242重庆某工程地表水源热泵系统技术可行性分析

重庆某工程地表水源热泵系统可行性分析重庆大学刘勇顾铭秦丹王勇摘要：从水体热容量、水体水温恢复能力等方面分析了地表水源热泵系统的应用条件，采用理论计算与计算机模拟仿真对重庆某实际工程采用地表水源热泵系统的技术可行性进行了研究，并对可行的两种方案进行了详细论证。关键词：热容量水温分布可行性0引言地表水源热泵系统可以利用地表水作为空调系统的低位冷热源，在空调系统的制冷过程中，不需冷却塔，既省水节能又环保；在制热时，它不需要燃料，不会对大气环境造成危害。同时，该系统的供热供冷效率高，可以大大降低能源的使用费用。由于地表水源热泵系统具有一系列优点，该系统在国外有着广泛的运用，国内近年来也开始推广普及。然而，地表水源热泵系统也并非任何场合都适用，该系统对地表水体的热容量和水温恢复能力有要求。如果水体热容量或水温恢复能力不够，那么系统运行一段时间后水体冷热品质必然下降，系统效率便会降低。因此，在实际工程中，选用地表水源热泵系统必须要做详细的技术论证。鉴于此，对重庆某体育度假中心体育设施房（以下简称体育设施房）和温泉度假中心（以下简称温泉中心）的地表水源热泵空调系统做了详细的技术论证。本工程主要采用理论计算与计算机模拟两种方式进行分析。1工程概况体育设施房属于会所、度假类休闲产品建筑，位于重庆市南岸区，-1F和-2F为车库和库房等后勤用房，1F为会所用房，包括大堂、快餐厅、大堂吧、更衣和淋浴房、VIP房、会议室等，2F为中餐厅，共有20个包房。项目用地面积约10262.7平方米，总建筑面积为27961.8平方米。水源热泵空调示范面积为10000平方米左右，估算总冷负荷约为1934KW，估算总热负荷约为810KW。温泉中心属于酒店、度假类休闲产品建筑，位于重庆市南岸区，-2F为温泉用房，包括室内泳池、水浴中心、更衣室、淋浴间、快餐厅，-1F为车库和库房等后勤用房，1F为酒店用房，包括大堂、接待厅、会议中心、大堂吧等，2F～6F为酒店标准客房。项目用地面积13528.6平方米，总建筑面积33674平方米。水源热泵空调示范面积约为27000平方米左右，估算总冷负荷约为2640KW；估算总热负荷约为1860KW。温泉中心、体育设施房同处于一个分区区域之内，两者间距不大；而且，该两栋建筑附近区域均分布较为充足的地表水体（石榴湖、溪流）。建筑平面布置图如下：图1建筑平面布置图2工程冷热源方案选取根据上述自然条件，两栋建筑的水源热泵系统冷、热源利用方案确定为以下两种方案：方案一：湖体单独利用温泉中心、体育设施房两栋建筑的水源热泵系统均利用石榴湖水体的冷热资源，在湖内进行取水、回水。方案二：湖、溪流共同利用温泉中心的水源热泵系统利用湖体冷热资源，在湖内取水、回水；体育设施房利用其附近的溪流水体的冷热资源，在溪流内取、回水。3工程的技术可行性分析3.1方案一的技术可行性分析3.1.1理论计算分析为了确定夏、冬两季系统运行过程中向湖体排热、取热后湖体的水温变化情况，必须分析夏、冬两季系统运行过程中湖体的得热、散热情况，从而确定夏、冬两季系统运行后湖体的“冷热收支”平衡能力。系统运行过程中，湖体的热交换过程主要包括：（1）水面热交换，（2）水体与下垫面热交换，（3）水源热泵系统向湖体的取、排热。根据以上条件，以及两个空调系统的最大冷热负荷，结合建筑使用特性，计算出夏、冬两季水源热泵系统运行过程中湖体的平均水温变化情况：表1湖体平均水温变化季节湖体得热量（J）水比容（J/kg·K）湖水质量（kg）水温变化（K）夏季3.22E+114.19E+038.29E+070.93冬季-3.76E+11-1.08全年2.06E+110.59上表表明：夏季运行后，湖体的水温升高0.93K；冬季运行后，湖体的水温降低1.08K；考虑过石榴湖温泉中心溪流体育设施房心渡季节湖体的水温恢复，全年湖体的平均水温仅升高0.59K。从而说明，系统全年运行对湖体水温的影响比较小，湖体的全年热平衡基本上能得到保证。3.1.2数值模拟计算根据“零负荷”条件下湖体水温分布特点，附加水源热泵系统的运行取、排热量，分别建立冬、夏两季系统运行的湖体水温分布模型，利用通用商业软件PHONEICS进行仿真计算。石榴湖物理模型如下：图2湖体模型其中，取、回水位置设置如下：石榴湖温泉中心回水口x=30m，y=110.35m，z＝6m；体育设施房回水口x=0m，y=102.5m，z＝6m；取水口共用，位置坐标x=90，y=40，z＝0m。初始参数及边界条件：石榴湖夏季水温初始参数设置为（以湖底为零标高）：0～1.5m，水温15.5℃；1.5～6m，水温19℃；6～7m，水温25℃；冬季水温初始参数设置为10℃，上下层均匀。湖体表面简化为常热流边界；湖底传热相对于湖体表面而言较小，设置为绝热表面；回水按5℃的温差考虑，负荷特性表现在取回水的流量上。典型日负荷使用特性如下：体育实施房：中午11:00～下午13:00为满负荷状态，下午13:00～18:00为50％负荷状态，晚18:00～22:00为满负荷状态，22:00～24:00为30％负荷状态，其余时间段负荷为20％；温泉中心：上午8:00～11:00为30％负荷状态，11:00～14:00为100％负荷状态，14:00～18:00为50％负荷状态，18:00～22:00为70％负荷状态，22:00～凌晨8:00为50％负荷状态。不同负荷情况调节冷却水量。根据上述模型对夏季、冬季各一个典型日分别进行模拟运算。模拟结果如下：（1）夏季工况计算结果：a.整体立面b.水面以下6米平面c.水面以下3米平面d.水面图3夏季工况水体温度分布上图计算结果表明：夏季空调运行工况下，由于回水口位于水面下1米处，回水区附近水域的垂直水温分层现象被打破，水体水温受影响的范围随着水面以下深度的增加而越来越小；同时，由于受回水水温的影响，水面回水区域的水温较周围水温略低。系统运行1天后，湖体平均水温仅上升0.32℃，而且湖体受系统运行影响的区域相对较小。（2）冬季工况计算结果：a.整体立面b.水面以下6米平面c.水面以下3米平面d.水面图4冬季工况水体温度分布从上图可以看出，冬季典型日系统运行1天后，仅湖体回水区域附近的水体水温受系统取热影响，而且整个湖体受影响的范围相对比较小，层间温差相对夏季小的多。另外，计算数据结果，可以得到：（1）湖体水面以下6米平面的平均水温为9.91℃，与湖底水温一致；水面以下3米平面平均水温为9.9℃，回水影响区域增加；水面由于受外界环境换热影响平均温度为4.88℃；（2）冬季典型日系统运行1天后，整个湖体的平均水温为9.65℃，较初始平均温度10℃降低了0.35℃；综上，对于方案一，系统在冬、夏季运行后，整个湖体水温度变化均比较小；而且在全年运行后，基本上能够实现热平衡。同时，系统一个典型日工况运行的模拟结果表明，系统运行1天条件下，取、回水对湖体水温的影响范围均很小。从而说明，方案一在技术上是可行的。3.2方案二的技术可行性分析由于方案二与方案一相比水体的容量增加了，而所要提取的冷热量并没有增加，因此，方案一能满足工程要求，方案二从理论上讲应该能满足要求。关键是要研究，溪流的热容量能否满足体育设施房的需求。为此，对方案二主要分析体育设施房从溪流中提取冷热量后，溪流的水温是否能得以恢复以及对水体的影响范围。溪流长200m×宽7m×深2m，取水口（x=10m）位于出水口上游100m。夏季溪流水体初温设为27℃，流量按400t/d；水流表面简化为常热流边界考虑，溪流水体与土壤传热设置为绝热边界；回水按5℃的温差考虑，负荷特性表现在不同时刻流量不同；冬季水体初温设为12.5℃，其它条件同夏季。同样，计算冬夏各一个典型日，计算结果及分析如下：（1）夏季工况计算结果：a.溪流立面b.水面以下1米平面c.水面图5夏季工况水体温度分布从模拟计算结果，可以得到：系统运行1天后，系统回水对溪流造成的影响范围大致为回水口上游20m到回水口下游90m之间约110m的区间，超过该区域的下游水温基本能恢复；回水影响区域内平均温度大约为30℃，平均水温上升了3℃。（2）冬季工况计算结果：a.溪流立面b.水面以下1米平面c.水面图6冬季工况水体温度分布从模拟计算结果，可以得到：系统回水对溪流造成的影响范围大致为：回水口上游15m到下游80m之间大约95m区间；超过该区域的下游水温基本能恢复；回水区域平均温度大约为9.2℃，平均水温下降了3.3℃。从方案二溪流夏、冬季各1个典型日的运行水温变化情况看，尽管两个季节系统运行后，溪流回水区域附近水温变化最大达到了3.3℃，但是在溪流的下游处水温基本都能得以恢复。从而说明，方案二在技术上是可行的。4结论根据上述分析：就技术而言，该项目地表水体能满足系统全年运行的冷热负荷需要，工程采用地表水源热泵系统是可行的；而且，该工程拟采用的两种冷、热源利用方案均能满足工程需要。参考文献[1]J.M.Cantrell,1984,“ShallowPondsforDissipationofBuildingHeat:ACaseStudy”,ASHRAETransactions,Vol.90,Pt.2A,pp238-246.[2]HillelRubin,1984,ModellingTheperformanceofasolarpondasasourceofthermalenergy,SolarEnergy,Vol.32,No.6,pp771-778.[3]郝瑞霞，潮汐水域电厂温排水的水流和热传输准三维数值模拟，水利学报，No.8.[4]陈永灿,1998,“密云水库垂向水温模型研究”,水利学报,No.9,pp.21-26.[5]李怀恩,1990，“一维垂向水库水温数学模型研究与黑河水库水温预测”Vol.6.No.4.pp236-243.[6]蒋红,1992,“水库（湖泊）水温的一维混掺对流模型”,水电站设计,No.8,pp.12-16.[7]PaulR.Holland,ANumericalStudyoftheDynamicsoftheRiverine,EnvironmentalFluidMechanics1:311-332,2001.