陈晓 张国强 林宣军 林汉柱

摘要：我国南方地区的地表水资源丰富，其中蕴藏着丰富的低位热能，适合于建造地表水源热泵系统。2004年，在湖南省湘潭市城市中心区建造了利用湖水的试验性的开式水源热泵区域供冷供热系统。建造该系统前对运行时湖水水温分布进行了模拟分析。对系统投入运行以来每日的湖水进水温度进行了监测，对湖水源热泵和风冷热泵的能效比进行了测试。测试结果表明，该湖水源热泵的能效比及运行稳定性均优于风冷热泵。

关键词：开式湖水源热泵 应用研究 模拟

　1 前言

　　节能环保的地源热泵技术越来越受到人们的关注。按照ASHRAE handbook规定的标准术语^[1]，地源热泵包括土壤源热泵，地下水源热泵和地表水源热泵(Surface Water Heat Pump，SWHP)。土壤源热泵和地下水源热泵在我国已经有一些比较成功的应用，但地表水源热泵的研究和应用还比较少。而我国南方地区的地表水资源丰富，存在着大量的江河湖泊。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在全国地表水总量中所占的比例就将近70%^[2]。与空气温度相比，南方地表水水面2 m以下的水温在一天中变化很小，是水源热泵较理想的低位热源。

　　湘潭城市中心区有面积为56000m²的人工湖，2003年以来，中心区内陆续建成和将要建成市委大楼、市政府大楼、广电中心和大剧院。这四幢建筑相距非常近，都离人工湖不远，适合于建造水源热泵区域供冷供热系统。2004年夏季该系统建成并对市政府大楼和大剧院供冷。本文介绍前期研究工作及系统试运行的测试结果及分析。

　　2 系统介绍

　　地表水源热泵分为闭式和开式两种形式。闭式系统将换热盘管放置在湖底或河的底部，通过盘管内的循环介质与水体进行热交换。冬季制热时，一般采用防冻液作为循环介质。这种系统容量一般比较小。在开式系统中，从湖底或河的底部抽水，送入板式换热器与循环介质换热；在冬季水温较高的南方地区，也可以将水处理后直接送入热泵机组，换热后在离取水点一定距离的地点排放。开式系统的换热效率比闭式系统高，初投资低，适合于容量更大的系统，该系统为开式系统。

　　系统的构成见图1。中央机房位于一个公共广场的地下层，与各建筑的距离均不到280m。人工湖平均水深2.7m，取水处深3.5m，取水点在水面下2.5m处，距机房约100m，湖水泵和水处理装置均位于机房，多台螺杆式热泵机组并联。为防止进水温度较低时蒸发器可能出现结冰，在湖水泵的出口设有辅助加热器，热源为来自附近一家宾馆的蒸汽。如果湖水温度低于7℃，湖水需在辅助加热器中加热到7℃后再进入蒸发器。

　　敞开水体中的水不宜直接通过机组，先要进行净化处理。采用投药的化学处理方法会污染湖水。该系统使用物理方法处理湖水。湖水首先进入旋流除砂器，除去水中的颗粒物；然后通过综合水处理器，利用其中的高频高压电场及复合过滤体系进行杀菌灭藻和净化过滤处理。对处理前后的水质进行了检测（见表1），含沙量和浑浊度这两项变化最明显，处理后各项指标均能满足机组的要求。

　　表1 处理前后的水质对比

　　图1 系统构造示意图

　　3 湖水温度模型

　　对一定的水体而言，所能承担的负荷有一定的限度，否则会使机组的运行工况恶化。在应用湖

　　水源热泵前，采用模拟的方法对放热、取热给水温带来的影响进行了预测。对于湖泊、池塘用作热泵的热源（汇）或热电厂的冷却池，多采用二维模型，如文献[3]和文献[4]中的模型。该模型首先解浅水方程，计算出流速分布，然后将解得的速度值代入二维对流扩散方程中，计算出温度分布。采用有限元法或有限差分法求解二维模型需要耗费较多的机时，不便于在工程实际中应用，本文对二维模型提出一种简便的算法。

　　系统运行时，射流以较大的动量沿垂直于湖岸的方向排入湖中，受取水的影响向左偏转。人工湖的横向宽度不是很宽（B=100m），基本呈矩形状。由于纵向流速非常小，可将左向流动视为均匀的明渠流。湖水较浅，忽略纵向弥散的作用，只考虑纵向移流；认为横向和纵向的扩散系数相等。采用垂向平均的对流扩散方程：

　　 (1)

　　式中，—— 超温（弱温）水体与自然水体之间的温差，= T_w－T_a；

　　 E—— 扩散系数，m²/h；

　　Q₀——排水水量，m³/h；

　　 H、B—— 湖的平均深度和平均宽度；m；

　　K—— 超温（弱温）水体的散热（得热）系数，其计算式为^[5]：

　　 (2)

　　式中，T_s ——超温（弱温）水体表面水温，认为T_s= T_w ；

　　 e_s、P—— 温度等于T_s时空气中的饱和水蒸气分压力和大气压力，mmHg；

　　 U_a——水面上米处的风速，m/s；

　　 、、C_b——水面发射率、Stefan-Boltzmann常数及波温常数；

　　将射流中心线视为线源，并且分成n等分，则每等分可视为点源，各点源处的温差_c(j)的计算公式见文献[6]、[7]、[8]。考虑边界反射，由线源作用引起的某处温升(温降)为：

　　(3)

　　在实际应用中考虑1―2次边界反射已足够^[8]。

　　将总长度分成m段距离，逐段计算。采用同一纵坐标下相邻两点间的平均温度作为该段距离的代表水温，式(1)的解析解为：

　　 (4)

　　4 结果与分析

　　该区域供冷供热系统的实际负荷比各建筑设计负荷的总和要小，夏季和冬季空调的同时使用系数分别为0.82 和0.86，系统的冷、分别为12196 kW和6953 kW。根据最初提出的方案，取水口与排水口位于同一侧湖岸，相距约250m。假设系统在日平均负荷下连续地定水量运行，排水温度和自然水温不变，平均风速为2m/s。模拟中用到的参数见表2。

　　表2 模拟所用到的参数

　　图2 制冷运行时不同断面的水温分布

　　图3 制热运行时不同断面的水温分布

　　图2和图3分别表示水温达到稳定后不同横断面上水温的分布。制冷运行时约60小时后水温达到稳定，取水口（Y=10m）附近的水温升高0.3℃。由于超温水体单位面积散热量比自然水体大，水温分布达到稳定后，废热能通过超温水体表面散出。制热运行时约100小时后水温达到稳定，取水口附近的水温降低0.4℃。温度低于自然水体的弱温水体单位面积散热量比自然水体小，弱温水体的净得热量为正值，水温分布达到稳定后，热泵所要吸收的热量能通过弱温水体吸收得到，这部分热量来源于太阳辐射和天空辐射。

　　实际上，系统每天只运行16小时，间歇期间水温可以得到一定的恢复。实际的取水温度比模拟结果更理想，取水温度受排水的影响非常小，主要受气象条件的影响。

　　5 测试结果及分析

　　5.1 湖水进水温度测试结果

　　自系统投入运行以来，每日均对进水温度进行监测。图 4表示的是2004年夏季运行时每日的最高进水温度，夏季最高进水温度为31.6℃，比模拟结果高0.9℃，低于大多数空调用冷却塔的最高出水温度。图5表示的是冬季运行时每日的最低进水温度。随着气温下降和不断取热，进水温度不断下降。有17天的时间进水温度低于7℃，需要启动辅助加热装置。

　　大多数建筑的冷负荷比热负荷大，如果土壤源热泵的埋地换热器不是足够大，夏、冬季放热与取热的不平衡往往会造成进水温度在以后的年份里逐渐增大。不过这种不平衡并不会对地表水源热泵以后年份的运行带来影响，这是因为地表水体会不断与外界进行热交换，具有水温自我恢复能力。

　　图4 制冷期进水温度的变化情况

　　图5 制热期进水温度的变化情况

　　5.2 地表水源热泵和风冷热泵性能比较

　　为了比较南方地区地表水源热泵和风冷热泵的性能，对不同水温、气温时该系统和螺杆式风冷热泵的COP进行了测试，风冷热泵的测试地点选择在中央机房附近的电信大楼。

　　进出水温度由系统检测并显示，流量测试采用超声波流量计，机组和水泵的功率通过低压配电

　　柜显示的电流、电压及功率因数计算出，测试时机组的负荷率均在90%以上。图6为夏季和冬季不同水温和气温下螺杆式水源热泵机组、地表水源热泵及螺杆式风冷热泵的COP。测试结果显示，考虑湖水泵功率时地表水源热泵的COP仍高于风冷热泵，地表水显示出优于空气的换热性能。所测试的风冷热泵的夏季最高运行气温达到36.2℃，冬季最低运行气温为4.3℃，过高、过低的气温使风冷热泵的COP下降较快。地表水的运行水温比风冷热泵的运行气温更稳定、更有利，COP较为稳定，不存在除霜问题。

　　湖水泵的能耗对系统整体性能有较大的影响。如果考虑湖水泵功率，系统的COP比水源热泵

　　机组低10.4～14.8%。系统设计时应尽可能降低地表水的提升高度，减小引水和排水管道长度。该系统的湖水提升高度为3.2m，引水和排水管道总长约400m。为了减小夏季运行时的湖水流量，制冷时冷凝器的进出水温差加大到8℃。由于蒸发器出水温度低于4℃时机组会自动停机，以防止蒸发器表面结冰，冬季水温较低时需加大湖水流量，以减小温差。由于各种原因，该系统的湖水泵没安装调速装置。可以通过控制湖水进出水温差来调节湖水流量，进一步降低湖水泵能耗。

　　图6 夏季和冬季运行时不同水温和气温下的COP值对比

　　6 结论

　　在建造湖水源热泵前，用模拟的方法对热泵放热、取热给湖水温度变化带来的影响进行了预测。利用本文提出的近区远区混合分析模型计算出水温沿程分布情况，计算结果表明系统的负荷对人工湖而言是可以接受的，该模型的计算结果能满足工程设计的要求。

　　系统投入运行以来的情况表明，制冷时的进水温度低于大多数使用空调用冷却塔的出水温度；除冬季水温极低时需启动辅热装置外，其他时间系统均能稳定运行。对系统和风冷热泵COP值进行的测试表明，湖水源热泵的性能能效比及运行稳定性均优于风冷热泵。本文的研究工作可以为类似地表水源热泵系统的设计提供参考。

　　参考文献

　　1. ASHRAE. ASHRAE Handbook—Applications. 1999.

　　2. 国家水利部. 2002年中国水资源公报. 北京, 2003.

　　3. 郑邦民, 赵昕. 湖泊型温度流的数值分析. 水利学报,1986(8):37-42.

　　4. 陈凯麒, 李平衡, 密小斌. 温排水对湖泊、水库富营养化影响的数值模拟. 水利学报,1999(1):22-26.

　　5. 陈永灿, 张宝旭, 李玉梁. 密云水库垂向水温模型研究. 水利学报,1998(9):14-20.

　　6. Jones GR, Nash JD, Jirka GH. CORMIX3: A expert system for mixing zone analysis and prediction of buoyant surface discharges. U.S. Environmental Protection Agency, Washington, 1996.

　　7. Jirka GH, Adams EE, Stolzenbach KD. Buoyant surface jets. Journal of the hydraulic division, ASCE,1981;107:1467–1487.

　　8. 余常昭. 环境流体力学导论. 北京: 清华大学出版社, 1992.