湖庫塘開式水源熱泵的水體傳熱與系統(tǒng)性能研究.pdf

1、目前利用湖庫塘水體的水源熱泵越來越多，但有關(guān)湖庫塘水源熱泵的理論基礎(chǔ)研究卻較少，工程實踐中，往往根據(jù)某些時間的湖庫塘水體自然狀態(tài)的溫度，確定方案決策和技術(shù)計劃與運行，常常造成失誤。本文認為無論從工程實際還是理論上，都必須考慮取排水作用下的湖庫塘水溫分布，以及取排水方式對熱泵系統(tǒng)能效和能耗的影響。為了該項技術(shù)節(jié)能潛力的發(fā)揮以及推廣應用，本文受國家“十五”攻關(guān)課題(JA07149)和“十一五”科技支撐計劃項目(2006BAJ01A06-3)

2、資助，針對湖庫塘開式水源熱泵系統(tǒng)的取排水方式，研究湖庫塘水溫變化規(guī)律、供冷能力，以及系統(tǒng)性能問題，取得了一些初步成果，主要歸納如下：
　　 (1)本文確定的修正修正湍流prantl的k-ε兩方程垂向和橫向二維水溫模型，能較為真實反映取排水作用下的湖庫塘水溫變化規(guī)律，可以作為實際工程方案決策、技術(shù)設(shè)計和運行調(diào)試的分析工具。
　　 (2)湖庫塘在夏、秋季節(jié)出現(xiàn)熱分層現(xiàn)象，表層為溫水層，底部為冷水層，中間為溫躍層。湖庫塘的主要

3、熱特性之一是跨季節(jié)蓄冷能力比蓄熱能力強，本文以研究湖庫塘的跨季節(jié)蓄冷性能為主，同時考慮到湖庫塘的熱交換主要以水面為主，分析了水面熱交換的影響因素。本文通過二維水溫模擬分析湖庫塘水體換熱狀況和相應的調(diào)控措施對湖庫塘全年自然水溫變化的影響，發(fā)現(xiàn)風力影響最顯著、太陽輻射影響次之，通過對風力作用和太陽輻射的調(diào)控，可以明顯提高湖庫塘的跨季節(jié)蓄冷能力。
　　 (3)通過分析發(fā)現(xiàn)取排水方式對湖庫塘的供冷能力有較大影響，本文借鑒分層水蓄冷方式，

4、提出利用穩(wěn)流器裝置底部取水、同溫層排水的理想狀態(tài)，并且通過理想取水溫度模型對影響理想供冷能力的因素進行了分析。結(jié)果表明：增大取排水溫差、增加水深、同溫層排水方式、較差的水質(zhì)和冬季寒冷的氣候都有利于增加湖庫塘的理想供冷能力，其中水深、排水位置、水質(zhì)和取排水溫差影響較顯著，在相同的氣候分區(qū)內(nèi)，氣候影響不顯著。以上分析為最大發(fā)掘熱分層湖庫塘的供冷能力提供了技術(shù)方向。
　　 (4)建立和驗證湖庫塘重疊式取排水二維模型，分析影響重疊式取水

5、溫差的因素，通過分析發(fā)現(xiàn)：當采用增加取排水口高度的措施來改善取水溫升現(xiàn)象時，必須保證水深與排水口高度之比H/h小于臨界值9，才能起到經(jīng)濟有限地降低取水溫升的作用，否則不僅增加管道初投資，而且產(chǎn)生相反的效果；在實際工程中取排水口高差Δz/h不一定最大就好，超過(Δz/h)CV=6后，排水對取水的影響的效果不太明顯，如果追求最大取給排水距離Δz值，采用底部取水不僅工程費用增加，而且會擾動底部水層，不利于保持湖庫塘的熱分層現(xiàn)象，對于降低取水溫

6、度的實際意義并不大；此外，取排水溫差影響實際狀態(tài)接近理想取排水狀態(tài)的程度，取排水溫差越大，(Fr)CV越小，越接近理想取排水狀態(tài)，實際中取排水溫差應大于取排水溫差臨界值(ΔT)CV=10或排水Fr小于臨界(Fr)CV=1.3。在實際工程中如不能保證合適的取排水口間距Δz/h的值，不推薦使用重疊式取排水方式。從而為實際取排水設(shè)計提供了參考依據(jù)。
　　 (5)通過建立的湖庫塘開式水源熱泵系統(tǒng)模型對影響熱泵系統(tǒng)性能的影響因素進行了分析

7、，結(jié)果表明：在溫水層取排水時，氣候?qū)岜眯阅艿挠绊戄^為顯著，水質(zhì)、水深和取水位置的影響次之，運行方式和熱泵負荷的影響較小。其中，冬季溫和的氣候、增大水深、較差的水質(zhì)、越深的取水位置、間歇運行方式和較小的熱泵負荷有利于熱泵性能的提高。有助于在實際工程中提高湖庫塘水源熱泵系統(tǒng)性能。
　　 (6)提出一種簡單可行的湖庫塘開式水源熱泵系統(tǒng)全年能耗分析方法，然后以小型辦公建筑為實例，進行具體的全年能耗分析，最后與空氣源熱泵的能耗相對比，分