水源热泵系统取退水方案与温度场模拟

洪顺军　杜卫　李志鹏　刘永红　吴义勇　何敬行　金羿

摘要：为了更加深入的研究水源热泵项目，介绍了某水源热泵项目概况及取退水方案，计算了夏季工况、冬季正常工况及冬季极端工况的取水量；建立了取退水部分三维模型图，采用CFX软件对3个工况下取退水对河流的影响进行了数值模拟，并分析了水源热泵项目的节能效果。研究结果表明：3个工况下退水水流均不會对河流A上游取水口周边温度场产生影响；河流B汇入河流A之前平均水温与河流A基础温度相比较，温升（降）低于1℃，退水不会对河流A产生影响；项目节能效果显著。通过研究水源热泵取退水对河流温度场的影响以及项目的节能效果，对水源热泵项目的设计与优化有一定参考作用。

关键词：水源热泵；取退水；温度场；数值模拟；节能

中图分类号：TK79 文献标识码：A 文章编号：1672-1683（2017）02-0203-06

热泵是以消耗一部分高温位能或高品质能（电能、机械能等）为代价，基于热力循环原理，将热能由低温物体转移至高温物体的能量利用系统。水源热泵是热泵的一类，水源热泵是一种被广泛应用的热泵系统，其能效比高于空气源热泵，尤其是采用水源热泵技术能够有效降低整个空调系统能耗，充分提高能源的利用率。近几年来，国内将水源热泵的应用范围进行了拓展，在水源热泵项目的基础上诞生了很多湖水源热泵项目，围绕该种技术形式的研究课题较为丰富，其中针对取水方式、系统能效以及节能效果等问题的研究较多。

1项目概况

1.1供能面积及负荷

某水源热泵项目供冷（热）面积为136.6万m²，建筑业态包括商业、住宅。根据《全国民用建筑工程设计技术措施》（暖通空调·动力），结合项目建筑的具体使用情况，确定了各建筑设计日的逐时冷负荷系数；根据陆耀庆主编的《实用供热空调设计手册》（第二版），确定了各建筑业态的同时使用系数，该项目设计日逐时冷热负荷见图1。

从图1可以看出，该项目设计日供冷负荷为69.9 Mw，供热负荷为35.4Mw。

1.2技术形式

我国水资源贫乏，针对江、河、湖的很多研究成果为水源热泵的应用提供了参考，有利于热泵项目的优化设计。该项目临近河流A及河流B，河流A流量远远大于河流B，两条河流交汇，河流B汇入河流A，是典型的可采用水源热泵为区域内建筑进行供能的项目，在考虑系统经济性及效率的基础上，采用水源热泵与冷水机组相配合的技术形式，该项目水源热泵系统主机配置见表1。

2取退水方案

2.1取水量分析与计算

2.1.1夏季取水量分析计算

根据《实用供热空调设计手册》（第二版），对于水源热泵项目，夏季取水量可根据式（1）进行计算：

（1）式中：a为取水系数，在设计过程中，考虑到取水安全、水处理损耗以及水泵并联后流量会衰减，根据设计经验取1.1；Q₁为取水量（m³/h）；W₁为夏季冷负荷（kw）；COP₁为主机制冷效率，该项目主机夏季CDP₁为5.67；T₁为取退水温差，该项目设计取退水温差为5℃。

结合该项目夏季设计日逐时供冷负荷数据，可计算出夏季设计日取水量，具体见图2。

2.1.2冬季取水量分析计算7=47.43万m³，平均小时取水量为0.28万m³。

（2）冬季极端工况取水量。

冬季极端工况下取水量计算参照式（2），其中主机冬季极端工况COP3为4.0取退水温差T₃为3℃，其他参数保持不变。通过计算，冬季极端工况下设计日各时刻取水量见图4。

从图4可以看出，该项目冬季极端工况下设计日总取水量为13.59万m³，最大小时取水量为0.84万m³。冬季周平均最大取水量取冬季设计日取水量的80%，冬季极端工况下周总取水量为：W_3w=0.8×13.59×7=76.1万m³，平均小时取水量为0.45万m³。

该项目夏冬两季取水量见表2。

2.2取水及退水位置

由于该项目靠近河流A及河流B，项目能源站从河流A经取水头部取水，退水于河流B中，再汇入河流A中。能源站取退水总平面及退水部分示意图分别见图5（a）、图5（b）所示。

为了降低温排水对河流B退水口局部温度场的影响，采用多点退水方式。

3温度场数值模拟

ANSYS-CFX软件主要应用于大坝、水轮机、河流污染等项目的流体仿真中。采用CFX对该项目取退水温度场进行模拟，对于通常的河水流动，湍流模型可选择标准的k-ε模型。标准k-ε模型是两个方程的模型，要解两个变量，速度和长度尺度。近年来，很多学者采用数值模拟方法对（湖）水源热泵项目取退水方案进行了研究，成果颇丰。

3.1边界条件及模型

数值模拟采用的河流A、河流B水文数据，包括江面水位、取退水流量、温升/温降等，具体参数见表3。

此外，夏季工况：河流A基础温度为30℃，河水表面综合散热系数为42 5 W/m²×k；冬季正常工况：河流A基础温度为8℃，河水表面综合散热系数为8.5 W/m²×k；冬季极端工况：河流A基础温度为6℃，河水表面综合散热系数8.5 W/m²×k。

取退水模型采用非结构化网格，考虑到该项目水源热泵系统是在设定工况下长期运行，根据该项目实际特点，采用稳态分析方法，模拟的主要内容包含河流A、河流B河面的温度场。该水源热泵项目取退水部分三维模型见图6。

3.2模拟结果分析

（1）夏季工况模拟。

夏季退水温度为308 K（35℃），夏季两条河流河面温度场及河流B距河流A河岸45 m处截面温度场模拟结果分别见图7（a）、图7（b）所示。

从图7（a）可以看出，退水水流对河流A上游取水口周边温度场无影响；从图7（b）可以看出，河流B汇入河流A之前的平均水温为3Q 51℃（基础温度30℃），温升低于1℃，表明退水不會对河流A产生影响。

（2）冬季正常工况模拟。

冬季正常工况下退水温度为276 K（3℃），冬季正常工况下两条河流河面温度场及河流B距河流A河岸45 m处截面温度场模拟结果分别见图8（a）、图8（b）所示。

从图8（a）可以看出，退水水流对河流A上游取水口周边温度场无影响；从图8（b）可以看出，河流B汇入河流A之前的平均水温为7.31℃（基础温度8℃），温降小于1℃，表明退水不会对河流A产生影响。

（3）冬季极端工况模拟。

冬季极端工况下退水温度为276 K（3℃），冬季极端工况下两条河流河面温度场及河流B距河流A河岸45 m处截面温度场模拟结果分别见图9（a）、图9（b）。

从图9（a1可以看出，退水水流对河流A上游取水口周边温度场无影响；从图9（b）可以看出，河流B汇入河流A之前的平均水温为5.39℃（基础温度6℃），温降小于1℃，表明退水不会对河流A产生影响。

通过对夏季、冬季正常工况、冬季极端工况河流A及河流B河面温度场的模拟可以看出，3个工况下退水于河流B中的水流均不会对位于河流A上游的取水口产生影响；3个工况下河流B汇入河流A之前的平均水温与每个工况基础温度相比较，温升（降）均低于1℃，这表明退水水流不会对河流A产生影响。

4项目节能效果

随着泵站装置、阀门、拍门等水力机械设备的研究成果不断涌现，水力机械设备性能得以提升，有助于提高水源热泵项目的效率。水源热泵技术被广泛应用的一个重要原因是其在节能方面的优势，建筑节能已经成为我国的基本国策之一，针对水源热泵项目节能效果的研究成果较多。通过估算，该水源热泵项目与常规方案相比较，年节约用水429 113 t（折标煤36 79 tce），夏季节约电能消耗470 42万（k·Wh）（折标煤578 62 tce）；虽然冬季采用水源热泵方案耗电增加1 385.22万（kW·h）（折标煤1 712.02 tce），但减少燃气消耗510.22万m³（折标煤6 19S.75 tce），全年节约能源折合标煤5 1 57.675 9 tce。

5结语

一个完整的水源热泵项目设计包含供能面积统计、负荷分析、技术方案、取退水方案、供能管网方案、投资造价及节能分析等多个方面的内容，其中取退水分析作为十分重要的一部分，取退水对江河表面温度场的影响分析至关重要。该水源热泵项目从河流A取水、退水于河流B中，通过对夏季、冬季正常工况、冬季极端工况的模拟分析，退水不会对取水口、河流A及河流B产生影响。此外，该水源热泵项目节能效果明显。通过分析水源热泵项目取退水对河流的影响、项目节能效果等内容，为未来水源热泵项目的应用及技术创新提供一定参考，能够有效推动节能环保行业的发展。