夏熱冬暖地區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廣州市建筑科學研究院有限公司
2廣州大學土木工程學院
3中建三局第一建設工程有限責任公司

地表水源熱泵技術的應用一般受地理條件和氣候因素的制約，在適宜的地區應用更能體現它的優勢。以某實際工程為例，分別從水溫、水質、取水方案和溫排水四個方面證明了在夏熱冬暖地區采用湖水源熱泵的可行性。結果表明：在夏熱冬暖地區湖水作為熱泵冷熱源收納體是切實可行。

夏熱冬暖湖水源熱泵可行性

近年來，隨著建筑業的快速發展與人民生活水平的提高，建筑能耗日益增加，并成為我國的第一能耗大戶[1]。如何利用新能源技術實現節能減排、維持可持續發展理念已經成為人們關注的重中之重。水源熱泵技術是一種利用可再生能源和低品位熱能的技術，通過熱力循環，把低品位的熱能從低位熱能轉移到高位熱源，可以節省一定量的高品位能，如煤、電、燃氣、石油等，是一種清潔節能的技術，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、娛樂性質為一體的五星級商務酒店，位于陽江市鴛鴦湖西側地段，距離該市最大的人工湖——鴛鴦湖約100m，對利用湖水源熱泵技術具有得天獨厚的條件。本工程總建筑面積88615m2，建筑高度49.8m，地上12層。其中1～3層為商業及其相關功能（不作為本文的研究對象），4～12層為酒店及其相關功能，擁有客房286間，該部分空調面積為40000m2，占總建筑面積的45.14%。夏季空調計算最大冷負荷約為5000kW，冬季空調計算最大熱負荷約為1700kW，生活熱水計算最大熱負荷約為1200kW。酒店部分采用湖水源熱泵系統，根據實際空調負荷及用能情況，本工程的冷熱源設備由2臺制熱量560kW高溫水源熱泵機組，2臺制冷量1739.1kW，制熱量1650kW的中溫水源熱泵機組和1臺制冷量1739.1kW的單冷中溫水源熱泵螺桿機組組成。系統流程圖見圖1，該系統為酒店夏、冬和過渡季節的空調系統提供冷熱源和生活熱水。

圖1 酒店湖水源熱泵系統流程圖

2 湖水源利用可行性分析

水量充足，水溫適度，水質適宜，供水穩定是水源熱泵對水質的要求。雖然水源熱泵具有高效節能，運行穩定，環保友好，一機多用等優點，但是它同時受到初投資，地理條件和氣候因素的制約。

2.1 夏熱冬暖地區氣候特點

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

同樣，位于我國夏熱冬暖地區之一的陽江市，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，全年無霜期約350天，基于這樣氣候特征，本工程應用湖水源熱泵技術具有天然的優勢。

表1 福州和廣州的氣候參數（℃）

2.2 水溫

水溫是水源熱泵系統正常運行的重要參數之一。國內外對地表水熱泵的研究中表明，地表水在利用過程中不能發生結冰現象，在氣候寒冷的區域，在冬季，若地表水溫低于5℃時，則不適宜采用開式水源熱泵系統。我國的寒冷地區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實施的一個瓶頸。相反，在我國南方地區，尤其冬暖夏熱地區，就地表水溫來說，應用地表水源熱泵技術是可行的。根據美國制冷學會ARI320標準，開式系統水源熱泵對水溫的要求是5～38℃，在水溫10～22℃之間運行時能效比較高[4]。以陽江市鴛鴦湖為例，該湖湖水面積為47公頃，是市區最的大人工湖，平均水深常年6m～10m，水溫常年在10～28℃波動，水質較好，為地表水源熱泵系統的應用提供了天然的地理條件。如表2所示為取自2009年7月至2010年2月月水庫水文資料，在經歷2009年5月份干旱后，2009年7月份水位恢復至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 湖水水質及分析

合格的水質，是保障地表水源熱泵系統正常運行的又一重要因素。在開式系統中，湖水進入機組前要經過換熱器換熱，為了避免嚴重腐蝕機組、管道、閥門，選用四臺旋流除砂器和兩臺全程綜合水處理器對水質進行處理。

湖水先經過旋流除砂器，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，從而達到除砂的目的。然后，湖水經過全程綜合水處理器，在高頻電磁場和超凈過濾技術下，通過活性體鐵質濾膜，機械變徑孔阻擋及電暈效應場三位一體的綜合過濾體的作用下，吸附、濃縮在實際運行工況下各種水系統形成的硬度物質及復合垢，降低其濃度，從而達到控制污垢及大部分硬度垢的目的。這一過程在系統正常運行狀態下，可以完成防垢、防腐、殺菌、滅藻、超凈過濾、控制水質綜合功能。設備滅藻、滅菌率＞95%，過濾效率為70%～98%，防垢、除垢率＞96%，年腐蝕率＜0.125mm。

如表3所示，經過水處理設備處理過后水質比原來水質更好。另外，循環水側均采用螺旋板式換熱器進行熱交換，系統運行中加藥及補水等均不會影響到湖水側，且循環水量占整個湖體庫容比重很小，長時間運行不僅不會對湖體水質造成影響，更有凈化水質、防止水體富營養化的作用。

表3 水質處理前后檢測結果

3 工程取水方案

為了保證該系統長期安全穩定運行，本工程湖水源熱泵系統采用直接取水，間接利用的開式方式，即：該系統在湖水和二次水之間設置了螺旋板式換熱器，冷水機組冷凝器側通過水泵與螺旋板式換熱器側進行熱交換，湖水側通過循環水泵吸取底層湖水與螺旋板式換熱器進行熱交換，將熱泵機組熱量散入湖體。

圖2 鴛鴦湖輪廓圖

水源熱泵機組水流量，取排水溫差等因素都會影響整個系統的的節能性以及初投資，對于兩者距離超過500m的工程，必須全面地進行技術經濟比較分析。開式地表水換熱系統取水口應遠離回水口[5]，根據該工程的實際位置，取水管從外圍護結構出來到取水口的距離是270m，排水管從機房出來到噴泉水池約80m，如圖2所示，由于排水口與取水口相距較遠，忽略其對取水口溫度的影響。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，在不影響市政管網的前提下，在地面下2.5m處鋪設取水管。

4 排水口溫升CFD模擬分析

地表水換熱系統設計前，應對地表水熱泵系統運行水環境的影響進行評估[5]。

4.1 取排水溫差

取排水溫差與進出水流量關系如下：

式中：Q為負荷，kW；Δt為取排水溫差，℃；m為流量，m3/s。

制冷期取排水溫差按5℃計算，得到流量為0.363m3/s。

4.2 湖體模型搭建

結合當地水文資料及實際勘探湖水各處水位深度及取排水口位置，對排水口建立模型，為簡化模型體量，將排水口處岸邊外形簡化。如圖3中所示，設置A～K共12個點位，其中GH為湖岸邊基線，O點為簡化后的排水點。使用Gambit將模型搭建，邊界條件劃分如表4所示，計算區域網格劃分后如圖4所示。

表4 邊界條件劃分表

圖3 排水口位置及簡化模型

圖4 排水口計算區域網格劃分

4.3 模擬結果及分析

結合鴛鴦湖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℃。一般來說，如果地表水體深度小于3m，水體就不會由于溫度差異而產生分層現象。本工程湖水溫度不考慮水體分層的影響，主要對夏季溫擴散情況進行模擬分析。項目前期將機組放熱、吸熱量與機組、水泵等耗功量設備對整個湖體平均溫升做了計算分析，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模擬軟件對排水口溫升進行了模擬分析，模擬熱泵系統連續迭代3000次（圖5）湖體溫排水熱擴散情況（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整個湖體的影響局限于圖中黃色區域所示部分，高于湖體水溫3～4℃，面積約為4500m2，圖中其他區域溫升對湖體熱環境影響非常小，故采用該位置作為熱水排水口合適。

圖5 模擬熱泵系統連續迭代3000次

圖6 湖體溫排水熱擴散情況

圖7 排水口處速度分布矢量圖

本工程根據實際勘探測量后發現排水口處水深達6m，考慮湖水豐水期與枯水期水位變化，將排水口設置于距湖底1m的樁基上，不僅能降低湖底雜質對排水管的影響，更能減少熱排放對環境影響。

利用CFD流體模擬軟件對溫排水口進行模擬后發現，超溫水體約占整個鴛鴦湖體的0.9%，影響范圍非常小，并且夏季溫排水先通過景觀噴泉，把大量的熱量散發掉，使水溫保持在32℃以下。經過對酒店冬夏季各工況下鴛鴦湖湖體吸熱及散熱量分析，滿足夏季周平均溫升不超過1℃，冬季周平均溫降不超過2℃的要求，鴛鴦湖湖水作為酒店空調系統冷熱受納湖體完全可行。

5 結論

湖水源熱泵系統具有節能、高效、環保等優點，但是它的使用受到地理條件，氣候因素的限制。本文對夏熱冬暖地區的氣候及水溫進行分析研究，說明該地區具有應用湖水源熱泵技術的天然優勢。以陽江某酒店工程為例，分析該湖水源熱泵系統的取水方案的合理性，運用CFD軟件搭建模型，并模擬溫排水對湖體的影響。結果表明，空調排熱引起的湖水溫升不影響空調系統的正常運行，該工程以湖水作為空調冷熱受納體完全可行。

[1]袁幸.夏熱冬暖地區建筑節能設計原理和技術措施[M].北京:中國建筑工業出版社,2010

[2]陳曉.地表水源熱泵理論及應用[M].北京:中國建筑工業出版社,2012

[3]曹振華.淺析水源熱泵技術的特點及發展前景[J].中國住宅設施,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]建設部.地源熱泵系統工程技術規范(GB 50366-2005)[S].北京:中國建筑工業出版社,2009

[6]陳金華,丁勇,王勇,等.重慶開縣人民醫院湖水源熱泵空調系統實測分析[J].暖通空調,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；廣州市白云區白云大道北833號702室（510440）；E-mail:23502449@qq.com