水源熱泵系統取退水方案與溫度場模擬

洪順軍　杜衛　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目，介紹了某水源熱泵項目概況及取退水方案，計算了夏季工況、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行了數值模擬，并分析了水源熱泵項目的節能效果。研究結果表明：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生影響；河流B匯入河流A之前平均水溫與河流A基礎溫度相比較，溫升（降）低于1℃，退水不會對河流A產生影響；項目節能效果顯著。通過研究水源熱泵取退水對河流溫度場的影響以及項目的節能效果，對水源熱泵項目的設計與優化有一定參考作用。

關鍵詞：水源熱泵；取退水；溫度場；數值模擬；節能

中圖分類號：TK79 文獻標識碼：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能（電能、機械能等）為代價，基于熱力循環原理，將熱能由低溫物體轉移至高溫物體的能量利用系統。水源熱泵是熱泵的一類，水源熱泵是一種被廣泛應用的熱泵系統，其能效比高于空氣源熱泵，尤其是采用水源熱泵技術能夠有效降低整個空調系統能耗，充分提高能源的利用率。近幾年來，國內將水源熱泵的應用范圍進行了拓展，在水源熱泵項目的基礎上誕生了很多湖水源熱泵項目，圍繞該種技術形式的研究課題較為豐富，其中針對取水方式、系統能效以及節能效果等問題的研究較多。

1項目概況

1.1供能面積及負荷

某水源熱泵項目供冷（熱）面積為136.6萬m²，建筑業態包括商業、住宅。根據《全國民用建筑工程設計技術措施》（暖通空調·動力），結合項目建筑的具體使用情況，確定了各建筑設計日的逐時冷負荷系數；根據陸耀慶主編的《實用供熱空調設計手冊》（第二版），確定了各建筑業態的同時使用系數，該項目設計日逐時冷熱負荷見圖1。

從圖1可以看出，該項目設計日供冷負荷為69.9 Mw，供熱負荷為35.4Mw。

1.2技術形式

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用提供了參考，有利于熱泵項目的優化設計。該項目臨近河流A及河流B，河流A流量遠遠大于河流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域內建筑進行供能的項目，在考慮系統經濟性及效率的基礎上，采用水源熱泵與冷水機組相配合的技術形式，該項目水源熱泵系統主機配置見表1。

2取退水方案

2.1取水量分析與計算

2.1.1夏季取水量分析計算

根據《實用供熱空調設計手冊》（第二版），對于水源熱泵項目，夏季取水量可根據式（1）進行計算：

（1）式中：a為取水系數，在設計過程中，考慮到取水安全、水處理損耗以及水泵并聯后流量會衰減，根據設計經驗取1.1；Q₁為取水量（m³/h）；W₁為夏季冷負荷（kw）；COP₁為主機制冷效率，該項目主機夏季CDP₁為5.67；T₁為取退水溫差，該項目設計取退水溫差為5℃。

結合該項目夏季設計日逐時供冷負荷數據，可計算出夏季設計日取水量，具體見圖2。

2.1.2冬季取水量分析計算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算參照式（2），其中主機冬季極端工況COP3為4.0取退水溫差T₃為3℃，其他參數保持不變。通過計算，冬季極端工況下設計日各時刻取水量見圖4。

從圖4可以看出，該項目冬季極端工況下設計日總取水量為13.59萬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計日取水量的80%，冬季極端工況下周總取水量為：W_3w=0.8×13.59×7=76.1萬m³，平均小時取水量為0.45萬m³。

該項目夏冬兩季取水量見表2。

2.2取水及退水位置

由于該項目靠近河流A及河流B，項目能源站從河流A經取水頭部取水，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，采用多點退水方式。

3溫度場數值模擬

ANSYS-CFX軟件主要應用于大壩、水輪機、河流污染等項目的流體仿真中。采用CFX對該項目取退水溫度場進行模擬，對于通常的河水流動，湍流模型可選擇標準的k-ε模型。標準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，很多學者采用數值模擬方法對（湖）水源熱泵項目取退水方案進行了研究，成果頗豐。

3.1邊界條件及模型

數值模擬采用的河流A、河流B水文數據，包括江面水位、取退水流量、溫升/溫降等，具體參數見表3。

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

取退水模型采用非結構化網格，考慮到該項目水源熱泵系統是在設定工況下長期運行，根據該項目實際特點，采用穩態分析方法，模擬的主要內容包含河流A、河流B河面的溫度場。該水源熱泵項目取退水部分三維模型見圖6。

3.2模擬結果分析

（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℃（基礎溫度30℃），溫升低于1℃，表明退水不會對河流A產生影響。

（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℃（基礎溫度8℃），溫降小于1℃，表明退水不會對河流A產生影響。

（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℃（基礎溫度6℃），溫降小于1℃，表明退水不會對河流A產生影響。

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產生影響。

4項目節能效果

隨著泵站裝置、閥門、拍門等水力機械設備的研究成果不斷涌現，水力機械設備性能得以提升，有助于提高水源熱泵項目的效率。水源熱泵技術被廣泛應用的一個重要原因是其在節能方面的優勢，建筑節能已經成為我國的基本國策之一，針對水源熱泵項目節能效果的研究成果較多。通過估算，該水源熱泵項目與常規方案相比較，年節約用水429 113 t（折標煤36 79 tce），夏季節約電能消耗470 42萬（k·Wh）（折標煤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）（折標煤1 712.02 tce），但減少燃氣消耗510.22萬m³（折標煤6 19S.75 tce），全年節約能源折合標煤5 1 57.675 9 tce。

5結語

一個完整的水源熱泵項目設計包含供能面積統計、負荷分析、技術方案、取退水方案、供能管網方案、投資造價及節能分析等多個方面的內容，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重要。該水源熱泵項目從河流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產生影響。此外，該水源熱泵項目節能效果明顯。通過分析水源熱泵項目取退水對河流的影響、項目節能效果等內容，為未來水源熱泵項目的應用及技術創新提供一定參考，能夠有效推動節能環保行業的發展。