重庆工程地表水源热泵系统技术可行性分析样本

重庆某工程地表水源热泵系统可行性分析重庆大学刘勇顾铭秦丹王勇摘要：从水体热容量、水体水温恢复能力等方面分析了地表水源热泵系统应用条件，采用理论计算与计算机模仿仿真对重庆某实际工程采用地表水源热泵系统技术可行性进行了研究，并对可行两种方案进行了详细论证。核心词：热容量水温分布可行性0引言地表水源热泵系统可以运用地表水作为空调系统低位冷热源，在空调系统制冷过程中，不需冷却塔，既省水节能又环保；在制热时，它不需要燃料，不会对大气环境导致危害。同步，该系统供热供冷效率高，可以大大减少能源使用费用。由于地表水源热泵系统具备一系列长处，该系统在国外有着广泛运用，国内近年来也开始推广普及。然而，地表水源热泵系统也并非任何场合都合用，该系统对地表水体热容量和水温恢复能力有规定。如果水体热容量或水温恢复能力不够，那么系统运营一段时间后水体冷热品质必然下降，系统效率便会减少。因而，在实际工程中，选用地表水源热泵系统必要要做详细技术论证。鉴于此，对重庆某体育度假中心体育设施房（如下简称体育设施房）和温泉度假中心（如下简称温泉中心）地表水源热泵空调系统做了详细技术论证。本工程重要采用理论计算与计算机模仿两种方式进行分析。1工程概况体育设施房属于会所、度假类休闲产品建筑，位于重庆市南岸区，-1F和-2F为车库和库房等后勤用房，1F为会所用房，涉及大堂、快餐厅、大堂吧、更衣和淋浴房、VIP房、会议室等，2F为中餐厅，共有20个包房。项目用地面积约10262.7平方米，总建筑面积为27961.8平方米。水源热泵空调示范面积为10000平方米左右，估算总冷负荷约为1934KW，估算总热负荷约为810KW。温泉中心属于酒店、度假类休闲产品建筑，位于重庆市南岸区，-2F为温泉用房，涉及室内泳池、水浴中心、更衣室、淋浴间、快餐厅，-1F为车库和库房等后勤用房，1F为酒店用房，涉及大堂、接待厅、会议中心、大堂吧等，2F～6F为酒店原则客房。项目用地面积13528.6平方米，总建筑面积33674平方米。水源热泵空调示范面积约为27000平方米左右，估算总冷负荷约为2640KW；估算总热负荷约为1860KW。温泉中心、体育设施房同处在一种分区区域之内，两者间距不大；并且，该两栋建筑附近区域均分布较为充分地表水体（石榴湖、溪流）。建筑平面布置图如下：石榴湖温泉中心石榴湖温泉中心溪流体育设施房心图1建筑平面布置图2工程冷热源方案选用依照上述自然条件，两栋建筑水源热泵系统冷、热源运用方案拟定为如下两种方案：方案一：湖体单独运用温泉中心、体育设施房两栋建筑水源热泵系统均运用石榴湖水体冷热资源，在湖内进行取水、回水。方案二：湖、溪流共同运用温泉中心水源热泵系统运用湖体冷热资源，在湖内取水、回水；体育设施房运用其附近溪流水体冷热资源，在溪流内取、回水。3工程技术可行性分析3.1方案一技术可行性分析3.1.1理论计算分析为了拟定夏、冬两季系统运营过程中向湖体排热、取热后湖体水温变化状况，必要分析夏、冬两季系统运营过程中湖体得热、散热状况，从而拟定夏、冬两季系统运营后湖体“冷热收支”平衡能力。系统运营过程中，湖体热互换过程重要涉及：（1）水面热互换，（2）水体与下垫面热互换，（3）水源热泵系统向湖体取、排热。依照以上条件，以及两个空调系统最大冷热负荷，结合建筑使用特性，计算出夏、冬两季水源热泵系统运营过程中湖体平均水温变化状况：表1湖体平均水温变化季节湖体得热量（J）水比容（J/kg·K）湖水质量（kg）水温变化（K）夏季3.22E+114.19E+038.29E+070.93冬季-3.76E+11-1.08全年2.06E+110.59上表表白：夏季运营后，湖体水温升高0.93K；冬季运营后，湖体水温减少1.08K；考虑过渡季节湖体水温恢复，全年湖体平均水温仅升高0.59K。从而阐明，系统全年运营对湖体水温影响比较小，湖体全年热平衡基本上能得到保证。3.1.2数值模仿计算依照“零负荷”条件下湖体水温分布特点，附加水源热泵系统运营取、排热量，分别建立冬、夏两季系统运营湖体水温分布模型，运用通用商业软件PHONEICS进行仿真计算。石榴湖物理模型如下：图2湖体模型其中，取、回水位置设立如下：石榴湖温泉中心回水口x=30m，y=110.35m，z＝6m；体育设施房回水口x=0m，y=102.5m，z＝6m；取水口共用，位置坐标x=90，y=40，z＝0m。初始参数及边界条件：石榴湖夏季水温初始参数设立为（以湖底为零标高）：0～1.5m，水温15.5℃；1.5～6m，水温19℃；6～7m，水温25℃；冬季水温初始参数设立为10℃，上下层均匀。湖体表面简化为常热流边界；湖底传热相对于湖体表面而言较小，设立为绝热表面；回水按5℃温差考虑，负荷特性体当前取回水流量上典型日负荷使用特性如下：体育实行房：中午11:00～下午13:00为满负荷状态，下午13:00～18:00为50％负荷状态，晚18:00～22:00为满负荷状态，22:00～24:00为30％负荷状态，别的时间段负荷为20％；温泉中心：上午8:00～11:00为30％负荷状态，11:00～14:00为100％负荷状态，14:00～18:00为50％负荷状态，18:00～22:00为70％负荷状态，22:00～凌晨8:00为50％负荷状态。不同负荷状况调节冷却水量。依照上述模型对夏季、冬季各一种典型日分别进行模仿运算。模仿成果如下：（1）夏季工况计算成果：a.整体立面b.水面如下6米平面c.水面如下3米平面d.图3夏季工况水体温度分布上图计算成果表白：夏季空调运营工况下，由于回水口位于水面下1米处，回水区附近水域垂直水温分层现象被打破，水体水温受影响范畴随着水面如下深度增长而越来越小；同步，由于受回水水温影响，水面回水区域水温较周边水温略低。系统运营1天后，湖体平均水温仅上升0.32℃，并且湖体受系统运营影响区域相对较小。（2）冬季工况计算成果：a.整体立面b.水面如下6米平面c.水面如下3米平面d.图4冬季工况水体温度分布从上图可以看出，冬季典型日系统运营1天后，仅湖体回水区域附近水体水温受系统取热影响，并且整个湖体受影响范畴相对比较小，层间温差相对夏季小多。此外，计算数据成果，可以得到：（1）湖体水面如下6米平面平均水温为9.91℃，与湖底水温一致；水面如下3米平面平均水温为9.9℃，回水影响区域增长；水面由于受外界环境换热影响平均温度为4.88℃；（2）冬季典型日系统运营1天后，整个湖体平均水温为9.65℃，较初始平均温度10℃减少了0.35综上，对于方案一，系统在冬、夏季运营后，整个湖体水温度变化均比较小；并且在全年运营后，基本上可以实现热平衡。同步，系统一种典型日工况运营模仿成果表白，系统运营1天条件下，取、回水对湖体水温影响范畴均很小。从而阐明，方案一在技术上是可行。3.2方案二技术可行性分析由于方案二与方案一相比水体容量增长了，而所要提取冷热量并没有增长，因而，方案一能满足工程规定，方案二从理论上讲应当能满足规定。核心是要研究，溪流热容量能否满足体育设施房需求。为此，对方案二重要分析体育设施房从溪流中提取冷热量后，溪流水温与否能得以恢复以及对水体影响范畴。溪流长200m×宽7m×深2m，取水口（x=10m）位于出水口上游100m。夏季溪流水体初温设为27℃，流量按400t/d；水流表面简化为常热流边界考虑，溪流水体与土壤传热设立为绝热边界；回水按5℃温差考虑，负荷特性体当前不同步刻流量不同；冬季水体初温设为12.5℃，其他条件同夏季。同样，计算冬夏各一种典型日，计算成果及分析如下：（1）夏季工况计算成果：a.溪流立面b.水面如下1米平面c.水面图5夏季工况水体温度分布从模仿计算成果，可以得到：系统运营1天后，系统回水对溪流导致影响范畴大体为回水口上游20m到回水口下游90m之间约110m区间，超过该区域下游水温基本能恢复；回水影响区域内平均温度大概为30℃，平均水温上升了3℃。（2）冬季工况计算成果：a.溪流立面b.水面如下1米平面c.水面图6冬季工况水体温度分布从模仿计算成果，可以得到：系统回水对溪流导致影响范畴大体为：回水口上游15m到下游80m之间大概95m区间；超过该区域下游水温基本能恢复；回水区域平均温度大概为9.2℃，平均水温下降了3.3℃。从方案二溪流夏、冬季各1个典型日运营水温变化状况看，尽管两个季节系统运营后，溪流回水区域附近水温变化最大达到了3.3℃，但是在溪流下游处水温基本都能得以恢复。从而阐明，方案二在技术上是可行。4结论依照上述分析：就技术而言，该项目地表水体能满足系统全年运营冷热负荷需要，工程采用地表水源热泵系统是可行；并且，该工程拟采用两种冷、热源运用方案均能满足工程需要。参照文献[1]J.M.Cantrell,1984,“ShallowPondsforDissipationofBuildingHeat：ACaseStudy”，ASHRAETransactions，Vol.90，Pt.2A，pp238-246.[2]HillelRubin,1984，ModellingTheperformanceofasolarpondasasourceofthermalenergy，SolarEnergy，Vol.32，No.6，pp771-778.[3]郝瑞霞，潮汐水域电厂温排水水流和热传播准三维数值模仿，水利学报，No.8.[4]陈永灿,1998,“密云水库垂向水温模型研究”,水利学报,No.9，pp.21-26.[5]李怀