江水源热泵系统温（冷）排水三维数值模拟研究

张 斌，丁江华，杜玉吉

（中节能城市节能研究院有限公司，江苏 常州 213000）

地表水源热泵系统是利用地球表面的水体作为冷热源对城市区域进行供冷及供热，具有运行稳定、高效节能、对环境无污染等优点。热泵技术在世界范围内大规模的商业利用已有20 多年的发展。美国目前已装有40 余万台热泵机组，并且以每年10%的速度稳步增长。同时，中、北欧海水源热泵也得到了规模化的应用，目前，北欧约有180 多台大型热泵在运行，大型热泵技术已经成为北欧热源的主要供热方式。我国地源热泵起步于20世纪80年代，截至2012年底，关于地源热泵的工程数量已达到23 000 多个，总面积达24 000 万m2，主要集中在我国华北和东北南部地区。

水源热泵系统对环境的影响主要涉及携带大量冷量、热量的排水对受纳水体的影响，虽然受纳水体本身存在流动，但热泵系统排水对水体的局部区域的温度场分布会产生影响。关于冷热排水对受纳水体的影响主要通过数值模拟方法来实现[1-6]。目前，此类方法多集中于沿垂向积分的平面浅水二维模型上，此类方法虽然模拟结果较为直观，但因其无法在深度方向上得到温度场模拟，也就无法评估排水口附近的水温层厚度。

本文结合湘潭市某江水源热泵工程项目，利用三维数学模型对温冷水排放引起的水体温度变化进行模拟，通过温冷排水沿程温度变化估测其在受纳水体中的扩散范围，为江水源热泵系统的设计及运行提供参考。

1 工程概况

1.1 建筑和气候概况

湘潭市某都市规划区的总用地面积7.08 km2，是集商务、教育、生活、运动、休闲于一体的综合建筑群。该建筑群分为6 个不同片区，本项目主要负责对1 区及2 区进行供冷供热，其中1 区供能服务建筑面积为138.99 万m2，2 区供能服务建筑面积为212.92万m2。本项目采用以湘江水源作为冷热源的水源热泵系统，对该规划区进行夏季制冷，冬季供热。

规划区所在区域位于湘江中下游，属亚热带湿润季风气候区，全年最冷月份为12月至次年2月，主要风向为NNW 风；最热月份为6-9月，主要风向为S 风。年平均风速2.4 m/s，最大可达20 m/s。降水量主要集中在3-7月，年平均降雨量为1 309 mm，常年平均气温为17.3℃。

1.2 系统运行方案

该工程采用开式江水源热泵系统，取水泵房总面积为800 m2，冬夏季水源取自湘江，源水输送至能源站房的水源热泵系统，经过水源热泵机组利用后排出，取水量与退水量相等，水量无损耗，水质基本也没有变化。1 区装机冷负荷38.19 MW，热负荷28.28 MW；2 区装机冷负荷31.34 MW，热负荷36.96 MW。供冷季为每年5月15日至当年10月15日，共计154 d；供热季为每年11月15日至次年3月15日，共计121 d。空调系统的日运行时间根据商业、住宅、学校等区域功能的不同而改变，日运行时间范围为13～24 h/d。

2 数值模拟方法

2.1 模型区域设计

该项目利用湘江水源作为冷热源，将取水口设置于流量稳定、水深较大、河道变窄处的上游处。该工程退水口位置根据建设单位意见不能直接退入湘江，多以本项目1区退水管线沿湘江堤边敷设，退入至一级渠内，2 区退水管线就近退入一级渠内，通过一级渠排到湘江中，同时保证退水口在取水口下游2 km 左右。

取退水模型采用结构化网格。采用三维模型结构，退水温度影响数学模拟模型如图1所示，红色箭头表示退水口位置分布，下方为1 区（1#）排水口，上方为2 区（2#）排水口，细长最下部区域为湘江部分区域。考虑到项目有可能在设定工况条件下长期工作，因此采用稳态分析。分析关注的重点是一级渠河面、湘江江面的温度场。

图1 取退水三维结构模型

2.2 数学模型

本文采用Fluent 模拟软件对退水口的温排放进行研究，为了解决地表水源热泵向一级渠及湘江排放的热量问题，同时建立包括质量、动量以及能量方程在内的控制方程。采用三维稳态不可压模型，其质量守恒方程为[7]：

动量方程（x方向）为：

动量方程（y方向）为：

能量守恒方程为：

模拟采用的K-Ɛ双方程模型，它包含两个方程，即K方程和Ɛ方程。其中，K方程是湍流脉动动能方程，Ɛ 方程是湍流耗散方程。

K-Ɛ方程和黏性系数方程如下[8]：式中，c1、c2、c3为系数，一般取1.44、1.92、0.09，σk、σε通常取1.0、1.3[9]。

2.3 边界条件

本模拟边界条件主要包括一级渠、湘江及退水口部分分别在夏季及冬季的参数设置，具体参数如表1所示。1#退水口位于一级渠出口上游353 m 处，2#退水口位于一级渠出口上游870 m 处。本模型中一级渠尺寸为L×B×H＝900.0 m×27.0 m×4.5 m，一级渠出口与湘江连接处部分位置受到一级渠出口温度的影响，取湘江尺寸为L×B×H＝300 m×100 m×27 m，退水口直径均为1 m，布置在一级渠下方1 m 处。

表1 夏冬两季各区域温度流速参数设置

3 模拟结果及分析

3.1 夏季温度场结果分析

夏季时，1#退水口排水温升6℃，江水自然水温27℃，1#退水口中心截面与一级渠断面温度场模拟如图2所示。可以看出，当退水口出口至其下游约20 m 处，1#退水口中心截面退水温度对一级渠的影响约为1℃，之后两者之间温差急剧下降，当至退水口下游约220 m 处时，温差仅为0.2℃，之后持续稳定至一级渠出口。

图3为1#排水口出口下游不同距离温度剖面图，相邻剖面间距为7 m，从图中可以进一步得出退水口沿一级渠深度及宽度方向温度的变化。夏季温排水对一级渠表层水温的影响随着水深的增加显著减小。出口最大温升区域的温升约为1.4℃，底层最大温升区域温升约为0.2℃。在排放口附近区域温度梯度很大，距离越远，温度梯度越小。通过温度剖面图可以得出，在约为40 m 处，流场中心温度与一级渠温度之间温差降到约0.5℃，退水口出口温度场的中心最高温度要大于排水口中心轴截面的温度。

图2 夏季1#退水口出口中心截面温度

图3 夏季1#退水口下游相同间隔距离内的剖面温度

图4 夏季一级渠出口水温对湘江温度影响

图4为一级渠出口水温对湘江的影响，从图中可以看出，一级渠出口对湘江水温的影响小于0.2℃，且其宽度影响范围（10 m）相对于湘江宽度（900 m）可忽略。

2#退水口出口水温温升6℃，图5为2#排水口中心截面与一级渠断面的温度流场，从图中可以看出，夏季2#排水口出口至其下游距离约为9 m 处位置，排水口出口中心温度与一级渠温差即小于1℃，并且从图2可以看出，2#排水口水温对其下游的1#排水口水温没有显著影响，2#排水口水温在达到其下游约为370 m 处即与一级渠温度相当，与两处排水口之间距离（520 m）相比，不足以影响到1#排水口。

图6为2#排水口出口下游相同间距内的温度剖面图，相邻剖面间距为7 m，从图中可以得出在7 m处左右，退水口流场中心温度与一级渠温度之间温差即已降到约1℃，30 m 处温差降为约0.5℃。

图5 夏季2#退水口出口中心截面温度

图6 夏季2#退水口下游相同间隔距离内的剖面温度

3.2 冬季温度场结果分析

冬季时，1#退水口排水温降5℃，江水自然水温9℃，1#退水口中心截面与一级渠断面温度场如图7所示。从图中可以看出，当退水口出口至其下游12～14 m 处，退水温度与一级渠温度即已降到低于1℃。

图8为1#排水口出口下游不同距离温度剖面图，相邻剖面间距为7 m，与夏季温排放情况类似，冬季冷排水对一级渠表层水温的影响随着水深的增加显著减小。出口最大温降区域的温降约为1.6℃，底层最大温降区域温降约为0.2℃，且在排放口附近区域温度梯度很大，距离越远，温度梯度越小。通过温度剖面图可以得出，在约为7～14 m 处，流场中心温度与一级渠温度之间温差降到约1℃，退水口出口温度场的中心最低温度要小于排水口中心轴截面的温度。

图7 冬季1#退水口出口中心截面温度

图8 冬季1#退水口下游相同间隔距离内的剖面温度

图9 冬季一级渠出口水温对湘江温度的影响

图9为冬季一级渠出口水温对湘江的温度影响，与夏季结果类似，一级渠出口对湘江的温度影响不大，温降约为0.2℃，宽度影响范围约为10 m。

图10为冬季时2#退水口中心轴截面与一级渠断面温度场，可以得出，2#排水口从其出口至下游155 m 处，排水温度与一级渠温度近似相当，同时，2#排水口冷排放对其下游的1#排水口没有影响。

图10 冬季2#退水口出口中心截面温度

图11为2#排水口出口下游不同距离温度剖面图，相邻剖面间距为7 m，通过温度剖面图可以得出，在约为74 m 处，流场中心温度与一级渠温度之间温差降到低于1℃，退水口出口温度场的中心最低温度要小于排水口中心轴截面的温度。

图11 冬季2#退水口下游相同间隔距离内的剖面温度

3.3 夏季温度场与冬季温度场对比

由图3和图8、图6和图11对比可以看出，由于夏季温排水密度比一级渠内自然水体密度低，从退水口出口排放出去后，温排水主要分布在一级渠表面及中部位置，渠底水温不受影响，随水流呈辐射状向四周扩散，对渠表面温度影响较大，排放口附近水温层沿一级渠水流方向趋于水平分布；然而在冬季时，因冷排放水密度比渠内自然水水体密度大，从渠表面层排放后，沿渠流动方向扩散的同时向渠底深度方向沉降，且其沉降距离较远，主要对渠底层水温有较大影响，排放口附近水温层趋于垂直方向分布。可见冷排放对所取水源的影响更为严重，主要是因为温排水分布在水源表面，有利于排水与外界换热，而冷排水沉降在水源底部，与外界的换热大大减小，对水质影响也更显著。

4 结论

本文通过对一区域水源热泵模型的三维模拟，得出如下结论：夏冬两季2#温（冷）排放对其下游的1#排放水温无影响，且一级渠出口对湘江水温的影响小于0.2℃，其宽度影响范围可忽略。夏季时，退水口出口温度场的中心最高温度要大于排水口中心轴截面的温度；冬季时，退水口出口温度场的中心最低温度要小于排水口中心轴截面的温度。温（冷）排水因其密度不同导致排水排放后扩散情况不同，温排水对表层水温影响较大，排放口附近区域水温层趋水平方向分布；冷排水对一级渠底层水温影响较大，排放口附近区域水温层趋垂直方向分布。排水口设计时，应尽量靠近取水水源表面，有利于温（冷）排水与外界进行热交换，减小对受纳水体的影响。