江水源熱泵系統溫（冷）排水三維數值模擬研究

張 斌，丁江華，杜玉吉

（中節能城市節能研究院有限公司，江蘇 常州 213000）

地表水源熱泵系統是利用地球表面的水體作為冷熱源對城市區域進行供冷及供熱，具有運行穩定、高效節能、對環境無污染等優點。熱泵技術在世界范圍內大規模的商業利用已有20 多年的發展。美國目前已裝有40 余萬臺熱泵機組，并且以每年10%的速度穩步增長。同時，中、北歐海水源熱泵也得到了規模化的應用，目前，北歐約有180 多臺大型熱泵在運行，大型熱泵技術已經成為北歐熱源的主要供熱方式。我國地源熱泵起步于20世紀80年代，截至2012年底，關于地源熱泵的工程數量已達到23 000 多個，總面積達24 000 萬m2，主要集中在我國華北和東北南部地區。

水源熱泵系統對環境的影響主要涉及攜帶大量冷量、熱量的排水對受納水體的影響，雖然受納水體本身存在流動，但熱泵系統排水對水體的局部區域的溫度場分布會產生影響。關于冷熱排水對受納水體的影響主要通過數值模擬方法來實現[1-6]。目前，此類方法多集中于沿垂向積分的平面淺水二維模型上，此類方法雖然模擬結果較為直觀，但因其無法在深度方向上得到溫度場模擬，也就無法評估排水口附近的水溫層厚度。

本文結合湘潭市某江水源熱泵工程項目，利用三維數學模型對溫冷水排放引起的水體溫度變化進行模擬，通過溫冷排水沿程溫度變化估測其在受納水體中的擴散范圍，為江水源熱泵系統的設計及運行提供參考。

1 工程概況

1.1 建筑和氣候概況

湘潭市某都市規劃區的總用地面積7.08 km2，是集商務、教育、生活、運動、休閑于一體的綜合建筑群。該建筑群分為6 個不同片區，本項目主要負責對1 區及2 區進行供冷供熱，其中1 區供能服務建筑面積為138.99 萬m2，2 區供能服務建筑面積為212.92萬m2。本項目采用以湘江水源作為冷熱源的水源熱泵系統，對該規劃區進行夏季制冷，冬季供熱。

規劃區所在區域位于湘江中下游，屬亞熱帶濕潤季風氣候區，全年最冷月份為12月至次年2月，主要風向為NNW 風；最熱月份為6-9月，主要風向為S 風。年平均風速2.4 m/s，最大可達20 m/s。降水量主要集中在3-7月，年平均降雨量為1 309 mm，常年平均氣溫為17.3℃。

1.2 系統運行方案

該工程采用開式江水源熱泵系統，取水泵房總面積為800 m2，冬夏季水源取自湘江，源水輸送至能源站房的水源熱泵系統，經過水源熱泵機組利用后排出，取水量與退水量相等，水量無損耗，水質基本也沒有變化。1 區裝機冷負荷38.19 MW，熱負荷28.28 MW；2 區裝機冷負荷31.34 MW，熱負荷36.96 MW。供冷季為每年5月15日至當年10月15日，共計154 d；供熱季為每年11月15日至次年3月15日，共計121 d。空調系統的日運行時間根據商業、住宅、學校等區域功能的不同而改變，日運行時間范圍為13～24 h/d。

2 數值模擬方法

2.1 模型區域設計

該項目利用湘江水源作為冷熱源，將取水口設置于流量穩定、水深較大、河道變窄處的上游處。該工程退水口位置根據建設單位意見不能直接退入湘江，多以本項目1區退水管線沿湘江堤邊敷設，退入至一級渠內，2 區退水管線就近退入一級渠內，通過一級渠排到湘江中，同時保證退水口在取水口下游2 km 左右。

取退水模型采用結構化網格。采用三維模型結構，退水溫度影響數學模擬模型如圖1所示，紅色箭頭表示退水口位置分布，下方為1 區（1#）排水口，上方為2 區（2#）排水口，細長最下部區域為湘江部分區域。考慮到項目有可能在設定工況條件下長期工作，因此采用穩態分析。分析關注的重點是一級渠河面、湘江江面的溫度場。

圖1 取退水三維結構模型

2.2 數學模型

本文采用Fluent 模擬軟件對退水口的溫排放進行研究，為了解決地表水源熱泵向一級渠及湘江排放的熱量問題，同時建立包括質量、動量以及能量方程在內的控制方程。采用三維穩態不可壓模型，其質量守恒方程為[7]：

動量方程（x方向）為：

動量方程（y方向）為：

能量守恒方程為：

模擬采用的K-?雙方程模型，它包含兩個方程，即K方程和?方程。其中，K方程是湍流脈動動能方程，? 方程是湍流耗散方程。

K-?方程和黏性系數方程如下[8]：式中，c1、c2、c3為系數，一般取1.44、1.92、0.09，σk、σε通常取1.0、1.3[9]。

2.3 邊界條件

本模擬邊界條件主要包括一級渠、湘江及退水口部分分別在夏季及冬季的參數設置，具體參數如表1所示。1#退水口位于一級渠出口上游353 m 處，2#退水口位于一級渠出口上游870 m 處。本模型中一級渠尺寸為L×B×H＝900.0 m×27.0 m×4.5 m，一級渠出口與湘江連接處部分位置受到一級渠出口溫度的影響，取湘江尺寸為L×B×H＝300 m×100 m×27 m，退水口直徑均為1 m，布置在一級渠下方1 m 處。

表1 夏冬兩季各區域溫度流速參數設置

3 模擬結果及分析

3.1 夏季溫度場結果分析

夏季時，1#退水口排水溫升6℃，江水自然水溫27℃，1#退水口中心截面與一級渠斷面溫度場模擬如圖2所示。可以看出，當退水口出口至其下游約20 m 處，1#退水口中心截面退水溫度對一級渠的影響約為1℃，之后兩者之間溫差急劇下降，當至退水口下游約220 m 處時，溫差僅為0.2℃，之后持續穩定至一級渠出口。

圖3為1#排水口出口下游不同距離溫度剖面圖，相鄰剖面間距為7 m，從圖中可以進一步得出退水口沿一級渠深度及寬度方向溫度的變化。夏季溫排水對一級渠表層水溫的影響隨著水深的增加顯著減小。出口最大溫升區域的溫升約為1.4℃，底層最大溫升區域溫升約為0.2℃。在排放口附近區域溫度梯度很大，距離越遠，溫度梯度越小。通過溫度剖面圖可以得出，在約為40 m 處，流場中心溫度與一級渠溫度之間溫差降到約0.5℃，退水口出口溫度場的中心最高溫度要大于排水口中心軸截面的溫度。

圖2 夏季1#退水口出口中心截面溫度

圖3 夏季1#退水口下游相同間隔距離內的剖面溫度

圖4 夏季一級渠出口水溫對湘江溫度影響

圖4為一級渠出口水溫對湘江的影響，從圖中可以看出，一級渠出口對湘江水溫的影響小于0.2℃，且其寬度影響范圍（10 m）相對于湘江寬度（900 m）可忽略。

2#退水口出口水溫溫升6℃，圖5為2#排水口中心截面與一級渠斷面的溫度流場，從圖中可以看出，夏季2#排水口出口至其下游距離約為9 m 處位置，排水口出口中心溫度與一級渠溫差即小于1℃，并且從圖2可以看出，2#排水口水溫對其下游的1#排水口水溫沒有顯著影響，2#排水口水溫在達到其下游約為370 m 處即與一級渠溫度相當，與兩處排水口之間距離（520 m）相比，不足以影響到1#排水口。

圖6為2#排水口出口下游相同間距內的溫度剖面圖，相鄰剖面間距為7 m，從圖中可以得出在7 m處左右，退水口流場中心溫度與一級渠溫度之間溫差即已降到約1℃，30 m 處溫差降為約0.5℃。

圖5 夏季2#退水口出口中心截面溫度

圖6 夏季2#退水口下游相同間隔距離內的剖面溫度

3.2 冬季溫度場結果分析

冬季時，1#退水口排水溫降5℃，江水自然水溫9℃，1#退水口中心截面與一級渠斷面溫度場如圖7所示。從圖中可以看出，當退水口出口至其下游12～14 m 處，退水溫度與一級渠溫度即已降到低于1℃。

圖8為1#排水口出口下游不同距離溫度剖面圖，相鄰剖面間距為7 m，與夏季溫排放情況類似，冬季冷排水對一級渠表層水溫的影響隨著水深的增加顯著減小。出口最大溫降區域的溫降約為1.6℃，底層最大溫降區域溫降約為0.2℃，且在排放口附近區域溫度梯度很大，距離越遠，溫度梯度越小。通過溫度剖面圖可以得出，在約為7～14 m 處，流場中心溫度與一級渠溫度之間溫差降到約1℃，退水口出口溫度場的中心最低溫度要小于排水口中心軸截面的溫度。

圖7 冬季1#退水口出口中心截面溫度

圖8 冬季1#退水口下游相同間隔距離內的剖面溫度

圖9 冬季一級渠出口水溫對湘江溫度的影響

圖9為冬季一級渠出口水溫對湘江的溫度影響，與夏季結果類似，一級渠出口對湘江的溫度影響不大，溫降約為0.2℃，寬度影響范圍約為10 m。

圖10為冬季時2#退水口中心軸截面與一級渠斷面溫度場，可以得出，2#排水口從其出口至下游155 m 處，排水溫度與一級渠溫度近似相當，同時，2#排水口冷排放對其下游的1#排水口沒有影響。

圖10 冬季2#退水口出口中心截面溫度

圖11為2#排水口出口下游不同距離溫度剖面圖，相鄰剖面間距為7 m，通過溫度剖面圖可以得出，在約為74 m 處，流場中心溫度與一級渠溫度之間溫差降到低于1℃，退水口出口溫度場的中心最低溫度要小于排水口中心軸截面的溫度。

圖11 冬季2#退水口下游相同間隔距離內的剖面溫度

3.3 夏季溫度場與冬季溫度場對比

由圖3和圖8、圖6和圖11對比可以看出，由于夏季溫排水密度比一級渠內自然水體密度低，從退水口出口排放出去后，溫排水主要分布在一級渠表面及中部位置，渠底水溫不受影響，隨水流呈輻射狀向四周擴散，對渠表面溫度影響較大，排放口附近水溫層沿一級渠水流方向趨于水平分布；然而在冬季時，因冷排放水密度比渠內自然水水體密度大，從渠表面層排放后，沿渠流動方向擴散的同時向渠底深度方向沉降，且其沉降距離較遠，主要對渠底層水溫有較大影響，排放口附近水溫層趨于垂直方向分布。可見冷排放對所取水源的影響更為嚴重，主要是因為溫排水分布在水源表面，有利于排水與外界換熱，而冷排水沉降在水源底部，與外界的換熱大大減小，對水質影響也更顯著。

4 結論

本文通過對一區域水源熱泵模型的三維模擬，得出如下結論：夏冬兩季2#溫（冷）排放對其下游的1#排放水溫無影響，且一級渠出口對湘江水溫的影響小于0.2℃，其寬度影響范圍可忽略。夏季時，退水口出口溫度場的中心最高溫度要大于排水口中心軸截面的溫度；冬季時，退水口出口溫度場的中心最低溫度要小于排水口中心軸截面的溫度。溫（冷）排水因其密度不同導致排水排放后擴散情況不同，溫排水對表層水溫影響較大，排放口附近區域水溫層趨水平方向分布；冷排水對一級渠底層水溫影響較大，排放口附近區域水溫層趨垂直方向分布。排水口設計時，應盡量靠近取水水源表面，有利于溫（冷）排水與外界進行熱交換，減小對受納水體的影響。