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1、重庆市某酒店水源热泵对长江水环境影响的模拟分析重庆大学城市建设与环境工程学院 吴浩 王勇 李文摘要 是否具备合适的水源以及排水对水环境的影响有多大，是建造地表水源热泵工程前必须解决的两个问题。本文从水温和水质两方面研究了长江水作为地表水源热泵空调系统冷热源的可行性；对重庆某酒店水源热泵空调系统排水对长江水的影响进行了模拟分析，根据模拟结果得到结论：该工程从长江取、回水是可行的，不但满足工程需要，而且排水只在较小的区域内对江水水体有程度很小的影响，在该区域以外，江水水温都能得到恢复。最后本文展望了地表水源热泵空调系统在长江流域的应用前景。关键词 地表水源热泵 长江 水环境 CFD模拟1 引言地表
2、水源热泵就是利用地球表面的江、河、湖、海等地表水作为热泵机组的热源和热汇。当建筑物的周围有大量的地表水可以利用时，可通过水泵和输配管路将水体的热量传递给热泵机组或将热泵机组的热量释放到水体中。重庆境内江河纵横，水网密布，水资源十分丰富，全市年平均水资源总量超过5000亿m3，其中地表水资源占绝大部分，由长江、嘉陵江、乌江等流经重庆地区的入境水形成的地表水约4600亿m3，其中长江占80以上，嘉陵江占9.9，其它河流约占101。重庆地区丰富的地表水资源，为水源热泵技术在重庆地区的应用提供了得天独厚的自然资源条件。2 工程概况该酒店位于重庆市江津区，建筑总面积为102628m2，地上39层，建筑高
3、度为148.6米，为集商业、办公、酒店客房、休闲会所、会议为一体的超高层五星级酒店综合体，是城市重要的标志。酒店紧靠长江，故拟采用水源热泵空调系统，利用长江水作为低位冷热源通过热泵提升能量为建筑进行供冷和供热。酒店总冷负荷约为12000KW；总热负荷约为6000KW。3 长江水利用的自然条件3.1 水温参数由文献1的统计数据可知：长江水最低温度出现在1月份，为10.30C，最高温度出现在8月份，为24.70C。为进一步摸清长江江津段水温情况，课题组于07年1月份和8月份分别对长江江津段水温进行了测试，测试结果如下图1、图2所示： 图2夏季水温测试情况(07-8-7)（07-8-7） 图1冬季水
4、温测试情况(07-1-13) 测试结果与文献1中统计数据非常接近。课题组于06年8月份和08年2月份分别对极端条件下的长江水温进行了测试：06年8月份最高水温为28.50C，08年2月最低水温为7.00C，根据美国制冷学会ARI320标准，即使在百年不遇的连续高温天气和五十年不遇的严寒天气情况下，长江水仍然适合水源热泵，长江水的这种温度特性使其成为水源热泵良好的冷热源。3.2 水质参数水质的好坏直接关系到机组的运行效果和使用寿命，地表水的水质指标包括水的浊度、硬度以及藻类和微生物含量等。采暖通风与空气调节设计规范（GB 500192003)中第7.3.3条和地源热泵系统工程技术规范（GB 50
5、3662005）中第5.2.8条和第6.2.4条对采用地下水、地表水的水源热泵机组的水质指标进行了规定，表1是长江江津段的各项水质指标测试结果与允许值的对比： 序号水质指标测试结果允许值备注1PH值6.428.216.58.5满足要求2Ca2+ (mg/l)38.582.23200满足要求3矿化度 (g/l)1.303满足要求4Cl- (mg/l)8.2313.16100满足要求5SO42- (mg/l)24.1232.20200满足要求6Fe2+ (mg/l)0.060.201满足要求7H2S (mg/l)0.170.320.5满足要求8浊度(NTU)62012706.5不满足要求表1 长江
6、江津段水质与水源热泵机组允许的水质要求比较由表1可以看出：除浊度外，其他各项水质指标均能满足机组对水质的要求。由此可见,利用长江水做水源热泵系统冷热源必须解决含沙量大的问题。本工程采用天然河底滤床反向渗滤取水方案，该方案利用长江河床的卵石层作为天然过滤器，通过渗透滤嘴在河底硐室内汇集江水，各个硐室内汇集的江水通过江底集水隧道、导井送至竖井，然后利用水泵直接抽往热泵机组使用。江水通过河床的卵石层过滤、渗透至酮室后，水中含沙量将大幅度降低，经简单处理后就可以直接进入机组，这就解决了江水含沙量大的问题。4 水源热泵机组排水对江水影响的模拟分析本文采用CFD通用商业软件PHOENICS来对水源热泵从长
7、江提取冷、热量后，回水对水体的影响范围、影响程度进行模拟分析。4.1 江水水体“冷热收支”情况分析水体的“冷热收支”主要取决于以下几个部分：(1)水面热交换量；(2)水体与河底、河床的换热量；(3)水源热泵系统对水体的取热或排热量。4.1.1 水面热交换量的计算2 3 4 5水面热交换包括辐射热流量、蒸发热流量和对流热流量三个方面。具体地，水表面层的热交换总量（w/m2）可表示为： (1)式中：为水表面吸收的太阳短波辐射量（w/m2）；为水表面吸收的大气长波辐射量（w/m2）；为水面长波辐射（w/m2）；水表面的净蒸发热通量（w/m2）；为水表面的热对流通量（w/m2）。(1) 水体吸收的太阳
8、短波辐射太阳的日照总辐射I经过水面反射后，除表层吸收一部分外，其余部分透射入水体内部。因此水体吸收的太阳短波辐射量（w/m2）的计算公式如下， (2)式中：为平均太阳总辐射强度（w/m2），一般可引用现场或相邻主要气象台所测得的太阳辐射量数据，重庆地区的平均太阳辐射强度按照“中国建筑热环境分析专用气象数据集”里面沙坪坝气象站的数据来取值，夏天取168.2w/m2，冬天取49.9 w/m2；为水表面对太阳短波辐射的反射率。太阳辐射在水体中的分布规律是随水深的增加呈指数规律衰减，即： (3)式中：为高程为z处吸收的太阳辐射热；为水面表层对太阳辐射的吸收率；为太阳辐射在水体中的衰减系数m-1；为水体
9、的深度（m）。本文在模拟中根据水体的实际情况选定以下数值0.4；=0.1；=0.5 m-1。(2) 水表面吸收的大气长波辐射量（w/m2） (4)式中：为水表面对大气的长波反射率；为大气的发射率；是StefanBoltzman常数，为；为水面2m处的空气温度(0C)，根据测试数据，取值为夏天取32.40C，冬天取7.40C。本模拟中取值0.03；0.97。(3) 水面长波辐射（w/m2）水体吸收的大气长波辐射能量会向大气进行返回辐射，是水体热损失的很重要的一部分。基于水面为绝对黑体的假设，水面长波辐射量的计算公式如下， (5)式中：为水表面的温度(0C)，根据对重庆地区长江水温的测试数据，取值
10、为夏天取24.40C，冬天取9.60C；为水表面的长波发射率，由于水并非绝对黑体，取0.97；是StefanBoltzman常数。(4) 水表面的净蒸发热通量（w/m2） 估计蒸发量的方法很多，其中大多数是经验性的，水表面蒸发热通量的计算公式为， (6)式中：表示水面上z（m）处的风速，是用水面上z（m）处风速表示的风函数（w/m2* mmHg），=；为水面上空气的蒸发压力(mmHg)；为对应于水面温度 (0C)的空气饱和蒸发压力, =，重庆地区夏季、冬季室外平均风速按以下取值：夏季2.1m/s，冬季0.8m/s。(5) 水表面的热对流通量（w/m2）当气温不等于水面温度时，水汽交接面上会发生
11、对流传热过程，其计算公式为， (7)式中：为经验系数，取0.47；是用水面上方z（m）风速表示的风函数（w/m2* mmHg）；为水表面温度(0C)；为水表面上方2m处空气温度(0C)。4.1.2 水体与河底、河床的换热量(w)根据J.R.Hull6得到的半经验公式，水底以及底水层壁面的热损失量(w)计算式为 (8)式中：为池底面积（m2）；为水体的温度；为土壤远边界的温度(重庆地区土壤的年平均温度为190C)；为池底周长（m）；为经验系数（w/m2），与土壤的传热系数K(w/m2.k)成正比，与池底和土壤远边界之间的距离(m)成正比；为经验系数（w/m），包括池底热损失以及底水层壁面热损失的
12、影响，与土壤的传热系数K成正比关系。4.1.3 水源热泵系统对水体的取热或排热量制冷工况运行时，水源热泵系统排入到水体中的热量为： (w) (9)式中:为夏季空调冷负荷(w)；为制冷能效比。制热工况运行时，水源热泵系统从水体中吸取的热量为： (w) (10)式中:为冬季空调热负荷(w)；为制热性能系数。4.2 模型的建立从江水取回水的结构模型如下图3：图3 从江水取回水的结构模型模型尺寸：夏季，长800m，宽30m，水深7.5m；冬季，长800m，宽30m，水深4m。取水口位于排水口上游100m，排水管直径1m，排水口位于上游x=30m处，管上边沿与水表面齐。4.3 边界条件的确定长江水为流动
13、水体，释放到水体的冷热量会及时被水流带走，不会在当地的水体中聚集，且江水流动速度较大，上下层对流强烈，水体内在不断地进行热量交换，因此沿水深方向不形成温度分层，整个水体在某一横截面处呈等温分布。根据测得的数据，本工程项目长江水体初温设为：夏季23.80C；冬季10.70C。江水平均流速为夏季0.7m/s；冬季0.5m/s。江水表面根据理论计算，简化为常热流边界考虑，通过计算得到热流值：夏季79（w/m2）；冬季-15（w/m2），江水水体与土壤传热相对于水体表面而言较小，设为绝热边界。排水参数设置：夏季排水按极不利情况考虑，取100C的温差，即排水温度为33.80C，排水量为0.8128m3/
14、s，排水管的出水流速1.04m/s。冬季按50C的温差考虑，即排水温度为5.70C，排水量为0.6694m3/s，排水管的出水流速0.853m/s。4.4 模拟结果及分析4.4.1 夏季模拟结果分析夏季模拟水源热泵机组连续运行1周排水对江水的影响，模拟结果显示：江水表层受影响最大，这是因为江面排水，排水方向与江水流速方向一致，且排水密度比江水密度要小的缘故。江水表层的模拟水温分布图如图4所示：图4 夏季连续运行一周后江水表面的水温分布 图6 排水口下游1m截面处水温随水深变化曲线图图5水表面水温分布曲线图 上图5是水表面水温分布曲线，从图5可知：表层受影响范围为距排水口上游2m到距排水口下游7
15、40m长度区域水体,总共大约742m范围；表层影响区域内平均水温大约为24.10C。根据模拟结果，水温在排水口下游方向1m左右达到最高(为29.920C，温升为6.120C)，该截面处水温随水深变化关系曲线如图6所示，从图6可得出：沿水深方向，受影响的程度是逐层递减的，在2.5m深处，江水水温已不受排水的影响。所以排水在深度方向上影响范围为水面到水面以下2.5m的范围。从模拟计算结果还可得到以下数据：排水在纵向（河宽度方向）上影响范围为从岸边到17m的范围；排水影响区域内平均水温大约为23.970C。可知:即使取、回水温差取100C，系统连续运行1周，受影响区域内平均温升仅0.170C，可认为
16、对江水水体没有影响。4.4.2 冬季模拟结果分析冬季模拟水源热泵机组连续运行1周排水对江水的影响，由于冬季排水温度低于江水水体温度，所以较冷的水在向前流动的同时，还要在密度差下往深度方向流动，模拟结果中表现为：沿深度方向，从某个范围开始排水对江水的影响范围逐层增大，且开始受影响的区域逐层前移，例如在水面以下3.5m处，受影响的区域是从排水口所在横断面往下游方向5m处开始，水底受影响的区域是从排水口所在横断面往下游方向13m处开始（如图8）；底层受影响范围最大，江底的模拟水温分布图如图7：图7 冬季连续运行一周后水底的水温分布图8 水底的水温分布曲线图 图9 排水口下游50m截面处水温随水深变化
17、曲线图 水底水温分布曲线如图8所示，从图可知：江底受影响范围大致为：距排水口处下游13m到距排水口下游250m长度区域的水体,总共大约237m的范围；底层排水影响区域内平均温度大约为10.610C；底层水温在排水口下游方向50m处达到最低，该截面处水温随水深变化关系曲线如图9所示，从图9可得出：沿水深方向，受影响的程度是逐层增加的(但在从排水口到排水口下游15m的范围内，受影响的程度是逐层递减的)。从模拟结果还可得到以下参数：排水对江水水体造成的影响范围大致为：距排水口处上游1m到距排水口下游250m长度区域的水体,总共大约251m的范围；排水在纵向上影响范围为从岸边到13m的范围；排水影响区
18、域内平均水温大约为10.650C，受影响区域内平均温降仅0.050C，可认为对江水水体没有影响。 5 结论及展望从计算机模拟结果可以看出:即使系统连续运行1周，夏季取、回水温差为100C，排水对江水的影响也很小，可认为对江水水体没有影响。江水在整个利用过程中，只是进行热交换，故排水不会给江水水质带来任何影响。该工程从长江取、回水是可行的，不但满足工程需要，而且排水只在较小的区域内对江水水温有程度很小的影响，在该区域以外，江水水温都能得到恢复。目前，国际国内正加强对地表水源热泵系统的研究和应用。长江流域具有丰富的地表水资源，在该区域内，水源热泵的使用重点应该是地表水水资源。从目前的应用现状看，地
19、表水源热泵的研究仅形成点还未形成面，建立该示范工程，有助于在该区域推广使用水源热泵系统，使水资源的利用进入到有序轨道，若再加以政府调控和引导，地表水源热泵在该区域能够成为一个产业来发展，为国家建筑节能技术的有效利用奠定基础。参考文献：1 董孟能、姜涵、霍建辉，等. 重庆江水水源热泵应用关键技术.交流平台.2007，17：8485.2 Paul R. Holland.A Numerical Study of the Dynamics of the Riverine.Environmental Fluid Mechanics ,2001,(1): 311332.3 陈永灿、张宝旭、李玉梁.密云水库
20、垂向水温模型研究.水利学报.1998,9(9)：1420.4 钱小蓉.水库水温预测模型研究.重庆大学报（自然科学版）,1997,(3):134140.5 李怀恩、沈晋.一维垂向水库水温数学模型研究与黑河水库水温预测.陕西机械学院学报,1990,(4).6 J.M.Cantrell. Shallow Ponds for Dissipation of Building Heat: A Case Study, ASHRAE Transactions, 1984,(90), 238246.第一作者：吴浩，男，1982年9月出生，在读硕士研究生，重庆大学B区三舍1103室，400045，wuhao7427798，电话：136483193577
