水源熱泵系統(tǒng)取退水方案與溫度場模擬

洪順軍　杜衛(wèi)　李志鵬　劉永紅　吳義勇　何敬行　金羿

摘要：為了更加深入的研究水源熱泵項(xiàng)目，介紹了某水源熱泵項(xiàng)目概況及取退水方案，計(jì)算了夏季工況、冬季正常工況及冬季極端工況的取水量；建立了取退水部分三維模型圖，采用CFX軟件對3個工況下取退水對河流的影響進(jìn)行了數(shù)值模擬，并分析了水源熱泵項(xiàng)目的節(jié)能效果。研究結(jié)果表明：3個工況下退水水流均不會對河流A上游取水口周邊溫度場產(chǎn)生影響；河流B匯入河流A之前平均水溫與河流A基礎(chǔ)溫度相比較，溫升（降）低于1℃，退水不會對河流A產(chǎn)生影響；項(xiàng)目節(jié)能效果顯著。通過研究水源熱泵取退水對河流溫度場的影響以及項(xiàng)目的節(jié)能效果，對水源熱泵項(xiàng)目的設(shè)計(jì)與優(yōu)化有一定參考作用。

關(guān)鍵詞：水源熱泵；取退水；溫度場；數(shù)值模擬；節(jié)能

中圖分類號：TK79 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-1683（2017）02-0203-06

熱泵是以消耗一部分高溫位能或高品質(zhì)能（電能、機(jī)械能等）為代價，基于熱力循環(huán)原理，將熱能由低溫物體轉(zhuǎn)移至高溫物體的能量利用系統(tǒng)。水源熱泵是熱泵的一類，水源熱泵是一種被廣泛應(yīng)用的熱泵系統(tǒng)，其能效比高于空氣源熱泵，尤其是采用水源熱泵技術(shù)能夠有效降低整個空調(diào)系統(tǒng)能耗，充分提高能源的利用率。近幾年來，國內(nèi)將水源熱泵的應(yīng)用范圍進(jìn)行了拓展，在水源熱泵項(xiàng)目的基礎(chǔ)上誕生了很多湖水源熱泵項(xiàng)目，圍繞該種技術(shù)形式的研究課題較為豐富，其中針對取水方式、系統(tǒng)能效以及節(jié)能效果等問題的研究較多。

1項(xiàng)目概況

1.1供能面積及負(fù)荷

某水源熱泵項(xiàng)目供冷（熱）面積為136.6萬m²，建筑業(yè)態(tài)包括商業(yè)、住宅。根據(jù)《全國民用建筑工程設(shè)計(jì)技術(shù)措施》（暖通空調(diào)·動力），結(jié)合項(xiàng)目建筑的具體使用情況，確定了各建筑設(shè)計(jì)日的逐時冷負(fù)荷系數(shù)；根據(jù)陸耀慶主編的《實(shí)用供熱空調(diào)設(shè)計(jì)手冊》（第二版），確定了各建筑業(yè)態(tài)的同時使用系數(shù)，該項(xiàng)目設(shè)計(jì)日逐時冷熱負(fù)荷見圖1。

從圖1可以看出，該項(xiàng)目設(shè)計(jì)日供冷負(fù)荷為69.9 Mw，供熱負(fù)荷為35.4Mw。

1.2技術(shù)形式

我國水資源貧乏，針對江、河、湖的很多研究成果為水源熱泵的應(yīng)用提供了參考，有利于熱泵項(xiàng)目的優(yōu)化設(shè)計(jì)。該項(xiàng)目臨近河流A及河流B，河流A流量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于河流B，兩條河流交匯，河流B匯入河流A，是典型的可采用水源熱泵為區(qū)域內(nèi)建筑進(jìn)行供能的項(xiàng)目，在考慮系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性及效率的基礎(chǔ)上，采用水源熱泵與冷水機(jī)組相配合的技術(shù)形式，該項(xiàng)目水源熱泵系統(tǒng)主機(jī)配置見表1。

2取退水方案

2.1取水量分析與計(jì)算

2.1.1夏季取水量分析計(jì)算

根據(jù)《實(shí)用供熱空調(diào)設(shè)計(jì)手冊》（第二版），對于水源熱泵項(xiàng)目，夏季取水量可根據(jù)式（1）進(jìn)行計(jì)算：

（1）式中：a為取水系數(shù)，在設(shè)計(jì)過程中，考慮到取水安全、水處理損耗以及水泵并聯(lián)后流量會衰減，根據(jù)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)取1.1；Q₁為取水量（m³/h）；W₁為夏季冷負(fù)荷（kw）；COP₁為主機(jī)制冷效率，該項(xiàng)目主機(jī)夏季CDP₁為5.67；T₁為取退水溫差，該項(xiàng)目設(shè)計(jì)取退水溫差為5℃。

結(jié)合該項(xiàng)目夏季設(shè)計(jì)日逐時供冷負(fù)荷數(shù)據(jù)，可計(jì)算出夏季設(shè)計(jì)日取水量，具體見圖2。

2.1.2冬季取水量分析計(jì)算7=47.43萬m³，平均小時取水量為0.28萬m³。

（2）冬季極端工況取水量。

冬季極端工況下取水量計(jì)算參照式（2），其中主機(jī)冬季極端工況COP3為4.0取退水溫差T₃為3℃，其他參數(shù)保持不變。通過計(jì)算，冬季極端工況下設(shè)計(jì)日各時刻取水量見圖4。

從圖4可以看出，該項(xiàng)目冬季極端工況下設(shè)計(jì)日總?cè)∷繛?3.59萬m³，最大小時取水量為0.84萬m³。冬季周平均最大取水量取冬季設(shè)計(jì)日取水量的80%，冬季極端工況下周總?cè)∷繛椋篧_3w=0.8×13.59×7=76.1萬m³，平均小時取水量為0.45萬m³。

該項(xiàng)目夏冬兩季取水量見表2。

2.2取水及退水位置

由于該項(xiàng)目靠近河流A及河流B，項(xiàng)目能源站從河流A經(jīng)取水頭部取水，退水于河流B中，再匯入河流A中。能源站取退水總平面及退水部分示意圖分別見圖5（a）、圖5（b）所示。

為了降低溫排水對河流B退水口局部溫度場的影響，采用多點(diǎn)退水方式。

3溫度場數(shù)值模擬

ANSYS-CFX軟件主要應(yīng)用于大壩、水輪機(jī)、河流污染等項(xiàng)目的流體仿真中。采用CFX對該項(xiàng)目取退水溫度場進(jìn)行模擬，對于通常的河水流動，湍流模型可選擇標(biāo)準(zhǔn)的k-ε模型。標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型是兩個方程的模型，要解兩個變量，速度和長度尺度。近年來，很多學(xué)者采用數(shù)值模擬方法對（湖）水源熱泵項(xiàng)目取退水方案進(jìn)行了研究，成果頗豐。

3.1邊界條件及模型

數(shù)值模擬采用的河流A、河流B水文數(shù)據(jù)，包括江面水位、取退水流量、溫升/溫降等，具體參數(shù)見表3。

此外，夏季工況：河流A基礎(chǔ)溫度為30℃，河水表面綜合散熱系數(shù)為42 5 W/m²×k；冬季正常工況：河流A基礎(chǔ)溫度為8℃，河水表面綜合散熱系數(shù)為8.5 W/m²×k；冬季極端工況：河流A基礎(chǔ)溫度為6℃，河水表面綜合散熱系數(shù)8.5 W/m²×k。

取退水模型采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，考慮到該項(xiàng)目水源熱泵系統(tǒng)是在設(shè)定工況下長期運(yùn)行，根據(jù)該項(xiàng)目實(shí)際特點(diǎn)，采用穩(wěn)態(tài)分析方法，模擬的主要內(nèi)容包含河流A、河流B河面的溫度場。該水源熱泵項(xiàng)目取退水部分三維模型見圖6。

3.2模擬結(jié)果分析

（1）夏季工況模擬。

夏季退水溫度為308 K（35℃），夏季兩條河流河面溫度場及河流B距河流A河岸45 m處截面溫度場模擬結(jié)果分別見圖7（a）、圖7（b）所示。

從圖7（a）可以看出，退水水流對河流A上游取水口周邊溫度場無影響；從圖7（b）可以看出，河流B匯入河流A之前的平均水溫為3Q 51℃（基礎(chǔ)溫度30℃），溫升低于1℃，表明退水不會對河流A產(chǎn)生影響。

（2）冬季正常工況模擬。

冬季正常工況下退水溫度為276 K（3℃），冬季正常工況下兩條河流河面溫度場及河流B距河流A河岸45 m處截面溫度場模擬結(jié)果分別見圖8（a）、圖8（b）所示。

從圖8（a）可以看出，退水水流對河流A上游取水口周邊溫度場無影響；從圖8（b）可以看出，河流B匯入河流A之前的平均水溫為7.31℃（基礎(chǔ)溫度8℃），溫降小于1℃，表明退水不會對河流A產(chǎn)生影響。

（3）冬季極端工況模擬。

冬季極端工況下退水溫度為276 K（3℃），冬季極端工況下兩條河流河面溫度場及河流B距河流A河岸45 m處截面溫度場模擬結(jié)果分別見圖9（a）、圖9（b）。

從圖9（a1可以看出，退水水流對河流A上游取水口周邊溫度場無影響；從圖9（b）可以看出，河流B匯入河流A之前的平均水溫為5.39℃（基礎(chǔ)溫度6℃），溫降小于1℃，表明退水不會對河流A產(chǎn)生影響。

通過對夏季、冬季正常工況、冬季極端工況河流A及河流B河面溫度場的模擬可以看出，3個工況下退水于河流B中的水流均不會對位于河流A上游的取水口產(chǎn)生影響；3個工況下河流B匯入河流A之前的平均水溫與每個工況基礎(chǔ)溫度相比較，溫升（降）均低于1℃，這表明退水水流不會對河流A產(chǎn)生影響。

4項(xiàng)目節(jié)能效果

隨著泵站裝置、閥門、拍門等水力機(jī)械設(shè)備的研究成果不斷涌現(xiàn)，水力機(jī)械設(shè)備性能得以提升，有助于提高水源熱泵項(xiàng)目的效率。水源熱泵技術(shù)被廣泛應(yīng)用的一個重要原因是其在節(jié)能方面的優(yōu)勢，建筑節(jié)能已經(jīng)成為我國的基本國策之一，針對水源熱泵項(xiàng)目節(jié)能效果的研究成果較多。通過估算，該水源熱泵項(xiàng)目與常規(guī)方案相比較，年節(jié)約用水429 113 t（折標(biāo)煤36 79 tce），夏季節(jié)約電能消耗470 42萬（k·Wh）（折標(biāo)煤578 62 tce）；雖然冬季采用水源熱泵方案耗電增加1 385.22萬（kW·h）（折標(biāo)煤1 712.02 tce），但減少燃?xì)庀?10.22萬m³（折標(biāo)煤6 19S.75 tce），全年節(jié)約能源折合標(biāo)煤5 1 57.675 9 tce。

5結(jié)語

一個完整的水源熱泵項(xiàng)目設(shè)計(jì)包含供能面積統(tǒng)計(jì)、負(fù)荷分析、技術(shù)方案、取退水方案、供能管網(wǎng)方案、投資造價及節(jié)能分析等多個方面的內(nèi)容，其中取退水分析作為十分重要的一部分，取退水對江河表面溫度場的影響分析至關(guān)重要。該水源熱泵項(xiàng)目從河流A取水、退水于河流B中，通過對夏季、冬季正常工況、冬季極端工況的模擬分析，退水不會對取水口、河流A及河流B產(chǎn)生影響。此外，該水源熱泵項(xiàng)目節(jié)能效果明顯。通過分析水源熱泵項(xiàng)目取退水對河流的影響、項(xiàng)目節(jié)能效果等內(nèi)容，為未來水源熱泵項(xiàng)目的應(yīng)用及技術(shù)創(chuàng)新提供一定參考，能夠有效推動節(jié)能環(huán)保行業(yè)的發(fā)展。