重慶工程地表水源熱泵系統(tǒng)技術(shù)可行性分析樣本

重慶某工程地表水源熱泵系統(tǒng)可行性分析重慶大學(xué)劉勇顧銘秦丹王勇摘要：從水體熱容量、水體水溫恢復(fù)能力等方面分析了地表水源熱泵系統(tǒng)應(yīng)用條件，采用理論計(jì)算與計(jì)算機(jī)模仿仿真對(duì)重慶某實(shí)際工程采用地表水源熱泵系統(tǒng)技術(shù)可行性進(jìn)行了研究，并對(duì)可行兩種方案進(jìn)行了詳細(xì)論證。核心詞：熱容量水溫分布可行性0引言地表水源熱泵系統(tǒng)可以運(yùn)用地表水作為空調(diào)系統(tǒng)低位冷熱源，在空調(diào)系統(tǒng)制冷過(guò)程中，不需冷卻塔，既省水節(jié)能又環(huán)保；在制熱時(shí)，它不需要燃料，不會(huì)對(duì)大氣環(huán)境導(dǎo)致危害。同步，該系統(tǒng)供熱供冷效率高，可以大大減少能源使用費(fèi)用。由于地表水源熱泵系統(tǒng)具備一系列長(zhǎng)處，該系統(tǒng)在國(guó)外有著廣泛運(yùn)用，國(guó)內(nèi)近年來(lái)也開(kāi)始推廣普及。然而，地表水源熱泵系統(tǒng)也并非任何場(chǎng)合都合用，該系統(tǒng)對(duì)地表水體熱容量和水溫恢復(fù)能力有規(guī)定。如果水體熱容量或水溫恢復(fù)能力不夠，那么系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)一段時(shí)間后水體冷熱品質(zhì)必然下降，系統(tǒng)效率便會(huì)減少。因而，在實(shí)際工程中，選用地表水源熱泵系統(tǒng)必要要做詳細(xì)技術(shù)論證。鑒于此，對(duì)重慶某體育度假中心體育設(shè)施房（如下簡(jiǎn)稱體育設(shè)施房）和溫泉度假中心（如下簡(jiǎn)稱溫泉中心）地表水源熱泵空調(diào)系統(tǒng)做了詳細(xì)技術(shù)論證。本工程重要采用理論計(jì)算與計(jì)算機(jī)模仿兩種方式進(jìn)行分析。1工程概況體育設(shè)施房屬于會(huì)所、度假類休閑產(chǎn)品建筑，位于重慶市南岸區(qū)，-1F和-2F為車庫(kù)和庫(kù)房等后勤用房，1F為會(huì)所用房，涉及大堂、快餐廳、大堂吧、更衣和淋浴房、VIP房、會(huì)議室等，2F為中餐廳，共有20個(gè)包房。項(xiàng)目用地面積約10262.7平方米，總建筑面積為27961.8平方米。水源熱泵空調(diào)示范面積為10000平方米左右，估算總冷負(fù)荷約為1934KW，估算總熱負(fù)荷約為810KW。溫泉中心屬于酒店、度假類休閑產(chǎn)品建筑，位于重慶市南岸區(qū)，-2F為溫泉用房，涉及室內(nèi)泳池、水浴中心、更衣室、淋浴間、快餐廳，-1F為車庫(kù)和庫(kù)房等后勤用房，1F為酒店用房，涉及大堂、接待廳、會(huì)議中心、大堂吧等，2F～6F為酒店原則客房。項(xiàng)目用地面積13528.6平方米，總建筑面積33674平方米。水源熱泵空調(diào)示范面積約為27000平方米左右，估算總冷負(fù)荷約為2640KW；估算總熱負(fù)荷約為1860KW。溫泉中心、體育設(shè)施房同處在一種分區(qū)區(qū)域之內(nèi)，兩者間距不大；并且，該兩棟建筑附近區(qū)域均分布較為充分地表水體（石榴湖、溪流）。建筑平面布置圖如下：石榴湖溫泉中心石榴湖溫泉中心溪流體育設(shè)施房心圖1建筑平面布置圖2工程冷熱源方案選用依照上述自然條件，兩棟建筑水源熱泵系統(tǒng)冷、熱源運(yùn)用方案擬定為如下兩種方案：方案一：湖體單獨(dú)運(yùn)用溫泉中心、體育設(shè)施房?jī)蓷澖ㄖ礋岜孟到y(tǒng)均運(yùn)用石榴湖水體冷熱資源，在湖內(nèi)進(jìn)行取水、回水。方案二：湖、溪流共同運(yùn)用溫泉中心水源熱泵系統(tǒng)運(yùn)用湖體冷熱資源，在湖內(nèi)取水、回水；體育設(shè)施房運(yùn)用其附近溪流水體冷熱資源，在溪流內(nèi)取、回水。3工程技術(shù)可行性分析3.1方案一技術(shù)可行性分析3.1.1理論計(jì)算分析為了擬定夏、冬兩季系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)過(guò)程中向湖體排熱、取熱后湖體水溫變化狀況，必要分析夏、冬兩季系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)過(guò)程中湖體得熱、散熱狀況，從而擬定夏、冬兩季系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)后湖體“冷熱收支”平衡能力。系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)過(guò)程中，湖體熱互換過(guò)程重要涉及：（1）水面熱互換，（2）水體與下墊面熱互換，（3）水源熱泵系統(tǒng)向湖體取、排熱。依照以上條件，以及兩個(gè)空調(diào)系統(tǒng)最大冷熱負(fù)荷，結(jié)合建筑使用特性，計(jì)算出夏、冬兩季水源熱泵系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)過(guò)程中湖體平均水溫變化狀況：表1湖體平均水溫變化季節(jié)湖體得熱量（J）水比容（J/kg·K）湖水質(zhì)量（kg）水溫變化（K）夏季3.22E+114.19E+038.29E+070.93冬季-3.76E+11-1.08全年2.06E+110.59上表表白：夏季運(yùn)營(yíng)后，湖體水溫升高0.93K；冬季運(yùn)營(yíng)后，湖體水溫減少1.08K；考慮過(guò)渡季節(jié)湖體水溫恢復(fù)，全年湖體平均水溫僅升高0.59K。從而闡明，系統(tǒng)全年運(yùn)營(yíng)對(duì)湖體水溫影響比較小，湖體全年熱平衡基本上能得到保證。3.1.2數(shù)值模仿計(jì)算依照“零負(fù)荷”條件下湖體水溫分布特點(diǎn)，附加水源熱泵系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)取、排熱量，分別建立冬、夏兩季系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)湖體水溫分布模型，運(yùn)用通用商業(yè)軟件PHONEICS進(jìn)行仿真計(jì)算。石榴湖物理模型如下：圖2湖體模型其中，取、回水位置設(shè)立如下：石榴湖溫泉中心回水口x=30m，y=110.35m，z＝6m；體育設(shè)施房回水口x=0m，y=102.5m，z＝6m；取水口共用，位置坐標(biāo)x=90，y=40，z＝0m。初始參數(shù)及邊界條件：石榴湖夏季水溫初始參數(shù)設(shè)立為（以湖底為零標(biāo)高）：0～1.5m，水溫15.5℃；1.5～6m，水溫19℃；6～7m，水溫25℃；冬季水溫初始參數(shù)設(shè)立為10℃，上下層均勻。湖體表面簡(jiǎn)化為常熱流邊界；湖底傳熱相對(duì)于湖體表面而言較小，設(shè)立為絕熱表面；回水按5℃溫差考慮，負(fù)荷特性體當(dāng)前取回水流量上典型日負(fù)荷使用特性如下：體育實(shí)行房：中午11:00～下午13:00為滿負(fù)荷狀態(tài)，下午13:00～18:00為50％負(fù)荷狀態(tài)，晚18:00～22:00為滿負(fù)荷狀態(tài)，22:00～24:00為30％負(fù)荷狀態(tài)，別的時(shí)間段負(fù)荷為20％；溫泉中心：上午8:00～11:00為30％負(fù)荷狀態(tài)，11:00～14:00為100％負(fù)荷狀態(tài)，14:00～18:00為50％負(fù)荷狀態(tài)，18:00～22:00為70％負(fù)荷狀態(tài)，22:00～凌晨8:00為50％負(fù)荷狀態(tài)。不同負(fù)荷狀況調(diào)節(jié)冷卻水量。依照上述模型對(duì)夏季、冬季各一種典型日分別進(jìn)行模仿運(yùn)算。模仿成果如下：（1）夏季工況計(jì)算成果：a.整體立面b.水面如下6米平面c.水面如下3米平面d.圖3夏季工況水體溫度分布上圖計(jì)算成果表白：夏季空調(diào)運(yùn)營(yíng)工況下，由于回水口位于水面下1米處，回水區(qū)附近水域垂直水溫分層現(xiàn)象被打破，水體水溫受影響范疇隨著水面如下深度增長(zhǎng)而越來(lái)越??；同步，由于受回水水溫影響，水面回水區(qū)域水溫較周邊水溫略低。系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)1天后，湖體平均水溫僅上升0.32℃，并且湖體受系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)影響區(qū)域相對(duì)較小。（2）冬季工況計(jì)算成果：a.整體立面b.水面如下6米平面c.水面如下3米平面d.圖4冬季工況水體溫度分布從上圖可以看出，冬季典型日系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)1天后，僅湖體回水區(qū)域附近水體水溫受系統(tǒng)取熱影響，并且整個(gè)湖體受影響范疇相對(duì)比較小，層間溫差相對(duì)夏季小多。此外，計(jì)算數(shù)據(jù)成果，可以得到：（1）湖體水面如下6米平面平均水溫為9.91℃，與湖底水溫一致；水面如下3米平面平均水溫為9.9℃，回水影響區(qū)域增長(zhǎng)；水面由于受外界環(huán)境換熱影響平均溫度為4.88℃；（2）冬季典型日系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)1天后，整個(gè)湖體平均水溫為9.65℃，較初始平均溫度10℃減少了0.35綜上，對(duì)于方案一，系統(tǒng)在冬、夏季運(yùn)營(yíng)后，整個(gè)湖體水溫度變化均比較??；并且在全年運(yùn)營(yíng)后，基本上可以實(shí)現(xiàn)熱平衡。同步，系統(tǒng)一種典型日工況運(yùn)營(yíng)模仿成果表白，系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)1天條件下，取、回水對(duì)湖體水溫影響范疇均很小。從而闡明，方案一在技術(shù)上是可行。3.2方案二技術(shù)可行性分析由于方案二與方案一相比水體容量增長(zhǎng)了，而所要提取冷熱量并沒(méi)有增長(zhǎng)，因而，方案一能滿足工程規(guī)定，方案二從理論上講應(yīng)當(dāng)能滿足規(guī)定。核心是要研究，溪流熱容量能否滿足體育設(shè)施房需求。為此，對(duì)方案二重要分析體育設(shè)施房從溪流中提取冷熱量后，溪流水溫與否能得以恢復(fù)以及對(duì)水體影響范疇。溪流長(zhǎng)200m×寬7m×深2m，取水口（x=10m）位于出水口上游100m。夏季溪流水體初溫設(shè)為27℃，流量按400t/d；水流表面簡(jiǎn)化為常熱流邊界考慮，溪流水體與土壤傳熱設(shè)立為絕熱邊界；回水按5℃溫差考慮，負(fù)荷特性體當(dāng)前不同步刻流量不同；冬季水體初溫設(shè)為12.5℃，其他條件同夏季。同樣，計(jì)算冬夏各一種典型日，計(jì)算成果及分析如下：（1）夏季工況計(jì)算成果：a.溪流立面b.水面如下1米平面c.水面圖5夏季工況水體溫度分布從模仿計(jì)算成果，可以得到：系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)1天后，系統(tǒng)回水對(duì)溪流導(dǎo)致影響范疇大體為回水口上游20m到回水口下游90m之間約110m區(qū)間，超過(guò)該區(qū)域下游水溫基本能恢復(fù)；回水影響區(qū)域內(nèi)平均溫度大概為30℃，平均水溫上升了3℃。（2）冬季工況計(jì)算成果：a.溪流立面b.水面如下1米平面c.水面圖6冬季工況水體溫度分布從模仿計(jì)算成果，可以得到：系統(tǒng)回水對(duì)溪流導(dǎo)致影響范疇大體為：回水口上游15m到下游80m之間大概95m區(qū)間；超過(guò)該區(qū)域下游水溫基本能恢復(fù)；回水區(qū)域平均溫度大概為9.2℃，平均水溫下降了3.3℃。從方案二溪流夏、冬季各1個(gè)典型日運(yùn)營(yíng)水溫變化狀況看，盡管兩個(gè)季節(jié)系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)后，溪流回水區(qū)域附近水溫變化最大達(dá)到了3.3℃，但是在溪流下游處水溫基本都能得以恢復(fù)。從而闡明，方案二在技術(shù)上是可行。4結(jié)論依照上述分析：就技術(shù)而言，該項(xiàng)目地表水體能滿足系統(tǒng)全年運(yùn)營(yíng)冷熱負(fù)荷需要，工程采用地表水源熱泵系統(tǒng)是可行；并且，該工程擬采用兩種冷、熱源運(yùn)用方案均能滿足工程需要。參照文獻(xiàn)[1]J.M.Cantrell,1984,“ShallowPondsforDissipationofBuildingHeat：ACaseStudy”，ASHRAETransactions，Vol.90，Pt.2A，pp238-246.[2]HillelRubin,1984，ModellingTheperformanceofasolarpondasasourceofthermalenergy，SolarEnergy，Vol.32，No.6，pp771-778.[3]郝瑞霞，潮汐水域電廠溫排水水流和熱傳播準(zhǔn)三維數(shù)值模仿，水利學(xué)報(bào)，No.8.[4]陳永燦,1998,“密云水庫(kù)垂向水溫模型研究”,水利學(xué)報(bào),No.9，pp.21-26.[5]李懷