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(zhǎng)沙 410208)

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湖水源熱泵溫排水對(duì)水體溫度場(chǎng)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(zhǎng)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(shí)例，通過(guò)試驗(yàn)?zāi)Ｐ?，研究了湖水源熱泵溫排水?duì)水體溫度場(chǎng)的影響，對(duì)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(chǎng)，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(guò)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(duì)湖水水體會(huì)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(yùn)行特性、水體承載能力、溫排水對(duì)水體溫度場(chǎng)的影響、經(jīng)濟(jì)性分析等方面作了大量的研究。本文在對(duì)國(guó)內(nèi)外湖水源熱泵相關(guān)研究文獻(xiàn)進(jìn)行總結(jié)的前提下，對(duì)湖水源熱泵取水方式、水體承載能力、溫排水對(duì)水體溫度場(chǎng)的影響等三個(gè)方面作了綜述分析。

1 取水方式分析

在湖水源熱泵項(xiàng)目中，常見的取水方式有虹吸取水、負(fù)壓引流取水等，取水方式對(duì)湖水源熱泵系統(tǒng)的性能會(huì)產(chǎn)生一定影響。早在2000年，美國(guó)一所大學(xué)就對(duì)以CayuCornellga湖作為熱源的湖水源熱泵工程取水方法進(jìn)行了研究，該項(xiàng)工程在2002年獲ASHRAE技術(shù)獎(jiǎng)[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(lái)研究這一問題，Joehnk在總結(jié)分析相關(guān)文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上，提出能描述分層水體動(dòng)量與能量交換的水動(dòng)力模型，進(jìn)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(guò)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(xiàng)目為例，發(fā)現(xiàn)點(diǎn)取水方式會(huì)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(duì)湖水的影響可以忽略不計(jì)。

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

2 水體承載能力分析

在湖水源熱泵項(xiàng)目中，首要解決的問題是湖水水體供能能力是否能滿足實(shí)際需求，對(duì)水體承載能力的分析至關(guān)重要。Rose R[8]，Berntsson[9]就針對(duì)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(fù)荷的水流水溫模型的方法獲得了水體承擔(dān)的最大熱負(fù)荷，并進(jìn)行了實(shí)例研究，得到了水體能承載的最大冷負(fù)荷與機(jī)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(guò)建立靜態(tài)湖水全年溫度模型，對(duì)湖水的供冷極限負(fù)荷進(jìn)行了分析，并與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行了對(duì)比分析，充分驗(yàn)證了湖水供能承載能力。

2.2 水體承載能力計(jì)算方法

王勇等[12]以重慶地區(qū)氣候條件為基礎(chǔ)，詳細(xì)分析了強(qiáng)降雨、夜雨對(duì)湖水熱承載能力產(chǎn)生的影響，對(duì)整個(gè)供冷期來(lái)說(shuō)，強(qiáng)降雨會(huì)增大湖水的熱承載能力，會(huì)影響湖水源熱泵運(yùn)行的能耗，而夜雨對(duì)供冷期的影響不大，對(duì)系統(tǒng)運(yùn)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(jì)為例，分析了湖水的熱承載能力，對(duì)冬季工況下湖體的逐時(shí)溫度作了模擬分析，得到：系統(tǒng)在冬季運(yùn)行時(shí)，以13.7 ℃為初設(shè)溫度，分析1月份湖體逐時(shí)溫度，湖水的溫度不斷下降，當(dāng)模擬運(yùn)行至第24天時(shí)，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(yùn)行，必須采取電輔加熱等補(bǔ)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(jì)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(yùn)動(dòng)方程N(yùn)-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(fù)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(yàn)證方程，在與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比分析的基礎(chǔ)上，驗(yàn)證了湖水源熱泵系統(tǒng)的可實(shí)施性。

3 溫度場(chǎng)影響分析

針對(duì)湖水源熱泵項(xiàng)目，由于其取排水量大、循環(huán)水量大，溫排水會(huì)對(duì)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(duì)湖水溫度場(chǎng)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(jì)算模型，利用試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)模型進(jìn)行了驗(yàn)證，并以深圳地區(qū)某湖水源熱泵項(xiàng)目為例，利用該計(jì)算模型對(duì)湖水溫度變化作了預(yù)測(cè)分析，為湖水源熱泵空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供了依據(jù)。

Antero A M[17]以某一湖水源熱泵項(xiàng)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(jìn)行了對(duì)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(shí)例及試驗(yàn)研究

陳金華等[18]以重慶某湖水源熱泵系統(tǒng)為研究對(duì)象，對(duì)不同深度湖水自然溫度和系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中的水溫、距退水點(diǎn)不同距離處的水溫變化以及取水口和換熱器進(jìn)水口的水溫差作了分析，并分析了系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中湖水水溫變化對(duì)空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行所產(chǎn)生的影響，基于實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)提出了建議。

劉冰等[19]以南京某湖水源熱泵項(xiàng)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(chǎng)模型，利用溫度場(chǎng)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(gè)工況下系統(tǒng)排水對(duì)湖水溫度場(chǎng)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(biāo)準(zhǔn)限定的范圍內(nèi)，湖面綜合散熱系數(shù)的變化對(duì)湖水溫度場(chǎng)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(xiàng)目為例，構(gòu)建了溫排水熱擴(kuò)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(jì)算模型，通過(guò)計(jì)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(yùn)行工程下的湖水源熱泵空調(diào)系統(tǒng)試驗(yàn)臺(tái)，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(yàn)獲得的排水口溫升數(shù)據(jù)與模擬數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，結(jié)果顯示兩者變化趨勢(shì)一致。

3.3 環(huán)境影響研究

隨著湖水源熱泵應(yīng)用進(jìn)程的加快及相關(guān)研究的陸續(xù)展開，除了對(duì)其取水方式、水體承載能力、溫度場(chǎng)影響、運(yùn)行特性等方面的研究之外，近年來(lái)，針對(duì)湖水源熱泵對(duì)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(duì)環(huán)境所造成的影響。

黃向陽(yáng)等[21]以重慶某湖水源熱泵項(xiàng)目為研究對(duì)象，經(jīng)過(guò)對(duì)該項(xiàng)目運(yùn)行過(guò)程中尾水受納湖泊區(qū)域浮游植物、水溫、磷、氮的長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)，分析了湖水源熱泵空調(diào)系統(tǒng)尾水對(duì)湖水富營(yíng)養(yǎng)化進(jìn)程所產(chǎn)生的影響，研究結(jié)果表明：制冷季系統(tǒng)長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行會(huì)導(dǎo)致退水口位置附近區(qū)域水溫上升，當(dāng)系統(tǒng)溫排水水溫低于30 ℃時(shí)，退水導(dǎo)致的溫升會(huì)使得退水口附近磷、氮含量升高，綠藻、藍(lán)藻數(shù)量急劇增加，會(huì)加速湖水的富營(yíng)養(yǎng)化，當(dāng)溫排水水溫高于33 ℃時(shí)，溫度過(guò)高會(huì)抑制綠藻、藍(lán)藻等藻類的生長(zhǎng)；而冷排水會(huì)使得退水口附近浮游植物總量減少，硅藻占比會(huì)增加，冷排水會(huì)抑制部分藻類的生長(zhǎng)，能夠緩解湖水富營(yíng)養(yǎng)化，此外，因?yàn)闇夭钚?，在冷排水的擾動(dòng)下，湖水中沉積的營(yíng)養(yǎng)鹽會(huì)不斷被釋放，繼而會(huì)促進(jìn)湖體的富營(yíng)養(yǎng)化。

4 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)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(chǎng)影響、運(yùn)行特性、環(huán)境影響等進(jìn)行，國(guó)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(chǎng)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(chǎng)影響分析一直是湖水源熱泵領(lǐng)域重點(diǎn)的研究課題之一，其影響著項(xiàng)目的可實(shí)施性，相關(guān)研究主要集中在模型研究、實(shí)例及試驗(yàn)研究、環(huán)境影響研究等多個(gè)方面，隨著國(guó)內(nèi)外節(jié)能環(huán)保政策的逐步實(shí)施，未來(lái)環(huán)境影響研究將會(huì)成為湖水源熱泵領(lǐng)域的重點(diǎn)研究課題。

[1] ASHRAE. ASHRAE Handbook Application[S].1999.

[2] Tim Peer, P E. Lake-source cooling[J].ASHRAE Journal，2002,4(44):38-39.

[3] K.D.Joehnk, L.Umlauf. Modelling the Metalimnetic Oxygen Minimum in a Medium Sized Alpine Lake[J]. Ecological Modelling,2001(36):70-79.

[4] 范亞明.湖庫(kù)塘開式水源熱泵的水體傳熱與系統(tǒng)性能研究[D].重慶：重慶大學(xué),2009.

[5] 陳金華,劉 猛,吳淑霞，等.湖水源熱泵空調(diào)系統(tǒng)取水方式性能分析[J].湖南大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2009,36(12):79-83.

[6] 翁 雯.南京市湖水源熱泵系統(tǒng)的應(yīng)用研究[D].南京：南京師范大學(xué),2011.

[7] 楊建坤,林麗娜,甘崇炮.夏熱冬暖地區(qū)湖水源熱泵取水方式的分析和研究[J].建筑熱能通風(fēng)空調(diào),2014,33(4):57-60.

[8] Rose R. Heat pump in Europe-a overview[A].Proceedings of the 7th International Energy Agency Heat Pump Conference[C].2002:47-53.

[9] Thore Berntsson. Heat sources-technology, economy and environment[J].International Journal of Refrigeration,2002(25):428-438.

[10] 吳 浩.湖水源熱泵系統(tǒng)水體承載能力的研究[D].重慶：重慶大學(xué),2008.

[11] 范蕓青.湖水源熱泵系統(tǒng)性能研究及軟件開發(fā)[D].重慶：重慶大學(xué),2010.

[12] 王 勇,韓傳璞.基于降雨工況的開式湖水源熱泵系統(tǒng)效率分析[J].中國(guó)給水排水,2011,27(21):100-104.

[13] 童明偉,秦增虎,張二峰.有限容積的湖水源熱泵冬季供暖運(yùn)行分析[J].重慶大學(xué)學(xué)報(bào),2012,35(8):6-10.

[14] 劉義坤.湖水源熱泵水體供冷能力計(jì)算分析[J].制冷與空調(diào),2013,27(4):362-366.

[15] 王 勇,韓傳璞.開式湖水源熱泵系統(tǒng)的水體熱承載能力計(jì)算方法[J].太陽(yáng)能學(xué)報(bào),2012,33(9):1541-1546.

[16] 劉 鵬,田智華,陳 煉.深圳地區(qū)湖水源熱泵湖水溫度預(yù)測(cè)模型的研究[J].建筑熱能通風(fēng)空調(diào),2012,31(3):5-7.

[17] Antero A M. Laker as a heat source in cold climate International Congress of Refrigeration[J].Energy,2003,35(11):20-25.

[18] 陳金華,劉 勇,丁 勇，等.重慶開縣人民醫(yī)院湖水源熱泵空調(diào)系統(tǒng)實(shí)測(cè)分析[J].暖通空調(diào),2008,38(8):111-114.

[19] 劉 冰,劉加才,龐炳乾，等.湖水源熱泵退水對(duì)湖體溫度場(chǎng)影響評(píng)價(jià)[J].可再生能源,2015,33(4):572-577.

[20] 郝小充.開式湖水源熱泵系統(tǒng)溫排水熱擴(kuò)散模擬研究[D].南京：南京師范大學(xué),2012.

[21] 黃向陽(yáng),周 健.湖水源熱泵系統(tǒng)尾水排放對(duì)湖泊富營(yíng)養(yǎng)化進(jìn)程的影響研究[J].環(huán)境工程學(xué)報(bào),2010,4(9):1945-1949.

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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