夏熱冬暖地區(qū)湖水源熱泵取水方式的分析和研究

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

楊建坤1林麗娜2甘崇炮3

1廣州市建筑科學(xué)研究院有限公司
2廣州大學(xué)土木工程學(xué)院
3中建三局第一建設(shè)工程有限責(zé)任公司

地表水源熱泵技術(shù)的應(yīng)用一般受地理?xiàng)l件和氣候因素的制約，在適宜的地區(qū)應(yīng)用更能體現(xiàn)它的優(yōu)勢(shì)。以某實(shí)際工程為例，分別從水溫、水質(zhì)、取水方案和溫排水四個(gè)方面證明了在夏熱冬暖地區(qū)采用湖水源熱泵的可行性。結(jié)果表明：在夏熱冬暖地區(qū)湖水作為熱泵冷熱源收納體是切實(shí)可行。

夏熱冬暖湖水源熱泵可行性

近年來(lái)，隨著建筑業(yè)的快速發(fā)展與人民生活水平的提高，建筑能耗日益增加，并成為我國(guó)的第一能耗大戶(hù)[1]。如何利用新能源技術(shù)實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排、維持可持續(xù)發(fā)展理念已經(jīng)成為人們關(guān)注的重中之重。水源熱泵技術(shù)是一種利用可再生能源和低品位熱能的技術(shù)，通過(guò)熱力循環(huán)，把低品位的熱能從低位熱能轉(zhuǎn)移到高位熱源，可以節(jié)省一定量的高品位能，如煤、電、燃?xì)?、石油等，是一種清潔節(jié)能的技術(shù)，也是一種減少二氧化碳和大氣污染物排放的有效方法[2]。

1 工程概況

本工程為一集住宿、餐飲、娛樂(lè)性質(zhì)為一體的五星級(jí)商務(wù)酒店，位于陽(yáng)江市鴛鴦湖西側(cè)地段，距離該市最大的人工湖——鴛鴦湖約100m，對(duì)利用湖水源熱泵技術(shù)具有得天獨(dú)厚的條件。本工程總建筑面積88615m2，建筑高度49.8m，地上12層。其中1～3層為商業(yè)及其相關(guān)功能（不作為本文的研究對(duì)象），4～12層為酒店及其相關(guān)功能，擁有客房286間，該部分空調(diào)面積為40000m2，占總建筑面積的45.14%。夏季空調(diào)計(jì)算最大冷負(fù)荷約為5000kW，冬季空調(diào)計(jì)算最大熱負(fù)荷約為1700kW，生活熱水計(jì)算最大熱負(fù)荷約為1200kW。酒店部分采用湖水源熱泵系統(tǒng)，根據(jù)實(shí)際空調(diào)負(fù)荷及用能情況，本工程的冷熱源設(shè)備由2臺(tái)制熱量560kW高溫水源熱泵機(jī)組，2臺(tái)制冷量1739.1kW，制熱量1650kW的中溫水源熱泵機(jī)組和1臺(tái)制冷量1739.1kW的單冷中溫水源熱泵螺桿機(jī)組組成。系統(tǒng)流程圖見(jiàn)圖1，該系統(tǒng)為酒店夏、冬和過(guò)渡季節(jié)的空調(diào)系統(tǒng)提供冷熱源和生活熱水。

圖1 酒店湖水源熱泵系統(tǒng)流程圖

2 湖水源利用可行性分析

水量充足，水溫適度，水質(zhì)適宜，供水穩(wěn)定是水源熱泵對(duì)水質(zhì)的要求。雖然水源熱泵具有高效節(jié)能，運(yùn)行穩(wěn)定，環(huán)保友好，一機(jī)多用等優(yōu)點(diǎn)，但是它同時(shí)受到初投資，地理?xiàng)l件和氣候因素的制約。

2.1 夏熱冬暖地區(qū)氣候特點(diǎn)

夏熱冬暖地區(qū)位于我國(guó)東南沿海地區(qū)，在北緯27°以南，東經(jīng)97°以東，包括海南全境，廣東、廣西大部分地區(qū)，福建部分地區(qū)（東南部），云南小部分，以及香港、臺(tái)灣、澳門(mén)。該地區(qū)為亞熱帶濕潤(rùn)季風(fēng)氣候，其特征是夏季漫長(zhǎng)而且濕熱，冬季短暫而溫和，寒冷時(shí)間很短，幾乎長(zhǎng)夏無(wú)冬，氣溫的年較差和日較差都很小，晝夜溫差變化不大，太陽(yáng)輻射強(qiáng)烈，空氣濕度大，雨量充沛，地表水發(fā)達(dá)，有大量的江河湖泊，長(zhǎng)江中下游地區(qū)、珠江三角洲地區(qū)和東南沿海地區(qū)的地表水總量將近占全國(guó)地表水總量的70%[1，3]。以位于我國(guó)夏熱冬暖地區(qū)的具有代表性的城市南區(qū)的廣州市和北區(qū)的福州市的氣候參數(shù)作為參考（表1），最冷月平均氣溫高于10℃，最熱月平均氣溫低于29℃。

同樣，位于我國(guó)夏熱冬暖地區(qū)之一的陽(yáng)江市，年平均氣溫22.0℃左右，年平均最高氣溫為28℃，年平均最低氣溫為20℃，年平均降雨量一般在204mm左右，全年無(wú)霜期約350天，基于這樣氣候特征，本工程應(yīng)用湖水源熱泵技術(shù)具有天然的優(yōu)勢(shì)。

表1 福州和廣州的氣候參數(shù)（℃）

2.2 水溫

水溫是水源熱泵系統(tǒng)正常運(yùn)行的重要參數(shù)之一。國(guó)內(nèi)外對(duì)地表水熱泵的研究中表明，地表水在利用過(guò)程中不能發(fā)生結(jié)冰現(xiàn)象，在氣候寒冷的區(qū)域，在冬季，若地表水溫低于5℃時(shí)，則不適宜采用開(kāi)式水源熱泵系統(tǒng)。我國(guó)的寒冷地區(qū)的冬季地表水水溫一般接近0℃，這制約了地表水源熱泵在北方寒冷地區(qū)實(shí)施的一個(gè)瓶頸。相反，在我國(guó)南方地區(qū)，尤其冬暖夏熱地區(qū)，就地表水溫來(lái)說(shuō)，應(yīng)用地表水源熱泵技術(shù)是可行的。根據(jù)美國(guó)制冷學(xué)會(huì)ARI320標(biāo)準(zhǔn)，開(kāi)式系統(tǒng)水源熱泵對(duì)水溫的要求是5～38℃，在水溫10～22℃之間運(yùn)行時(shí)能效比較高[4]。以陽(yáng)江市鴛鴦湖為例，該湖湖水面積為47公頃，是市區(qū)最的大人工湖，平均水深常年6m～10m，水溫常年在10～28℃波動(dòng)，水質(zhì)較好，為地表水源熱泵系統(tǒng)的應(yīng)用提供了天然的地理?xiàng)l件。如表2所示為取自2009年7月至2010年2月月水庫(kù)水文資料，在經(jīng)歷2009年5月份干旱后，2009年7月份水位恢復(fù)至6.11m，常年平均水深6～8m。

表22009 年7月至2010年2月鴛鴦湖湖水溫度

2.3 湖水水質(zhì)及分析

合格的水質(zhì)，是保障地表水源熱泵系統(tǒng)正常運(yùn)行的又一重要因素。在開(kāi)式系統(tǒng)中，湖水進(jìn)入機(jī)組前要經(jīng)過(guò)換熱器換熱，為了避免嚴(yán)重腐蝕機(jī)組、管道、閥門(mén)，選用四臺(tái)旋流除砂器和兩臺(tái)全程綜合水處理器對(duì)水質(zhì)進(jìn)行處理。

湖水先經(jīng)過(guò)旋流除砂器，在離心力、向心浮力、曳力的作用下，使砂水分離，密度低的清水上升，由溢流口排出，密度大的砂由底部排砂口排出，從而達(dá)到除砂的目的。然后，湖水經(jīng)過(guò)全程綜合水處理器，在高頻電磁場(chǎng)和超凈過(guò)濾技術(shù)下，通過(guò)活性體鐵質(zhì)濾膜，機(jī)械變徑孔阻擋及電暈效應(yīng)場(chǎng)三位一體的綜合過(guò)濾體的作用下，吸附、濃縮在實(shí)際運(yùn)行工況下各種水系統(tǒng)形成的硬度物質(zhì)及復(fù)合垢，降低其濃度，從而達(dá)到控制污垢及大部分硬度垢的目的。這一過(guò)程在系統(tǒng)正常運(yùn)行狀態(tài)下，可以完成防垢、防腐、殺菌、滅藻、超凈過(guò)濾、控制水質(zhì)綜合功能。設(shè)備滅藻、滅菌率＞95%，過(guò)濾效率為70%～98%，防垢、除垢率＞96%，年腐蝕率＜0.125mm。

如表3所示，經(jīng)過(guò)水處理設(shè)備處理過(guò)后水質(zhì)比原來(lái)水質(zhì)更好。另外，循環(huán)水側(cè)均采用螺旋板式換熱器進(jìn)行熱交換，系統(tǒng)運(yùn)行中加藥及補(bǔ)水等均不會(huì)影響到湖水側(cè)，且循環(huán)水量占整個(gè)湖體庫(kù)容比重很小，長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行不僅不會(huì)對(duì)湖體水質(zhì)造成影響，更有凈化水質(zhì)、防止水體富營(yíng)養(yǎng)化的作用。

表3 水質(zhì)處理前后檢測(cè)結(jié)果

3 工程取水方案

為了保證該系統(tǒng)長(zhǎng)期安全穩(wěn)定運(yùn)行，本工程湖水源熱泵系統(tǒng)采用直接取水，間接利用的開(kāi)式方式，即：該系統(tǒng)在湖水和二次水之間設(shè)置了螺旋板式換熱器，冷水機(jī)組冷凝器側(cè)通過(guò)水泵與螺旋板式換熱器側(cè)進(jìn)行熱交換，湖水側(cè)通過(guò)循環(huán)水泵吸取底層湖水與螺旋板式換熱器進(jìn)行熱交換，將熱泵機(jī)組熱量散入湖體。

圖2 鴛鴦湖輪廓圖

水源熱泵機(jī)組水流量，取排水溫差等因素都會(huì)影響整個(gè)系統(tǒng)的的節(jié)能性以及初投資，對(duì)于兩者距離超過(guò)500m的工程，必須全面地進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較分析。開(kāi)式地表水換熱系統(tǒng)取水口應(yīng)遠(yuǎn)離回水口[5]，根據(jù)該工程的實(shí)際位置，取水管從外圍護(hù)結(jié)構(gòu)出來(lái)到取水口的距離是270m，排水管從機(jī)房出來(lái)到噴泉水池約80m，如圖2所示，由于排水口與取水口相距較遠(yuǎn)，忽略其對(duì)取水口溫度的影響。為了降低湖水在取水管中的溫升，取水管采用保溫和防水處理并深埋[6]。并且，在不影響市政管網(wǎng)的前提下，在地面下2.5m處鋪設(shè)取水管。

4 排水口溫升CFD模擬分析

地表水換熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)前，應(yīng)對(duì)地表水熱泵系統(tǒng)運(yùn)行水環(huán)境的影響進(jìn)行評(píng)估[5]。

4.1 取排水溫差

取排水溫差與進(jìn)出水流量關(guān)系如下：

式中：Q為負(fù)荷，kW；Δt為取排水溫差，℃；m為流量，m3/s。

制冷期取排水溫差按5℃計(jì)算，得到流量為0.363m3/s。

4.2 湖體模型搭建

結(jié)合當(dāng)?shù)厮馁Y料及實(shí)際勘探湖水各處水位深度及取排水口位置，對(duì)排水口建立模型，為簡(jiǎn)化模型體量，將排水口處岸邊外形簡(jiǎn)化。如圖3中所示，設(shè)置A～K共12個(gè)點(diǎn)位，其中GH為湖岸邊基線，O點(diǎn)為簡(jiǎn)化后的排水點(diǎn)。使用Gambit將模型搭建，邊界條件劃分如表4所示，計(jì)算區(qū)域網(wǎng)格劃分后如圖4所示。

表4 邊界條件劃分表

圖3 排水口位置及簡(jiǎn)化模型

圖4 排水口計(jì)算區(qū)域網(wǎng)格劃分

4.3 模擬結(jié)果及分析

結(jié)合鴛鴦湖2008年1月份～2012年3月份湖體水文資料，湖水最熱月水溫為28℃。一般來(lái)說(shuō)，如果地表水體深度小于3m，水體就不會(huì)由于溫度差異而產(chǎn)生分層現(xiàn)象。本工程湖水溫度不考慮水體分層的影響，主要對(duì)夏季溫?cái)U(kuò)散情況進(jìn)行模擬分析。項(xiàng)目前期將機(jī)組放熱、吸熱量與機(jī)組、水泵等耗功量設(shè)備對(duì)整個(gè)湖體平均溫升做了計(jì)算分析，得出湖水夏季最大周釋熱量為2.4×109kJ，冬季最大周釋冷量為5.1×108kJ，并用CFD模擬軟件對(duì)排水口溫升進(jìn)行了模擬分析，模擬熱泵系統(tǒng)連續(xù)迭代3000次（圖5）湖體溫排水熱擴(kuò)散情況（圖6），排水口處速度分布矢量圖（圖7）。由圖中可以看出溫排水對(duì)整個(gè)湖體的影響局限于圖中黃色區(qū)域所示部分，高于湖體水溫3～4℃，面積約為4500m2，圖中其他區(qū)域溫升對(duì)湖體熱環(huán)境影響非常小，故采用該位置作為熱水排水口合適。

圖5 模擬熱泵系統(tǒng)連續(xù)迭代3000次

圖6 湖體溫排水熱擴(kuò)散情況

圖7 排水口處速度分布矢量圖

本工程根據(jù)實(shí)際勘探測(cè)量后發(fā)現(xiàn)排水口處水深達(dá)6m，考慮湖水豐水期與枯水期水位變化，將排水口設(shè)置于距湖底1m的樁基上，不僅能降低湖底雜質(zhì)對(duì)排水管的影響，更能減少熱排放對(duì)環(huán)境影響。

利用CFD流體模擬軟件對(duì)溫排水口進(jìn)行模擬后發(fā)現(xiàn)，超溫水體約占整個(gè)鴛鴦湖體的0.9%，影響范圍非常小，并且夏季溫排水先通過(guò)景觀噴泉，把大量的熱量散發(fā)掉，使水溫保持在32℃以下。經(jīng)過(guò)對(duì)酒店冬夏季各工況下鴛鴦湖湖體吸熱及散熱量分析，滿(mǎn)足夏季周平均溫升不超過(guò)1℃，冬季周平均溫降不超過(guò)2℃的要求，鴛鴦湖湖水作為酒店空調(diào)系統(tǒng)冷熱受納湖體完全可行。

5 結(jié)論

湖水源熱泵系統(tǒng)具有節(jié)能、高效、環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，但是它的使用受到地理?xiàng)l件，氣候因素的限制。本文對(duì)夏熱冬暖地區(qū)的氣候及水溫進(jìn)行分析研究，說(shuō)明該地區(qū)具有應(yīng)用湖水源熱泵技術(shù)的天然優(yōu)勢(shì)。以陽(yáng)江某酒店工程為例，分析該湖水源熱泵系統(tǒng)的取水方案的合理性，運(yùn)用CFD軟件搭建模型，并模擬溫排水對(duì)湖體的影響。結(jié)果表明，空調(diào)排熱引起的湖水溫升不影響空調(diào)系統(tǒng)的正常運(yùn)行，該工程以湖水作為空調(diào)冷熱受納體完全可行。

[1]袁幸.夏熱冬暖地區(qū)建筑節(jié)能設(shè)計(jì)原理和技術(shù)措施[M].北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社,2010

[2]陳曉.地表水源熱泵理論及應(yīng)用[M].北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社,2012

[3]曹振華.淺析水源熱泵技術(shù)的特點(diǎn)及發(fā)展前景[J].中國(guó)住宅設(shè)施,2012,(1):58-59

[4]Stephen P Kavanuh,Kevin Rafferty.Ground-source Heat Pump-Design of Geothermal Systems for Commercial and Institutional Buildings[M].Atlanta:ASHRAE,1997

[5]建設(shè)部.地源熱泵系統(tǒng)工程技術(shù)規(guī)范(GB 50366-2005)[S].北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社,2009

[6]陳金華,丁勇,王勇,等.重慶開(kāi)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

Ana lys is a nd Study on Wa te r-Inta ke Wa y of La ke Wa te r Sourc e He a t Pum p in Hot Sum m e r a nd Wa rm Winte r Are a

YAN Jian-kun1,LIN Li-na2,GAN Chong-pao3
1 Guangzhou Institute of Building Science Co.,Ltd.
2 College of Civil Engineering,Guangzhou University
3 The First Construction Engineering Limited Company of China Construction Third Bureau

While the application of lake water source heat pump technology is limited by several factors such as geographic conditions,climate and so on,it would be more efficient to be used in the appropriate area.Taking a real project as an example,the analysis results of water temperature,water quality,water-taken strategy as well as the influence of the warm water discharge on lake verify the feasibility of using the lake water source heat pump system in hot summer and warm winter area.It was concluded that the lake water as cold and heat source of the heat pump is completely practicable in hot summer and warm winter area.

hot summer and warm winter,lake water source heat pump,feasibility

1003-0344（2014）04-057-4

2013-7-15

楊建坤（1973～），男，博士，高工；廣州市白云區(qū)白云大道北833號(hào)702室（510440）；E-mail:23502449@qq.com