范浩然 楊露露 盧 軍

（重慶大學(xué)城市建設(shè)與環(huán)境工程學(xué)院 重慶 400044）

0 引言

2006年至今，全國(guó)大力推動(dòng)可再生能源技術(shù)在建筑中的應(yīng)用，其中地源熱泵技術(shù)作為高能效的供冷供熱設(shè)備系統(tǒng)得以大量推廣。重慶和武漢等長(zhǎng)江經(jīng)濟(jì)帶沿岸城市大力推進(jìn)江水源熱泵技術(shù)，重慶市作為“十一五”國(guó)家級(jí)可再生能源示范城市，重點(diǎn)推動(dòng)江水源熱泵技術(shù)的推廣和示范，在長(zhǎng)江上建設(shè)了5個(gè)江水源熱泵示范項(xiàng)目，服務(wù)面積約700萬m2，有效地提高了建筑能效，改善城市熱環(huán)境。江水源熱泵，是將蘊(yùn)藏于江水中的不可直接利用的低品位熱能提升為可直接利用的高品位熱能的裝置，熱泵系統(tǒng)能效高于3.0[1]。農(nóng)田水利工程中的水泵-水輪機(jī)，其工作原理就是水輪機(jī)與水泵的機(jī)械組合，水輪機(jī)將高處水的位能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能做功，驅(qū)動(dòng)水泵將低處的水提升到高處。水輪機(jī)-水泵是靠上下水位的高差帶動(dòng)水輪機(jī)，然后同軸帶動(dòng)水泵，不需要電能和其他動(dòng)力設(shè)備，所以水泵水-輪機(jī)的使用不受時(shí)間的制約，有水位落差的地方都是潛在的使用地點(diǎn)，而且構(gòu)造簡(jiǎn)單，體積小，重量輕。我國(guó)從上世紀(jì)50年代起在農(nóng)田水利建設(shè)上大量推廣和使用，在世界上處于先進(jìn)水平。

1 江水源熱泵發(fā)展研究現(xiàn)狀

國(guó)外供暖使用較早的國(guó)家對(duì)江水源的研究應(yīng)用起步比較早[2,3]，最早的有倫敦皇家節(jié)日音樂廳、蘇黎世的聯(lián)邦工藝學(xué)院、悉尼歌劇院等，分別應(yīng)用河水、海水等作為熱泵的冷熱源。美國(guó)等發(fā)達(dá)國(guó)家關(guān)于水源熱泵等方面的研究比較成熟，研究的成果也比較多[4,5]。而我國(guó)江水源熱泵的研究起步較晚。我國(guó)對(duì)江水源熱泵空調(diào)形式的使用可分為閉式和開式系統(tǒng)。其中閉式系統(tǒng)多用于中小型項(xiàng)目，具有系統(tǒng)耗電量低、無需水處理、管路系統(tǒng)不受影響等特點(diǎn)，但換熱管外表面可能會(huì)因江水水質(zhì)狀況產(chǎn)生不同程度的污垢沉積從而影響換熱效率；開式系統(tǒng)（包括直接式和間接式）是將江水直接用于熱泵機(jī)組或通過板式換熱換熱后，江水排水高落差回排到江河水源中。如果取水水泵揚(yáng)程大，它耗去了較多的能耗，使江水源熱泵系統(tǒng)的能效下降，導(dǎo)致江水源熱泵系統(tǒng)的推廣受限。因此對(duì)于開式江水源熱泵系統(tǒng)而言，全年取水水源的水位變化情況對(duì)系統(tǒng)能效的影響舉足輕重[6]。以重慶地區(qū)為例，受三峽庫(kù)區(qū)蓄排水的影響，全年江水水位的變化，導(dǎo)致熱泵機(jī)房與江面的高差通常在15～30m的范圍內(nèi)變化[7,8]。同時(shí)氣候變化對(duì)江河水文條件的影響，使得江水源熱泵系統(tǒng)在設(shè)計(jì)之初和運(yùn)行之時(shí)，都必須考慮到水位變化因素對(duì)系統(tǒng)正常運(yùn)行以及系統(tǒng)能效帶來的影響。

目前我國(guó)學(xué)者對(duì)江水源熱泵技術(shù)的研究包含以下幾個(gè)方面：（1）江水水溫、水質(zhì)、水位全年變化規(guī)律研究；（2）江水源熱泵系統(tǒng)節(jié)能性及其影響因素[8]；（3）取水、排水設(shè)施開發(fā)；（4）江水源熱泵系統(tǒng)節(jié)能設(shè)備開發(fā)；（5）系統(tǒng)運(yùn)行優(yōu)化控制研究。

然而以上研究成果對(duì)高落差的江水源熱泵系統(tǒng)不適用。當(dāng)取水高差大于30m時(shí)，水泵提升能耗過高，基本不適于采用該系統(tǒng)形式。所以，高落差限制了江水源熱泵技術(shù)在這些地方的使用，需要尋求一種合適的技術(shù)來配合江水源熱泵技術(shù)的使用。

2 水泵-水輪機(jī)研究現(xiàn)狀

目前國(guó)內(nèi)外對(duì)水泵水輪機(jī)特性的研究很多，探討的內(nèi)容形式也多樣。Hasmatuchi等[9]、Widmer等[10]對(duì)流道內(nèi)失速進(jìn)行了研究；Guggenberger等[11-12]在水泵水輪機(jī)模型的s形特性區(qū)域采用PIV和靜態(tài)壓力分布測(cè)量聯(lián)合的方法進(jìn)行了研究。國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)水泵-水輪機(jī)流動(dòng)機(jī)理也進(jìn)行了深入的研究。張?zhí)m金等[13]、夏林生等[14]、王茂煥等[15]采用數(shù)值模擬和數(shù)值分析的方法探討了水泵水輪機(jī)流道內(nèi)流動(dòng)狀況的不穩(wěn)定。而李琪飛[16]、王樂勤[17]以某抽水蓄能電站模型水泵水輪機(jī)為研究對(duì)象建立水力模型，研究了水泵水輪機(jī)反水泵區(qū)和制動(dòng)區(qū)流動(dòng)特性。

現(xiàn)有的研究表明，水泵水輪機(jī)的這些特性會(huì)產(chǎn)生漩渦、旋轉(zhuǎn)失速、壓力脈動(dòng)等問題，降低了水泵水輪機(jī)效率。針對(duì)這些問題，學(xué)者們對(duì)提高水泵水輪機(jī)效率也提出了自己的建議。Kim J[18]采用試驗(yàn)設(shè)計(jì)和數(shù)值分析方法設(shè)計(jì)了模型，實(shí)證表明可以提高水泵水輪機(jī)效率。Zuo Z[19]等人分析和討論了s特性曲線的相關(guān)研究，并對(duì)改善水泵水輪機(jī)效率的研究進(jìn)行了總結(jié)。還有學(xué)者[20-25]對(duì)水泵水輪機(jī)效率進(jìn)行研究，采用不同步導(dǎo)葉、優(yōu)化葉片、改善水利設(shè)計(jì)均可以提升水泵水輪機(jī)效率。英國(guó)Lunar energy[26]開發(fā)了雙向?qū)Я髡炙啓C(jī)；朱國(guó)俊[27]采用多學(xué)科優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，提升了某電站的水輪機(jī)模型轉(zhuǎn)輪性能，使得水輪機(jī)的水力效率提高了0.3%。Winter A等[28]結(jié)合水輪機(jī)葉片的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，通過設(shè)定約束條件來對(duì)水輪機(jī)葉片進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。還有的學(xué)者[29-31]對(duì)水泵水輪機(jī)的尾管進(jìn)行研究，合適的尾管深度對(duì)于水泵水輪機(jī)的效率提升有著重要的促進(jìn)作用。

現(xiàn)有的水泵-水輪機(jī)基本都是出水量大，流量小，水頭低，揚(yáng)程大的類型，而江水源熱泵系統(tǒng)所需要的水泵-水輪機(jī)應(yīng)該是出水量與流量基本相同，水頭高于揚(yáng)程的類型。綜上所述，現(xiàn)有的水泵水輪機(jī)基礎(chǔ)理論和技術(shù)不適于江水源熱泵系統(tǒng)，還應(yīng)進(jìn)一步研究水泵水輪機(jī)基礎(chǔ)理論，開發(fā)適用于大落差江水系統(tǒng)的水泵水輪機(jī)。

3 水泵-水輪機(jī)與江水源熱泵系統(tǒng)

基于水泵水輪機(jī)技術(shù)，如果將開式江水源熱泵系統(tǒng)的冷卻水排水匯集在一個(gè)水池里，其與江面便形成了具有水位差的兩個(gè)液面，通過管道將排水送至水泵水輪機(jī)，帶動(dòng)水輪機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，同軸驅(qū)動(dòng)水泵提水，從而可回收排水的重力勢(shì)能，提升地表水源熱泵系統(tǒng)的綜合能效[32]。

盧軍教授[33,34]將水輪機(jī)-水泵應(yīng)用于某江水源熱泵工程進(jìn)行分析，結(jié)果表明帶有水泵-水輪機(jī)的取水系統(tǒng)能耗僅為常規(guī)取水系統(tǒng)的57%，節(jié)能率達(dá)到20.8%，達(dá)到節(jié)能降耗、高效環(huán)保的目的。宋景娜[35]針對(duì)重慶市某江水源熱泵工程取水高差過大的現(xiàn)象，提出采用水輪機(jī)與變頻泵聯(lián)合運(yùn)行的模式。利用DeST、Matlab等軟件，建立能耗模型來優(yōu)化運(yùn)行。結(jié)果表明，帶有水泵-水輪機(jī)的取水系統(tǒng)相對(duì)于常規(guī)變頻取水系統(tǒng)節(jié)能率夏季能達(dá)到60%，節(jié)能效果非常明顯。王佐君[36]分析了應(yīng)用于水源熱泵系統(tǒng)的水泵-水水輪機(jī)的理論模型以及水泵-水輪機(jī)的設(shè)計(jì)和不同水頭下的穩(wěn)定性問題；利用Fullent軟件討論了附件的形狀。結(jié)果表明：圓形斷面蝸殼的水泵-水輪機(jī)有更好的水力穩(wěn)定性。唐華宇[37]分析了某工程下項(xiàng)目取水系統(tǒng)的運(yùn)行工況和變頻水泵實(shí)時(shí)調(diào)控方法，并對(duì)水泵-水輪機(jī)與變頻泵聯(lián)合運(yùn)行。結(jié)果表明：某項(xiàng)目江水取水位能占取水泵年耗電量的58.44%；當(dāng)水泵-水輪機(jī)的水頭為8.6m時(shí)，全年的取水能耗最低。

4 結(jié)論

研究表明，開式江水源熱泵系統(tǒng)采用水泵水輪機(jī)回收排水的重力勢(shì)能可減少電動(dòng)潛水泵揚(yáng)程的需求，降低了提升江水的能量，從而提高了江水源熱泵系統(tǒng)的能效，使得在高落差地方使用江水源熱泵系統(tǒng)成為可能。在江水源熱泵取水系統(tǒng)使用水泵-水輪機(jī)技術(shù)，可以減少系統(tǒng)投資，提高整個(gè)系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性和可靠性。水泵-水輪機(jī)作為一種機(jī)械，存在機(jī)械損失和管路系統(tǒng)的阻力損失，回收的排水位能有限，故取水系統(tǒng)還需要變頻泵耦合工作，才能滿足提升江水所需要的能耗。目前而言，（1）變頻泵和水泵-水輪機(jī)的聯(lián)合運(yùn)行工況及效率，受到系統(tǒng)的負(fù)荷變化及水位變化的影響亟待深入的研究；（2）傳統(tǒng)的水泵-水輪機(jī)并不完全適用于江水源熱泵，還應(yīng)進(jìn)一步研究水泵水輪機(jī)基礎(chǔ)理論，開發(fā)適用于大落差江水系統(tǒng)的水泵水輪機(jī)。