湖水源熱泵溫排水對水體溫度場影響研究綜述

岳勁松 洪順軍

(中節(jié)能先導(dǎo)城市節(jié)能有限公司，湖南 長沙 410208)

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湖水源熱泵溫排水對水體溫度場影響研究綜述

岳勁松 洪順軍

(中節(jié)能先導(dǎo)城市節(jié)能有限公司，湖南 長沙 410208)

介紹了湖水源熱泵空調(diào)系統(tǒng)的取水方式及水體承載能力，并結(jié)合工程實例，通過試驗?zāi)Ｐ停芯苛撕礋岜脺嘏潘畬λw溫度場的影響，對湖水源熱泵的應(yīng)用及節(jié)能研究具有重要意義。

湖水源熱泵，取水方式，溫度場，節(jié)能

0 引言

湖水源熱泵空調(diào)系統(tǒng)利用湖水作為熱源，采用熱泵技術(shù)原理，通過輸入少量的高位電能，把湖水中的低位熱能轉(zhuǎn)化成高位熱能[1]。湖水源熱泵溫排水對湖水水體會產(chǎn)生一定影響，很多研究人員圍繞湖水源熱泵取水方式、運行特性、水體承載能力、溫排水對水體溫度場的影響、經(jīng)濟性分析等方面作了大量的研究。本文在對國內(nèi)外湖水源熱泵相關(guān)研究文獻進行總結(jié)的前提下，對湖水源熱泵取水方式、水體承載能力、溫排水對水體溫度場的影響等三個方面作了綜述分析。

1 取水方式分析

在湖水源熱泵項目中，常見的取水方式有虹吸取水、負壓引流取水等，取水方式對湖水源熱泵系統(tǒng)的性能會產(chǎn)生一定影響。早在2000年，美國一所大學(xué)就對以CayuCornellga湖作為熱源的湖水源熱泵工程取水方法進行了研究，該項工程在2002年獲ASHRAE技術(shù)獎[2]。

隨著數(shù)值分析技術(shù)的快速發(fā)展，很多研究人員陸續(xù)采用數(shù)值分析方法來研究這一問題，Joehnk在總結(jié)分析相關(guān)文獻的基礎(chǔ)上，提出能描述分層水體動量與能量交換的水動力模型，進一步研究了水體分層問題，為湖水源熱泵取水方式的選擇提供了參考[3]。范亞明[4]提出在穩(wěn)流器底部取水，在同溫層退水的理想狀態(tài)，并建立理想取水溫度模型，通過研究得到：增加水深、增大取退水溫差、較差的水質(zhì)、同溫層退水等都有助于增大湖泊的理想供冷能力的結(jié)論。陳金華等[5]以某湖水源熱泵項目為例，發(fā)現(xiàn)點取水方式會影響空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)能效果，并提出了線取水方式，其對湖水的影響可以忽略不計。

翁雯[6]提出開式湖水源熱泵對湖水水質(zhì)的要求和處理方法，通過分析確定了取退水口的位置，并計算了取水量。楊建坤等[7]以湖水源熱泵項目為例，分別從溫排水、取水方式、水質(zhì)及水溫等4個方面驗證了夏熱冬暖地區(qū)湖水源熱泵項目的可實施性。

2 水體承載能力分析

在湖水源熱泵項目中，首要解決的問題是湖水水體供能能力是否能滿足實際需求，對水體承載能力的分析至關(guān)重要。Rose R[8]，Berntsson[9]就針對這一問題開展了相關(guān)研究工作，研究成果為水體供能能力分析提供了指導(dǎo)。

2.1 湖水熱分層分析

吳浩[10]在分析湖水熱分層問題的基礎(chǔ)上，建立了水溫模型。采取求解含負荷的水流水溫模型的方法獲得了水體承擔(dān)的最大熱負荷，并進行了實例研究，得到了水體能承載的最大冷負荷與機組能效比、平均水溫、水體平均水深之間的關(guān)系式。范蕓青[11]建立了湖水源熱泵系統(tǒng)分析軟件，通過建立靜態(tài)湖水全年溫度模型，對湖水的供冷極限負荷進行了分析，并與實測數(shù)據(jù)進行了對比分析，充分驗證了湖水供能承載能力。

2.2 水體承載能力計算方法

王勇等[12]以重慶地區(qū)氣候條件為基礎(chǔ)，詳細分析了強降雨、夜雨對湖水熱承載能力產(chǎn)生的影響，對整個供冷期來說，強降雨會增大湖水的熱承載能力，會影響湖水源熱泵運行的能耗，而夜雨對供冷期的影響不大，對系統(tǒng)運行的能耗影響也不大。童明偉等[13]以某湖水源熱泵系統(tǒng)設(shè)計為例，分析了湖水的熱承載能力，對冬季工況下湖體的逐時溫度作了模擬分析，得到：系統(tǒng)在冬季運行時，以13.7 ℃為初設(shè)溫度，分析1月份湖體逐時溫度，湖水的溫度不斷下降，當模擬運行至第24天時，湖水溫度降低至4.04 ℃，有可能導(dǎo)致蒸發(fā)器結(jié)冰而影響設(shè)備運行，必須采取電輔加熱等補救方法。

劉義坤[14]采取集總參數(shù)模型構(gòu)建了湖水源熱泵溫度模型，并計算了湖體的最大供能能力，為湖水源熱泵水體承載能力分析提供了參考。王勇等[15]基于流體運動方程N-S方程，結(jié)合能量、質(zhì)量及水溫方程，構(gòu)建了湖水源熱泵湖水溫度變化的數(shù)學(xué)模型，以夏季工況取水溫度極限數(shù)據(jù)為依據(jù)，求解得到夏季不同初設(shè)水溫及不同負荷下能夠承載的最大排熱量，并利用回歸方法，獲得了湖水熱承載能力的驗證方程，在與實測數(shù)據(jù)對比分析的基礎(chǔ)上，驗證了湖水源熱泵系統(tǒng)的可實施性。

3 溫度場影響分析

針對湖水源熱泵項目，由于其取排水量大、循環(huán)水量大，溫排水會對湖水產(chǎn)生一定影響，研究湖水源熱泵空調(diào)系統(tǒng)取排水對湖水溫度場的影響就顯得至關(guān)重要。

3.1 模型研究

劉鵬等[16]以湖水源熱泵空調(diào)系統(tǒng)在湖水側(cè)換熱平衡的原理為基礎(chǔ)，分析推導(dǎo)出湖水水溫計算模型，利用試驗數(shù)據(jù)對模型進行了驗證，并以深圳地區(qū)某湖水源熱泵項目為例，利用該計算模型對湖水溫度變化作了預(yù)測分析，為湖水源熱泵空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計提供了依據(jù)。

Antero A M[17]以某一湖水源熱泵項目為例，建立了用電量分析模型，將傳統(tǒng)空調(diào)系統(tǒng)用電量與湖水源熱泵系統(tǒng)用電量進行了對比分析，研究結(jié)果顯示：湖水源熱泵系統(tǒng)節(jié)省用電量75%。

3.2 實例及試驗研究

陳金華等[18]以重慶某湖水源熱泵系統(tǒng)為研究對象，對不同深度湖水自然溫度和系統(tǒng)運行過程中的水溫、距退水點不同距離處的水溫變化以及取水口和換熱器進水口的水溫差作了分析，并分析了系統(tǒng)運行過程中湖水水溫變化對空調(diào)系統(tǒng)運行所產(chǎn)生的影響，基于實測數(shù)據(jù)對系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計提出了建議。

劉冰等[19]以南京某湖水源熱泵項目為例，構(gòu)建了排水水流模型以及考慮湖水面綜合散熱系數(shù)的溫度場模型，利用溫度場模型與水流模型耦合的數(shù)值分析方法研究了湖水源熱泵在夏季東風(fēng)、夏季靜風(fēng)、冬季東北風(fēng)、冬季靜風(fēng)四個工況下系統(tǒng)排水對湖水溫度場產(chǎn)生的影響，結(jié)果表明：湖水源熱泵排水導(dǎo)致的水溫變化在地表水環(huán)境質(zhì)量標準限定的范圍內(nèi)，湖面綜合散熱系數(shù)的變化對湖水溫度場分布所產(chǎn)生的影響極為顯著。

郝小充[20]以某湖水源熱泵項目為例，構(gòu)建了溫排水熱擴散模型，采取C++軟件編寫了水面熱通量及水面綜合散熱系數(shù)計算模型，通過計算得到了供暖季及制冷季水面熱通量平均值和水面綜合散熱系數(shù)平均值，并建立了制冷季運行工程下的湖水源熱泵空調(diào)系統(tǒng)試驗臺，其包含了流量控制系統(tǒng)、水槽溫排水換熱系統(tǒng)、溫度數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、加熱控溫系統(tǒng)，將試驗獲得的排水口溫升數(shù)據(jù)與模擬數(shù)據(jù)進行對比分析，結(jié)果顯示兩者變化趨勢一致。

3.3 環(huán)境影響研究

隨著湖水源熱泵應(yīng)用進程的加快及相關(guān)研究的陸續(xù)展開，除了對其取水方式、水體承載能力、溫度場影響、運行特性等方面的研究之外，近年來，針對湖水源熱泵對環(huán)境的影響研究成果不斷涌現(xiàn)，研究人員開始關(guān)注其對環(huán)境所造成的影響。

黃向陽等[21]以重慶某湖水源熱泵項目為研究對象，經(jīng)過對該項目運行過程中尾水受納湖泊區(qū)域浮游植物、水溫、磷、氮的長期監(jiān)測，分析了湖水源熱泵空調(diào)系統(tǒng)尾水對湖水富營養(yǎng)化進程所產(chǎn)生的影響，研究結(jié)果表明：制冷季系統(tǒng)長時間運行會導(dǎo)致退水口位置附近區(qū)域水溫上升，當系統(tǒng)溫排水水溫低于30 ℃時，退水導(dǎo)致的溫升會使得退水口附近磷、氮含量升高，綠藻、藍藻數(shù)量急劇增加，會加速湖水的富營養(yǎng)化，當溫排水水溫高于33 ℃時，溫度過高會抑制綠藻、藍藻等藻類的生長；而冷排水會使得退水口附近浮游植物總量減少，硅藻占比會增加，冷排水會抑制部分藻類的生長，能夠緩解湖水富營養(yǎng)化，此外，因為溫差小，在冷排水的擾動下，湖水中沉積的營養(yǎng)鹽會不斷被釋放，繼而會促進湖體的富營養(yǎng)化。

4 結(jié)語

針對湖水源熱泵空調(diào)系統(tǒng)的研究方向很多，主要是圍繞取水方式、水體承載能力、溫度場影響、運行特性、環(huán)境影響等進行，國內(nèi)外學(xué)者圍繞湖水源熱泵取水方式、水體承載能力、溫度場影響等方面作了很多研究，也誕生了很多新的研究成果。溫度場影響分析一直是湖水源熱泵領(lǐng)域重點的研究課題之一，其影響著項目的可實施性，相關(guān)研究主要集中在模型研究、實例及試驗研究、環(huán)境影響研究等多個方面，隨著國內(nèi)外節(jié)能環(huán)保政策的逐步實施，未來環(huán)境影響研究將會成為湖水源熱泵領(lǐng)域的重點研究課題。

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Review of lake water source heat pump thermal discharge effect study on the water temperature field

Yue Jinsong Hong Shunjun

(Cecep&CpihCityEnergyConservationCo.,Ltd,Changsha410208,China)

The paper introduces the water supply approach, water loading capacity of the lake water heat pump air-conditioner, researches the influence of the lake water source heat pump thermal discharge on the water temperature field by the tests by combining with the engineering cases, so it is meaningful for applying the lake water source heat thermal discharge and energy-saving research.

lake water source thermal pump, water means, temperature field, energy-saving

1009-6825(2016)32-0138-03

2016-09-06

岳勁松(1968- ),男，碩士； 洪順軍(1988- )，男，碩士

TU833.3

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