江水源熱泵系統(tǒng)溫（冷）排水三維數(shù)值模擬研究

張 斌，丁江華，杜玉吉

（中節(jié)能城市節(jié)能研究院有限公司，江蘇 常州 213000）

地表水源熱泵系統(tǒng)是利用地球表面的水體作為冷熱源對城市區(qū)域進(jìn)行供冷及供熱，具有運(yùn)行穩(wěn)定、高效節(jié)能、對環(huán)境無污染等優(yōu)點(diǎn)。熱泵技術(shù)在世界范圍內(nèi)大規(guī)模的商業(yè)利用已有20 多年的發(fā)展。美國目前已裝有40 余萬臺(tái)熱泵機(jī)組，并且以每年10%的速度穩(wěn)步增長。同時(shí)，中、北歐海水源熱泵也得到了規(guī)?；膽?yīng)用，目前，北歐約有180 多臺(tái)大型熱泵在運(yùn)行，大型熱泵技術(shù)已經(jīng)成為北歐熱源的主要供熱方式。我國地源熱泵起步于20世紀(jì)80年代，截至2012年底，關(guān)于地源熱泵的工程數(shù)量已達(dá)到23 000 多個(gè)，總面積達(dá)24 000 萬m2，主要集中在我國華北和東北南部地區(qū)。

水源熱泵系統(tǒng)對環(huán)境的影響主要涉及攜帶大量冷量、熱量的排水對受納水體的影響，雖然受納水體本身存在流動(dòng)，但熱泵系統(tǒng)排水對水體的局部區(qū)域的溫度場分布會(huì)產(chǎn)生影響。關(guān)于冷熱排水對受納水體的影響主要通過數(shù)值模擬方法來實(shí)現(xiàn)[1-6]。目前，此類方法多集中于沿垂向積分的平面淺水二維模型上，此類方法雖然模擬結(jié)果較為直觀，但因其無法在深度方向上得到溫度場模擬，也就無法評估排水口附近的水溫層厚度。

本文結(jié)合湘潭市某江水源熱泵工程項(xiàng)目，利用三維數(shù)學(xué)模型對溫冷水排放引起的水體溫度變化進(jìn)行模擬，通過溫冷排水沿程溫度變化估測其在受納水體中的擴(kuò)散范圍，為江水源熱泵系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及運(yùn)行提供參考。

1 工程概況

1.1 建筑和氣候概況

湘潭市某都市規(guī)劃區(qū)的總用地面積7.08 km2，是集商務(wù)、教育、生活、運(yùn)動(dòng)、休閑于一體的綜合建筑群。該建筑群分為6 個(gè)不同片區(qū)，本項(xiàng)目主要負(fù)責(zé)對1 區(qū)及2 區(qū)進(jìn)行供冷供熱，其中1 區(qū)供能服務(wù)建筑面積為138.99 萬m2，2 區(qū)供能服務(wù)建筑面積為212.92萬m2。本項(xiàng)目采用以湘江水源作為冷熱源的水源熱泵系統(tǒng)，對該規(guī)劃區(qū)進(jìn)行夏季制冷，冬季供熱。

規(guī)劃區(qū)所在區(qū)域位于湘江中下游，屬亞熱帶濕潤季風(fēng)氣候區(qū)，全年最冷月份為12月至次年2月，主要風(fēng)向?yàn)镹NW 風(fēng)；最熱月份為6-9月，主要風(fēng)向?yàn)镾 風(fēng)。年平均風(fēng)速2.4 m/s，最大可達(dá)20 m/s。降水量主要集中在3-7月，年平均降雨量為1 309 mm，常年平均氣溫為17.3℃。

1.2 系統(tǒng)運(yùn)行方案

該工程采用開式江水源熱泵系統(tǒng)，取水泵房總面積為800 m2，冬夏季水源取自湘江，源水輸送至能源站房的水源熱泵系統(tǒng)，經(jīng)過水源熱泵機(jī)組利用后排出，取水量與退水量相等，水量無損耗，水質(zhì)基本也沒有變化。1 區(qū)裝機(jī)冷負(fù)荷38.19 MW，熱負(fù)荷28.28 MW；2 區(qū)裝機(jī)冷負(fù)荷31.34 MW，熱負(fù)荷36.96 MW。供冷季為每年5月15日至當(dāng)年10月15日，共計(jì)154 d；供熱季為每年11月15日至次年3月15日，共計(jì)121 d?？照{(diào)系統(tǒng)的日運(yùn)行時(shí)間根據(jù)商業(yè)、住宅、學(xué)校等區(qū)域功能的不同而改變，日運(yùn)行時(shí)間范圍為13～24 h/d。

2 數(shù)值模擬方法

2.1 模型區(qū)域設(shè)計(jì)

該項(xiàng)目利用湘江水源作為冷熱源，將取水口設(shè)置于流量穩(wěn)定、水深較大、河道變窄處的上游處。該工程退水口位置根據(jù)建設(shè)單位意見不能直接退入湘江，多以本項(xiàng)目1區(qū)退水管線沿湘江堤邊敷設(shè)，退入至一級(jí)渠內(nèi)，2 區(qū)退水管線就近退入一級(jí)渠內(nèi)，通過一級(jí)渠排到湘江中，同時(shí)保證退水口在取水口下游2 km 左右。

取退水模型采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格。采用三維模型結(jié)構(gòu)，退水溫度影響數(shù)學(xué)模擬模型如圖1所示，紅色箭頭表示退水口位置分布，下方為1 區(qū)（1#）排水口，上方為2 區(qū)（2#）排水口，細(xì)長最下部區(qū)域?yàn)橄娼糠謪^(qū)域。考慮到項(xiàng)目有可能在設(shè)定工況條件下長期工作，因此采用穩(wěn)態(tài)分析。分析關(guān)注的重點(diǎn)是一級(jí)渠河面、湘江江面的溫度場。

圖1 取退水三維結(jié)構(gòu)模型

2.2 數(shù)學(xué)模型

本文采用Fluent 模擬軟件對退水口的溫排放進(jìn)行研究，為了解決地表水源熱泵向一級(jí)渠及湘江排放的熱量問題，同時(shí)建立包括質(zhì)量、動(dòng)量以及能量方程在內(nèi)的控制方程。采用三維穩(wěn)態(tài)不可壓模型，其質(zhì)量守恒方程為[7]：

動(dòng)量方程（x方向）為：

動(dòng)量方程（y方向）為：

能量守恒方程為：

模擬采用的K-?雙方程模型，它包含兩個(gè)方程，即K方程和?方程。其中，K方程是湍流脈動(dòng)動(dòng)能方程，? 方程是湍流耗散方程。

K-?方程和黏性系數(shù)方程如下[8]：式中，c1、c2、c3為系數(shù)，一般取1.44、1.92、0.09，σk、σε通常取1.0、1.3[9]。

2.3 邊界條件

本模擬邊界條件主要包括一級(jí)渠、湘江及退水口部分分別在夏季及冬季的參數(shù)設(shè)置，具體參數(shù)如表1所示。1#退水口位于一級(jí)渠出口上游353 m 處，2#退水口位于一級(jí)渠出口上游870 m 處。本模型中一級(jí)渠尺寸為L×B×H＝900.0 m×27.0 m×4.5 m，一級(jí)渠出口與湘江連接處部分位置受到一級(jí)渠出口溫度的影響，取湘江尺寸為L×B×H＝300 m×100 m×27 m，退水口直徑均為1 m，布置在一級(jí)渠下方1 m 處。

表1 夏冬兩季各區(qū)域溫度流速參數(shù)設(shè)置

3 模擬結(jié)果及分析

3.1 夏季溫度場結(jié)果分析

夏季時(shí)，1#退水口排水溫升6℃，江水自然水溫27℃，1#退水口中心截面與一級(jí)渠斷面溫度場模擬如圖2所示。可以看出，當(dāng)退水口出口至其下游約20 m 處，1#退水口中心截面退水溫度對一級(jí)渠的影響約為1℃，之后兩者之間溫差急劇下降，當(dāng)至退水口下游約220 m 處時(shí)，溫差僅為0.2℃，之后持續(xù)穩(wěn)定至一級(jí)渠出口。

圖3為1#排水口出口下游不同距離溫度剖面圖，相鄰剖面間距為7 m，從圖中可以進(jìn)一步得出退水口沿一級(jí)渠深度及寬度方向溫度的變化。夏季溫排水對一級(jí)渠表層水溫的影響隨著水深的增加顯著減小。出口最大溫升區(qū)域的溫升約為1.4℃，底層最大溫升區(qū)域溫升約為0.2℃。在排放口附近區(qū)域溫度梯度很大，距離越遠(yuǎn)，溫度梯度越小。通過溫度剖面圖可以得出，在約為40 m 處，流場中心溫度與一級(jí)渠溫度之間溫差降到約0.5℃，退水口出口溫度場的中心最高溫度要大于排水口中心軸截面的溫度。

圖2 夏季1#退水口出口中心截面溫度

圖3 夏季1#退水口下游相同間隔距離內(nèi)的剖面溫度

圖4 夏季一級(jí)渠出口水溫對湘江溫度影響

圖4為一級(jí)渠出口水溫對湘江的影響，從圖中可以看出，一級(jí)渠出口對湘江水溫的影響小于0.2℃，且其寬度影響范圍（10 m）相對于湘江寬度（900 m）可忽略。

2#退水口出口水溫溫升6℃，圖5為2#排水口中心截面與一級(jí)渠斷面的溫度流場，從圖中可以看出，夏季2#排水口出口至其下游距離約為9 m 處位置，排水口出口中心溫度與一級(jí)渠溫差即小于1℃，并且從圖2可以看出，2#排水口水溫對其下游的1#排水口水溫沒有顯著影響，2#排水口水溫在達(dá)到其下游約為370 m 處即與一級(jí)渠溫度相當(dāng)，與兩處排水口之間距離（520 m）相比，不足以影響到1#排水口。

圖6為2#排水口出口下游相同間距內(nèi)的溫度剖面圖，相鄰剖面間距為7 m，從圖中可以得出在7 m處左右，退水口流場中心溫度與一級(jí)渠溫度之間溫差即已降到約1℃，30 m 處溫差降為約0.5℃。

圖5 夏季2#退水口出口中心截面溫度

圖6 夏季2#退水口下游相同間隔距離內(nèi)的剖面溫度

3.2 冬季溫度場結(jié)果分析

冬季時(shí)，1#退水口排水溫降5℃，江水自然水溫9℃，1#退水口中心截面與一級(jí)渠斷面溫度場如圖7所示。從圖中可以看出，當(dāng)退水口出口至其下游12～14 m 處，退水溫度與一級(jí)渠溫度即已降到低于1℃。

圖8為1#排水口出口下游不同距離溫度剖面圖，相鄰剖面間距為7 m，與夏季溫排放情況類似，冬季冷排水對一級(jí)渠表層水溫的影響隨著水深的增加顯著減小。出口最大溫降區(qū)域的溫降約為1.6℃，底層最大溫降區(qū)域溫降約為0.2℃，且在排放口附近區(qū)域溫度梯度很大，距離越遠(yuǎn)，溫度梯度越小。通過溫度剖面圖可以得出，在約為7～14 m 處，流場中心溫度與一級(jí)渠溫度之間溫差降到約1℃，退水口出口溫度場的中心最低溫度要小于排水口中心軸截面的溫度。

圖7 冬季1#退水口出口中心截面溫度

圖8 冬季1#退水口下游相同間隔距離內(nèi)的剖面溫度

圖9 冬季一級(jí)渠出口水溫對湘江溫度的影響

圖9為冬季一級(jí)渠出口水溫對湘江的溫度影響，與夏季結(jié)果類似，一級(jí)渠出口對湘江的溫度影響不大，溫降約為0.2℃，寬度影響范圍約為10 m。

圖10為冬季時(shí)2#退水口中心軸截面與一級(jí)渠斷面溫度場，可以得出，2#排水口從其出口至下游155 m 處，排水溫度與一級(jí)渠溫度近似相當(dāng)，同時(shí)，2#排水口冷排放對其下游的1#排水口沒有影響。

圖10 冬季2#退水口出口中心截面溫度

圖11為2#排水口出口下游不同距離溫度剖面圖，相鄰剖面間距為7 m，通過溫度剖面圖可以得出，在約為74 m 處，流場中心溫度與一級(jí)渠溫度之間溫差降到低于1℃，退水口出口溫度場的中心最低溫度要小于排水口中心軸截面的溫度。

圖11 冬季2#退水口下游相同間隔距離內(nèi)的剖面溫度

3.3 夏季溫度場與冬季溫度場對比

由圖3和圖8、圖6和圖11對比可以看出，由于夏季溫排水密度比一級(jí)渠內(nèi)自然水體密度低，從退水口出口排放出去后，溫排水主要分布在一級(jí)渠表面及中部位置，渠底水溫不受影響，隨水流呈輻射狀向四周擴(kuò)散，對渠表面溫度影響較大，排放口附近水溫層沿一級(jí)渠水流方向趨于水平分布；然而在冬季時(shí)，因冷排放水密度比渠內(nèi)自然水水體密度大，從渠表面層排放后，沿渠流動(dòng)方向擴(kuò)散的同時(shí)向渠底深度方向沉降，且其沉降距離較遠(yuǎn)，主要對渠底層水溫有較大影響，排放口附近水溫層趨于垂直方向分布?？梢娎渑欧艑λ∷吹挠绊懜鼮閲?yán)重，主要是因?yàn)闇嘏潘植荚谒幢砻?，有利于排水與外界換熱，而冷排水沉降在水源底部，與外界的換熱大大減小，對水質(zhì)影響也更顯著。

4 結(jié)論

本文通過對一區(qū)域水源熱泵模型的三維模擬，得出如下結(jié)論：夏冬兩季2#溫（冷）排放對其下游的1#排放水溫?zé)o影響，且一級(jí)渠出口對湘江水溫的影響小于0.2℃，其寬度影響范圍可忽略。夏季時(shí)，退水口出口溫度場的中心最高溫度要大于排水口中心軸截面的溫度；冬季時(shí)，退水口出口溫度場的中心最低溫度要小于排水口中心軸截面的溫度。溫（冷）排水因其密度不同導(dǎo)致排水排放后擴(kuò)散情況不同，溫排水對表層水溫影響較大，排放口附近區(qū)域水溫層趨水平方向分布；冷排水對一級(jí)渠底層水溫影響較大，排放口附近區(qū)域水溫層趨垂直方向分布。排水口設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)盡量靠近取水水源表面，有利于溫（冷）排水與外界進(jìn)行熱交換，減小對受納水體的影響。