露天海水游泳池水循环加热方案简析

露天海水游泳池水循环加热方案简析

陆 璋，韩 刚

（中交第一航务工程勘察设计院有限公司，天津 300222）

摘要：露天海水游泳池是一种较为新颖的海水利用方式，本文依托天津港中心渔港露天海水游泳池工程进行相关探讨，通过不同加热方式以及技术经济的对比分析，总结出空气源热泵的系统方案较为优越的特性，随着露天海水游泳池每日使用时间的增加空气源热泵系统的优势会更加显著，此系统的应用在满足用户的实际需求的同时，体现了节能及环保的特质。

关键词：海水游泳池；循环加热；热泵；太阳能；经济效益

引 言

海水游泳池是一种很好的海水利用方式，其具有绿色环保不需要投加化学药物的优点，近年来国内逐渐建设。为了满足游泳池的水温标准，需要对泳池循环水进行热量的补充，目前加热方式对其他能源的利用方式使用较少，多采用蒸汽换热，定量的数据分析欠缺。本文依托天津港中心渔港拟建的海水游泳池进行探讨，通过不同加热方式以及技术经济的对比分析，总结出切实可行的方案，为此类工程的建设提供一定的参考。

1 泳池加热系统设计条件

1.1 计算边界条件

工程拟建设3个标准泳池，泳池冬季关停进行检修，其设计参数为：游泳池容量5 670 m3，游泳池表面积3 150 m2，加热期室外环境计算温度取19 ℃，当地春秋季自来水温（最低值）取15 ℃，要求全天候保持水温恒定在27 ℃。

设计以一个游泳池为基础单元进行选型计算，以计算结果的3倍作为系统总容量，泳池由两部分热量组成，其一为初始升温所消耗热量Q1，再者为平时每日泳池恒定温度所需热量Q2。

1.2 海水泳池耗热量的计算

1）初始升温耗热量

“初始升温耗热量”是指在海水游泳池竣工后或维修保养后蓄水至设计水位，将池内水的温度加热至设计水温所消耗的热量。初始升温耗热量按以下公式计算：

式中：Q1为初始升温耗热量(kJ/h)；Qc为纯升温所需热量(kJ/h)；Qs为水表面蒸发损失的热量(kJ/h)。

①升温所需热量

式中：V为泳池总水量（L）；ρ为水的密度（kg/L）；C为水的比热[kJ/(kg·℃)]；Td为游泳池的池水设计温度（℃）；Tf游泳池初始水温（℃）；为加热所需时间，宜采用24～48 h，本文采用48 h计算。

代入设计条件后，经计算得1 321 200 kJ/h，约合367 kW。

②水表面热损失

水表面热损失值中包括多种因素，详细计算较为繁琐且不好量化，因此采用概略值的方式给出推荐值，设计中可根据实际情况进行估算。

在设计室外环境不同的温度状态下，泳池温度达到恒定过程之中所消耗的热量，可以查表1得到，露天游泳池水面单位面积平均热损失值中已经考虑到了水表面的蒸发损失以及泳池池底、设备管道、泳池池壁的热传导损失。

表1 水面单位面积平均热损失估算

环境气温/℃ 露天游泳池/(kJ·h-1) 10 2 077 15 2 001 20 1 846 25 1 570 26 1 466 27 1 282 5 2 340

代入设计泳池的表面积，计算得水表面热损失1 933 200 kJ/h，约为537 kW。

通过以上计算可以得出，泳池水初始升温耗热量为904 kW。

2）每日维温耗热量

在平时每日的泳池使用中，需要时刻保持泳池内水的温度稳定在设计温度，在这个过程中必然会带来热量的消耗，消耗的这部分热量可以用如下公式计算：

式中：Q2为每日维温耗热量(kJ/h)；Qf为游泳池补充新鲜水加热所消耗的热量(kJ/h)。

其中，游泳池补充新鲜水加热所需的加热量应按下式计算：

式中：Vb为每日泳池的补充水量(L)；Tb为每日泳池的补充水的水温(℃)；T为升温所需时间，可按照每日系统运行的时间确定，一般不超过18 h。

由于存在水表面的自然蒸发、人员活动带来的水量损失以及对循环水进行消毒而产生的废水等，因此每日补充的水量可以取为整个游泳池水量的10%～15%。向泳池补充的水温度选取春秋季自来水温（最低值）15 ℃，经计算游泳池补充新鲜水加热所需的热量为529 200 kJ/h，约合147 kW。则日常恒温总需热量为684 kW。

从上计算可以看出，对于每个游泳池，保温所需的负荷684 kW，初加热需要负荷904 kW；由于全年运行期气象条件的不确定性，并且系统选型考虑到最大负荷工况的需求，因此太阳辐射得热量不计入计算范围。

2 恒温游泳池加热系统方案

根据当前各种热源方式的使用情况，文章筛选了以下几种有可能应用在工程中的加热方式，并对其分别进行相关论述。

2.1 空气源热泵恒温加热系统

热泵机组具备诸多优点：具备先进的自动控制系统，温度水流控制，无人职守；热交换器可以采用优质的钛金属，防止泳池水中的氯腐蚀造成设备的损坏；热交换性能优越，可以维持在较高的热效率（COP）下工作；采用新型的环保冷媒，对大气层没有破坏，环保效果显著。

1）热泵设备选型

本工程保温所需的负荷为684 kW，初加热需要负荷为904 kW；两个阶段中初始加热量远大于维持温度所需热量，因此以初始升温耗热量作为系统设备配置的基础负荷。选用在设计工况下单台制热量为240 kW的空气源热泵制取热量，按照初始升温阶段耗时48 h，一个游泳池配置4台机组，3个游泳池共计配置12台。一般在实际工程中，初始升温消耗热量均会超过每日维持水温度所消耗热量，因此在工程前期的估算阶段，只需采用初始升温消耗热量来确定制热机组的容量及台数。

2）空气源热泵系统特性

①设备消耗的电力并不直接用于把水加热，而是利用电力驱动压缩机将空气中的能量转移至水中，将水的温度提升，因此与电热水器及电锅炉相比能源节约75%左右，与燃气热水器或燃气锅炉相比，能源节约50%以上，相比燃油锅炉可节省能源70%以上。

②空气源热泵使用电力作为驱动的能源，对外界环境的污染微乎其微，由于效率的提升可以使一次能源消耗量很小。传统的燃油燃气热水器以及锅炉在燃烧过程中会排放二氧化碳、二氧化硫、氮氧化物等气体，会对环境产生不同程度的危害。

③相比于传统的热水器以及锅炉，热泵机组在运行过程中安全性较高。其不存在有毒有害的燃烧产物；水系统和电路分离，也无漏电等危险。

2.2 地源热泵恒温加热系统

1）埋管数量确定

根据天津港工程周边经验数据，打井深度为120 m的双U地埋管井，每座井的换热功率平均为6 kW，系统所需的总的换热量为2 712 kW，则所需打井数量为452座，考虑一定的裕量后，建议打井460座。

2）地源热泵系统特性

地埋管热泵系统是利用浅层土壤作为热源，并与之进行能量交换，从而来提供用户冷热负荷；对于这种方式首先是对井要求比较严格，必须是满足一定吸、放热量。对于一般的用户末端来说，地源侧冬季吸热夏季放热，从全年看系统与土壤的能量交换可以维持一定的平衡，不会影响制热效果；而对于纯加热系统来说系统全年均从土壤中吸热，随着时间推移，打井区域土壤温度逐年降低，无法维持平衡，最终会导致制热效果恶化，已打的井无法满足用户需求。另一方面，此系统前期投入较大，以每座井0.8万元进行估算，则本工程需要打井费用368万；在热泵机房的基础上增加了打井环节，施工难度高。

综上所述，在无法保证源侧吸、放热平衡的情况下，由于费用较高，不建议采用地源热泵系统对泳池进行加热。

2.3 太阳能加热方案

太阳能加热系统的原理是不尽相同的，如带有储热水箱的太阳能热水系统，仅仅是维持水箱内有限的水温不低于40 ℃，水箱中预先储存一次最大用水量；而对于游泳池来说，循环水不断的经过与太阳能系统的换热来维持游泳池水的设计温度，这一过程的换热是不间断的。

针对本工程，考虑到环境温度随季节而变化，导致游泳池的热损失量也会随季节发生变化，采用五月份与十月份的实际气象参数设计太阳能集热器的采光面积，这样可以满足设计使用要求。

1）太阳集热器选型

当前太阳集热器在国内主要有真空管集热器、平板集热器和热管集热器。本方案可选择真空管集热器，也可选择水平热管太阳集热器。根据ISO/TR 12596《太阳能游泳池加热设计和安装指南》太阳能集热器的采光面积应为游泳池水域面积的70%～100%。该游泳池面积为3150m2，因此，游泳池加热应安装太阳能集热器2205～3150m2。

2）太阳能加热系统特性

太阳能的规模受到摆放场地大小的影响。若摆放场地不足，太阳集热器的面积按现场能够摆放的实际面积设计，不足部分由辅助加热补充。当采用本方案时，建议摆放真空管集热器或水平热管太阳能3150m2。总价约需315万元。其总投资虽不算高，但其受天气影响较大。从全年来看，理论上这样配置可以满足系统需求，但在天津地区日照条件下，会有大部分时间无法满足用户需求，其适应性较差，因此不建议选用。

2.4 燃料锅炉或电热炉的方案

无论是使用燃煤锅炉还是使用燃油燃气锅炉都会带来对环境的污染。从锅炉自身特性上去进行选型考虑时，采用燃煤锅炉一次能源利用率最高，经济性能较突出，然而由于存在环保政策的限制，只能在允许的条件下才能使用，天津港不具备此条件。电加热炉的灵活性最强，效率最低经济性不佳，体量较小的游泳池选用较好。本游泳池容积较大，属于大型游泳池，不宜采用。

燃油、燃气锅炉是多数露天游泳池的必然选择。考虑本工程加热量，需选用1.5 MW燃油或燃气锅炉两台，每台40万元计算，并且考虑到循环水泵及水处理配套设施的投入，系统投资约合150万元。

3 加热系统对比分析

从各系统加热方式的分析得出，本工程较为适合的系统配置方案为空气源热泵系统以及燃油、燃气锅炉系统方案。表3给出了两种方案在系统影响因素特性方面的对比。

表3 系统加热方案特性对比

影响因素 空气源热泵方案 燃油、燃气锅炉方案采用能源 电 柴油/燃气危险程度 很低 较高环境影响 无污染 污染大维修更换期限 12年 8年布置位置 露天 专门房间占地面积 较小 较大噪音 弱 强控制模式 自动 人工持证上岗人工费用 无 2个人员的人工费、审批费

从表3可以看出，空气源热泵系统由于使用电力且自动化程度较高，与燃油、燃气锅炉相比其系统设备特性以及运行维护特性均处于优势地位。

为了进一步考量其运行期的经济效益，本文以所需每日总热量40 000 kcal为基础进行对比，其方案对比情况如表4。

表4 系统加热方案经济性对比

热源形式 燃气锅炉 燃油锅炉 空气源热泵能源 天然气 柴油 电力单位热值 8 700 kcal/m3860 kcal/(kW·h)效率/% 70 75 420日能源消耗量 6.6 5.2 1 1.07能源单价 3.60元/m35.50元/kg 1.0元/(kW·h)每日总费用/元 23.8 28.6 1 1.07年运行费用/元 8 568 10 296 3 985每月运行费用/元 714 858 332 10 300 kcal/kg

从表4中可以看出，各种锅炉的运行费用是空气源热泵的2～3倍。进一步我们按照1 kcal相当于4.186 kJ进行换算，40000kcal相当于167440 kJ，对于日常恒温需热量684 kW来衡量，相当于每日连续运行4min。而实际情况下每日运行时间远远大于4min，若按照每日运行4 h估算，空气源热泵年运行费用按照每日运行4min节省4 000元计算，那么每日运行4 h状况下年运行费用节省24万元，5年左右的时间可弥补初投资上与燃油燃气锅炉方案的差距，每日泳池使用的时间越长则这个会差距越小。

从上述分析不难看出，空气源热泵系统方案在诸多方面具备一定优势，在天津港地区类似工程中采用这种系统是较为合理的。

4 结 语

通过本文地分析和探讨，笔者认为露天海水用泳池的加热设备配置可以按照初次加热负荷进行。太阳能加热系统以及地源热泵系统虽然采用了可再生能源，负荷当今清洁环保的发展方向，但从初投资以及供热保障性上来说，不适宜运用于此类工程。从对于可行方案的经济技术的对比中可以看出，针对露天海水游泳池实际情况来说，结合周边能源供应的情况，本文认为采用空气源热泵的方式进行加热较为合适，且随着露天游泳池每日使用时间的增加其优势也会更加明显，同时此系统也能够很好的满足用户的实际需求。希望通过本文的对比分析可以对将来类似工程的建设提供一定的指引和帮助。

参考文献：

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[6] 张金霞. 不同加热方式对游泳池池水温度场影响的模拟分析[D]. 燕山大学, 2014.

Brief Analysis of Cyclic Heating Plan for Open Seawater Swimming Pool

Lu Zhang, Han Gang

(CCCC First Harbor Consultants Co., Ltd., Tianjin 300222, China)

Abstract:Open seawater swimming pool is a relatively new pattern of using seawater. Based on open seawater swimming pool project at central fishing harbor of Tianjin Port, different heating means and technical economy modes are compared and analyzed to sum up the advantages of air source heating pump system. The system will be more advantageous with time increment of open seawater swimming pool being used per day. Its application is characterized with energy-saving and environmental protection while meeting the customers’ demand.

Key words:seawater swimming pool; cyclic heating; heating pump; solar energy; economic benefits

中图分类号：TU991

文献标志码：A

文章编号：1004-9592（2017）04-0089-04

DOI： 10.16403/j.cnki.ggjs20170421

收稿日期：2017-06-13

作者简介：陆璋（1961-），男，高级工程师，主要从事暖通设计工作。