某地表水源热泵项目水源条件分析
引言
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
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.
来源：重庆大学城市建设与环境工程学院 郭彦玲 康侍民 林真国
