胡 秋 明,羅 景 輝,武 雪 梅,劉 彪,吳 曉 軒,張 昌 建

(1.河北工程大學(xué) 能源與環(huán)境工程學(xué)院,河北 邯鄲 056038; 2.力高(天津)地產(chǎn)有限公司,天津 300480; 3.中國(guó)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(jià),通過(guò)排放溫排水與湖水進(jìn)行熱交換,把湖水中的低位能量轉(zhuǎn)化為高位能量的裝置,其性能系數(shù)(coefficient of performance,COP)一般能達(dá)到4～7[1],具有節(jié)能減排、運(yùn)行穩(wěn)定可靠等特點(diǎn)。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(wèn)題,其中比較受關(guān)注的是水體熱污染。水體熱污染最早產(chǎn)生于工業(yè)的冷卻水排放中,它被定義為由于人類(lèi)活動(dòng)而向水體中排放的廢熱超過(guò)水體自身的熱容量,導(dǎo)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(lèi)似,相比于江、河、海等大面積水域,湖水是一個(gè)相對(duì)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(huì)導(dǎo)致水體熱污染的產(chǎn)生。水體熱污染將會(huì)改變水體溫度場(chǎng),造成水質(zhì)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(guān)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(jī)理復(fù)雜等特點(diǎn)。所以,現(xiàn)有的有關(guān)工業(yè)排熱導(dǎo)致的水體熱污染相關(guān)研究成果并不適用于湖水源熱泵。近些年來(lái),也有不少學(xué)者對(duì)湖水源熱泵的溫排水影響進(jìn)行了相關(guān)研究。譚理政[18]通過(guò)模擬和實(shí)驗(yàn)研究了閉式湖水源熱泵末端換熱器的熱擴(kuò)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(duì)湖水溫度的影響;郝小充等[20]模擬了開(kāi)式湖水源熱泵排水口設(shè)在不同位置時(shí)湖水溫度場(chǎng)分布情況;黃向陽(yáng)等[21]模擬了開(kāi)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(duì)湖水源熱泵溫排水進(jìn)行了實(shí)測(cè)研究;周健等[23]用試驗(yàn)的方法分析了開(kāi)式湖水源熱泵排放方式對(duì)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(duì)冷熱承載能力的影響因素進(jìn)行了分析;向佳卉等[25]分析了湖水源熱泵運(yùn)行對(duì)湖水水溫的影響因素?？梢钥闯?現(xiàn)有的研究大部分為模擬研究,缺少相關(guān)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù),而且多集中在湖水源熱泵溫排水影響的定性評(píng)價(jià)上,相關(guān)定量評(píng)價(jià)的指標(biāo)較少,無(wú)法直接指導(dǎo)湖水源熱泵的設(shè)計(jì)與應(yīng)用。本文根據(jù)現(xiàn)有水環(huán)境熱排放標(biāo)準(zhǔn),建立了湖水熱傳遞平衡方程,提出了一種定量評(píng)價(jià)湖水源熱泵溫排水影響的方法,并進(jìn)行實(shí)測(cè)應(yīng)用,通過(guò)與已有研究結(jié)果進(jìn)行對(duì)比,以驗(yàn)證此方法的正確性。

1 水體熱平衡模型

湖水是一個(gè)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(dǎo)[26]。

1.1 水面熱平衡

湖水水面主要通過(guò)水面輻射、水體蒸發(fā)與對(duì)流進(jìn)行熱量交換,按性質(zhì)可分為熱輻射、熱蒸發(fā)及熱對(duì)流。熱輻射量包括太陽(yáng)短波輻射熱量及水面對(duì)其反射熱量、大氣長(zhǎng)波輻射熱量及水面對(duì)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(jiǎn)化為水面吸收的太陽(yáng)短波輻射熱量和大氣長(zhǎng)波輻射熱量。因此,湖水熱交換量具體是太陽(yáng)短波輻射熱量、大氣長(zhǎng)波輻射熱量、水體長(zhǎng)波輻射熱量、水體蒸發(fā)熱量及水體對(duì)流熱量,將整個(gè)湖水簡(jiǎn)化為一個(gè)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(yáng)短波輻射熱量,Qar為大氣長(zhǎng)波輻射熱量,Qwr為水體長(zhǎng)波輻射熱量,Qe為水體蒸發(fā)潛熱量,Qc為水體對(duì)流顯熱量。

1.2 水面熱輻射量

根據(jù)上述水面熱輻射簡(jiǎn)化的結(jié)果,可將水面熱輻射視為水面吸收的太陽(yáng)短波輻射熱量和大氣長(zhǎng)波輻射熱量。

太陽(yáng)短波輻射熱量計(jì)算公式為[27]

Qsr=β·(1-γ)·I

(2)

式中:β為太陽(yáng)輻射吸收率,一般取其平均值0.45;γ為水面對(duì)太陽(yáng)短波輻射的反射率,一般取其平均值0.008;I為太陽(yáng)輻射強(qiáng)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(xiàn)[28]。

大氣長(zhǎng)波輻射熱量可按公式(3)計(jì)算[29]:

Qar=(1-γa)·εac·σ·(Ta+273)

(3)

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

水體長(zhǎng)波輻射熱量與水面的長(zhǎng)波發(fā)射率及溫度有關(guān),其計(jì)算公式為

Qwr=σεw(Tw+273)4

(4)

式中:εw為水面的長(zhǎng)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?chē)諝獾臏囟炔睢穸炔钜约八吔鐚拥耐牧鲝?qiáng)度有關(guān),具體計(jì)算公式為[32]

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

(5)

式中:v為水面上方風(fēng)速,m/s。

1.4 水體對(duì)流顯熱量

當(dāng)湖水附近的空氣溫度與水體溫度存在差值時(shí),湖水表面將會(huì)與空氣發(fā)生對(duì)流換熱的現(xiàn)象,一般來(lái)說(shuō),此過(guò)程中發(fā)生的對(duì)流顯熱量與其中的溫差成正比例關(guān)系,按以下公式計(jì)算[33]:

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

(6)

式中:ac為經(jīng)驗(yàn)系數(shù),取0.47。

1.5 熱傳導(dǎo)換熱量

湖水與側(cè)邊及底部土壤存在熱量傳導(dǎo),包括湖水與側(cè)壁及底部?jī)刹糠值臒峤粨Q量,它們和接觸面積、水土熱傳導(dǎo)系數(shù)及溫差有關(guān),計(jì)算公式為[34]

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

(7)

式中:kg為水土熱傳導(dǎo)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(yuǎn)邊界的距離,m;P為湖水與土壤接觸的周長(zhǎng),m。

1.6 湖水源熱泵溫排水熱量

湖水源熱泵通過(guò)冷卻水與湖水進(jìn)行熱量交換,實(shí)現(xiàn)將建筑內(nèi)的熱量轉(zhuǎn)移至湖水中,其溫排水熱量計(jì)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(jìn)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(fù)值。

2 湖水源熱泵溫排水影響的評(píng)價(jià)方法

在夏季,湖水源熱泵將建筑內(nèi)熱量轉(zhuǎn)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(nèi),即向湖水中排放冷量。

將整個(gè)湖水看成一個(gè)水體,水體的熱量變化計(jì)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(wèn)題的產(chǎn)生,對(duì)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(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》中有明確規(guī)定[35]:周平均最大溫升不超過(guò)1℃,周平均最大溫降不大于2℃。為了驗(yàn)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(shè)湖水源熱泵造成湖水周平均溫升為1℃時(shí)的溫排水熱量為Qs;同時(shí),在冬季,假設(shè)湖水源熱泵導(dǎo)致湖水周平均最大溫降為2℃時(shí)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(rèn)為湖水源熱泵的溫排水未造成水體熱污染;否則,則認(rèn)為湖水源熱泵的溫排水排放造成了水體污染。

對(duì)于湖水源熱泵來(lái)說(shuō),在夏季天氣最炎熱時(shí)供冷負(fù)荷最大,在冬季天氣最冷時(shí)供熱負(fù)荷最大,在夏季天氣最炎熱時(shí),向湖水中排放的熱量最多,在冬季天氣最寒冷時(shí),向湖水中排放的冷量最多[36]。同時(shí),湖水在夏季最炎熱時(shí)散熱量最少,而在冬季最寒冷時(shí)的熱量最少。綜合疊加起來(lái),則認(rèn)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(shuō),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(rèn)為湖水源熱泵在全年運(yùn)行下都不會(huì)造成水體熱污染[37]。于是,在評(píng)價(jià)湖水源熱泵溫排水影響時(shí),只需計(jì)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(dǎo)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(guó)西南部,人口超過(guò)800萬(wàn)。根據(jù)南京工程大學(xué)新校區(qū)的總體規(guī)劃,校園中有一個(gè)面積約20萬(wàn)m2、平均深度4 m的天印湖,湖中被大道隔開(kāi),均分為東、西兩個(gè)湖泊。學(xué)校圖書(shū)館建在距天印湖西半湖不足100 m的位置。為此,在圖書(shū)館安裝了湖水源熱泵用于圖書(shū)館的冬季供熱和夏季制冷,并于2007年投入運(yùn)行,系統(tǒng)位置如圖1所示。該湖水源熱泵分為用戶(hù)側(cè)、熱泵房、泵房和U型拋管4部分,其中U型拋管由6個(gè)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(guò)U型拋管與湖水進(jìn)行間接換熱。因此,其溫排水不直接與湖水接觸,其運(yùn)行參數(shù)如表1所列。

表1 湖水源熱泵運(yùn)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(hù)區(qū),因此對(duì)于湖水源熱泵是否造成水熱污染引起了普遍關(guān)注。本文采用上一節(jié)提出的湖水源熱泵溫排水影響評(píng)價(jià)方法來(lái)判斷湖水源熱泵是否造成水體熱污染。同時(shí),根據(jù)利用文獻(xiàn)[36]提出的小型湖泊的熱承載力計(jì)算方法進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證。

3.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)的主要目的是測(cè)量最熱周和最冷周天印湖的平均水溫和氣溫。此外,還需測(cè)量湖水源熱泵的運(yùn)行參數(shù),這有利于溫排水熱量的計(jì)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(shí)段,為此,實(shí)驗(yàn)于2022年2月和8月進(jìn)行,將各持續(xù)一個(gè)月。

實(shí)驗(yàn)使用的主要儀器和設(shè)備如表2所列。在測(cè)量過(guò)程中,應(yīng)保證測(cè)量桿與空氣接觸足夠的時(shí)間,通常為1 min。此外,PLC測(cè)溫儀主要由UPS(不間斷電源)、中央處理器(CPU)、內(nèi)存、功能模塊、通信模塊和熱電阻組成。

表2 主要實(shí)驗(yàn)儀器和設(shè)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(shè)置9個(gè)測(cè)點(diǎn),相鄰測(cè)點(diǎn)之間的距離為0.5 m,拋管周?chē)鷾y(cè)點(diǎn)布置如圖2所示。作為對(duì)比,自然湖水溫度的測(cè)點(diǎn)布置與此保持一致。因此,總共有18個(gè)測(cè)點(diǎn),最大測(cè)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(cè)出。同時(shí),采用土壤溫度測(cè)試儀測(cè)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?chē)鷾y(cè)點(diǎn)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(shí)為了簡(jiǎn)便計(jì)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(cè)點(diǎn)溫度的平均值減去相同位置的湖水溫度平均值來(lái)計(jì)算。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

根據(jù)實(shí)驗(yàn)測(cè)量的數(shù)據(jù),最熱周和最冷周的天印湖氣溫見(jiàn)表3。結(jié)果顯示,最熱周的整體平均氣溫高于30℃,最高氣溫已達(dá)到40℃,而最冷周的平均氣溫不超過(guò)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(guò)實(shí)驗(yàn)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(shì)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(shí)達(dá)到最大值,這是由于湖水源熱泵拋管設(shè)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(yùn)行時(shí),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?yàn)槭芴?yáng)和大氣輻射以及自然風(fēng)的影響,湖水會(huì)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(fēng)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(fù)荷大于冬季的冷負(fù)荷有關(guān),也說(shuō)明了湖水源熱泵在最熱周造成的湖水溫度變化更大,此時(shí)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(yuǎn)的湖水溫度變化越小,單側(cè)距拋管的距離大于4 m的湖水溫度幾乎不受影響。同時(shí),圖4也說(shuō)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(yàn)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(dāng)氣溫最高為40℃時(shí),湖水的水體熱污染率達(dá)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(dāng)氣溫最低為-4℃時(shí),湖水的水體熱污染率都達(dá)到最大值0.42。這是因?yàn)闅鉁厣?則湖水溫度隨之增大,同時(shí),在高溫時(shí),室內(nèi)熱負(fù)荷變大,湖水源熱泵需向湖水中排放的熱量則多,這說(shuō)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(jì)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(shí)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(rèn)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(guān),兩者隨氣溫的變化趨勢(shì)保持一致。這是因?yàn)闅鉁厣邔?dǎo)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(yáng)輻射中獲得熱量,湖水溫度隨著氣溫的升高而增加。同時(shí),湖水中的熱量會(huì)通過(guò)蒸發(fā)而流失,這樣導(dǎo)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(dǎo)致室內(nèi)熱負(fù)荷增加,為了達(dá)到室內(nèi)舒適的環(huán)境,湖水源熱泵需將更多的熱量轉(zhuǎn)到湖水中。根據(jù)國(guó)家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn):在夏季,湖水源熱泵導(dǎo)致的湖水周平均最大溫升不超過(guò)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(guò)1℃,同時(shí),水體熱污染率也小于1,這也驗(yàn)證了上文提出的湖水源熱泵溫排水影響評(píng)價(jià)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(shí)驗(yàn)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(shí)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(shuō)明湖水源熱泵在最冷周的運(yùn)行未導(dǎo)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(guān),兩者隨氣溫的變化趨勢(shì)保持一致。這是由于低氣溫更容易造成室內(nèi)冷負(fù)荷增加,湖水源熱泵則需從湖水中獲取的熱量增加,從而導(dǎo)致湖水溫度降低以及水體熱污染率升高。根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn):在冬季,湖水源熱泵導(dǎo)致的湖水周平均最大溫降不超過(guò)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(guò)1℃,同時(shí),水體熱污染率也小于1,這也驗(yàn)證了上文提出的湖水源熱泵溫排水影響的評(píng)價(jià)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(chǔ)條件,這從另一面驗(yàn)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(nèi)的熱負(fù)荷比冬季的冷負(fù)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(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的最冷周平均溫降(2℃)大于最熱周平均溫升(1℃)有關(guān),所以這也說(shuō)明了湖水源熱泵在夏季更容易造成水體熱污染。

為了驗(yàn)證本文提出的湖水源熱泵溫排水影響定量評(píng)價(jià)方法的正確性,采用文獻(xiàn)[36]中研究小型湖泊熱承載力的計(jì)算方法分別計(jì)算天印湖在夏季和冬季的最大熱承載力。根據(jù)文獻(xiàn)[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(jì)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(rèn)為湖水源熱泵的溫排水并沒(méi)有造成天印湖的水體熱污染,這也驗(yàn)證了本文提出湖水源熱泵溫排水影響定量評(píng)價(jià)方法的結(jié)論。

5 結(jié) 論

由于湖泊的熱承載是有限的,在設(shè)計(jì)湖水源熱泵之前,需要對(duì)湖泊及當(dāng)?shù)氐臍庀蠹八臈l件進(jìn)行適用性分析,以避免影響湖水源熱泵系統(tǒng)的運(yùn)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(píng)價(jià)方法,運(yùn)用實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該評(píng)價(jià)方法的正確性,可以得出以下結(jié)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(cè)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(cè)湖水區(qū)域的范圍為4 m以?xún)?nèi)。所以在布置湖水源熱泵拋管時(shí),需要考慮有適當(dāng)?shù)拈g距,這樣有助于熱量的散發(fā),避免湖水局部溫度過(guò)高,以提高湖水源熱泵系統(tǒng)的運(yùn)行效率。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果來(lái)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(mǎn)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(shí)的湖水最大和平均溫升分別為0.70℃ 和0.57℃,當(dāng)氣溫最高時(shí),湖水平均溫升和水體熱污染率都達(dá)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(shí)的湖水最大和平均溫降分別為0.48℃和0.39℃,當(dāng)氣溫最低時(shí),湖水平均溫降和水體熱污染率都達(dá)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(shuō)明水體熱污染率受氣溫影響較大,湖水源熱泵在夏季運(yùn)行時(shí)更容易造成水體熱污染,其設(shè)計(jì)需要重點(diǎn)考慮夏季湖水的熱承載能力,以避免水體熱污染的發(fā)生。