湖水源熱泵溫(冷)排水三維溫度場數值模擬

祝　悅,韓龍喜

(河海大學環境學院,江蘇 南京　210098)

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湖水源熱泵溫(冷)排水三維溫度場數值模擬

祝悅,韓龍喜

(河海大學環境學院,江蘇 南京210098)

摘要：結合南京某湖水源熱泵工程項目,利用三維數學模型對系統運行時溫(冷)排水溫度場進行數值模擬,預測溫(冷)排水擴散范圍及溫升(降)程度。結果表明:該項目造成的湖泊溫升(降)滿足地表水環境質量標準要求;溫、冷排水受密度影響,從湖泊表層排放后擴散情況不同,溫排水對湖泊表層水溫影響較大,排放口附近區域水溫層趨水平方向分布,而冷排水對湖泊底層水溫影響較大,排放口附近區域水溫層趨垂直方向分布;相同排放流量、排水方式情況下,冷排水對湖泊水溫的影響更大。

關鍵詞：湖水源熱泵;溫(冷)排水;三維溫度場;數值模擬

地表水源熱泵是一種以江、河、湖、海等地球表面的水體作為熱源進行制冷/制熱循環的熱泵,在制熱的時候以水作為熱源,在制冷的時候以水作為排熱源[1]。地表水源熱泵技術是一種可再生能源利用技術,具有運行穩定、環境效益顯著、高效節能等優勢,近年來被大力推廣[2-3]。湖水源熱泵作為地表水源熱泵的一種,其應用方案的可行性已經在實際應用中得到證明[4-6],但其研究主要集中在技術應用上,而針對湖水源熱泵溫(冷)排水在受納水域的溫度擴散規律的研究很少。

關于溫排水對自然水體的影響,國內外研究多集中于發電廠冷卻水對海洋熱環境影響方面[7-9],而有關冷排水造成受納水域溫降對水環境的影響的研究較少。對溫排水的數值模擬,目前多集中在沿垂向積分的平面淺水二維模型上,但二維模型由于深度平均的緣故,無法估計排水口附近水溫層厚度,模擬溫(冷)排水時,可能會導致平面上溫升(降)區面積偏小[10]。

筆者結合南京某湖水源熱泵工程項目,利用三維數學模型對溫(冷)排水熱擴散情況進行數值模擬,預測溫(冷)排水擴散范圍及溫升(降)程度,分析排水口附近區域水溫層分布特征,探討溫排水和冷排水對排水口附近區域水溫的不同影響,旨在為湖水源熱泵系統的設計和運行提供參考。

1工程概況

1.1　建筑和氣候概況

南京某度假中心項目總建筑面積90 999 m2,是集旅游、度假、休閑、運動、商務、生活為一體的綜合建筑群。其酒店與部分商務樓空調系統設計采用以地表水為冷(熱)源的水源熱泵系統。該系統就近利用項目附近湖泊水的低溫低位熱能資源,利用熱泵技術,通過少量的高位電能輸入,實現低位熱能向高位熱能的轉移,進行夏季制冷,冬季供暖,并兼供熱水。

項目所在區域常年平均氣溫為15.1℃,較高的1961年平均氣溫為16℃,較低的1969年平均氣溫為14.3℃。2012年最低月平均氣溫為2.2℃(1月),最高月平均氣溫為29.2℃(7月)。全年無霜降期為228 d,平均氣壓為101.55 kPa,略高于海平面標準氣壓。境內最多風向為東風,夏季多東風和東南風,多年平均風速2.8 m/s;冬季多東北風和西北風,多年平均風速為2.3 m/s。多年平均降水量為999.8 mm,多年平均蒸發量為1 459.6 mm。

1.2　冷熱源方案

對項目取水口附近的3個采樣點進行水質監測,湖水水質為Ⅱ～Ⅲ級,滿足水源熱泵系統對水質的要求。湖水由取水口泵送經簡單處理后,進入熱泵主機的換熱器,在封閉環路中循環后排入湖內。取水量和退水量相等,沒有水的損耗,水質基本無變化,夏季排水水溫溫升3℃,冬季排水水溫溫降2℃。退水實施分散淺排,可減小對湖泊水體的影響[11]。

湖水源熱泵系統負擔夏季冷負荷4 393.07 kW,冬季熱負荷2 907.24 kW。夏季空調制冷期間,設計取水量為750 m3/h,每天開機12 h,制冷期為120 d;冬季供暖期間,取水量為750 m3/h,每天開機12 h,供暖期為90 d;春秋季節基本停用,僅啟新風和輔助加熱水。

2三維水溫數值模擬

為實現溫(冷)排水的精細模擬,筆者建立三維水溫數學模型,分別對溫排水和冷排水熱擴散情況進行數值模擬。

2.1　模型介紹

筆者采用MIKE3建立數學模型,對溫(冷)排水熱擴散情況進行數值模擬。MIKE3軟件由丹麥水資源及水環境研究所(DHI)研發,可用于模擬港口、河流、湖泊水庫、河口和海洋的水動力、水質、泥沙輸移問題,具有先進的前后處理功能和友好的用戶界面。MIKE3模型的數學基礎是雷諾平均化的N-S方程,它包括了紊流影響及密度變化,同時包含了鹽度及溫度平衡方程,其水動力學模塊采用交替方向隱式迭代法(ADI方法)對質量及動量守恒方程進行積分,對其產生的數學矩陣采用雙精度掃描法(DOUBLE SWEEP)進行求解[12]。

2.2　模擬范圍和網格構建

為探討湖水源熱泵溫(冷)排水對受納湖泊水溫結構的影響,以整個湖區為模擬范圍,但重點關注排放口附近水溫變化情況。本研究受納湖泊面積約8.8 km2,平均水深約8 m,采用該湖泊2013年實測水下地形作為模型計算條件,離散得到各個節點的湖底高程,見圖1。為了較精確擬合天然水域的復雜邊界,水平方向上采用無結構三角網格劃分計算區域,在排水口附近區域適當加密以提高模型的計算精度,非加密區域網格邊長約100 m,加密區域網格邊長約為50m,垂直方向上采用均勻分層模式,即任何兩層網格的間距與總水深的比值相等,垂直方向上分為5層,研究區域平面網格布置如圖2所示。

圖1　研究區域地形(單位：m)

圖2　平面網格布置

2.3　定解條件及參數取值

2.3.1定解條件

a. 初始水位。根據該項目湖泊水文站1980—2001年水文監測資料,該湖泊多年平均水位22.8 m。據2012年1月至2013年9月逐月水位監測數據,2012年最高水位23.51 m(9月),最低水位22.18 m(7月),平均水位23.03 m,2013年最高水位23.57 m(6月),最低水位22.43 m(9月),平均水位23.17 m。采用多年平均水位作為模擬的初始水位條件。

b. 初始水溫。根據下關長江水文站資料,南京地區夏季7、8月份平均水溫一般在30℃,冬季1、2月份平均水溫一般在7℃,可作為該項目附近湖泊月平均水溫。實測該湖泊水溫,2014年1月4日水溫為6.3℃,2014年1月10日水溫為5.6℃,與南京地區相同季節時的地表水溫基本一致。由于湖泊表層水溫和底層水溫相差不大,為著重探討溫(冷)排水對湖泊的水溫結構影響,不考慮湖泊自然水溫分層,采用南京地區夏季和冬季平均水溫分別作為模擬的初始水溫條件。

c. 流量邊界條件。排水處所在計算單元的流量邊界條件根據實際退水情況給定;出庫流量邊界采用自由出流邊界條件。

d. 水溫邊界條件。排水處所在計算單元的水溫邊界條件根據實際退水水溫變化情況給定;出庫水溫邊界條件設定為湖泊自然水溫。

2.3.2參數取值

a. 糙率。依據資料,預測區域糙率取值范圍為0.020～0.033,本項目糙率取為0.028。

b. 熱擴散系數。在MIKE3軟件中,熱擴散系數是按照比例系數乘以紊動黏性系數計算得出,其中,紊動黏性系數由軟件在進行模擬計算時自動算出,比例系數由人為給定,取軟件用戶手冊推薦值1.0。

c. 風場摩擦力。本次模擬考慮靜風條件下溫(冷)排水熱擴散情況。

2.4　模型驗證

水體的水動力特征是分析研究溫(冷)排水熱擴散特征的基礎,由于該湖水源熱泵系統還未建成使用,尚無熱泵系統運行時流場實測資料,故對湖泊原流場進行數值模擬,并利用排放口附近代表性測點實測資料進行水動力模型的率定和驗證。排放口附近,平行于岸邊各測點(離岸80 m)表層流場流速驗證見圖3,垂直岸邊各測點表層流場流速驗證結果見圖4。從模型流場的驗證結果來看,代表性測點流速平均誤差小于15%。

圖3　平行于岸邊各測點流速驗證結果

圖4　垂直岸邊各測點流速驗證結果

2.5　模擬結果與分析

2.5.1夏季溫度場

夏季熱泵系統排水量750 m3/h,排水溫升3℃,湖水自然水溫30℃,連續運行一周后湖體溫升分布情況如圖5所示。模擬結果是在忽略土壤與湖體換熱基礎上得出的,并且考慮機組連續運行情況,所以實際湖體熱擴散范圍更小,溫升(降)更小。

由圖5可知,夏季溫排水對湖泊表層水溫影響范圍和影響程度最大,影響隨著水深的增加顯著減小。表層最大溫升區域溫升約為0.46℃,中層最大溫升區域溫升約為0.21℃,底層最大溫升區域溫升約為0.15℃。在排放口附近區域溫度梯度很大,距離越遠溫度梯度越小。

退水對湖體造成的溫升均小于1℃,滿足地表水環境質量標準要求:人為造成的環境水溫變化應限制在:周平均最大溫升≤1℃[13]。

2.5.2冬季溫度場

冬季熱泵系統排水量750 m3/h,排水溫降2℃,湖水自然水溫7℃,運行一周后湖體溫降分布情況如圖6所示。

圖5　夏季各層溫升分布

圖6　冬季各層溫降分布

由圖6可知,除極靠近排水口處,冬季冷排水對湖泊底層水溫影響范圍和影響程度最大,影響范圍隨著水深的增加而增加。但由于冷排水從湖泊表層排放,最大溫降區域在湖泊表層靠近排水口處,最大溫降約為0.63℃,中層最大溫降區域溫降約為0.33℃,底層最大溫降區域溫降約為0.30℃,但冷排水對底層的影響范圍最大。與溫排水相似,冷排水在排放口附近區域溫度梯度很大,距離越遠,溫度梯度越小。

退水對湖體造成的溫降均小于2℃,滿足地表水環境質量標準要求,即人為造成的環境水溫變化應限制在周平均最大溫降≤2℃[13]。

2.5.3夏季溫度場和冬季溫度場比較

圖5和圖6對比可以看出,由于夏季溫排水密度比自然水體密度小,從湖泊表層排放后,溫排水主要分布在湖泊表層,隨水流向四周擴散,熱擴散呈輻射狀,對湖泊表層水溫影響較大,排放口附近區域水溫層趨水平方向分布;而冬季冷排水密度比自然水體密度大,從湖泊表層排放后,沉降的同時隨水流向壩址處流動,擴散距離較遠,且對湖泊底層水溫影響范圍較大,排放口附近區域水溫層趨垂直方向分布。

排放流量相同、排水方式相同情況下,溫排水(溫升3℃)造成湖泊最大溫升約為0.46℃,冷排水(溫降2℃)造成湖泊最大溫降約為0.63℃,且冷排水對湖泊底層造成較大影響。可見冷排水對湖泊水溫的影響更為嚴重，原因在于溫排水分布在湖泊表層,有利于與外界進行熱交換,冷排水的沉降特征導致與外界的熱交換減少。

3結論

a. 依照該項目水源熱泵空調系統的規模,夏季溫排水造成湖泊最大溫升約為0.46℃,冬季冷排水造成湖泊最大溫降約為0.63℃,滿足地表水環境質量標準要求。

b. 溫(冷)排水受密度影響,從湖泊表層排放后擴散情況不同,溫排水對湖泊表層水溫影響較大,排放口附近區域水溫層趨水平方向分布;冷排水對湖泊底層水溫影響較大,排放口附近區域水溫層趨垂直方向分布。

c. 排放流量相同、排水方式相同的情況下,冷排水對湖泊水溫的影響更大,在進行湖水源熱泵系統的設計和運行時,應重點考慮冷排水對湖泊的影響。

d. 設計時,排水口應盡量靠近水體表面,分散淺排,有利于溫(冷)排水與外界進行熱交換,減小對湖泊的影響。

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Numerical simulation of three-dimension thermal environmental impact of lake-water source heat pump warm/cold water discharge

ZHU Yue,HAN Longxi

(CollegeofEnvironment,HohaiUniversity,Nanjing210098,China)

Abstract：In combination with Lake-water source heat pump project in Nanjing, three-dimensional modeling was established to simulate the thermal environmental impact of warm/cold water discharge when the system is operating, and predict the range of warm/cold water discharge diffusion and the extent of temperature rise/drop. The results show that: the lake-water temperature rise/drop caused by the project meets the requirement of environmental quality standards for surface water. Affected by water density, thermal diffusion of discharged warm water is different from cold water and the discharged warm water has a greater impact on the temperature of surface lake-water and water temperature layering appear to be horizontal near the outfall area, while the discharged cold water has a greater impact on bottom water and the water temperature layering appear to be vertical near the outfall area. With the same emission load and the same emissions way, cold water discharge has greater impact on the water temperature of the lake.

Key words：lake-water source heat pump; warm/cold water discharge; three-dimensional temperature field; numerical simulation

(收稿日期：2015-03-26編輯：彭桃英)

中圖分類號：X524

文獻標志碼：A

文章編號：1004-6933(2016)01-0130-05

作者簡介:祝悅(1990—),女,碩士研究生,研究方向為水動力及擴散質輸運數值模擬。E-mail:zhuyue5151@sina.com

DOI：10.3880/j.issn.1004-6933.2016.01.023