夏热冬暖地区湖水源热泵取水方式的分析和研究

杨建坤 林丽娜 甘崇炮

夏热冬暖地区湖水源热泵取水方式的分析和研究

杨建坤1林丽娜2甘崇炮3

1广州市建筑科学研究院有限公司
2广州大学土木工程学院
3中建三局第一建设工程有限责任公司

地表水源热泵技术的应用一般受地理条件和气候因素的制约，在适宜的地区应用更能体现它的优势。以某实际工程为例，分别从水温、水质、取水方案和温排水四个方面证明了在夏热冬暖地区采用湖水源热泵的可行性。结果表明：在夏热冬暖地区湖水作为热泵冷热源收纳体是切实可行。

夏热冬暖湖水源热泵可行性

近年来，随着建筑业的快速发展与人民生活水平的提高，建筑能耗日益增加，并成为我国的第一能耗大户[1]。如何利用新能源技术实现节能减排、维持可持续发展理念已经成为人们关注的重中之重。水源热泵技术是一种利用可再生能源和低品位热能的技术，通过热力循环，把低品位的热能从低位热能转移到高位热源，可以节省一定量的高品位能，如煤、电、燃气、石油等，是一种清洁节能的技术，也是一种减少二氧化碳和大气污染物排放的有效方法[2]。

1 工程概况

本工程为一集住宿、餐饮、娱乐性质为一体的五星级商务酒店，位于阳江市鸳鸯湖西侧地段，距离该市最大的人工湖——鸳鸯湖约100m，对利用湖水源热泵技术具有得天独厚的条件。本工程总建筑面积88615m2，建筑高度49.8m，地上12层。其中1～3层为商业及其相关功能（不作为本文的研究对象），4～12层为酒店及其相关功能，拥有客房286间，该部分空调面积为40000m2，占总建筑面积的45.14%。夏季空调计算最大冷负荷约为5000kW，冬季空调计算最大热负荷约为1700kW，生活热水计算最大热负荷约为1200kW。酒店部分采用湖水源热泵系统，根据实际空调负荷及用能情况，本工程的冷热源设备由2台制热量560kW高温水源热泵机组，2台制冷量1739.1kW，制热量1650kW的中温水源热泵机组和1台制冷量1739.1kW的单冷中温水源热泵螺杆机组组成。系统流程图见图1，该系统为酒店夏、冬和过渡季节的空调系统提供冷热源和生活热水。

图1 酒店湖水源热泵系统流程图

2 湖水源利用可行性分析

水量充足，水温适度，水质适宜，供水稳定是水源热泵对水质的要求。虽然水源热泵具有高效节能，运行稳定，环保友好，一机多用等优点，但是它同时受到初投资，地理条件和气候因素的制约。

2.1 夏热冬暖地区气候特点

夏热冬暖地区位于我国东南沿海地区，在北纬27°以南，东经97°以东，包括海南全境，广东、广西大部分地区，福建部分地区（东南部），云南小部分，以及香港、台湾、澳门。该地区为亚热带湿润季风气候，其特征是夏季漫长而且湿热，冬季短暂而温和，寒冷时间很短，几乎长夏无冬，气温的年较差和日较差都很小，昼夜温差变化不大，太阳辐射强烈，空气湿度大，雨量充沛，地表水发达，有大量的江河湖泊，长江中下游地区、珠江三角洲地区和东南沿海地区的地表水总量将近占全国地表水总量的70%[1，3]。以位于我国夏热冬暖地区的具有代表性的城市南区的广州市和北区的福州市的气候参数作为参考（表1），最冷月平均气温高于10℃，最热月平均气温低于29℃。

同样，位于我国夏热冬暖地区之一的阳江市，年平均气温22.0℃左右，年平均最高气温为28℃，年平均最低气温为20℃，年平均降雨量一般在204mm左右，全年无霜期约350天，基于这样气候特征，本工程应用湖水源热泵技术具有天然的优势。

表1 福州和广州的气候参数（℃）

2.2 水温

水温是水源热泵系统正常运行的重要参数之一。国内外对地表水热泵的研究中表明，地表水在利用过程中不能发生结冰现象，在气候寒冷的区域，在冬季，若地表水温低于5℃时，则不适宜采用开式水源热泵系统。我国的寒冷地区的冬季地表水水温一般接近0℃，这制约了地表水源热泵在北方寒冷地区实施的一个瓶颈。相反，在我国南方地区，尤其冬暖夏热地区，就地表水温来说，应用地表水源热泵技术是可行的。根据美国制冷学会ARI320标准，开式系统水源热泵对水温的要求是5～38℃，在水温10～22℃之间运行时能效比较高[4]。以阳江市鸳鸯湖为例，该湖湖水面积为47公顷，是市区最的大人工湖，平均水深常年6m～10m，水温常年在10～28℃波动，水质较好，为地表水源热泵系统的应用提供了天然的地理条件。如表2所示为取自2009年7月至2010年2月月水库水文资料，在经历2009年5月份干旱后，2009年7月份水位恢复至6.11m，常年平均水深6～8m。

表22009 年7月至2010年2月鸳鸯湖湖水温度

2.3 湖水水质及分析

合格的水质，是保障地表水源热泵系统正常运行的又一重要因素。在开式系统中，湖水进入机组前要经过换热器换热，为了避免严重腐蚀机组、管道、阀门，选用四台旋流除砂器和两台全程综合水处理器对水质进行处理。

湖水先经过旋流除砂器，在离心力、向心浮力、曳力的作用下，使砂水分离，密度低的清水上升，由溢流口排出，密度大的砂由底部排砂口排出，从而达到除砂的目的。然后，湖水经过全程综合水处理器，在高频电磁场和超净过滤技术下，通过活性体铁质滤膜，机械变径孔阻挡及电晕效应场三位一体的综合过滤体的作用下，吸附、浓缩在实际运行工况下各种水系统形成的硬度物质及复合垢，降低其浓度，从而达到控制污垢及大部分硬度垢的目的。这一过程在系统正常运行状态下，可以完成防垢、防腐、杀菌、灭藻、超净过滤、控制水质综合功能。设备灭藻、灭菌率＞95%，过滤效率为70%～98%，防垢、除垢率＞96%，年腐蚀率＜0.125mm。

如表3所示，经过水处理设备处理过后水质比原来水质更好。另外，循环水侧均采用螺旋板式换热器进行热交换，系统运行中加药及补水等均不会影响到湖水侧，且循环水量占整个湖体库容比重很小，长时间运行不仅不会对湖体水质造成影响，更有净化水质、防止水体富营养化的作用。

表3 水质处理前后检测结果

3 工程取水方案

为了保证该系统长期安全稳定运行，本工程湖水源热泵系统采用直接取水，间接利用的开式方式，即：该系统在湖水和二次水之间设置了螺旋板式换热器，冷水机组冷凝器侧通过水泵与螺旋板式换热器侧进行热交换，湖水侧通过循环水泵吸取底层湖水与螺旋板式换热器进行热交换，将热泵机组热量散入湖体。

图2 鸳鸯湖轮廓图

水源热泵机组水流量，取排水温差等因素都会影响整个系统的的节能性以及初投资，对于两者距离超过500m的工程，必须全面地进行技术经济比较分析。开式地表水换热系统取水口应远离回水口[5]，根据该工程的实际位置，取水管从外围护结构出来到取水口的距离是270m，排水管从机房出来到喷泉水池约80m，如图2所示，由于排水口与取水口相距较远，忽略其对取水口温度的影响。为了降低湖水在取水管中的温升，取水管采用保温和防水处理并深埋[6]。并且，在不影响市政管网的前提下，在地面下2.5m处铺设取水管。

4 排水口温升CFD模拟分析

地表水换热系统设计前，应对地表水热泵系统运行水环境的影响进行评估[5]。

4.1 取排水温差

取排水温差与进出水流量关系如下：

式中：Q为负荷，kW；Δt为取排水温差，℃；m为流量，m3/s。

制冷期取排水温差按5℃计算，得到流量为0.363m3/s。

4.2 湖体模型搭建

结合当地水文资料及实际勘探湖水各处水位深度及取排水口位置，对排水口建立模型，为简化模型体量，将排水口处岸边外形简化。如图3中所示，设置A～K共12个点位，其中GH为湖岸边基线，O点为简化后的排水点。使用Gambit将模型搭建，边界条件划分如表4所示，计算区域网格划分后如图4所示。

表4 边界条件划分表

图3 排水口位置及简化模型

图4 排水口计算区域网格划分

4.3 模拟结果及分析

结合鸳鸯湖2008年1月份～2012年3月份湖体水文资料，湖水最热月水温为28℃。一般来说，如果地表水体深度小于3m，水体就不会由于温度差异而产生分层现象。本工程湖水温度不考虑水体分层的影响，主要对夏季温扩散情况进行模拟分析。项目前期将机组放热、吸热量与机组、水泵等耗功量设备对整个湖体平均温升做了计算分析，得出湖水夏季最大周释热量为2.4×109kJ，冬季最大周释冷量为5.1×108kJ，并用CFD模拟软件对排水口温升进行了模拟分析，模拟热泵系统连续迭代3000次（图5）湖体温排水热扩散情况（图6），排水口处速度分布矢量图（图7）。由图中可以看出温排水对整个湖体的影响局限于图中黄色区域所示部分，高于湖体水温3～4℃，面积约为4500m2，图中其他区域温升对湖体热环境影响非常小，故采用该位置作为热水排水口合适。

图5 模拟热泵系统连续迭代3000次

图6 湖体温排水热扩散情况

图7 排水口处速度分布矢量图

本工程根据实际勘探测量后发现排水口处水深达6m，考虑湖水丰水期与枯水期水位变化，将排水口设置于距湖底1m的桩基上，不仅能降低湖底杂质对排水管的影响，更能减少热排放对环境影响。

利用CFD流体模拟软件对温排水口进行模拟后发现，超温水体约占整个鸳鸯湖体的0.9%，影响范围非常小，并且夏季温排水先通过景观喷泉，把大量的热量散发掉，使水温保持在32℃以下。经过对酒店冬夏季各工况下鸳鸯湖湖体吸热及散热量分析，满足夏季周平均温升不超过1℃，冬季周平均温降不超过2℃的要求，鸳鸯湖湖水作为酒店空调系统冷热受纳湖体完全可行。

5 结论

湖水源热泵系统具有节能、高效、环保等优点，但是它的使用受到地理条件，气候因素的限制。本文对夏热冬暖地区的气候及水温进行分析研究，说明该地区具有应用湖水源热泵技术的天然优势。以阳江某酒店工程为例，分析该湖水源热泵系统的取水方案的合理性，运用CFD软件搭建模型，并模拟温排水对湖体的影响。结果表明，空调排热引起的湖水温升不影响空调系统的正常运行，该工程以湖水作为空调冷热受纳体完全可行。

[1]袁幸.夏热冬暖地区建筑节能设计原理和技术措施[M].北京:中国建筑工业出版社,2010

[2]陈晓.地表水源热泵理论及应用[M].北京:中国建筑工业出版社,2012

[3]曹振华.浅析水源热泵技术的特点及发展前景[J].中国住宅设施,2012,(1):58-59

[4]Stephen P Kavanuh,Kevin Rafferty.Ground-source Heat Pump-Design of Geothermal Systems for Commercial and Institutional Buildings[M].Atlanta:ASHRAE,1997

[5]建设部.地源热泵系统工程技术规范(GB 50366-2005)[S].北京:中国建筑工业出版社,2009

[6]陈金华,丁勇,王勇,等.重庆开县人民医院湖水源热泵空调系统实测分析[J].暖通空调,2008,38(8):111-114

Ana lys is a nd Study on Wa te r-Inta ke Wa y of La ke Wa te r Sourc e He a t Pum p in Hot Sum m e r a nd Wa rm Winte r Are a

YAN Jian-kun1,LIN Li-na2,GAN Chong-pao3
1 Guangzhou Institute of Building Science Co.,Ltd.
2 College of Civil Engineering,Guangzhou University
3 The First Construction Engineering Limited Company of China Construction Third Bureau

While the application of lake water source heat pump technology is limited by several factors such as geographic conditions,climate and so on,it would be more efficient to be used in the appropriate area.Taking a real project as an example,the analysis results of water temperature,water quality,water-taken strategy as well as the influence of the warm water discharge on lake verify the feasibility of using the lake water source heat pump system in hot summer and warm winter area.It was concluded that the lake water as cold and heat source of the heat pump is completely practicable in hot summer and warm winter area.

hot summer and warm winter,lake water source heat pump,feasibility

1003-0344（2014）04-057-4

2013-7-15

杨建坤（1973～），男，博士，高工；广州市白云区白云大道北833号702室（510440）；E-mail:23502449@qq.com