湖水源热泵温排水对水体温度场影响研究综述

岳劲松 洪顺军

(中节能先导城市节能有限公司，湖南 长沙 410208)



湖水源热泵温排水对水体温度场影响研究综述

岳劲松 洪顺军

(中节能先导城市节能有限公司，湖南 长沙 410208)

介绍了湖水源热泵空调系统的取水方式及水体承载能力，并结合工程实例，通过试验模型，研究了湖水源热泵温排水对水体温度场的影响，对湖水源热泵的应用及节能研究具有重要意义。

湖水源热泵，取水方式，温度场，节能

0 引言

湖水源热泵空调系统利用湖水作为热源，采用热泵技术原理，通过输入少量的高位电能，把湖水中的低位热能转化成高位热能[1]。湖水源热泵温排水对湖水水体会产生一定影响，很多研究人员围绕湖水源热泵取水方式、运行特性、水体承载能力、温排水对水体温度场的影响、经济性分析等方面作了大量的研究。本文在对国内外湖水源热泵相关研究文献进行总结的前提下，对湖水源热泵取水方式、水体承载能力、温排水对水体温度场的影响等三个方面作了综述分析。

1 取水方式分析

在湖水源热泵项目中，常见的取水方式有虹吸取水、负压引流取水等，取水方式对湖水源热泵系统的性能会产生一定影响。早在2000年，美国一所大学就对以CayuCornellga湖作为热源的湖水源热泵工程取水方法进行了研究，该项工程在2002年获ASHRAE技术奖[2]。

随着数值分析技术的快速发展，很多研究人员陆续采用数值分析方法来研究这一问题，Joehnk在总结分析相关文献的基础上，提出能描述分层水体动量与能量交换的水动力模型，进一步研究了水体分层问题，为湖水源热泵取水方式的选择提供了参考[3]。范亚明[4]提出在稳流器底部取水，在同温层退水的理想状态，并建立理想取水温度模型，通过研究得到：增加水深、增大取退水温差、较差的水质、同温层退水等都有助于增大湖泊的理想供冷能力的结论。陈金华等[5]以某湖水源热泵项目为例，发现点取水方式会影响空调系统的节能效果，并提出了线取水方式，其对湖水的影响可以忽略不计。

翁雯[6]提出开式湖水源热泵对湖水水质的要求和处理方法，通过分析确定了取退水口的位置，并计算了取水量。杨建坤等[7]以湖水源热泵项目为例，分别从温排水、取水方式、水质及水温等4个方面验证了夏热冬暖地区湖水源热泵项目的可实施性。

2 水体承载能力分析

在湖水源热泵项目中，首要解决的问题是湖水水体供能能力是否能满足实际需求，对水体承载能力的分析至关重要。Rose R[8]，Berntsson[9]就针对这一问题开展了相关研究工作，研究成果为水体供能能力分析提供了指导。

2.1 湖水热分层分析

吴浩[10]在分析湖水热分层问题的基础上，建立了水温模型。采取求解含负荷的水流水温模型的方法获得了水体承担的最大热负荷，并进行了实例研究，得到了水体能承载的最大冷负荷与机组能效比、平均水温、水体平均水深之间的关系式。范芸青[11]建立了湖水源热泵系统分析软件，通过建立静态湖水全年温度模型，对湖水的供冷极限负荷进行了分析，并与实测数据进行了对比分析，充分验证了湖水供能承载能力。

2.2 水体承载能力计算方法

王勇等[12]以重庆地区气候条件为基础，详细分析了强降雨、夜雨对湖水热承载能力产生的影响，对整个供冷期来说，强降雨会增大湖水的热承载能力，会影响湖水源热泵运行的能耗，而夜雨对供冷期的影响不大，对系统运行的能耗影响也不大。童明伟等[13]以某湖水源热泵系统设计为例，分析了湖水的热承载能力，对冬季工况下湖体的逐时温度作了模拟分析，得到：系统在冬季运行时，以13.7 ℃为初设温度，分析1月份湖体逐时温度，湖水的温度不断下降，当模拟运行至第24天时，湖水温度降低至4.04 ℃，有可能导致蒸发器结冰而影响设备运行，必须采取电辅加热等补救方法。

刘义坤[14]采取集总参数模型构建了湖水源热泵温度模型，并计算了湖体的最大供能能力，为湖水源热泵水体承载能力分析提供了参考。王勇等[15]基于流体运动方程N-S方程，结合能量、质量及水温方程，构建了湖水源热泵湖水温度变化的数学模型，以夏季工况取水温度极限数据为依据，求解得到夏季不同初设水温及不同负荷下能够承载的最大排热量，并利用回归方法，获得了湖水热承载能力的验证方程，在与实测数据对比分析的基础上，验证了湖水源热泵系统的可实施性。

3 温度场影响分析

针对湖水源热泵项目，由于其取排水量大、循环水量大，温排水会对湖水产生一定影响，研究湖水源热泵空调系统取排水对湖水温度场的影响就显得至关重要。

3.1 模型研究

刘鹏等[16]以湖水源热泵空调系统在湖水侧换热平衡的原理为基础，分析推导出湖水水温计算模型，利用试验数据对模型进行了验证，并以深圳地区某湖水源热泵项目为例，利用该计算模型对湖水温度变化作了预测分析，为湖水源热泵空调系统设计提供了依据。

Antero A M[17]以某一湖水源热泵项目为例，建立了用电量分析模型，将传统空调系统用电量与湖水源热泵系统用电量进行了对比分析，研究结果显示：湖水源热泵系统节省用电量75%。

3.2 实例及试验研究

陈金华等[18]以重庆某湖水源热泵系统为研究对象，对不同深度湖水自然温度和系统运行过程中的水温、距退水点不同距离处的水温变化以及取水口和换热器进水口的水温差作了分析，并分析了系统运行过程中湖水水温变化对空调系统运行所产生的影响，基于实测数据对系统优化设计提出了建议。

刘冰等[19]以南京某湖水源热泵项目为例，构建了排水水流模型以及考虑湖水面综合散热系数的温度场模型，利用温度场模型与水流模型耦合的数值分析方法研究了湖水源热泵在夏季东风、夏季静风、冬季东北风、冬季静风四个工况下系统排水对湖水温度场产生的影响，结果表明：湖水源热泵排水导致的水温变化在地表水环境质量标准限定的范围内，湖面综合散热系数的变化对湖水温度场分布所产生的影响极为显著。

郝小充[20]以某湖水源热泵项目为例，构建了温排水热扩散模型，采取C++软件编写了水面热通量及水面综合散热系数计算模型，通过计算得到了供暖季及制冷季水面热通量平均值和水面综合散热系数平均值，并建立了制冷季运行工程下的湖水源热泵空调系统试验台，其包含了流量控制系统、水槽温排水换热系统、温度数据采集系统、加热控温系统，将试验获得的排水口温升数据与模拟数据进行对比分析，结果显示两者变化趋势一致。

3.3 环境影响研究

随着湖水源热泵应用进程的加快及相关研究的陆续展开，除了对其取水方式、水体承载能力、温度场影响、运行特性等方面的研究之外，近年来，针对湖水源热泵对环境的影响研究成果不断涌现，研究人员开始关注其对环境所造成的影响。

黄向阳等[21]以重庆某湖水源热泵项目为研究对象，经过对该项目运行过程中尾水受纳湖泊区域浮游植物、水温、磷、氮的长期监测，分析了湖水源热泵空调系统尾水对湖水富营养化进程所产生的影响，研究结果表明：制冷季系统长时间运行会导致退水口位置附近区域水温上升，当系统温排水水温低于30 ℃时，退水导致的温升会使得退水口附近磷、氮含量升高，绿藻、蓝藻数量急剧增加，会加速湖水的富营养化，当温排水水温高于33 ℃时，温度过高会抑制绿藻、蓝藻等藻类的生长；而冷排水会使得退水口附近浮游植物总量减少，硅藻占比会增加，冷排水会抑制部分藻类的生长，能够缓解湖水富营养化，此外，因为温差小，在冷排水的扰动下，湖水中沉积的营养盐会不断被释放，继而会促进湖体的富营养化。

4 结语

针对湖水源热泵空调系统的研究方向很多，主要是围绕取水方式、水体承载能力、温度场影响、运行特性、环境影响等进行，国内外学者围绕湖水源热泵取水方式、水体承载能力、温度场影响等方面作了很多研究，也诞生了很多新的研究成果。温度场影响分析一直是湖水源热泵领域重点的研究课题之一，其影响着项目的可实施性，相关研究主要集中在模型研究、实例及试验研究、环境影响研究等多个方面，随着国内外节能环保政策的逐步实施，未来环境影响研究将会成为湖水源热泵领域的重点研究课题。

[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] 范亚明.湖库塘开式水源热泵的水体传热与系统性能研究[D].重庆：重庆大学,2009.

[5] 陈金华,刘 猛,吴淑霞，等.湖水源热泵空调系统取水方式性能分析[J].湖南大学学报(自然科学版),2009,36(12):79-83.

[6] 翁 雯.南京市湖水源热泵系统的应用研究[D].南京：南京师范大学,2011.

[7] 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[J].建筑热能通风空调,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] 吴 浩.湖水源热泵系统水体承载能力的研究[D].重庆：重庆大学,2008.

[11] 范芸青.湖水源热泵系统性能研究及软件开发[D].重庆：重庆大学,2010.

[12] 王 勇,韩传璞.基于降雨工况的开式湖水源热泵系统效率分析[J].中国给水排水,2011,27(21):100-104.

[13] 童明伟,秦增虎,张二峰.有限容积的湖水源热泵冬季供暖运行分析[J].重庆大学学报,2012,35(8):6-10.

[14] 刘义坤.湖水源热泵水体供冷能力计算分析[J].制冷与空调,2013,27(4):362-366.

[15] 王 勇,韩传璞.开式湖水源热泵系统的水体热承载能力计算方法[J].太阳能学报,2012,33(9):1541-1546.

[16] 刘 鹏,田智华,陈 炼.深圳地区湖水源热泵湖水温度预测模型的研究[J].建筑热能通风空调,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] 陈金华,刘 勇,丁 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.

[19] 刘 冰,刘加才,庞炳乾，等.湖水源热泵退水对湖体温度场影响评价[J].可再生能源,2015,33(4):572-577.

[20] 郝小充.开式湖水源热泵系统温排水热扩散模拟研究[D].南京：南京师范大学,2012.

[21] 黄向阳,周 健.湖水源热泵系统尾水排放对湖泊富营养化进程的影响研究[J].环境工程学报,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

岳劲松(1968- ),男，硕士； 洪顺军(1988- )，男，硕士

TU833.3

A