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1、水源热泵排水对江水温度影响的模拟分析重庆大学 卢军1 赵炎2摘要： 采用江水源热泵系统，可用于夏季制冷和冬季供暖，具有明显的节能优势，但同时要考虑热泵排水对受纳水体的影响。本文针对重庆地区某一江水源热泵系统，选取其夏季和冬季高峰时段的取水量，并分别针对夏季江水流速1m/s和0.5m/s，冬季江水流速0.3m/s和0.1m/s四种工况建立PHOENICS模型进行模拟，预测了夏季和冬季江水源热泵排水对江水水体温度变化的影响距离及包络面积。模拟结果表明，夏季温度升高1时最大包络面积为536.8 m2，冬季温度降低2时最大包络面积为653.1m2。关键词：水源热泵；PHOENICS模型；水体温度；包络
2、面积1 引言近年来，随着人们环境保护意识的提高，各种排水对水生生态的影响引起了人们的广泛关注。排水所导致的岸边区域水温的改变可能影响水体中某些水生生物的繁殖，破坏生态平衡，危及接纳水域的生态安全，针对这种情况，许多学者采用物理模型和数值模拟研究了排水对受纳水域的影响。罗麟等1提出了一种三次样条格式用于紊浮力射流问题的k-模型数值求解温排水温度场，胡绍铃2 用二维数值方法模拟珠江河口温排水的超温分布，黄平3、郝瑞霞4提出了一种准三维的温排水数值模型。杨国胜56等人采用深度平均有限元模型模拟了电厂温排水及冷却水排放口附近的流场和温度场。江水源热泵系统可充分利用江水资源作为空调系统的冷热源，江水温度
3、稳定，夏季比空气温度低，冬季比空气温度高，具有良好的换热性，比其他形式的空调系统可节约更可观的运行费用。但项目运行期间,其排水温度偏高可能会对江水水体温度产生影响，主要是考虑江水水温变化导致潜在的水生生态影响。目前，很少有对水源热泵排水对水体温度影响的研究。本文采用CFD软件PHOENICS模拟了水源热泵排水对江水水体温度的影响距离及包络面积。2 工程概况根据可研报告，获得该水源热泵系统逐月的取水量以及夏季逐时取水量来近似代替排水量进行模拟。为了获得最不利情况下排水对江水温度的影响，分别采用夏季和冬季高峰时所需的冷却水量进行模拟计算。夏季高峰时段需要冷却水量为8664.66m3/h，冬季高峰时
4、段需要冷却水量为56409.24 m3/天，每小时取水量取为5641 m3/h。图1给出了该系统的逐月取水量。图1 逐月取水图水源热泵排水口选择10根DN1m的圆管作为排水管，各排水管之间的中心距为10m,排水管置于水底。排水温度夏季取为33 ，冬季取为4 。3 PHOENICS数值模拟3.1 物理模型根据嘉陵江重庆段的水文资料建立模型空间及各种参数。先作如下假定：实际水域复杂多变，因此假定嘉陵江河道为直河道，河道水深均匀，上游来流均匀且与河道方向平行。模拟空间取为200m20m10m，长X200m，宽Y20m，高Z10m。X正向为江水流动方向，Y正向为排水方向，Z负向为江水深度。10根排水管
5、与江水来流方向成45度排列，对江水水面及水底进行简化处理，并加细排水口附近的网格。其物理模型见图2。江水流动方向XYZ 图2 模拟空间3.2 数值模型3.2.1 控制方程流体流动的控制方程的通用形式为7： (1)其中：为密度；为扩散系数；S为源项；U为速度矢量。对应于的特定意义，和S应具有特定形式。湍流模型方程选用k-双方程模型。k-模型是目前工程问题中应用最为广泛的湍流模型，该模型由Launder和Spalding提出。3.2.2 离散方法本模拟采用的离散方法为有限体积法，也称为控制体积法。基本思路是：将计算区域划分为一系列不重复的控制体积，并使每个网格点周围有一个控制体积，将待解的微分方程
6、对每一个控制体积积分，便得出一组离散方程，其中的未知数是网格点上的因变量值的数值。3.2.3 离散方程组的求解方法本文对离散方程组的求解方法为为压力校正法(SIMPLE,即Semi-Implicit Method for Pressure-Linked Equations)，该方法成为目前CFD通用软件求解低速问题的主要方法。3.3 边界条件及数值计算概况排水管排水流速分别根据每月的取水量及排水管截面积进行计算。排水口温度夏季取为33 ，冬季取为4 。夏季江水水体温度取为26.2，江水流速分别取为1m/s和0.5m/s进行计算。冬季江水水体温度取为10，江水流速分别取为0.3m/s和0.1m/
7、s进行计算。模型网格数为600405，迭代次数为300次。4 模拟结果分析Y-Z断面为排水流动方向温度分布，X-Z断面为温度沿江水流动方向的温度分布，X-Y断面为温度分布沿水深变化。绘制夏季和冬季三个坐标轴的温度分布情况，并绘制包络面积。4.1 夏季不同江水流速时江水温度变化情况及影响范围1） 夏季江水流速取1m/s图3 江水流速取1m/s时温度沿X,Y,Z三个坐标轴方向的变化情况图4 江水流速取1m/s时X-Y断面温度变化图象及升温1包络面积图通过计算，可知夏季江水流速取1 m/s时，水源热泵排水对江水温度的影响距离在X方向约为150m，在Y方向约为2m，在Z方向约为3.4m，X-Y断面江水
8、温度升高1包络面积约为368.6 m2。2） 夏季江水流速取0.5m/s：图5 江水流速取0.5m/s时温度沿X,Y,Z三个坐标轴方向的变化情况图6 江水流速取0.5m/s时X-Y断面温度变化图象及升温1包络面积图夏季江水流速取0.5 m/s时，水源热泵排水对江水温度的影响距离在X方向约为260m，在Y方向约为3.5m，在Z方向约为4.2m，X-Y断面江水温度升高1包络面积约为536.8 m2。4.2 冬季不同江水流速时江水温度沿三个坐标轴方向变化情况及影响范围1） 冬季江水流速取0.3m/s：图7 江水流速取0.3m/s时温度沿X,Y,Z三个坐标轴方向的变化情况图8 江水流速取0.3m/s时
9、X-Y断面温度变化图象及降温2包络面积图冬季江水流速取0.3 m/s时，水源热泵排水对江水温度的影响距离在X方向约为120m，在Y方向约为3.5m，在Z方向约为2.2m，X-Y断面江水温度降低2包络面积约为284.2m2。2） 冬季江水流速取0.1m/s：图9 江水流速取0.1m/s时温度沿X,Y,Z三个坐标轴方向的变化情况图10 江水流速取0.1m/s时X-Y断面温度变化图象及降温2包络面积图冬季江水流速取0.1 m/s时，水源热泵排水对江水温度的影响距离在X方向约为230m，在Y方向约为4m，在Z方向约为3.8m，X-Y断面江水温度降低2包络面积约为653.1m2。5 结论江水源热泵系统排
10、水会对江水水体温度造成影响。本文根据某工程实际情况，分别选取夏季和冬季高峰时段的取水量，利用PHOENICS软件对排水所造成的江水温度变化进行模拟，得出以下结论：（1）夏季江水温升没有超过4的区域，而冬季温降也没有超过4的区域。夏季沿江水流动方向最大影响距离为260m,沿排水方向最大影响距离为3.5m,由水底向上的影响距离为4.2m。冬季沿江水流动方向最大影响距离为230m,沿排水方向最大影响距离为4m,由水底向上的影响距离为3.8m。（2）江水流速对排水造成的江水水体温度的变化具有明显的影响，江水流速越大，排水能更好地与江水进行对流和掺混，其热量（冷量）能更快地散发。夏季采用1m/s和0.5
11、m/s的江水流速进行模拟分析，发现前者沿三个坐标轴方向的影响距离均远小于后者，前者江水X-Y断面温度升高1的包络面积为368.6 m2，后者包络面积为536.8 m2。冬季江水流速分别取0.3m/s和0.1m/s时，前者的影响距离也小于后者，前者X-Y断面温度降低2的包络面积为284.2m2，后者包络面积为653.1m2。参考文献1 罗麟，赵文谦，李嘉用三次样条方法求解温排水温度场J水动力学研究与进展，A 辑，1992，7(12)：5655702 胡绍铃珠江电厂温排水超温分布的数值模拟J人民珠江，1991，(3)：43463 黄平汕头港水域温排水热扩散的三维数值模拟J海洋环境科学，1996，(1)：59654 郝瑞霞，韩新生潮汐水域电厂温排水的水流和热传输准三维数值模拟J水利学报，2004，(8)：66705 杨国胜，刘昭伟，叶闽.南通天生港电厂温排水叠加影响范围数值模拟J.中国环境水力学，2006，97-1026 刘昭伟，杨国胜，陈永灿，叶闽.长江黄石段温排水影响区域的叠加效应分析J.中国环境水力学，2006，123-1307 金忠青.N-S方程的数值解和紊流模型.河南大学出版社.1989卢军，男，1966年10月生，博士后，教授，博士生导师。地址：重庆市沙坪坝区北街83号重庆大学B区城环学院，邮政编码：400045，电话：02365123777，E-mail：lujun66
