、氯离子和矿化度高于落潮时段,且岸边水体硬度、氯离子和矿化度高于中央;下游因落潮时水量减少,且江岸淤泥过多也会导致离子浓度升高。因此,中游取水应避免涨潮时段,下游应避免落潮时段。

　　 福州市闽江水作为水源热泵的冷热源,上游各项指标均满足水源热泵机组的要求,中游需解决强降雨天气浊度大造成的堵塞问题,而下游取水则要解决浊度大和铁离子含量偏高的问题。