湖水源熱泵溫排水對水體溫度場影響研究綜述

岳勁松 洪順軍

(中節能先導城市節能有限公司，湖南 長沙 410208)

?

湖水源熱泵溫排水對水體溫度場影響研究綜述

岳勁松 洪順軍

(中節能先導城市節能有限公司，湖南 長沙 410208)

介紹了湖水源熱泵空調系統的取水方式及水體承載能力，并結合工程實例，通過試驗模型，研究了湖水源熱泵溫排水對水體溫度場的影響，對湖水源熱泵的應用及節能研究具有重要意義。

湖水源熱泵，取水方式，溫度場，節能

0 引言

湖水源熱泵空調系統利用湖水作為熱源，采用熱泵技術原理，通過輸入少量的高位電能，把湖水中的低位熱能轉化成高位熱能[1]。湖水源熱泵溫排水對湖水水體會產生一定影響，很多研究人員圍繞湖水源熱泵取水方式、運行特性、水體承載能力、溫排水對水體溫度場的影響、經濟性分析等方面作了大量的研究。本文在對國內外湖水源熱泵相關研究文獻進行總結的前提下，對湖水源熱泵取水方式、水體承載能力、溫排水對水體溫度場的影響等三個方面作了綜述分析。

1 取水方式分析

在湖水源熱泵項目中，常見的取水方式有虹吸取水、負壓引流取水等，取水方式對湖水源熱泵系統的性能會產生一定影響。早在2000年，美國一所大學就對以CayuCornellga湖作為熱源的湖水源熱泵工程取水方法進行了研究，該項工程在2002年獲ASHRAE技術獎[2]。

隨著數值分析技術的快速發展，很多研究人員陸續采用數值分析方法來研究這一問題，Joehnk在總結分析相關文獻的基礎上，提出能描述分層水體動量與能量交換的水動力模型，進一步研究了水體分層問題，為湖水源熱泵取水方式的選擇提供了參考[3]。范亞明[4]提出在穩流器底部取水，在同溫層退水的理想狀態，并建立理想取水溫度模型，通過研究得到：增加水深、增大取退水溫差、較差的水質、同溫層退水等都有助于增大湖泊的理想供冷能力的結論。陳金華等[5]以某湖水源熱泵項目為例，發現點取水方式會影響空調系統的節能效果，并提出了線取水方式，其對湖水的影響可以忽略不計。

翁雯[6]提出開式湖水源熱泵對湖水水質的要求和處理方法，通過分析確定了取退水口的位置，并計算了取水量。楊建坤等[7]以湖水源熱泵項目為例，分別從溫排水、取水方式、水質及水溫等4個方面驗證了夏熱冬暖地區湖水源熱泵項目的可實施性。

2 水體承載能力分析

在湖水源熱泵項目中，首要解決的問題是湖水水體供能能力是否能滿足實際需求，對水體承載能力的分析至關重要。Rose R[8]，Berntsson[9]就針對這一問題開展了相關研究工作，研究成果為水體供能能力分析提供了指導。

2.1 湖水熱分層分析

吳浩[10]在分析湖水熱分層問題的基礎上，建立了水溫模型。采取求解含負荷的水流水溫模型的方法獲得了水體承擔的最大熱負荷，并進行了實例研究，得到了水體能承載的最大冷負荷與機組能效比、平均水溫、水體平均水深之間的關系式。范蕓青[11]建立了湖水源熱泵系統分析軟件，通過建立靜態湖水全年溫度模型，對湖水的供冷極限負荷進行了分析，并與實測數據進行了對比分析，充分驗證了湖水供能承載能力。

2.2 水體承載能力計算方法

王勇等[12]以重慶地區氣候條件為基礎，詳細分析了強降雨、夜雨對湖水熱承載能力產生的影響，對整個供冷期來說，強降雨會增大湖水的熱承載能力，會影響湖水源熱泵運行的能耗，而夜雨對供冷期的影響不大，對系統運行的能耗影響也不大。童明偉等[13]以某湖水源熱泵系統設計為例，分析了湖水的熱承載能力，對冬季工況下湖體的逐時溫度作了模擬分析，得到：系統在冬季運行時，以13.7 ℃為初設溫度，分析1月份湖體逐時溫度，湖水的溫度不斷下降，當模擬運行至第24天時，湖水溫度降低至4.04 ℃，有可能導致蒸發器結冰而影響設備運行，必須采取電輔加熱等補救方法。

劉義坤[14]采取集總參數模型構建了湖水源熱泵溫度模型，并計算了湖體的最大供能能力，為湖水源熱泵水體承載能力分析提供了參考。王勇等[15]基于流體運動方程N-S方程，結合能量、質量及水溫方程，構建了湖水源熱泵湖水溫度變化的數學模型，以夏季工況取水溫度極限數據為依據，求解得到夏季不同初設水溫及不同負荷下能夠承載的最大排熱量，并利用回歸方法，獲得了湖水熱承載能力的驗證方程，在與實測數據對比分析的基礎上，驗證了湖水源熱泵系統的可實施性。

3 溫度場影響分析

針對湖水源熱泵項目，由于其取排水量大、循環水量大，溫排水會對湖水產生一定影響，研究湖水源熱泵空調系統取排水對湖水溫度場的影響就顯得至關重要。

3.1 模型研究

劉鵬等[16]以湖水源熱泵空調系統在湖水側換熱平衡的原理為基礎，分析推導出湖水水溫計算模型，利用試驗數據對模型進行了驗證，并以深圳地區某湖水源熱泵項目為例，利用該計算模型對湖水溫度變化作了預測分析，為湖水源熱泵空調系統設計提供了依據。

Antero A M[17]以某一湖水源熱泵項目為例，建立了用電量分析模型，將傳統空調系統用電量與湖水源熱泵系統用電量進行了對比分析，研究結果顯示：湖水源熱泵系統節省用電量75%。

3.2 實例及試驗研究

陳金華等[18]以重慶某湖水源熱泵系統為研究對象，對不同深度湖水自然溫度和系統運行過程中的水溫、距退水點不同距離處的水溫變化以及取水口和換熱器進水口的水溫差作了分析，并分析了系統運行過程中湖水水溫變化對空調系統運行所產生的影響，基于實測數據對系統優化設計提出了建議。

劉冰等[19]以南京某湖水源熱泵項目為例，構建了排水水流模型以及考慮湖水面綜合散熱系數的溫度場模型，利用溫度場模型與水流模型耦合的數值分析方法研究了湖水源熱泵在夏季東風、夏季靜風、冬季東北風、冬季靜風四個工況下系統排水對湖水溫度場產生的影響，結果表明：湖水源熱泵排水導致的水溫變化在地表水環境質量標準限定的范圍內，湖面綜合散熱系數的變化對湖水溫度場分布所產生的影響極為顯著。

郝小充[20]以某湖水源熱泵項目為例，構建了溫排水熱擴散模型，采取C++軟件編寫了水面熱通量及水面綜合散熱系數計算模型，通過計算得到了供暖季及制冷季水面熱通量平均值和水面綜合散熱系數平均值，并建立了制冷季運行工程下的湖水源熱泵空調系統試驗臺，其包含了流量控制系統、水槽溫排水換熱系統、溫度數據采集系統、加熱控溫系統，將試驗獲得的排水口溫升數據與模擬數據進行對比分析，結果顯示兩者變化趨勢一致。

3.3 環境影響研究

隨著湖水源熱泵應用進程的加快及相關研究的陸續展開，除了對其取水方式、水體承載能力、溫度場影響、運行特性等方面的研究之外，近年來，針對湖水源熱泵對環境的影響研究成果不斷涌現，研究人員開始關注其對環境所造成的影響。

黃向陽等[21]以重慶某湖水源熱泵項目為研究對象，經過對該項目運行過程中尾水受納湖泊區域浮游植物、水溫、磷、氮的長期監測，分析了湖水源熱泵空調系統尾水對湖水富營養化進程所產生的影響，研究結果表明：制冷季系統長時間運行會導致退水口位置附近區域水溫上升，當系統溫排水水溫低于30 ℃時，退水導致的溫升會使得退水口附近磷、氮含量升高，綠藻、藍藻數量急劇增加，會加速湖水的富營養化，當溫排水水溫高于33 ℃時，溫度過高會抑制綠藻、藍藻等藻類的生長；而冷排水會使得退水口附近浮游植物總量減少，硅藻占比會增加，冷排水會抑制部分藻類的生長，能夠緩解湖水富營養化，此外，因為溫差小，在冷排水的擾動下，湖水中沉積的營養鹽會不斷被釋放，繼而會促進湖體的富營養化。

4 結語

針對湖水源熱泵空調系統的研究方向很多，主要是圍繞取水方式、水體承載能力、溫度場影響、運行特性、環境影響等進行，國內外學者圍繞湖水源熱泵取水方式、水體承載能力、溫度場影響等方面作了很多研究，也誕生了很多新的研究成果。溫度場影響分析一直是湖水源熱泵領域重點的研究課題之一，其影響著項目的可實施性，相關研究主要集中在模型研究、實例及試驗研究、環境影響研究等多個方面，隨著國內外節能環保政策的逐步實施，未來環境影響研究將會成為湖水源熱泵領域的重點研究課題。

[1] ASHRAE. ASHRAE Handbook Application[S].1999.

[2] Tim Peer, P E. Lake-source cooling[J].ASHRAE Journal，2002,4(44):38-39.

[3] K.D.Joehnk, L.Umlauf. Modelling the Metalimnetic Oxygen Minimum in a Medium Sized Alpine Lake[J]. Ecological Modelling,2001(36):70-79.

[4] 范亞明.湖庫塘開式水源熱泵的水體傳熱與系統性能研究[D].重慶：重慶大學,2009.

[5] 陳金華,劉 猛,吳淑霞，等.湖水源熱泵空調系統取水方式性能分析[J].湖南大學學報(自然科學版),2009,36(12):79-83.

[6] 翁 雯.南京市湖水源熱泵系統的應用研究[D].南京：南京師范大學,2011.

[7] 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[J].建筑熱能通風空調,2014,33(4):57-60.

[8] Rose R. Heat pump in Europe-a overview[A].Proceedings of the 7th International Energy Agency Heat Pump Conference[C].2002:47-53.

[9] Thore Berntsson. Heat sources-technology, economy and environment[J].International Journal of Refrigeration,2002(25):428-438.

[10] 吳 浩.湖水源熱泵系統水體承載能力的研究[D].重慶：重慶大學,2008.

[11] 范蕓青.湖水源熱泵系統性能研究及軟件開發[D].重慶：重慶大學,2010.

[12] 王 勇,韓傳璞.基于降雨工況的開式湖水源熱泵系統效率分析[J].中國給水排水,2011,27(21):100-104.

[13] 童明偉,秦增虎,張二峰.有限容積的湖水源熱泵冬季供暖運行分析[J].重慶大學學報,2012,35(8):6-10.

[14] 劉義坤.湖水源熱泵水體供冷能力計算分析[J].制冷與空調,2013,27(4):362-366.

[15] 王 勇,韓傳璞.開式湖水源熱泵系統的水體熱承載能力計算方法[J].太陽能學報,2012,33(9):1541-1546.

[16] 劉 鵬,田智華,陳 煉.深圳地區湖水源熱泵湖水溫度預測模型的研究[J].建筑熱能通風空調,2012,31(3):5-7.

[17] Antero A M. Laker as a heat source in cold climate International Congress of Refrigeration[J].Energy,2003,35(11):20-25.

[18] 陳金華,劉 勇,丁 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.

[19] 劉 冰,劉加才,龐炳乾，等.湖水源熱泵退水對湖體溫度場影響評價[J].可再生能源,2015,33(4):572-577.

[20] 郝小充.開式湖水源熱泵系統溫排水熱擴散模擬研究[D].南京：南京師范大學,2012.

[21] 黃向陽,周 健.湖水源熱泵系統尾水排放對湖泊富營養化進程的影響研究[J].環境工程學報,2010,4(9):1945-1949.

Review of lake water source heat pump thermal discharge effect study on the water temperature field

Yue Jinsong Hong Shunjun

(Cecep&CpihCityEnergyConservationCo.,Ltd,Changsha410208,China)

The paper introduces the water supply approach, water loading capacity of the lake water heat pump air-conditioner, researches the influence of the lake water source heat pump thermal discharge on the water temperature field by the tests by combining with the engineering cases, so it is meaningful for applying the lake water source heat thermal discharge and energy-saving research.

lake water source thermal pump, water means, temperature field, energy-saving

1009-6825(2016)32-0138-03

2016-09-06

岳勁松(1968- ),男，碩士； 洪順軍(1988- )，男，碩士

TU833.3

A