南方地區(qū)開式湖水源熱泵的應(yīng)用

1、南方地區(qū)開式湖水源熱泵的應(yīng)用摘要： 我國南方地區(qū)的地表水資源豐富，其中蘊藏著豐富的低位熱能，適合于建造地表水源熱泵系統(tǒng)。 2004 年，在湖南省湘潭市城市中心區(qū)建造了利用湖水的試驗性的開式水源熱泵區(qū)域供冷供熱系統(tǒng)。建造該系統(tǒng)前對運行時湖水水溫分布進行了模擬分析。對系統(tǒng)投入運行以來每日的湖水進水溫度進行了監(jiān)測，對湖水源熱泵和風(fēng)冷熱泵的能效比進行了測試。測試結(jié)果表明，該湖水源熱泵的能效比及運行穩(wěn)定性均優(yōu)于風(fēng)冷熱泵。關(guān)鍵詞：開式湖水源熱泵應(yīng)用研究模擬1 前言節(jié)能環(huán)保的地源熱泵技術(shù)越來越受到人們的關(guān)注。按照 ASHRAE handbook 規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)術(shù)語 1 ，地源熱泵包括土壤源熱泵，地下水源熱泵和地

2、表水源熱泵(Surface Water Heat Pump，SWHP) 。土壤源熱泵和地下水源熱泵在我國已經(jīng)有一些比較成功的應(yīng)用，但地表水源熱泵的研究和應(yīng)用還比較少。而我國南方地區(qū)的地表水資源豐富，存在著大量的江河湖泊。長江中下游地區(qū)、 珠江三角洲地區(qū)和東南沿海地區(qū)的地表水總量在全國地表水總量中所占的比例就將近 70%2 。與空氣溫度相比，南方地表水水面2 m 以下的水溫在一天中變化很小，是水源熱泵較理想的低位熱源。湘潭城市中心區(qū)有面積為56000m2 的人工湖， 2003 年以來，中心區(qū)內(nèi)陸續(xù)建成和將要建成市委大樓、 市政府大樓、 廣電中心和大劇院。這四幢建筑相距非常近，都離人工湖不遠，適合

3、于建造水源熱泵區(qū)域供冷供熱系統(tǒng)。2004 年夏季該系統(tǒng)建成并對市政府大樓和大劇院供冷。本文介紹前期研究工作及系統(tǒng)試運行的測試結(jié)果及分析。2 系統(tǒng)介紹地表水源熱泵分為閉式和開式兩種形式。閉式系統(tǒng)將換熱盤管放置在湖底或河的底部，通過盤管內(nèi)的循環(huán)介質(zhì)與水體進行熱交換。冬季制熱時， 一般采用防凍液作為循環(huán)介質(zhì)。這種系統(tǒng)容量一般比較小。在開式系統(tǒng)中， 從湖底或河的底部抽水，送入板式換熱器與循環(huán)介質(zhì)換熱； 在冬季水溫較高的南方地區(qū)，也可以將水處理后直接送入熱泵機組，換熱后在離取水點一定距離的地點排放。開式系統(tǒng)的換熱效率比閉式系統(tǒng)高，初投資低， 適合于容量更大的系統(tǒng)，該系統(tǒng)為開式系統(tǒng)。系統(tǒng)的構(gòu)成見圖 1。中

4、央機房位于一個公共廣場的地下層， 與各建筑的距離均不到 280m。人工湖平均水深 2.7m，取水處深 3.5m，取水點在水面下 2.5m 處，距機房約 100m，湖水泵和水處理裝置均位于機房， 多臺螺桿式熱泵機組并聯(lián)。 為防止進水溫度較低時蒸發(fā)器可能出現(xiàn)結(jié)冰， 在湖水泵的出口設(shè)有輔助加熱器， 熱源為來自附近一家賓館的蒸汽。 如果湖水溫度低于 7，湖水需在輔助加熱器中加熱到 7后再進入蒸發(fā)器。敞開水體中的水不宜直接通過機組，先要進行凈化處理。采用投藥的化學(xué)處理方法會污染湖水。該系統(tǒng)使用物理方法處理湖水。湖水首先進入旋流除砂器，除去水中的顆粒物；然后通過綜合水處理器， 利用其中的高頻高壓電場及復(fù)合

5、過濾體系進行殺菌滅藻和凈化過濾處理。對處理前后的水質(zhì)進行了檢測（見表1），含沙量和渾濁度這兩項變化最明顯，處理后各項指標(biāo)均能滿足機組的要求。表 1 處理前后的水質(zhì)對比含沙量（ mg/L ）渾濁度（ NTU ）PH 值總硬度（ mg/L ）處理前57.6528.16162處理后105.38.11155.2圖 1 系統(tǒng)構(gòu)造示意圖3 湖水溫度模型對一定的水體而言，所能承擔(dān)的負(fù)荷有一定的限度，否則會使機組的運行工況惡化。在應(yīng)用湖水源熱泵前，采用模擬的方法對放熱、取熱給水溫帶來的影響進行了預(yù)測。對于湖泊、池塘用作熱泵的熱源（匯）或熱電廠的冷卻池，多采用二維模型，如文獻3 和文獻 4 中的模型。 該模型首

6、先解淺水方程，計算出流速分布，然后將解得的速度值代入二維對流擴散方程中， 計算出溫度分布。采用有限元法或有限差分法求解二維模型需要耗費較多的機時，不便于在工程實際中應(yīng)用，本文對二維模型提出一種簡便的算法。系統(tǒng)運行時，射流以較大的動量沿垂直于湖岸的方向排入湖中，受取水的影響向左偏轉(zhuǎn)。人工湖的橫向?qū)挾炔皇呛軐挘˙=100m ），基本呈矩形狀。由于縱向流速非常小，可將左向流動視為均勻的明渠流。湖水較淺， 忽略縱向彌散的作用，只考慮縱向移流；認(rèn)為橫向和縱向的擴散系數(shù)相等。采用垂向平均的對流擴散方程：(1)式中， 超溫（弱溫）水體與自然水體之間的溫差，=Tw Ta；E 擴散系數(shù)， m2/h；Q0排水水量

7、， m3/h；H、 B 湖的平均深度和平均寬度；m；K 超溫（弱溫）水體的散熱（得熱）系數(shù)，其計算式為5 ：(2)式中， Ts 超溫（弱溫）水體表面水溫，認(rèn)為sw ；T = Tes、 P溫度等于Ts 時空氣中的飽和水蒸氣分壓力和大氣壓力，mmHg ；Ua米處的風(fēng)速， m/s；水面上、 Cb水面發(fā)射率、Stefan-Boltzmann 常數(shù)及波溫常數(shù)；將射流中心線視為線源，并且分成n 等分，則每等分可視為點源，各點源處的溫差c(j)的計算公式見文獻6 、 7 、 8 ?？紤]邊界反射，由線源作用引起的某處溫升(溫降 )為：(3)在實際應(yīng)用中考慮1 2 次邊界反射已足夠8 。將總長度分成m 段距離，

8、逐段計算。采用同一縱坐標(biāo)下相鄰兩點間的平均溫度作為該段距離的代表水溫，式(1)的解析解為：(4)4 結(jié)果與分析該區(qū)域供冷供熱系統(tǒng)的實際負(fù)荷比各建筑設(shè)計負(fù)荷的總和要小， 夏季和冬季空調(diào)的同時使用系數(shù)分別為 0.82 和 0.86，系統(tǒng)的冷、分別為 12196 kW 和 6953 kW 。根據(jù)最初提出的方案，取水口與排水口位于同一側(cè)湖岸，相距約 250m。假設(shè)系統(tǒng)在日平均負(fù)荷下連續(xù)地定水量運行，排水溫度和自然水溫不變，平均風(fēng)速為 2m/s。模擬中用到的參數(shù)見表 2。表 2 模擬所用到的參數(shù)日平均負(fù)荷 (kW)水量 (m3 /h)排水溫度 ()自然水溫 ()制冷運行9560132037.329.5制

9、熱運行52057804.99.2圖2 制冷運行時不同斷面的水溫分布圖 3 制熱運行時不同斷面的水溫分布圖 2 和圖 3 分別表示水溫達到穩(wěn)定后不同橫斷面上水溫的分布。制冷運行時約60 小時后水溫達到穩(wěn)定， 取水口（ Y=10m ）附近的水溫升高0.3。由于超溫水體單位面積散熱量比自然水體大，水溫分布達到穩(wěn)定后，廢熱能通過超溫水體表面散出。制熱運行時約100 小時后水溫達到穩(wěn)定，取水口附近的水溫降低 0.4。溫度低于自然水體的弱溫水體單位面積散熱量比自然水體小，弱溫水體的凈得熱量為正值， 水溫分布達到穩(wěn)定后，熱泵所要吸收的熱量能通過弱溫水體吸收得到，這部分熱量來源于太陽輻射和天空輻射。實際上，系

10、統(tǒng)每天只運行16 小時，間歇期間水溫可以得到一定的恢復(fù)。實際的取水溫度比模擬結(jié)果更理想，取水溫度受排水的影響非常小，主要受氣象條件的影響。5 測試結(jié)果及分析5.1 湖水進水溫度測試結(jié)果自系統(tǒng)投入運行以來，每日均對進水溫度進行監(jiān)測。圖4 表示的是2004 年夏季運行時每日的最高進水溫度，夏季最高進水溫度為31.6，比模擬結(jié)果高0.9，低于大多數(shù)空調(diào)用冷卻塔的最高出水溫度。 圖 5 表示的是冬季運行時每日的最低進水溫度。 隨著氣溫下降和不斷取熱，進水溫度不斷下降。有 17 天的時間進水溫度低于 7，需要啟動輔助加熱裝置。大多數(shù)建筑的冷負(fù)荷比熱負(fù)荷大，如果土壤源熱泵的埋地?fù)Q熱器不是足夠大，夏、冬季放

11、熱與取熱的不平衡往往會造成進水溫度在以后的年份里逐漸增大。不過這種不平衡并不會對地表水源熱泵以后年份的運行帶來影響，這是因為地表水體會不斷與外界進行熱交換，具有水溫自我恢復(fù)能力。圖 4水溫度的制冷期進變化情況圖 5水溫度的制熱期進變化情況5.2地表水源熱泵和風(fēng)冷熱泵性能比較為了比較南方地區(qū)地表水源熱泵和風(fēng)冷熱泵的性能，對不同水溫、 氣溫時該系統(tǒng)和螺桿式風(fēng)冷熱泵的COP 進行了測試，風(fēng)冷熱泵的測試地點選擇在中央機房附近的電信大樓。進出水溫度由系統(tǒng)檢測并顯示，流量測試采用超聲波流量計，機組和水泵的功率通過低壓配電柜顯示的電流、電壓及功率因數(shù)計算出，測試時機組的負(fù)荷率均在90%以上。圖6 為夏季和冬

12、季不同水溫和氣溫下螺桿式水源熱泵機組、地表水源熱泵及螺桿式風(fēng)冷熱泵的COP。測試結(jié)果顯示，考慮湖水泵功率時地表水源熱泵的COP 仍高于風(fēng)冷熱泵，地表水顯示出優(yōu)于空氣的換熱性能。所測試的風(fēng)冷熱泵的夏季最高運行氣溫達到36.2，冬季最低運行氣溫為高、過低風(fēng)冷熱泵下降較水的運行4.3，過的氣溫使的 COP快。地表水溫比風(fēng)冷熱泵的運行氣溫更穩(wěn)定、更有利，COP 較為穩(wěn)定，不存在除霜問題。湖水泵的能耗對系統(tǒng)整體性能有較大的影響。如果考慮湖水泵功率，系統(tǒng)的源熱泵COP 比水機組低 10.4 14.8%。系統(tǒng)設(shè)計時應(yīng)盡可能降低地表水的提升高度，減小引水和排水管道長度。該系統(tǒng)的湖水提升高度為 3.2m，引水和排水管道總長約 400m。為了減小夏季運行時的湖水流量，制冷時冷凝器的進出水溫差加大到 8。由于蒸發(fā)器出水溫度低于 4時機組會自動停機， 以防止蒸發(fā)器表面結(jié)冰， 冬季水溫較低時需加大湖水流量， 以減小溫差。由于各種原因， 該系統(tǒng)的湖水泵沒安裝調(diào)速裝置。 可以通過控制湖水進出水溫差來調(diào)節(jié)湖水流量，進一步降低湖水泵能耗。圖 6 夏季和冬季運行時不同水溫和氣溫下的COP 值對比6 結(jié)論在建造湖水源熱泵前，用模擬的方法對熱泵放熱、取熱給湖水溫度變化帶來的影響進行了預(yù)測。 利用本文提出的近區(qū)遠區(qū)混合分析模型計