胡 秋 明,羅 景 輝,武 雪 梅,劉 彪,吳 曉 軒,張 昌 建

(1.河北工程大學 能源與環(huán)境工程學院,河北 邯鄲 056038; 2.力高(天津)地產有限公司,天津 300480; 3.中國建筑第八工程局有限公司 華北公司,天津 300450)

0 引 言

湖水源熱泵(lake water heat pump,LWHP)是一種以消耗少量電能為代價,通過排放溫排水與湖水進行熱交換,把湖水中的低位能量轉化為高位能量的裝置,其性能系數(shù)(coefficient of performance,COP)一般能達到4～7[1],具有節(jié)能減排、運行穩(wěn)定可靠等特點。因此,湖水源熱泵得到了廣泛使用[2],但隨之也出現(xiàn)了一些問題,其中比較受關注的是水體熱污染。水體熱污染最早產生于工業(yè)的冷卻水排放中,它被定義為由于人類活動而向水體中排放的廢熱超過水體自身的熱容量,導致水體中局部生態(tài)系統(tǒng)遭受破壞的現(xiàn)象[3-5]。湖水源熱泵溫排水與工業(yè)熱排放類似,相比于江、河、海等大面積水域,湖水是一個相對封閉、有限的小型滯留水體,湖水中的熱量較難散發(fā)出去,一旦湖水源熱泵排出的熱量大于湖水本身可承載的熱量,將會導致水體熱污染的產生。水體熱污染將會改變水體溫度場,造成水質下降及水中溶解氧量的減少,從而破壞水中生態(tài)系統(tǒng)平衡[6-11]。

目前,有關溫排水影響的研究主要集中在熱電廠及核電站等傳統(tǒng)工業(yè)的排熱[12-17]。與工業(yè)的溫排水排放相比,湖水源熱泵的溫排水具有季節(jié)性排放、排熱規(guī)律多變、熱交換機理復雜等特點。所以,現(xiàn)有的有關工業(yè)排熱導致的水體熱污染相關研究成果并不適用于湖水源熱泵。近些年來,也有不少學者對湖水源熱泵的溫排水影響進行了相關研究。譚理政[18]通過模擬和實驗研究了閉式湖水源熱泵末端換熱器的熱擴散情況;劉冰等[19]模擬了湖水源熱泵在不同工況下的退水對湖水溫度的影響;郝小充等[20]模擬了開式湖水源熱泵排水口設在不同位置時湖水溫度場分布情況;黃向陽等[21]模擬了開式湖水源熱泵在供冷和供熱條件下的溫排水排放口湖水溫度變化情況;陳金華等[22]則對湖水源熱泵溫排水進行了實測研究;周健等[23]用試驗的方法分析了開式湖水源熱泵排放方式對湖水溫度的影響;蔣新波等[24]利用模型研究了湖南地區(qū)的滯流水體水溫變化規(guī)律,提出了水體熱承載力,并對冷熱承載能力的影響因素進行了分析;向佳卉等[25]分析了湖水源熱泵運行對湖水水溫的影響因素。可以看出,現(xiàn)有的研究大部分為模擬研究,缺少相關實測數(shù)據(jù),而且多集中在湖水源熱泵溫排水影響的定性評價上,相關定量評價的指標較少,無法直接指導湖水源熱泵的設計與應用。本文根據(jù)現(xiàn)有水環(huán)境熱排放標準,建立了湖水熱傳遞平衡方程,提出了一種定量評價湖水源熱泵溫排水影響的方法,并進行實測應用,通過與已有研究結果進行對比,以驗證此方法的正確性。

1 水體熱平衡模型

湖水是一個滯留水體,其熱量交換主要發(fā)生在水面和水底,即水面與大氣的熱交換及湖水和底部土壤的熱傳導[26]。

1.1 水面熱平衡

湖水水面主要通過水面輻射、水體蒸發(fā)與對流進行熱量交換,按性質可分為熱輻射、熱蒸發(fā)及熱對流。熱輻射量包括太陽短波輻射熱量及水面對其反射熱量、大氣長波輻射熱量及水面對其反射熱量,將水面反射的熱量考慮成水面未吸收的輻射熱量,則可將熱輻射量簡化為水面吸收的太陽短波輻射熱量和大氣長波輻射熱量。因此,湖水熱交換量具體是太陽短波輻射熱量、大氣長波輻射熱量、水體長波輻射熱量、水體蒸發(fā)熱量及水體對流熱量,將整個湖水簡化為一個有限水體,其水面熱交換量為

Qst=Qsr+Qar-Qwr-Qe-Qc

(1)

式中:Qst為湖水的熱量,Qsr為太陽短波輻射熱量,Qar為大氣長波輻射熱量,Qwr為水體長波輻射熱量,Qe為水體蒸發(fā)潛熱量,Qc為水體對流顯熱量。

1.2 水面熱輻射量

根據(jù)上述水面熱輻射簡化的結果,可將水面熱輻射視為水面吸收的太陽短波輻射熱量和大氣長波輻射熱量。

太陽短波輻射熱量計算公式為[27]

Qsr=β·(1-γ)·I

(2)

式中:β為太陽輻射吸收率,一般取其平均值0.45;γ為水面對太陽短波輻射的反射率,一般取其平均值0.008;I為太陽輻射強度,它隨著水體深度的增加而減小,I的取值具體可以參考文獻[28]。

大氣長波輻射熱量可按公式(3)計算[29]:

Qar=(1-γa)·εac·σ·(Ta+273)

(3)

式中:γa為水面對大氣的長波反射率,取0.003[30];Ta為水面上方空氣溫度,℃;εac為周圍大氣的發(fā)射率,它與氣溫及云層覆蓋情況有關,εac=0.94(Ta+273)2(1+0.17c2),其中c按文獻[31]取值;σ為Stefan-boltzmann常數(shù),一般取5.67×10-8W/(m2·K4)。

水體長波輻射熱量與水面的長波發(fā)射率及溫度有關,其計算公式為

Qwr=σεw(Tw+273)4

(4)

式中:εw為水面的長波發(fā)射率,取0.97;Tw為水面溫度,℃。

1.3 水面蒸發(fā)潛熱量

湖水蒸發(fā)潛熱量與水體和周圍空氣的溫度差、濕度差以及水汽邊界層的湍流強度有關,具體計算公式為[32]

Qe=11.6v0.5exp (21.32-5411/Tw+273)

(5)

式中:v為水面上方風速,m/s。

1.4 水體對流顯熱量

當湖水附近的空氣溫度與水體溫度存在差值時,湖水表面將會與空氣發(fā)生對流換熱的現(xiàn)象,一般來說,此過程中發(fā)生的對流顯熱量與其中的溫差成正比例關系,按以下公式計算[33]:

Qc=11.6ac(Tw-Ta)v0.5

(6)

式中:ac為經驗系數(shù),取0.47。

1.5 熱傳導換熱量

湖水與側邊及底部土壤存在熱量傳導,包括湖水與側壁及底部兩部分的熱交換量,它們和接觸面積、水土熱傳導系數(shù)及溫差有關,計算公式為[34]

Qd=kg(Tw-Tg)(0.99A/Ig+0.6P)

(7)

式中:kg為水土熱傳導系數(shù),W/(m2·℃);Tg為湖底土壤溫度,℃;A為湖水底面接觸面積,m2;Ig為湖水底部與土壤最遠邊界的距離,m;P為湖水與土壤接觸的周長,m。

1.6 湖水源熱泵溫排水熱量

湖水源熱泵通過冷卻水與湖水進行熱量交換,實現(xiàn)將建筑內的熱量轉移至湖水中,其溫排水熱量計算公式為

Qh=cpqm(T2-T1)

(8)

式中:Qh為湖水源熱泵系統(tǒng)排入湖水中的熱量,J;cp為水的比熱容,J/(kg·K);qm為冷凍水流量,m3/s;T1、T2分別為湖水源熱泵冷卻水進出口溫度,℃。

則湖水變化的熱量為

ΔQ=AQst+Qd+Qh

(9)

式中:Qh在夏季取正值,在冬季則取負值。

2 湖水源熱泵溫排水影響的評價方法

在夏季,湖水源熱泵將建筑內熱量轉移至湖水中,即向湖水中排放熱量;而在冬季,則從湖水中吸取熱量至建筑內,即向湖水中排放冷量。

將整個湖水看成一個水體,水體的熱量變化計算公式為

ΔQ=ρcpA·HΔT

(10)

式中:H為湖水的平均深度,m;ΔT為湖水平均水溫變化值,℃。

將式(10)代入式(9),整理得:

dT/dt=(AQst+Qd+Qh)/ρcpA·H

(11)

為了防止水體熱污染問題的產生,對于人為原因造成自然水體的溫度變化值,GB3838-2002《地表水環(huán)境質量標準》中有明確規(guī)定[35]:周平均最大溫升不超過1℃,周平均最大溫降不大于2℃。為了驗證湖水源熱泵溫排水的排放是否造成湖水的水體熱污染,在夏季,假設湖水源熱泵造成湖水周平均溫升為1℃時的溫排水熱量為Qs;同時,在冬季,假設湖水源熱泵導致湖水周平均最大溫降為2℃時的溫排水冷量為Qw。定義夏季水體熱污染率αs,冬季水體熱污染率為αw,則:

αs=Qh/Qs

(12)

αw=Qh/Qw

(13)

若αs和αw均不大于1,則認為湖水源熱泵的溫排水未造成水體熱污染;否則,則認為湖水源熱泵的溫排水排放造成了水體污染。

對于湖水源熱泵來說,在夏季天氣最炎熱時供冷負荷最大,在冬季天氣最冷時供熱負荷最大,在夏季天氣最炎熱時,向湖水中排放的熱量最多,在冬季天氣最寒冷時,向湖水中排放的冷量最多[36]。同時,湖水在夏季最炎熱時散熱量最少,而在冬季最寒冷時的熱量最少。綜合疊加起來,則認為在氣溫最高的夏季及氣溫最低的冬季,湖水源熱泵溫排水最容易造成水體熱污染。也就說,如果在這兩種極端的條件下,湖水源熱泵溫排水的排放未引發(fā)水體熱污染,就認為湖水源熱泵在全年運行下都不會造成水體熱污染[37]。于是,在評價湖水源熱泵溫排水影響時,只需計算出夏季最熱周及冬季最冷周的水體熱污染率,即可判斷是否導致水體熱污染的發(fā)生。

3 案例分析

3.1 系統(tǒng)介紹

南京市(31°14″～32°37″N,118°22″～119°14″E)位于中國西南部,人口超過800萬。根據(jù)南京工程大學新校區(qū)的總體規(guī)劃,校園中有一個面積約20萬m2、平均深度4 m的天印湖,湖中被大道隔開,均分為東、西兩個湖泊。學校圖書館建在距天印湖西半湖不足100 m的位置。為此,在圖書館安裝了湖水源熱泵用于圖書館的冬季供熱和夏季制冷,并于2007年投入運行,系統(tǒng)位置如圖1所示。該湖水源熱泵分為用戶側、熱泵房、泵房和U型拋管4部分,其中U型拋管由6個單元組成,均勻安裝在湖水中,距離湖底約0.5 m。湖水源熱泵排出的溫排水通過U型拋管與湖水進行間接換熱。因此,其溫排水不直接與湖水接觸,其運行參數(shù)如表1所列。

表1 湖水源熱泵運行參數(shù)Tab.1 Operation parameters of LWHP

圖1 湖水源熱泵位置Fig.1 Location of lake water heat pump

天印湖在2013年被南京市政府列為自然保護區(qū),因此對于湖水源熱泵是否造成水熱污染引起了普遍關注。本文采用上一節(jié)提出的湖水源熱泵溫排水影響評價方法來判斷湖水源熱泵是否造成水體熱污染。同時,根據(jù)利用文獻[36]提出的小型湖泊的熱承載力計算方法進行對比驗證。

3.2 實驗設計

實驗的主要目的是測量最熱周和最冷周天印湖的平均水溫和氣溫。此外,還需測量湖水源熱泵的運行參數(shù),這有利于溫排水熱量的計算。根據(jù)南京市氣象局和水文站的數(shù)據(jù),每年8月和2月是南京最熱和最冷的時段,為此,實驗于2022年2月和8月進行,將各持續(xù)一個月。

實驗使用的主要儀器和設備如表2所列。在測量過程中,應保證測量桿與空氣接觸足夠的時間,通常為1 min。此外,PLC測溫儀主要由UPS(不間斷電源)、中央處理器(CPU)、內存、功能模塊、通信模塊和熱電阻組成。

表2 主要實驗儀器和設備Tab.2 Main experimental instruments and equipments

考慮到天印湖的深度,在U型拋管的豎直和水平方向各設置9個測點,相鄰測點之間的距離為0.5 m,拋管周圍測點布置如圖2所示。作為對比,自然湖水溫度的測點布置與此保持一致。因此,總共有18個測點,最大測量范圍為4 m。在不間斷電源的連續(xù)供電下,湖水的水溫不間斷測出。同時,采用土壤溫度測試儀測量湖底土壤溫度。為了獲得湖水源熱泵系統(tǒng)中冷卻水的流量和溫度,在冷卻水供回水管道上布置了溫度和流量傳感器。

圖2 拋管周圍測點布置(單位:mm)Fig.2 Layout of measuring points around the throw pipe

因湖水在豎直方向上存在分層現(xiàn)象,湖水溫度存在豎直溫度梯度,此時為了簡便計算,湖水源熱泵溫排水引起的湖水溫差(溫升或溫降),按拋管附近所有測點溫度的平均值減去相同位置的湖水溫度平均值來計算。

4 實驗結果與分析

根據(jù)實驗測量的數(shù)據(jù),最熱周和最冷周的天印湖氣溫見表3。結果顯示,最熱周的整體平均氣溫高于30℃,最高氣溫已達到40℃,而最冷周的平均氣溫不超過0℃,最低氣溫甚至低至-4℃。

表3 最熱周和最冷周氣溫Tab.3 Temperature at the hottest and coldest week ℃

通過實驗數(shù)據(jù)得到的最熱周和最冷周拋管附近的湖水溫升及溫降隨湖水深度的變化趨勢如圖3所示。圖3顯示:最熱周溫升和最冷周溫降均隨著湖水深度的增加而變大,在湖深為3.5 m時達到最大值,這是由于湖水源熱泵拋管設置在湖深為3.5 m處,離拋管越近,則湖水得到的熱量越多,其溫度越高。從圖3還可以看出,在湖水源熱泵運行時,湖水溫度在豎直方向形成溫度梯度,在夏季最熱周拋管附近的豎直方向湖水最大和平均溫升分別為1.33℃和0.72℃;在冬季最冷周拋管附近的豎直方向湖水最大和平均溫降分別為0.96℃和0.49℃。在豎直向上的方向,距拋管的距離大于4 m的上部湖水溫度幾乎不受影響。圖3也顯示了越靠近湖面,溫升和溫降的變化率越低,因為受太陽和大氣輻射以及自然風的影響,湖水會在豎直方向上發(fā)生溫度分層現(xiàn)象,由上到下依次分為變溫層、溫躍層和等溫層。湖水在溫躍層及變溫層的溫度變化更快,因拋管處于下部等溫層,湖水的變溫層更容易受大氣輻射及風力等影響,散熱較快,所以湖水從下到上受拋管傳熱的影響將逐漸變小。此外,圖3中顯示最熱周湖水的最大溫升大于最冷周湖水的最大溫降,越靠近拋管則表現(xiàn)越明顯,這與湖水源熱泵夏季的熱負荷大于冬季的冷負荷有關,也說明了湖水源熱泵在最熱周造成的湖水溫度變化更大,此時更容易造成水體熱污染。

圖3 湖水豎直方向溫差變化Fig.3 Temperature difference of lake water in vertical direction

圖4顯示了最熱周和最冷周湖水源熱泵拋管附近的湖水溫升及溫降在水平方向的變化情況,拋管附近的湖水溫度在水平方向形成溫度梯度,在夏季最熱周,拋管附近水平方向的湖水最大和平均溫升為1.32℃和0.62℃;在冬季最冷周,拋管附近水平方向的湖水最大和平均溫降為0.95℃和0.45℃。在水平方向,距拋管越遠的湖水溫度變化越小,單側距拋管的距離大于4 m的湖水溫度幾乎不受影響。同時,圖4也說明了在相同條件下,湖水的最大和平均溫升均在最熱周大于最冷周,這與圖3形成相互驗證。

圖4 湖水水平方向溫差變化Fig.4 Temperature difference of lake water in horizontal direction

夏季和冬季水體熱污染率隨氣溫變化情況如圖5～6所示,從圖中得知,在夏季,水體熱污染率隨著氣溫的升高而增大,當氣溫最高為40℃時,湖水的水體熱污染率達到最大值0.69;在冬季,水體熱污染率隨著氣溫的增大而減小,當氣溫最低為-4℃時,湖水的水體熱污染率都達到最大值0.42。這是因為氣溫升高,則湖水溫度隨之增大,同時,在高溫時,室內熱負荷變大,湖水源熱泵需向湖水中排放的熱量則多,這說明了在夏季水體熱污染率隨氣溫變化的規(guī)律。同理,也可以解釋在冬季水體熱污染率隨著氣溫降低而增大的現(xiàn)象。

圖5 夏季不同氣溫下的水體熱污染率Fig.5 Water heat pollution rates under different temperature in summer

圖6 冬季不同氣溫下的水體熱污染率Fig.6 Water heat pollution rates under different temperature in winter

計算出的最熱周湖水平均溫升和水體熱污染率如圖7所示。從圖7可以看出:在最熱周,湖水的平均溫升和水體熱污染率均受氣溫影響,最大和平均水體熱污染率分別為0.69和0.48,此時的湖水最大和平均溫升分別為0.70℃和0.57℃。最熱周的湖水平均溫升和水體熱污染率均小于1,則可以認為湖水源熱泵溫排水未造成天印湖水體熱污染。一方面,湖水平均溫升和水體熱污染率均與氣溫成正相關,兩者隨氣溫的變化趨勢保持一致。這是因為氣溫升高導致湖水溫度升高,由于空氣與湖面之間存在熱交換,湖面從大氣和太陽輻射中獲得熱量,湖水溫度隨著氣溫的升高而增加。同時,湖水中的熱量會通過蒸發(fā)而流失,這樣導致湖水溫度比氣溫低。另一方面,在最熱周,湖水源熱泵溫排水的熱量隨著氣溫的升高而升高,這是由于氣溫升高導致室內熱負荷增加,為了達到室內舒適的環(huán)境,湖水源熱泵需將更多的熱量轉到湖水中。根據(jù)國家相關標準:在夏季,湖水源熱泵導致的湖水周平均最大溫升不超過1℃,而根據(jù)圖7可知,最熱周湖水平均溫升及最大溫升均未超過1℃,同時,水體熱污染率也小于1,這也驗證了上文提出的湖水源熱泵溫排水影響評價方法的正確性。

圖7 最熱周湖水平均溫升及水體熱污染率Fig.7 Average temperature rise of lake water and water heat pollution rate in the hottest week

根據(jù)實驗得出的最冷周湖水平均溫降和水體熱污染率如圖8所示,由圖8得知:在最冷周,湖水的平均溫降和水體熱污染率也受氣溫影響,最大和平均水體熱污染率分別為0.42和0.38,此時的湖水最大和平均溫降分別為0.48℃和0.39℃。最冷周的湖水平均溫降和水體熱污染率也均小于1,這說明湖水源熱泵在最冷周的運行未導致天印湖水體熱污染現(xiàn)象的發(fā)生。此外,湖水平均溫降和水體熱污染率均與氣溫成有關,兩者隨氣溫的變化趨勢保持一致。這是由于低氣溫更容易造成室內冷負荷增加,湖水源熱泵則需從湖水中獲取的熱量增加,從而導致湖水溫度降低以及水體熱污染率升高。根據(jù)國家標準:在冬季,湖水源熱泵導致的湖水周平均最大溫降不超過2℃。而從圖8得知,最冷周湖水平均溫降和最大溫降均未超過1℃,同時,水體熱污染率也小于1,這也驗證了上文提出的湖水源熱泵溫排水影響的評價方法的正確性。此外,從圖8也可以看出,湖水的平均溫降在數(shù)值上大于水體熱污染率,這是由于水體熱污染率的定義是以最冷周平均溫降2℃為基礎條件,這從另一面驗證了水體熱污染率的定義條件。

圖8 最冷周湖水平均溫降及水體熱污染率Fig.8 Average temperature drop of lake water and water heat pollution rate in the coldest week

比較圖7和圖8,水體熱污染率在最熱周的數(shù)值稍大于最冷周的數(shù)值,這是由于夏季建筑內的熱負荷比冬季的冷負荷大,湖水源熱泵的夏季向湖水中的排熱量大于冬季的取熱量,也與國家標準規(guī)定的最冷周平均溫降(2℃)大于最熱周平均溫升(1℃)有關,所以這也說明了湖水源熱泵在夏季更容易造成水體熱污染。

為了驗證本文提出的湖水源熱泵溫排水影響定量評價方法的正確性,采用文獻[36]中研究小型湖泊熱承載力的計算方法分別計算天印湖在夏季和冬季的最大熱承載力。根據(jù)文獻[36]中的研究數(shù)據(jù),查得南京地區(qū)平均深度為4m的小型湖泊在夏季和冬季的熱承載能力分別為25.3W/和38.5 W/,則計算的熱承載力為

(14)

式中:Qxj和Qdj分別是天印湖夏季熱承載力及冬季熱承載力。

而根據(jù)表1,得知湖水源熱泵夏季制冷量為1 658 kW,冬季制熱量為1 600 kW,顯然,它們均小于天印湖在夏季和冬季的熱承載力。因此,認為湖水源熱泵的溫排水并沒有造成天印湖的水體熱污染,這也驗證了本文提出湖水源熱泵溫排水影響定量評價方法的結論。

5 結 論

由于湖泊的熱承載是有限的,在設計湖水源熱泵之前,需要對湖泊及當?shù)氐臍庀蠹八臈l件進行適用性分析,以避免影響湖水源熱泵系統(tǒng)的運行及造成水體熱污染。本文提出了湖水源熱泵溫排水影響的評價方法,運用實驗驗證了該評價方法的正確性,可以得出以下結論:

(1) 由于湖水源熱泵的持續(xù)排熱,在拋管附近形成熱量堆積,湖水在豎直和水平方向均形成溫度梯度。在夏季最熱周拋管附近的豎直方向湖水最大和平均溫升分別為1.33℃和0.72℃,水平方向的湖水最大和平均溫升分別為1.32℃和0.62℃;在冬季最冷周拋管附近的豎直方向湖水最大和平均溫降分別為0.96℃和0.49℃,水平方向的湖水最大和平均溫降分別為0.95℃ 和0.45℃。

(2) 在水平方向,單側距拋管的距離大于4 m的湖水溫度幾乎不受影響,即拋管影響水平單側湖水區(qū)域的范圍為4 m以內。所以在布置湖水源熱泵拋管時,需要考慮有適當?shù)拈g距,這樣有助于熱量的散發(fā),避免湖水局部溫度過高,以提高湖水源熱泵系統(tǒng)的運行效率。從實驗結果來看,本文中的湖水源熱泵不同拋管單元之間的水平布置距離大于4 m即可滿足要求。

(3) 在最熱周,最大和平均水體熱污染率分別為0.69和0.48,此時的湖水最大和平均溫升分別為0.70℃ 和0.57℃,當氣溫最高時,湖水平均溫升和水體熱污染率都達到最大值;在最冷周,最大和平均水體熱污染率分別為0.42和0.38,此時的湖水最大和平均溫降分別為0.48℃和0.39℃,當氣溫最低時,湖水平均溫降和水體熱污染率都達到最大值。比較最熱周和最冷周的水體熱污染率,明顯最熱周的水體熱污染率大,說明水體熱污染率受氣溫影響較大,湖水源熱泵在夏季運行時更容易造成水體熱污染,其設計需要重點考慮夏季湖水的熱承載能力,以避免水體熱污染的發(fā)生。