湖水水體作為一種天然冷熱源，實(shí)現(xiàn)了熱泵系統(tǒng)高能效比運(yùn)行，產(chǎn)生良好節(jié)能效益[1]。以重慶為例，地表水水源熱泵系統(tǒng)得到了大力推廣和廣泛應(yīng)用，依托轄區(qū)內(nèi)的水系及湖庫(kù)塘資源，已建和在建地表水水源熱泵項(xiàng)目有25個(gè)[2]。

　　摘 要：采用流體計(jì)算軟件建立三維湖體模型，模擬設(shè)計(jì)日下湖體自然水溫，用實(shí)測(cè)水溫進(jìn)行修正作為初始條件;根據(jù)別墅群全年逐時(shí)負(fù)荷的模擬結(jié)果，采用動(dòng)態(tài)取排水溫和水量作為邊界條件;以典型氣象年數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，通過(guò)用戶自定函數(shù)輸入水面換熱邊界;分別對(duì)某別墅群水庫(kù)水源熱泵系統(tǒng)的排放水管網(wǎng)采用與雨水排水管網(wǎng)相結(jié)合的散點(diǎn)排水以及采用傳統(tǒng)的集中排水方式進(jìn)行了動(dòng)態(tài)數(shù)值模擬，得到供冷季逐時(shí)排熱工況下湖體溫度場(chǎng)的分布情況，分散排水優(yōu)勢(shì)明顯。分析模擬結(jié)果表明：集中排水方案水體周溫升0.33 ℃，分散排水方案水體周溫升0.16 ℃;水體水道狹長(zhǎng)體積有限的區(qū)域在連續(xù)排水的情況下，有明顯熱累積現(xiàn)象。連續(xù)運(yùn)行條件下，散點(diǎn)排水取水口水溫的模擬結(jié)果表明：7～10月，位于常年水位 4.6 m水深下的取水口取水溫度在27～23.5 ℃之間，可實(shí)現(xiàn)熱泵系統(tǒng)高效運(yùn)行。

　　關(guān)鍵詞：水利工程系列評(píng)中級(jí)職稱論文范文,水源熱泵,散點(diǎn)排水,數(shù)值模擬,動(dòng)態(tài)負(fù)荷,溫度分布

　　目前，水源水質(zhì)[34]、系統(tǒng)性能研究[58] 和系統(tǒng)排水對(duì)水體的影響[911]是本領(lǐng)域研究重點(diǎn)。溫排水對(duì)于自然水體的影響研究，國(guó)外文獻(xiàn)多集中于發(fā)電廠類研究[1213]，國(guó)內(nèi)學(xué)者多針對(duì)二維水溫計(jì)算方法[9]、特定排水方式下的溫度場(chǎng)特性研究[10]及不同排水方式的評(píng)價(jià)研究[11]。針對(duì)滯留水體(湖庫(kù)塘水)水源熱泵系統(tǒng)在動(dòng)態(tài)負(fù)荷邊界條件下的研究較少。

　　陳金華，等：湖水源熱泵系統(tǒng)排熱工況下散點(diǎn)排水對(duì)湖體溫度場(chǎng)的影響

　　地表水系可分河流和湖泊(水庫(kù)、池塘)，前者為流動(dòng)水體，而后者為滯留水體。兩者的熱承載能力大不相同[14]。前者熱承載能力大，流動(dòng)性好，可以依靠流動(dòng)的水較快地帶走熱量，因此排放水對(duì)于水體的局部和總體溫升影響一般都不大;而水庫(kù)水流動(dòng)性差，熱容量有限，對(duì)于空調(diào)系統(tǒng)持續(xù)不斷的排放水，長(zhǎng)期運(yùn)行后，湖體的承載能力是否會(huì)超出其自恢復(fù)能力的極限就要另當(dāng)別論了，這直接關(guān)系到系統(tǒng)的運(yùn)行效率以及對(duì)周圍環(huán)境的影響。隨著系統(tǒng)的運(yùn)行，溫排水排入源水水體后，水體溫度會(huì)發(fā)生改變。建筑負(fù)荷是全年動(dòng)態(tài)變化的，導(dǎo)致取水溫度、熱泵機(jī)組能效比、系統(tǒng)實(shí)際排熱量相互影響也是動(dòng)態(tài)變化的。而目前的文獻(xiàn)研究中采用的邊界條件多是在設(shè)計(jì)負(fù)荷下的，較少考慮多因素的影響動(dòng)態(tài)過(guò)程。

　　筆者采用以實(shí)測(cè)水溫修正后的設(shè)計(jì)日下湖體自然水溫為初始條件，根據(jù)某別墅群全年逐時(shí)負(fù)荷的模擬結(jié)果，采用動(dòng)態(tài)取排水作為數(shù)值模擬的邊界條件;以典型氣象年數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，通過(guò)用戶自定函數(shù)輸入水面換熱邊界;對(duì)別墅群水庫(kù)水源熱泵系統(tǒng)的排放水管網(wǎng)采用與雨水排水管網(wǎng)相結(jié)合的散點(diǎn)排水方式進(jìn)行了動(dòng)態(tài)數(shù)值模擬，得到了供冷季排熱工況下湖體溫度場(chǎng)的分布情況。

　　1 控制方程及數(shù)值計(jì)算模擬流程圖

　　非穩(wěn)態(tài)、常物性、不可壓縮流體湍流的湍流基本控制方程組包括：

　　上述方程組中：u、v、w分別為x、y、z方向的速度瞬時(shí)值，是時(shí)均值和脈動(dòng)值之和;ρ為水體的密度;cp為水體的定壓比熱容;P為壓力;T為熱力學(xué)溫度;動(dòng)量方程中忽略體積力，能量方程忽略耗散項(xiàng);ST為源項(xiàng);qxyzt為排水口的質(zhì)量源項(xiàng);φn為水體表面的熱交換量;ΔTh為熱泵系統(tǒng)的取排水溫差。

　　ΔTh由式ΔTh=QlhmxyztcpEERh+1EERh確定，式中：Qlh為建筑的逐時(shí)冷負(fù)荷;mxyzt為各排水口的設(shè)計(jì)質(zhì)量流量;EERh為計(jì)算時(shí)刻下機(jī)組的能效比時(shí)均值。當(dāng)ΔTh≥5℃時(shí)，mxyzt為各排水口的設(shè)計(jì)流量;當(dāng)ΔTh<5 ℃時(shí)，以ΔTh=5 ℃反算各排水口的流量。研究表明[15]，熱泵機(jī)組的性能系數(shù)對(duì)源水側(cè)進(jìn)水溫度最為敏感。因此，利用實(shí)際的取水溫度對(duì)機(jī)組的EER進(jìn)行階段性修正，為簡(jiǎn)化計(jì)算，以水溫變化1 ℃為修正區(qū)間范圍。所有物理量單位均為國(guó)際單位。

　　數(shù)值模擬流程圖如圖1。

　　2 項(xiàng)目概況

　　本項(xiàng)目為大型別墅區(qū)，總建筑面積為56 320 m2，包含113棟別墅，緊鄰重慶市土溪水庫(kù)。土溪水庫(kù)屬國(guó)家中型水庫(kù)，常年蓄水1 260萬(wàn)m3，水面面積2232 km2，各項(xiàng)水質(zhì)指標(biāo)均滿足《地表水水源熱泵系統(tǒng)適應(yīng)性評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)》的建議值。水庫(kù)常年控制水位標(biāo)高為786.6 m，而別墅的機(jī)房標(biāo)高范圍為787.9～797.2 m，最不利取水高差為10.6 m。

　　本項(xiàng)目利用水庫(kù)水作為空調(diào)系統(tǒng)的冷源和熱匯，采用 “集中取水分散排水”的方式。將溫排水管網(wǎng)與給排水專業(yè)的雨水管網(wǎng)相結(jié)合，一方面節(jié)約了管材及施工費(fèi)用，另一方面散點(diǎn)排放水形式也是一種新的嘗試。因?yàn)閷?duì)于熱容量有限的湖體，如何使溫排水對(duì)湖體溫度場(chǎng)的影響降到最小對(duì)系統(tǒng)高效運(yùn)行和減小環(huán)境影響而言是至關(guān)重要的。

　　圖2是本項(xiàng)目水庫(kù)水源熱泵系統(tǒng)取、排水口位置示意圖，黃色的曲線是湖底勘測(cè)高程，圖的左部區(qū)域?yàn)樗畮?kù)水體，右部區(qū)域?yàn)閯e墅群。O點(diǎn)為集中取水點(diǎn)，峰值取水量為576.5 m3/h，點(diǎn)1～22為溫排水的散點(diǎn)排水口，所接的末端雨水管管徑均為DN300，散點(diǎn)排水量見(jiàn)表1，集中排水量見(jiàn)表2。

　　3 湖體模型

　　要分析水體熱容量及熱泵排水對(duì)水體的影響，建立準(zhǔn)確的能量和質(zhì)量平衡方程是必須的[9]。同時(shí)，排水工況下，準(zhǔn)確的河床模型是耦合求解速度場(chǎng)與溫度場(chǎng)的前提。根據(jù)航拍圖(圖3)所示，土溪水庫(kù)水體較大，水庫(kù)全尺寸建模難度大。而且設(shè)計(jì)的取、排水側(cè)，取水口距離水體中間分界線(圖中黑線)的垂直距離約87 m，最近排水口也距其約62 m，水體以中間為分界線有其合理性。此外，考慮到后期開(kāi)發(fā)，假設(shè)左半水體仍可作為未來(lái)水源熱泵的冷熱源，也利于后期邊界條件的設(shè)定。據(jù)此，水體模型以中間界線為限，建立右水體模型。依據(jù)所掌握的勘測(cè)水位線，分層建立所利用的部分水體的準(zhǔn)確的河床模型。依次選擇標(biāo)高為786.6、782.56、780、 778.5、777、776.5、775.5、774.5、773.5和773 m的10個(gè)勘測(cè)特征面建立湖體模型。最終建立的模型由10個(gè)特征面組成的9個(gè)體層構(gòu)成。模型俯視圖如圖4所示。 　　考慮到水體模型尺寸較大，而管徑較小，實(shí)際劃分網(wǎng)格時(shí)分塊劃分，并進(jìn)行網(wǎng)格過(guò)渡，最遠(yuǎn)處網(wǎng)格尺寸參照文獻(xiàn)[16]的計(jì)算值，以保證計(jì)算質(zhì)量。

　　4 定解條件

　　如圖1所示，排水工況下的溫度場(chǎng)模擬以自然水溫為初始條件，將建筑的逐時(shí)負(fù)荷作為能量源項(xiàng)加入數(shù)學(xué)模型，由于模型假設(shè)水面高度不變，取排水量保持平衡，因此無(wú)需添加質(zhì)量源項(xiàng)。

　　水面邊界條件：以典型氣象年數(shù)據(jù)為準(zhǔn)，按照文獻(xiàn)[14]的方法動(dòng)態(tài)輸入水面邊界。

　　水底土壤水體邊界條件：以該地區(qū)的空調(diào)季節(jié)的土壤平均溫度為準(zhǔn)，設(shè)為定溫邊界，參照文獻(xiàn)[17]中的3.2 m以下土壤層的溫度取值23.25 ℃。

　　水體水體交界面處的邊界條件：即利用湖體與未利用湖體的交界面。在此界面上，存在著復(fù)雜的熱量和水體的交換，結(jié)合水體模型建立過(guò)程中是以整個(gè)水體的中間界線作為“水體水體”的界面。再考慮到后期發(fā)展，假定左側(cè)水體也作為水源熱泵的冷熱源。此時(shí)，在工程上，可以將本界面看作一種近似的“對(duì)稱邊界”，此假定滿足工程上的近似及最不利的思想。因此，在具體模擬中，將利用湖體與未利用湖體的交界面設(shè)為“對(duì)稱型邊界條件”。

　　排水口邊界條件：排水口設(shè)為速度型入口邊界，水流速度和溫度由建筑逐時(shí)負(fù)荷根據(jù)控制方程計(jì)算得到，作為逐時(shí)動(dòng)態(tài)邊界輸入，不考慮排水在管道中的自然溫降或溫升。

　　利用動(dòng)態(tài)水溫及水量邊界條件進(jìn)行湖體水溫模擬，代替常用的靜態(tài)峰值負(fù)荷作為邊界條件，特別是對(duì)于供冷能力本來(lái)就較弱的淺層湖體，傳統(tǒng)的采用峰值負(fù)荷及設(shè)計(jì)水溫不變的穩(wěn)態(tài)邊界會(huì)削弱湖體可利用價(jià)值及潛能。因?yàn)榫蛯?shí)際工程來(lái)說(shuō)，系統(tǒng)大部分時(shí)間都處于部分負(fù)荷率工況[18]。因此，排水口邊界條件動(dòng)態(tài)輸入建筑的逐時(shí)負(fù)荷更加趨于真實(shí)情況。

　　取水口邊界條件：設(shè)為壓力出口條件，以滿足連續(xù)性方程。逐時(shí)取水口的溫度作為對(duì)機(jī)組EER進(jìn)行修正的依據(jù)。

　　5 溫度場(chǎng)模擬結(jié)果及分析

　　5.1 自然水溫模擬結(jié)果及修正的初始化溫度場(chǎng)

　　利用前述物理模型和邊界條件，在設(shè)計(jì)日氣象參數(shù)下，系統(tǒng)不向水體排熱時(shí)，對(duì)模型進(jìn)行數(shù)值求解。取水口所在位置處沿水深的水溫模擬結(jié)果、實(shí)測(cè)水溫及修正后的結(jié)果如圖5所示。

　　圖5表明：模擬水溫與實(shí)測(cè)值有一定差距。其中在0.1～4 m的水深范圍內(nèi)模擬結(jié)果平均偏高222℃，5～8 m的水深范圍內(nèi)模擬水溫平均偏高430℃，9～11 m的水深范圍內(nèi)模擬水溫平均偏高2.24℃。可以看出，中間水層的模擬結(jié)果偏差略大，表層和底層的模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)的誤差較小。主要原因是由于缺乏太陽(yáng)輻射等實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，以典型氣象年的數(shù)據(jù)為邊界輸入;實(shí)際情形下，深層水流動(dòng)性差，水溫的季節(jié)性行變化有較大延遲;此外，風(fēng)速、降水等因素也會(huì)影響實(shí)際水溫，這部分在模擬計(jì)算時(shí)做了簡(jiǎn)化處理。以實(shí)測(cè)所獲得的平均水溫?cái)?shù)據(jù)對(duì)各水層的水溫進(jìn)行初始化修正，經(jīng)過(guò)迭代計(jì)算修正水溫變化梯度，修正后的水溫曲線比初次模擬結(jié)果更加接近于實(shí)測(cè)值，0.1～11 m的平均水溫偏差為136℃。以修正后的溫度場(chǎng)作為排水工況下水體溫度場(chǎng)分析的初始化條件，計(jì)算結(jié)果將會(huì)更加安全。

　　5.2 系統(tǒng)排水對(duì)水體水溫的影響結(jié)果及分析

　　5.2.1 設(shè)計(jì)工況下周溫升曲線(最大) 相同的物理模型和控制邊界條件下，對(duì)集中排水和散點(diǎn)排水的2種排水方式在設(shè)計(jì)工況下水體溫升進(jìn)行數(shù)值計(jì)算。水體模型的整體平均溫度變化曲線(圖6(a))和取水點(diǎn)處的溫度變化曲線(圖6(b))如下所示。

　　從圖6(a)可以看出，在自然狀態(tài)下，水體模型的周溫升為1.29℃。因?yàn)槭且栽O(shè)計(jì)日條件下的氣象數(shù)據(jù)作為邊界條件輸入水體，因此水溫呈上升趨勢(shì)，模擬的周溫升稍高于文獻(xiàn)[19]所述的重慶市湖水的水溫特征。集中排水方案下，水體的周溫升為033℃;分散排水方案下，水體的周溫升為0.16℃。人為溫升均小于《地表水水源熱泵系統(tǒng)適應(yīng)性評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)》的規(guī)定，但是分散排水下，水體的溫升較小。圖6(b)表明：集中排水和分散排水方案下，取水口處的水溫相差很小，兩者相差僅0.04℃。主要是因?yàn)榧�中排水�?個(gè)排水口距離取水口的位置較遠(yuǎn)，因而排水對(duì)于取水口的影響與分散排水相差不大。

　　(a)水體模型的整體平均溫度(周)變化曲線

　　(b)取水點(diǎn)處的溫度變化(周)曲線

　　由于分散排水通過(guò)雨水管排入水體，溫排水基本排入了水體表層，這在一定程度上利于溫水的散熱，尤其在夜間。集中排水易造成局部溫排水水量較大，局部區(qū)域溫升隨時(shí)間不斷增高，不利于溫排水的散熱。設(shè)計(jì)工況下，系統(tǒng)運(yùn)行1周表明：2種排水方式取水口的水溫相差不大，集中排水方案高004℃;但是水體的周溫升，分散排水方式低于集中排水方式。

　　5.2.2 分散排水方式下溫度場(chǎng)發(fā)展 將7、8、9、10月份的建筑逐時(shí)模擬負(fù)荷輸入模型，氣象參數(shù)以月平均值輸入。對(duì)水體的排水狀態(tài)下的溫度場(chǎng)發(fā)展情況進(jìn)行模擬計(jì)算，結(jié)果如圖7所示。

　　圖7表明：離各排水口較遠(yuǎn)的區(qū)域，即取水口上方的水體，7月初的水溫為26.76℃左右，而10月底的水溫為25.71℃;右下角的排水區(qū)域在7月初的水溫在28.43～30.14℃之間，10月底，相同水體位置的溫度在29.8～30.82℃，且水溫較高的區(qū)域較大;右上角的排水區(qū)域7月初水溫在 27.07～2843℃，10月底的水溫在27.75～29.8℃。文獻(xiàn)[19]測(cè)量的重慶某典型湖體水溫?cái)?shù)據(jù)表明：在7～10月，湖體水溫基本呈下降趨勢(shì)。模擬結(jié)果表明：分散排水形式下，水體中心未受排水影響的區(qū)域水體同樣呈現(xiàn)水溫下降的趨勢(shì)，利于取得較低溫度的水;而右下部的排水區(qū)域集中了較多的排水量，為設(shè)計(jì)負(fù)荷下排水量的39.98%，此處水道狹長(zhǎng)，水容積也有限，流動(dòng)性差，故造成了10月底較明顯的熱累積;比較右上部的排水區(qū)域，排水量為設(shè)計(jì)值的2673%，此部分的水體水道較短，熱積累并不明顯。

　　模擬結(jié)果表明：對(duì)于水庫(kù)類滯留水體，水體自身的流動(dòng)性差，易造成局部水體的熱積累，在水道狹長(zhǎng)的淺水區(qū)域更明顯;同時(shí)，由于流動(dòng)性差，熱擴(kuò)散作用也將變得緩慢，遠(yuǎn)離排水區(qū)域的水體水溫變化所受影響并不明顯。需指出：自然降水、水庫(kù)水位線變化等因素并未在邊界條件中體現(xiàn)，在實(shí)際中由于雨水的補(bǔ)充，可以使水體的流動(dòng)性加強(qiáng)，故熱積累過(guò)程可能有所減弱;此外，本項(xiàng)目源水側(cè)排放水所接的雨水管管徑均為DN300，在建筑負(fù)荷較小的時(shí)間段，冷卻水量小，排水管為非滿管流，流速很小，也會(huì)造成熱擴(kuò)散緩慢。在考慮管網(wǎng)結(jié)合時(shí)，亦需要注意此問(wèn)題。 　　5.2.3 運(yùn)行工況下取水溫度的變化 熱泵系統(tǒng)的性能系數(shù)對(duì)于取水溫度較敏感[20]，因而，取水側(cè)設(shè)計(jì)對(duì)于熱泵系統(tǒng)的高效穩(wěn)定運(yùn)行具有重要意義。項(xiàng)目取水管設(shè)在標(biāo)高782 m處，即位于水庫(kù)常年水位線4.6 m以下，采用文獻(xiàn)[16]提出的線性取水方式。在前述模型和邊界條件下，7～10月份的空調(diào)運(yùn)行季節(jié)內(nèi)，取水管口處取水溫度變化曲線如圖8所示。

　　在供冷季系統(tǒng)整個(gè)運(yùn)行期內(nèi)，取水溫度在27～23.5℃之間變化。模擬結(jié)果表明：在7～10月份的空調(diào)運(yùn)行季內(nèi)，取水溫度能保證熱泵系統(tǒng)的高效運(yùn)行。

　　6 結(jié) 論

　　針對(duì)某別墅群的水庫(kù)水源熱泵系統(tǒng)，結(jié)合水體的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)自然水溫模擬的邊界條件進(jìn)行修正后作為水體的初始化水溫。根據(jù)全年逐時(shí)負(fù)荷模擬結(jié)果，采用動(dòng)態(tài)水溫及水量為邊界條件，以典型氣象年數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，對(duì)其夏季散點(diǎn)排水工況下的水體水溫進(jìn)行了模擬分析。

　　1)提出集中取水、結(jié)合室外雨水管網(wǎng)分散排水的有別于常規(guī)集中排水的滯留水體水源熱泵系統(tǒng)取排水方式，可減少室外管網(wǎng)、節(jié)約投資、減低施工難度。

　　2)設(shè)計(jì)工況下水體水溫與自然狀態(tài)下的水溫比較表明：采用分散排水方案水體的周溫升0.16℃，較采用集中排水方案水體的周溫升0.33℃更優(yōu)，能較好的實(shí)現(xiàn)排水的散熱。

　　3)設(shè)計(jì)工況下，系統(tǒng)運(yùn)行1周后，采用集中排水方案時(shí)取水口的水溫僅比采用分散排水時(shí)高004℃，表明湖體體量較大時(shí)，取排水口距離的合理設(shè)置可以使得取水口水溫所受影響較小。

　　4)對(duì)分散排水方案，在7～10月份建筑動(dòng)態(tài)負(fù)荷邊界條件下，水體水道狹長(zhǎng)、水體積有限的區(qū)域在連續(xù)排水的情況下，有熱累積現(xiàn)象，但局部的熱累積現(xiàn)象并沒(méi)有造成取水口明顯的溫升。

　　5)對(duì)分散排水方案連續(xù)運(yùn)行條件下取水口水溫的模擬結(jié)果表明，7～10月份，位于常年水位4.6 m水深下的取水口取水溫度在27～23.5℃之間，可實(shí)現(xiàn)熱泵系統(tǒng)的高效運(yùn)行。

　　參考文獻(xiàn)：

　　[1]羅惠珠.重慶市應(yīng)用湖庫(kù)水水源熱泵系統(tǒng)條件分析[J].四川環(huán)境，2010，29(2)：7074.

　　Luo H Z. Analysis of conditions to apply heat pump system of lake or reservoir water source in chongqing [J]. Sichuan Environment， 2010，29(2)：7074.

　　[2]謝厚禮，劉憲英.重慶地區(qū)地表水地源熱泵的應(yīng)用及建議[J].暖通空調(diào)，2011，41(6)：5861.

　　Xie H L， Liu X Y. Application and suggestion for surface water source heat pumps in Chongqing area[J]. HV&AC， 2011，41(6)：5861.

　　[3]秦增虎，童明偉，項(xiàng)勇. 江水源熱泵水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)及傳熱特性分析[J]. 湖南大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2012，39(3)：7174.

　　Qin Z H，Tong M W，Xiang Y. Water quality standard test and heat transfer analysis of river water source heat pump[J]. Journal of Hunan University： Natural Sciences，2012，39(3)：7174.

　　[4]賈遵鋒，丁勇.江水源熱泵系統(tǒng)應(yīng)用中的江水水質(zhì)分析[J]. 水資源與水工程學(xué)報(bào)，2010，21(6)：5356.

　　Jia Z F， Ding Y. Analysis of river water quality in the application of river source heat pump system[J].Journal of Water Resources and Water Engineering， 2010，21(6)：5356.

　　[5]Wei W D， Meng T，Li L， et al. Theoretical research and optimization in variable condition of water source heat pump[C]//2009 International Conference on Energy and Environment Technology， ICEET 2009： 479482.

　　[6]Qu S L， Luo H Q. Study on analogue simulation of the influences of thermal parameters on the performance of water source heat pump under variable working condition[J]. Applied Mechanics and Materials，2011，7178： 37893793.