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某地表水源热泵项目水源条件分析
某地表水源热泵项目水源条件分析
来源:重庆大学城市建设与环境工程学院    2013-2-23
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    地表水水源热泵空调系统是利用可再生能源中的水资源,利用热泵原理,通过少量的高位电能输入,实现冷热量由低位能向高位能转移,从而达到对建筑物进行夏季供冷、冬季供热的技术,是一种高效、节能、环保的绿色空调系统[1]。重庆地属长江水系,境内河网密布,全市年平均水资源总量5000亿m3,其中地表水资源占绝大部分,开发潜力巨大[2]。

  尽管水源热泵具有明显优点,但工程应用中水源热泵系统的实际运行效果与很多因素有关,其中水源条件对水源热泵工程的影响尤为重要,直接决定水源热泵工程的可行性。本文结合重庆某酒店水源热泵空调工程项目,对其水源条件进行分析,并根据分析结果进行取退水系统设计。

1  工程概况

  该项目为重庆某区县的一个四星级酒店,总建筑面积41216m2,项目地位于某江河河畔,酒店冷热源机房距离河岸110m,项目具体水源条件示意图如图1。酒店拟利用河水的冷热能量,为其集中空调系统提供冷热量,同时供应卫生热水。项目集中空调系统夏季最大冷负荷为4469kW,冬季空调最大热负荷为2879kW,卫生热水最大热负荷为1412kW。

图1 项目水源条件示意图

2  水源条件分析

  水源条件对水源热泵系统的运行效果影响显著,直接关系到水源热泵项目的可行性。以下从河水温度、流量、水质等方面分析本项目水源条件。

2.1  河水温度

图2 冬季河水全天温度变化

图3 夏季河水全天温度变化

  为了准确掌握该工程拟采用的河水水温情况,笔者在冬季和夏季进行了测试,每次测试均进行多天,每天对水下2米处河水温度和实时空气温度平均3小时测试记录一次。测试主要仪器有:(1)资料记录测温仪,TES-1315。该仪器配置测试探头可伸入水下,准确测量水温。(2)水银温度计。可以测试室外空气温度,并对测温仪的测试结果进行校核。图2、3分别为冬季和夏季河水水温测试情况。

  冬、夏季河水水温测试情况表明,冬季河水温度比空气温度高7℃~10℃,而夏季河水温度比空气温度低8℃~13℃;冬季河水全天温度变化范围9℃~12℃,夏季河水全天温度变化范围20℃~25℃。基本符合《水源热泵机组》(GB/T19409-2003)中地下水式机组正常工作的冷(热)源温度范围:制冷10℃~25℃,制热10℃~25℃[3]。冬季极端条件下河水温度低于10℃影响机组运行时,可通过在水源热泵系统设计中增加辅助加热设备解决。

2.2  河水流量分析

  本项目拟利用的河流属于长江二级支流,夏季降水充沛流量大,可以保证本项目水源热泵系统取水量,冬季降水少流量较小,有必要对冬季河水流量进行测试。河水流量测量采用间接测量的方法,通过测量河水过流断面面积和该过流断面的对应平均流速,计算河水流量。

2.2.1 河水过流断面选取

  对于项目地测试断面,可依据实测数据简化为若干个不同深度的矩形纵截面,如图4所示。

图4 河流测试纵截面示意图

2.2.2 河水流速分布

  该河流河道平缓,水流较为稳定,属于明渠流,沿用水力学中明渠流的有关结果,将其简化为光滑壁面的明渠流动。基于Prandtl动量传递理论的混合长度假设,明渠流纵向流速沿垂线的分布通常采用的对数分布形式[4-7]:

  式中,umax为垂线最大流速,m/s;u为水深y处流速,m/s;y为水中任一点到渠底的距离,m;H为渠道水深,m;k为卡门常数,常取0.4;u为摩阻流速,m/s。

  利用HR-2型流速测算仪测试各测点不同深度下的流速,根据测试流速数据可计算出各测点垂线流速 umax和摩阻流速u,从而确定出各测点流速随水深度变化的公式。计算结果如表1所示。

表1 纵截面主流速分布及umax、u.值确定

2.2.3 河水流量计算

  通过上面计算所得的河流主流道段水流流速随深度y的变化规律,可以计算出河水流量(忽略直线段、过渡段河水流量)为:

表2 河流纵截面流量计算

  项目冬季水源热泵系统取水量可根据如下公式计算:

  其中:Q’为吸热量,Q为热负荷,COP为热泵机组在设计工况下的制热能效比,L为取水量,Cp为水的定压比热容,Dt为取退水温差。计算得,冬季水源热泵系统所需河水量为881m3/h,考虑水处理过程中5%的水量损失,取水量取为925m冬3/h(0.257m3/s),远小于河水总流量1.813m冬3/s。

  项目冬季水源热泵系统最大取水量925m3/h,设计取水温差为3℃,河水取水设计温度8℃,河水回水设计温度5℃。系统退水沿退水管道退入河中,按最不利情况考虑,不计退水沿途散热,退水温度5℃,退水量等于取水量(不考虑绿化及景观用水),则由热平衡可以计算河水的温升。

  热平衡方程:

  其中:MS为扣除取水量后的河水流量,m3/h,即Ms=Mj-Mt;Tj为河水温度,℃;Mt为退水量,m3/h;Tt为退水温度,℃;Mj为河水流量,m3/h;T为退水与河水混合后的温度,℃。

  计算得 T=7.54℃,即冬季设计工况下河水温降为 0.46℃,对河水温度的影响很小,同时由于河水是流动的,该温度变化不会积累。

  夏季为丰水期,河水流量远大于冬季河水流量(图1显示夏季丰水位214.5,冬季枯水位211.6),而水源热泵系统取水量变化不大,则夏季河流总流量满足项目水源热泵系统取水量,退水对河水温度的影响也比冬季更小。

2.3  河水水质分析

  本项目工程河段以上集水区岩性以灰岩为主,流域植被条件较好,无化工厂等污水排放,表3为本项目河水水质与水源热泵推荐水质要求对比[8]。

表3 项目河水水质与水源热泵推荐水质要求对比

  对比显示,本项目河水水质除含沙量外均满足要求。项目水源热泵系统设计中,可以通过取水方式和水处理的设计来改善水质状况,使源水进水满足水源热泵机组对水质的要求,项目可采用直接式水源热泵系统。

3  取退水方案设计

  为进一步保证项目实施水源热泵系统的可行性,进行水源热泵系统取退水方案设计。目前工程中最常用的取水方案有浮船取水、潜水泵直接取水、渗滤取水以及岸边直接取水 水处理方案等方案[9] 。

  取水设施应与周围环境保持协调,项目取水位置河面水深较浅,不具备浮船取水条件,排除浮船取水方案;考虑取水可靠性要求及检修要求,为延长取水系统寿命,防止水泵被泥沙掩埋或洪水冲走破坏取水系统,排除潜水泵直接取水方案;同时渗滤取水方案施工难度大,成本较高,且有一定的水量衰减,而该河流枯水期水量较少,排除渗滤取水方案;本项目拟采用直接取水 水处理方案取水,岸边修建半埋入式取水泵房放置取水泵,取水头部伸入河流中心取水;河水沿输水管道进入冷热源机房,经水处理设备处理后送入水源热泵机组利用。

  退水系统包括回水排放系统(部分用作绿化、景观用水)和泥水排放系统。经过水源热泵机组换热后的河水预留中水接口,用作绿化、道路浇洒用水,大部分河水沿退水管退回到河流下游100米处。水处理设备定时进行反冲洗处理,含有泥沙的反冲洗水经排污管排至集水坑,集水坑内放置排污泵将污水排至河流河床附近,并在排污口设置沉沙池,防止排污水引起河水的二次污染。

图5  取退水系统流程图

4  结论

  本项目水源水温全年在 9℃~25℃范围内,基本符合地下水式机组对水温的要求(10℃~25℃);全年河水流量>1.813m3/s,足够满足项目取水量需求;水质除含沙量外均满足水源热泵机组对水质的要求;经水源热泵取退水系统设计,可采用直接式地表水水源热泵系统。

参考文献:
[1]  杨建敏,戴源德,冯立杰.水源热泵空调系统及工程实例分析[J].制冷与空调,2009,23(3):31-34.
[2]  吴明华.地表水源热泵在重庆地区的工程应用研究[D].重庆:重庆大学,2007.
[3]  GB/T19409-2003,水源热泵机组[S].北京:中国标准出版社,2003.
[4]  王二平,金辉,张燕燕.矩形明渠流分布特征及其在流量测量中的应用[J].灌溉排水学报,2008,27(4):25-28.
[5]  赵明登,槐文信,李泰儒.明渠均匀流垂线流速分布规律研究[J].武汉大学学报,2010,43(5):554-557.
[6]  李新,燕海波.关于矩形明渠流速分布新公式的探讨[J].人民长江,2008,39(18):79-81.
[7]  刘春晶,李丹勋,王兴奎.明渠流均匀流的摩阻流速及流速分布[J].水利学报,2005,36(8):950-955.
[8]  GB50019-2003,采暖通风与空气调节设计规范[S].北京:中国标准出版社,2003.
[9]  李文,王勇.开式地表水水源热泵系统的取水方案分析
[J].制冷与空调,2009,9(4):20-22.

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