湖水源热泵系统排热工况下散点排水对湖体温度场的影响

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1、湖水源热泵系统排热工况下散点排水对湖体温度场的影响摘要：采用流体计算软件建立三维湖体模型，模拟设计日下湖体自然水温，用实测水温进行修正作为初始条件；根据别墅群全年逐时负荷的模拟结果，采用动态取排水温和水量作为边界条件；以典型气象年数据为基础，通过用户自定函数输入水面换热边界；分别对某别墅群水库水源热泵系统的排放水管网采用与雨水排水管网相结合的散点排水以及采用传统的集中排水方式进行了动态数值模拟，得到供冷季逐时排热工况下湖体温度场的分布情况，分散排水优势明显。分析模拟结果表明：集中排水方案水体周温升0.33°C,分散排水方案水

2、体周温升0.16°C；水体水道狭长体积有限的区域在连续排水的情况下，有明显热累积现象。连续运行条件下，散点排水取水口水温的模拟结果表明：7〜10月，位于常年水位4.6m水深下的取水口取水温度在27〜23.5£之间，可实现热泵系统高效运行。关键词：水源热泵；散点排水；数值模拟；动态负荷；温度分布中图分类号：TU831文献标志码：A文章编号：16744764(2013)02007907湖水水体作为一种天然冷热源，实现了热泵系统高能效比运行，产生良好节能效益［1］。以重庆为例，地表水水源热泵系统得到了大力推广和广泛应用，依托辖区内

3、的水系及湖库塘资源，已建和在建地表水水源热泵项目有25个［2］。目前，水源水质［34］、系统性能研究［58］和系统排水对水体的影响［911］是本领域研究重点。温排水对于自然水体的影响研究，国外文献多集中于发电厂类研究［1213］,国内学者多针对二维水温计算方法［9］、特定排水方式下的温度场特性研究［10］及不同排水方式的评价研究［11］。针对滞留水体（湖库塘水）水源热泵系统在动态负荷边界条件下的研究较少。陈金华，等：湖水源热泵系统排热工况下散点排水对湖体温度场的影响地表水系可分河流和湖泊（水库、池塘），前者为流动水体，而后者

4、为滞留水体。两者的热承载能力大不相同［14］。前者热承载能力大，流动性好，可以依靠流动的水较快地带走热量，因此排放水对于水体的局部和总体温升影响一般都不大；而水库水流动性差，热容量有限，对于空调系统持续不断的排放水，长期运行后，湖体的承载能力是否会超出其自恢复能力的极限就要另当别论了，这直接关系到系统的运行效率以及对周围环境的影响。随着系统的运行，温排水排入源水水体后，水体温度会发生改变。建筑负荷是全年动态变化的，导致取水温度、热泵机组能效比、系统实际排热量相互影响也是动态变化的。而目前的文献研究中采用的边界条件多是在设计负

5、荷下的，较少考虑多因素的影响动态过程。笔者采用以实测水温修正后的设计日下湖体自然水温为初始条件，根据某别墅群全年逐时负荷的模拟结果，采用动态取排水作为数值模拟的边界条件；以典型气象年数据为基础，通过用户自定函数输入水面换热边界；对别墅群水库水源热泵系统的排放水管网采用与雨水排水管网相结合的散点排水方式进行了动态数值模拟，得到了供冷季排热工况下湖体温度场的分布情况。1控制方程及数值计算模拟流程图非稳态、常物性、不可压缩流体湍流的湍流基本控制方程组包括：上述方程组中：u、v、w分别为x、y、z方向的速度瞬时值，是时均值和脉动值之

6、和；P为水体的密度；cp为水体的定压比热容；P为压力；T为热力学温度；动量方程中忽略体积力，能量方程忽略耗散项；ST为源项；qxyzt为排水口的质量源项；en为水体表面的热交换量；ATh为热泵系统的取排水温差。△Th由式ATh=QlhmxyztcpEERh+lEERh确定，式中：Qlh为建筑的逐时冷负荷；mxyzt为各排水口的设计质量流量；EERh为计算时刻下机组的能效比时均值。当△Th25<3C时，mxyzt为各排水口的设计流量；当ATh考虑到水体模型尺寸较大，而管径较小，实际划分网格时分块划分，并进行网格过渡，最远处网格

7、尺寸参照文献［16］的计算值，以保证计算质量。4定解条件如图1所示，排水工况下的温度场模拟以自然水温为初始条件，将建筑的逐时负荷作为能量源项加入数学模型，由于模型假设水面高度不变，取排水量保持平衡，因此无需添加质量源项。水面边界条件：以典型气象年数据为准，按照文献［14］的方法动态输入水面边界。水底土壤水体边界条件：以该地区的空调季节的土壤平均温度为准，设为定温边界，参照文献［17］中的3.2m以下土壤层的温度取值23.25°Co水体水体交界面处的边界条件：即利用湖体与未利用湖体的交界面。在此界面上，存在着复杂的热量和水体的

8、交换,结合水体模型建立过程中是以整个水体的中间界线作为"水体水体”的界面。再考虑到后期发展，假定左侧水体也作为水源热泵的冷热源。此时，在工程上，可以将本界面看作一种近似的“对称边界”，此假定满足工程上的近似及最不利的思想。因此，在具体模拟中，将利用湖体与未利用湖体的交界面设为"对称型边界条