水泵-水轮机与江水源热泵联合运用研究发展综述

范浩然 杨露露 卢 军

（重庆大学城市建设与环境工程学院 重庆 400044）

0 引言

2006年至今，全国大力推动可再生能源技术在建筑中的应用，其中地源热泵技术作为高能效的供冷供热设备系统得以大量推广。重庆和武汉等长江经济带沿岸城市大力推进江水源热泵技术，重庆市作为“十一五”国家级可再生能源示范城市，重点推动江水源热泵技术的推广和示范，在长江上建设了5个江水源热泵示范项目，服务面积约700万m2，有效地提高了建筑能效，改善城市热环境。江水源热泵，是将蕴藏于江水中的不可直接利用的低品位热能提升为可直接利用的高品位热能的装置，热泵系统能效高于3.0[1]。农田水利工程中的水泵-水轮机，其工作原理就是水轮机与水泵的机械组合，水轮机将高处水的位能转变为机械能做功，驱动水泵将低处的水提升到高处。水轮机-水泵是靠上下水位的高差带动水轮机，然后同轴带动水泵，不需要电能和其他动力设备，所以水泵水-轮机的使用不受时间的制约，有水位落差的地方都是潜在的使用地点，而且构造简单，体积小，重量轻。我国从上世纪50年代起在农田水利建设上大量推广和使用，在世界上处于先进水平。

1 江水源热泵发展研究现状

国外供暖使用较早的国家对江水源的研究应用起步比较早[2,3]，最早的有伦敦皇家节日音乐厅、苏黎世的联邦工艺学院、悉尼歌剧院等，分别应用河水、海水等作为热泵的冷热源。美国等发达国家关于水源热泵等方面的研究比较成熟，研究的成果也比较多[4,5]。而我国江水源热泵的研究起步较晚。我国对江水源热泵空调形式的使用可分为闭式和开式系统。其中闭式系统多用于中小型项目，具有系统耗电量低、无需水处理、管路系统不受影响等特点，但换热管外表面可能会因江水水质状况产生不同程度的污垢沉积从而影响换热效率；开式系统（包括直接式和间接式）是将江水直接用于热泵机组或通过板式换热换热后，江水排水高落差回排到江河水源中。如果取水水泵扬程大，它耗去了较多的能耗，使江水源热泵系统的能效下降，导致江水源热泵系统的推广受限。因此对于开式江水源热泵系统而言，全年取水水源的水位变化情况对系统能效的影响举足轻重[6]。以重庆地区为例，受三峡库区蓄排水的影响，全年江水水位的变化，导致热泵机房与江面的高差通常在15～30m的范围内变化[7,8]。同时气候变化对江河水文条件的影响，使得江水源热泵系统在设计之初和运行之时，都必须考虑到水位变化因素对系统正常运行以及系统能效带来的影响。

目前我国学者对江水源热泵技术的研究包含以下几个方面：（1）江水水温、水质、水位全年变化规律研究；（2）江水源热泵系统节能性及其影响因素[8]；（3）取水、排水设施开发；（4）江水源热泵系统节能设备开发；（5）系统运行优化控制研究。

然而以上研究成果对高落差的江水源热泵系统不适用。当取水高差大于30m时，水泵提升能耗过高，基本不适于采用该系统形式。所以，高落差限制了江水源热泵技术在这些地方的使用，需要寻求一种合适的技术来配合江水源热泵技术的使用。

2 水泵-水轮机研究现状

目前国内外对水泵水轮机特性的研究很多，探讨的内容形式也多样。Hasmatuchi等[9]、Widmer等[10]对流道内失速进行了研究；Guggenberger等[11-12]在水泵水轮机模型的s形特性区域采用PIV和静态压力分布测量联合的方法进行了研究。国内学者对水泵-水轮机流动机理也进行了深入的研究。张兰金等[13]、夏林生等[14]、王茂焕等[15]采用数值模拟和数值分析的方法探讨了水泵水轮机流道内流动状况的不稳定。而李琪飞[16]、王乐勤[17]以某抽水蓄能电站模型水泵水轮机为研究对象建立水力模型，研究了水泵水轮机反水泵区和制动区流动特性。

现有的研究表明，水泵水轮机的这些特性会产生漩涡、旋转失速、压力脉动等问题，降低了水泵水轮机效率。针对这些问题，学者们对提高水泵水轮机效率也提出了自己的建议。Kim J[18]采用试验设计和数值分析方法设计了模型，实证表明可以提高水泵水轮机效率。Zuo Z[19]等人分析和讨论了s特性曲线的相关研究，并对改善水泵水轮机效率的研究进行了总结。还有学者[20-25]对水泵水轮机效率进行研究，采用不同步导叶、优化叶片、改善水利设计均可以提升水泵水轮机效率。英国Lunar energy[26]开发了双向导流罩水轮机；朱国俊[27]采用多学科优化设计方法，提升了某电站的水轮机模型转轮性能，使得水轮机的水力效率提高了0.3%。Winter A等[28]结合水轮机叶片的实验数据，通过设定约束条件来对水轮机叶片进行优化设计。还有的学者[29-31]对水泵水轮机的尾管进行研究，合适的尾管深度对于水泵水轮机的效率提升有着重要的促进作用。

现有的水泵-水轮机基本都是出水量大，流量小，水头低，扬程大的类型，而江水源热泵系统所需要的水泵-水轮机应该是出水量与流量基本相同，水头高于扬程的类型。综上所述，现有的水泵水轮机基础理论和技术不适于江水源热泵系统，还应进一步研究水泵水轮机基础理论，开发适用于大落差江水系统的水泵水轮机。

3 水泵-水轮机与江水源热泵系统

基于水泵水轮机技术，如果将开式江水源热泵系统的冷却水排水汇集在一个水池里，其与江面便形成了具有水位差的两个液面，通过管道将排水送至水泵水轮机，带动水轮机转动，同轴驱动水泵提水，从而可回收排水的重力势能，提升地表水源热泵系统的综合能效[32]。

卢军教授[33,34]将水轮机-水泵应用于某江水源热泵工程进行分析，结果表明带有水泵-水轮机的取水系统能耗仅为常规取水系统的57%，节能率达到20.8%，达到节能降耗、高效环保的目的。宋景娜[35]针对重庆市某江水源热泵工程取水高差过大的现象，提出采用水轮机与变频泵联合运行的模式。利用DeST、Matlab等软件，建立能耗模型来优化运行。结果表明，带有水泵-水轮机的取水系统相对于常规变频取水系统节能率夏季能达到60%，节能效果非常明显。王佐君[36]分析了应用于水源热泵系统的水泵-水水轮机的理论模型以及水泵-水轮机的设计和不同水头下的稳定性问题；利用Fullent软件讨论了附件的形状。结果表明：圆形断面蜗壳的水泵-水轮机有更好的水力稳定性。唐华宇[37]分析了某工程下项目取水系统的运行工况和变频水泵实时调控方法，并对水泵-水轮机与变频泵联合运行。结果表明：某项目江水取水位能占取水泵年耗电量的58.44%；当水泵-水轮机的水头为8.6m时，全年的取水能耗最低。

4 结论

研究表明，开式江水源热泵系统采用水泵水轮机回收排水的重力势能可减少电动潜水泵扬程的需求，降低了提升江水的能量，从而提高了江水源热泵系统的能效，使得在高落差地方使用江水源热泵系统成为可能。在江水源热泵取水系统使用水泵-水轮机技术，可以减少系统投资，提高整个系统的经济性和可靠性。水泵-水轮机作为一种机械，存在机械损失和管路系统的阻力损失，回收的排水位能有限，故取水系统还需要变频泵耦合工作，才能满足提升江水所需要的能耗。目前而言，（1）变频泵和水泵-水轮机的联合运行工况及效率，受到系统的负荷变化及水位变化的影响亟待深入的研究；（2）传统的水泵-水轮机并不完全适用于江水源热泵，还应进一步研究水泵水轮机基础理论，开发适用于大落差江水系统的水泵水轮机。