以府南河水作为空调冷热源的可行性分析研究（可编辑）

以府南河水作为空调冷热源的可行性分析研究（可编辑） 以府南河水作为空调冷热源的可行性分析研究 西华大学 硕士学位论文 以府南河水作为空调冷热源的可行性分析研究 姓名:彭豪 申请学位级别:硕士 专业:供热、供燃气、通风及空调工程 指导教师:张礼达 201205西华大学硕士学位论文 摘 要 在全球能源紧张的今天,人类更应该加快对节能新技术的应用及推广。利用江、河、 湖、海等地球表面水体作为冷热源,构成了对建筑物夏季制冷、冬季供暖的高效节能的 地表水热泵空调系统。但是地表水源热泵系统技术在我国的发展起步较晚,应用及推广 缓慢。目前对地表水源热泵系统的温排水的研究仅限于软件的模拟,而温排水对水环境 所造成的温升影响是否对水环境造成热污染,有待进行实验验证。 本研究项目以国家《地表水环境质量标准》对人为造成的环境水温变化 限制规 定为出发点,通过三维.一流体运动方程和三维热运输方程建立起地表水源热泵系统 温排水二维流场、温升场数学模型,利用四川大学江安校区图书馆采用的地表水源热泵 系统的工程实例对模型进行论证,从而验证模型的可靠性及准确性。再应用本项目的研 究方法对府南河流域浆洗街段一复兴段采用地表水源热泵系统的可行性进行分析研 究,以此建议政府及企业在府南河流域推广地表水源热泵系统。 研究结果对大、中城市内流经区域的河流周边建筑物利用地表水作为空调冷热源提 供了一定的参考意义,尤其是在中西部地区有河流流经的大、中城市有应用指导作用。 以此推广满足环境保护和水资源保护要求的地表水源热泵技术,为我国节能减排事业做 出力所能及的贡献。 关键词: 冷热源;地表水源热泵系统;节能;府南河以府南河水作为空调冷热源的可行性分析研究 锄叫舀 丽,、 ’ 渤 , ,一 .硒%,,也 伍 棚 ,玛. .犯. 孔印锄胁 锄 锄种 硫玛 锄 锄玛. ‘‘晌 肌 甜.锄一啦 ,” “.玛 ,锄 ? .锄【 ,锄 锄 .玛“也 鲫耐 】叩 , ,. 】叩黜 犯 ? 锄 协鳓锄也 仃 锄. 肿?蹰硒. 汕.. ?叩 酹? 试 皿 矗 . , 衲啪 .硼: 锄 吐 ?血 : ? ,. 锄 :锄 ; 】叩;?;西华大学硕士学位论文 绪论 随着我国国民经济迅速和稳定的发展,公共建筑、民用建筑的数量剧增,人们对工 作、生活环境的要求不断提升,商用建筑和民用住宅的采暖和制冷已成为普遍的需求。 建筑能耗占总能耗的%左右【】,未来随着经济发展也将不断增长。建筑能耗即建筑使 用能耗,包括采暖、通风、热水供应、炊事、家用电器等方面的能耗见图.我国建筑 能耗在社会能耗的比例值。其中,以建筑采暖和空调能耗为主,占建筑总能耗的 哆扣%【】图.暖通空调在建筑能耗中所占的比重。 的? 龇;. 万善~ 酣 ;三一 螭 嚣 姆 ?口 :一 娩 帕? ?? :专? 的 协 .蹶邕藤氅槲 ;国目毁撇 肫函国阻四 抛瞪瞽厦撇 薅。,??隧憾喽罄‰? 嘲鬲萤翻纵撕 尾邕醺幽缓撕 黯鼹慝隧姗 ~目冒雷冒冈嵫塑四 警酉塑冒嗣刚曼 姗 ?匿陵匿匿曛隧益? 艺往窀电耗豇佳宅终耗 公建电耗?公建垮蝇 图.我国建筑能耗在社会能耗的比例值. . 叩腮 姐啊缸 ?冷 譬嘲 袖力 采氍 冉妊 辩痔最戋番 箕强 图.空调在建筑能耗中所占的比重 . 研硒 啦 舢卫以府南河水源作为空调冷热源的可行性分析研究 目前我国的能源结构主体还是矿物材料。但是矿物燃料燃烧后会产生大量的污染 物:;、。等有害气体。我国暖通空调起步较晚,年代以前我国北方以燃煤锅炉 解决冬季取暖,而南方则以水冷机组用于夏季制冷。年代后至今相继出现了:溴化锂 机组、风冷热泵机组、?多联机组、地埋管热泵机组、地表水源热泵机组、蒸发式 冷水机组等一系列产品,总体朝着环保节能方向发展。随着我国经济的迅速发展和人民 生活水平的不断提高,我国建筑能耗日益增长,因而,在以后的建筑发展中,暖通空调 行业基于新技术、新材料而研发出的新产品将起着至关重要的作用。 在暖通空调的行业发展中,遵循的原则总体来说就是:贯彻政策、遵守调整的 国家能源结构政策、环保、节能、可持续发展以及保证建筑环境的卫生与安全。根据我 国的地域特点及能源分布情况,如何有效利用地理优势做好能源结构的转变将成为我国 未来能源规划的重点。从而实现经济社会与资源、生态环境的可持续发展,创造不同地 域特点的暖通空调发展技术。 . 国内外水源热泵空调系统研究进展 水源热泵【】是指利用地球土壤及水源如地下水、地表水、土壤中吸收的太阳能和 地热能而形成的低温位热能通过获取一定高品位能源电能的输入以实现低温位热能与 高温位热能相互转移的一种技术【。高品位的能源是指电力、机械功、燃气和液体燃料 等,是相对那些不易利用的易造成浪费的能源而言的;所谓低品位能源包括热能、生物 能等【】。低温位热能指低于?的热能,如地表水、土壤或工业废水等地下浅层地能的 低温位热源。高温位热能指较高温度的热能,实现建筑物冬季供暖、夏季供冷和常年供 生活热水等。由于水源热泵实现了对可再生能源的利用,并提高能源利用率,降低了建 筑能耗,所以具有环保和节能的特性。目前根据美国制冷学会标准:地表水源 热泵空调机组对水温的要求范围是~?。也就是说只要地表水水温满足这个标准则可 作为低温位热能加以利用。 .. 国外研究进展 在国外,水源热泵大致分为两种热泵系统:、地源热泵,、地表水源热泵。其中 地源热泵发展相当的迅速,但其真正意义用于商业当中却只有二十多年的历史。目前的 美国地源热泵协会由美国能源环境研究中心砌】胁 、美国地表水资源联合会 ,爱迪生电力研究所 们 及众多地源热泵制造设计销售公司以及政府机构等多家成员组成的,该 协会每年投入了大量资金从事水源热泵的开发、研究和推广工作。而欧洲也有类似的水 源热泵协会,所以在欧美国家对于此项节能技术的研究工作是比较积极的。西华大学硕士学位论文 早在二十世纪年代,英国学者锄等人就利用... 核电厂冷却水排水进行了稳定流态和非稳定流态下温排水扩散规律的研究,对温 排水的流场及其对水质的影响做了模拟研究【】。 随后.和最早采用深度平均形式的【紊流模型计算冷却水 岸边排放近区的温度分布见 年.对水流流动数值模拟进行了精细的研究,先后建立了二 维、三维的水流数值模型【】。 年柚对 核电站的温排水对克劳墨库河流里的水温 影响作了分析【】。 切发电站排放的冷却水 年,等人对 采用嵌套网格技术建立了的一种三维模型进行了数值模拟【】。 ..国内研究进展 我国热泵技术发展较为落后,且发展缓慢。 世纪年代,吴江航对冷却水水力、热力的数值模拟中提出了扩散模型 分步杂交法。此项方法是在不规则的三角形网格上建立求解平面二维流动问的分步杂 交格式,对运动方程中的对流项及扩散项分别定义各自最适合的处理格式,从而大大削 弱了伪振荡现象,保证了数值模拟的可靠性,是一种简单快速的数值模拟方法,该方法 现在己经被广泛的应用,但它的缺点是需要根据工程经验给出扩散系数,受人为因素影 响较大。 年,南京水利科学研究所吴时强等人,提出了一种求解具有自由表面的 平面紊流分离流场的数值模型。即在任意三角形网格离散流场计算域上利用 剖开算子法 及法与法相结合的数值模型,该模型有效地解决了方程非线性项引起的 计算困难,并通过传播方程和连续方程联立求解确定自由表面,且具有良好的通用性和 计算的稳定性【】。 年,黄平等人以汕头港水域为模型利用电厂二维温排水模型建立了温排 水扩散的三维数学模型,并采用特征差分方法求其解。利用三维特征差分格式的稳定性 作了论证,并推导出数值计算中保持稳定所需要的条件,该稳定条件包含了现有的用特 征差分求解一、二维对流扩散方程时所需的稳定条件,三维模型除了能反映平面上的温 度或浓度变化的同时反映了水深方向上的温度或浓度变化,其计算结果更适合工程 设计上的需要【】。 年,董耀华建立了河道水流、温度及浓度输运的水深平均平面二维数值 模拟模型,对进出口或近、远区边界定解条件选取,模型参、系数取值,河道岸边界及以府南河水源作为空调冷热源的可行性分析研究 动边界处理以及水流自动调整计算等方面进行了适用可行的处理,并证明了模型的可行 与适用性【。 从年起,国内多数大学安装了可以进行地下埋管换热器与水源热泵设 备的联合运行的试验台。其中包括:?年重庆建工学院设置的包括浅埋管换热器和水 平埋管换热器在内的实验装置;?湖南大学安装了水平埋管地源热泵实验装置;? 年同济大学建立的垂直埋管地源热泵实验装置,这些实验装置为中国深入开展水源热泵 的发展提供了极其有效的工具。 年,罗斌等人在三角形网格基础上,用滑动边界条件处理水位的变化问 题,采用差分格式离散方程并对温度方程中的对流项采用迎风格式算法,建立了温排放 的有限节点法预测计算模型【 。 年开始,刘婷婷对冬冷夏热地区应用地表水源热泵系统供暖提出了优化 方法,并为地表水源热泵系统的推广应用提供了一套完整的实验数据资料和经验】。 年,湖南大学陈晓建立了封闭地表水体水温变化的随机模型,并且给出 了随机微分方程解过程的数字特征的求解方法。建立了一个河流温排水的简化二维预测 模型,并给出了该模型的解析解。采用该模型对株洲电厂温排水对下游水域水温的影响 进行了预测,并与实测结果进行了对比。该模型的精确程度能够满足水环境管理和热污 染控制的计算实践中的精度要求】。 年,南京师范大学的余跃进教授重点研究了深度不均湖体中,排水口位 置对温排水热扩散效应的影响,并利用标准?紊流模型对热泵系统运行时温排水的 。 热扩散进行了三维数值模拟【 综上所述,国外对地表水源热泵系统技术和应用快速发展与国外对该项目的大力投 入是分不开的。我国的发展虽然缓慢,但也取得了不少的应用成果,通过这么多年的研 究也建立了一维、二维、三维温排水的数学模型和不同的计算方法,提供的实验数据也 可为实例项目提供一定的参考价值。工程上较常用的还是温排水二维数学模型。随着计 算机和科学技术的迅猛发展,以后数学模型的数值模拟技术将承受越来越精确和复杂的 计算工作。所以建立一套有关地表水源热泵系统温排水的温升模拟及后期运行的环境评 价,对地表水源热泵系统的节能的定位及推广将起到推动作用。 .论文的目的和内容 .. 研究目的 地球热容量大,具有很好的蓄热、放热的特性,是一个良好而巨大的蓄热体和 导体, 所以特别适合作为夏季炎热、冬季寒冷的储能介质。在地球表面以下左右的土壤和 . 西华大学硕士学位论文 地下水相当于全年平均温度,并且不受季节变化的影响,温度保持恒定,而且地下水在 ~年内的温度变化比空气要小,所以有冬暖夏?的特点,所以采用土壤、地下水、地表 水作为空调的冷、热源将是一种高效利用低温位能源的新技术,也是一种高效利用太阳 能的好方法。但是利用地表水源热泵系统是否对水环境是否造成“伤害”,至今仍没有 有效的理论和资料验证。从改革开放至今,我国的粗犷型经济的发展使环境受到了严重 ., 污染,政府也吸取了教训,在年发布了《地面水环境质量标准》 . 至今做了三次修订于年月日起实施《地表水环境质量标准》 【】。该标准对人为造成的环境水温变化作了规范要求见表.。所以如何检测地表 水源热泵系统是否对水环境是否造成影响,主要是看温排水对受纳水体的影 响是否符合 国家规范中对地表水环境质量标准。所以建立起地表水源热泵系统温排水的二维数学模 型对以后地表水源热泵系统的推广将起到推动作用。 表.地表水环境质量标准的规定 . 砌 血 时 ..研究内容 本研究项目利用四川大学图书馆采用地表水源热泵系统的成功案例工程资料见附 录,通过建立的温排水水温模型,计算出排水口周围水温的温升值,然后与项目运行 后的水温实测值进行比较,验证温排水水温模型的可靠性,以此来验证以府南河水作为 空调冷热源的可行性。 本研究项目采用温排水二维数学模型,预测府南河两岸商业建筑采用地表水源热泵 系统运行后温排水的流场、温升场的分布情况,从而验证以府南水作为地表水源热泵系 统冷热源的可行性。 具体内容包括: 、主要介绍了国内能源结构及发展节能产品的紧迫性,以及国内外温排水模 型及 地表水源热泵发展和本研究项目的目的和内容。以府南河水源作为空调冷热源的可行性分析研究 、对地表水源热泵空调系统基本理论及技术特点进行了阐述。 、建立温排水二维数学模型,并确定边界条件及数值解法。 、以四川大学图书馆地表水源热泵系统为实例工程,利用本研究项目建立的数学 模型对其温排水温度进行求解,并对结果进行比较研究,验证了模型的可靠及准确性。 、用可靠的温排水水温模型对府南河岸边大楼进行地表水源热泵系统设计的温排 水水温进行计算,并和规范进行比对,从而分析得出利用府南水作为空调冷热源是可行 的。模拟结果对大、中城市内流经区域的河流周边建筑物利用地热能提供了一定的参考 意义,尤其是在中西部地区有气候类似的河流流经的大、中城市有应用指导作用。 、对本论文的结果进行总结并提出展望。 西华大学硕士学位论文 地表水源热泵空调系统概述 . 地表水源热泵空调系统的工作原理 热泵顾名思义“泵”,其同水泵的原理一样,实现自然的逆循环。即热泵是将热量 从低温端抽吸而作为能量的一种装置,从而实现低温位热能与高温位热能的相互转移 【。地表水源热泵空调系统是以江,河,湖,海等地球表面的水体作为冷、热源的可以 进行制冷、供暖循环的一种热泵空调系统,在制热的时候以水作为热源,在制冷的时候 以水作为排热源。水源热泵具有节能和环保的特性,实现了对可再生能源的利用,并提 高能源利用率,降低了建筑能耗。地表水源热泵系统则是将不可利用的低温位热能如 空气、土壤、水中所含的热能、太阳能和工业废热等转换为可以利用的高温位热能。 地表水源热泵系统的节能在于,它利用小部分电能,将地表水中储藏的能源转移至建筑 物内,供用户使用,用户得到的能源将远大于提供的电能。地表水源热泵空调系统的夏 季工作原理如图.所示,冬季工作原理如图.所示。 口 水 图.水源热泵夏季制冷工况工作原理图虚线为水流断路鲫 . 血 以府南河水源作为空调冷热源的可行性分析研究 水 水口 图.水源热泵冬季制热工况工作原理示意图水虚线为水流断路 盯 . 血 锄讹 .水源热泵系统的分类及特点 .. 水源热泵系统的分类 按照 规定的标准术语,水源热泵包括土壤源热泵 、地下水源热泵、地表水源热泵和污水源热泵。土壤源热泵系统. 啪,是利用地下所 储藏的太阳能的热泵系统。也称之为地源热泵。它利用水或以水为主要成分的防冻液为 介质在埋藏于地下的导热管中循环的流动,从而实现地热能与建筑负荷之间的能量交 换。 在夏季制冷的时候,系统从建筑物带走热量,在通过热交换将热量送入地下土壤中; 在冬季供暖的时候,系统则逆向运行,从土壤中带走热量输送至建筑物中。因此地源热 泵是很好的利用地热能的方式,与地表水源热泵系统不同的是它以土壤作为 空调冷热源 的。它是一种可持续发展的建筑节能新技术。 西华大学硕士学位论文 地下水源热泵系统. ,是利用水井中 抽取的地下水和建筑物的负荷进行换热的系统。它利用的是储藏在地下岩土层中的水源 作为冷热源的。被利用过的地下水则需要排入到地表水当中或者回灌入地下岩土层。当 前水资源已经成为了紧缺的资源,影响其发展的主要是: ?考虑地下水源热泵系统的先决条件是建筑周围需要有丰富和稳定的地下水资 源。所以在决定是否采用地下水作为空调冷热源之前,必须做详细的地理勘察及水文地 质调查,而且需要打勘测井来获取地下水详细的数据如地下水深度、温度、水质。 ?前期考察地下水源热泵系统的经济性,地下水的深度是个重点。因为地下水水 位偏低,不仅打井的费用大,而且设计考虑的水泵扬程将提高,为此运行起来的水泵耗 电功率将使地表水源热泵系统的运行效率大打折扣。 ?目前我国在利用地下水后的回灌技术仍不成熟,使利用过的地表水很难回灌至 地下含水层中而造成了地下水资源的浪费,这样会导致地表层的不稳定运动。并且如果 回灌技术成熟,如何保证被回灌的地下水不受污染也将是这项课题研究的重点。 地表水热泵系统 ,是以地球表面水 源作为空调冷热源的空调系统。这种地表水热泵系统是受自然条件的制约的,在建筑物 周围有江、河、湖、海等地表水源分布广的地区可以考虑利用地表水为冷热源的空调系 统。和空气源热泵系统相似,地表水的温度受季节变化的影响较大,即当环境温度低时, 地表水所含能量就越少,系统提取的能量就相对降低了,进而导致系统的性能系数降低。 此外,由于一定的地表水所承载的冷、热负荷跟面积水量、水深等多种因数有关, 所以在考虑采用地表水源热泵空调系统时要做够勘察计算数据来验证。而且地表水源热 泵系统的尾水对地表水是否造成了冷热污染,还需进一步分析验证。 在社会对节能、环保的技术和产品的紧迫的要求下,我国地表水含量丰富的地区势 必用高效的地表水源热泵系统将传统的空调供暖、制冷的系统取而代之,从而成为我国 流行的节能空调系统。 污水源热泵系统是以工业废水、生活污水等水体作为冷热源的热泵系统,由 于工业废水及污水中含有大量的腐蚀性成分,以及很高,所以污水源热泵空调系统 的研究及应用基本处于停滞状态。 ..常见热泵系统的比较 热泵系统根据低位能热源的不同所以有不同的系统形式和分类,所以各自的工程应 用的特点也有所不同。 在考察某个项目的时候,选择何种热泵系统的,不管从投资和后期运行上都是 至关重要的切入点。 以府南河水源作为空调冷热源的可行性分析研究 接下来本研究项目对比了几种常见的热泵系统,比如:地埋管系统、地下水系统、 地表水系统,并从换热强度、运行稳定等诸多因素考量各自的使用特点,为项目选择的 切入点提供有力的帮助。 表.热泵系统的比较【】 慨 彻 . 啪 从对比表.可以看出在建筑物环境允许的条件下,地表水源热泵系统的优势显而 易见。所以对地表水源系统的环境影响需做好一套完善的评价体系,以促进地表水源热 泵系统的推广应用。 .地表水源热泵系统的应用形式及特点 .. 地表水源热泵系统的应用形式 地表水源热泵分为开式和闭式?两种形式。 开式系统.是从地表水进行直接的取水后由水泵送入板式换热器与 制冷剂进行换热,换热之后由管路在离取水点一定的安全距离再进行排放。显而易见开 式系统对水质的要求较高,所以在进行勘察的时候要严格对地表水进行抽样检测,按照 开式地表水的要求规范规定的内容进行方案的选择。 西华大学硕士学位论文 闭式系统.是直接将换热盘管放置于地表水中,然后通过循环介 质和地表水进行热量交换。将换热盘管直接放置于地表水所产生的问题是:盘管受水体 , 内部杂质的影响,外表面受影响后将直接降低盘管的换热系数。 ..地表水源热泵系统的特点 地表水源热泵是以江,河,湖,海等地球表面的水体作为冷、热源的可以进行制冷、 供暖循环的一种热泵空调装置,在制热的时候以水作为热源,在制冷的时候用水作为排 热源。相对空气而言,地表水作为冷、热源的优点是比热容大、传热性能好,一年四季 较空气来说相对稳定,夏季水温较空气温度低,冬季水温比空气温度又高,所以传递相 同的热量,需要的水量较空气而言要少。并且地表水源热泵系统的设备制冷及供暖系数 比传统的空气源热泵要高出.倍左右,故地表水作为空调冷、热源是非常合理可行的。 还有很重要一点是在冬季时采用的供热锅炉只能将%一%的高位能转化为高位能供 用户使用,因此采用地表水源热泵的空调系统要比电锅炉加热节省/以上的电能, 比燃料锅炉节省/以上的能量;其运行费用比传统中央空调节省%左右。在水量 充足和丰富的地区采用地表水源热泵空调系统取代传统空气源将会成为一种节能的趋 势【。 ..地表水源热泵系统应用的技术优势 应用地表水源热泵系统技术优势: 地表水源热泵系统是采用有储藏的太阳能资源的地球表面水体作为空调冷、热 源后发生能量转移的节能、环保的空调系统。而地球表面的水体包括人工河天然湖泊、 河流、海洋等。地球本身就是一个巨大的蓄热体和巨大的动态能量平衡系统,它每天源 源不断地吸收辐射到地球的太阳能。而且,地球自身保持着这种能量的相对均衡,所以 储藏于地球本身的这种近乎无限的地热能利用成为一种可以实现的技术。这样可以看 出,利用地表水源作为冷、热源的空调系统是一种节能环保并且可以循环的能量利用新 型技术。 相对空气而言,地表水作为冷、热源的优点是比热容大、传热性能好,一年四 季较空气来说相对稳定,夏季水温较空气温度低,冬季水温比空气温度又高,所以传递 相同的热量,需要的水量较空气而言要少。 并且地表水源热泵系统的设备制冷及供暖系数比传统的空气源热泵要高。据美国环 保署估计,设计安装良好的地表水源热泵,平均来说可以节约用户%~%的 空调运行费用一。以府南河水源作为空调冷热源的可行性分析研究 地表水源热泵系统很好的利用了水的优质物理特性,冬季制冷时无需除霜,其 优质特性使得地表水源热泵系统运行更加可靠和稳定,这样就使得系统后期维护的费用 也大大减少,极大的保证了地表水源热泵空调系统的经济性和高效性。 地表水源热泵系统不仅可以实现对建筑物的供暖制冷,而且也可以用于生活热 水的供应,达到了一台设备多方取用的节能效果。一个系统就可以代替传统的锅炉加电 制冷的方式,不仅节约了原先复杂而繁冗的系统形式和管路配置,而且释放了原本紧张 的建筑使用区域和美观了建筑本体。 ..地表水源热泵系统应用存在的缺陷 任何事物都有正反两面。采用地表水源热泵空调系统也有它本身存在的一些缺陷: 我国幅员辽阔、地大物博,却存在着资源分布严重失衡的劣势。所以地表水源 热泵系统的推广具有局限性。虽然地表水源热泵系统在理论上可以利用地球表面的一切 水体,但是不同地区的水体质量完全不同。 地表水源空调系统由于取水形式对水的质量要求差异甚大,所以不同水资源的利用 成本就会产生相当大的差距。在不同地区的地表水水源质量能否作为空调系统冷热源将 成为地表水源热泵的关键之一。 地表水源热泵空调系统的适用性与地区的地表水质量和室外气候条件有关,所 以其使用范围较空气源热泵局限性大。 地表水源热泵空调系统在我国推广的最大障碍是投资经济性。地表水源热泵系 统的运行效率确实很高、运行费用也低。但目前国内政府、设计人员及公众对这项节能 技术缺乏了解,并且初投资巨大和技术要求的严格是制约地表水源热泵发展的主要障 碍。根据本研究项目对岷山饭店采用地表水源热泵系统及传统空调系统的对比可知,对 于地表水源热泵系统与传统冷水机组的的初投资差可以在十年之内实现投资差的回收。 .本章小结 本章主要讲通过介绍热泵工作原理,利用 规定的标准术语对水 源热泵进行分类,进而介绍地表水源热泵利用天然河流的流动水源作为空调冷热源,从 而实现对建筑物对象的制冷和供暖。分析地表水源系统的适用范围和地区,提倡在建筑 物对象周边利用其地理优势,使用节能经济的空调方式,从而达到节能减排的社会效益。 西华大学硕士学位论文 温排水二维数学模型的建立 .热传导理论 理论分析水体载热在水中的热扩散:地表水源热泵系统的尾水进入河流内水体进行 换热,主要发生热能传递的过程,在此过程中,水体热能的传递有三种方式:热传导、 热对流与热辐射僻】。 、热传导 :物体各部分之间不发生相对位移时,依靠分子、 原子及自由电子等微观粒子的热运动而产生热能传递称为热传导,简称导热。 、热对流 是指由于流体的宏观运动而引起的流体各部分之 间发生相对位移,冷、热流体相互掺混所导致的热量传递过程。对流传热可区分为自然 对流 与强制对流 两大类。 、热辐射慨旨自然界中各个物体都不停地向空间发出热辐 射,同时又不断吸收其他物体发出的热辐射。辐射与吸收过程的综合结果就造成了以辐 射方式进行的物体间的热量传递。 .国内外水温模型概况 国内对温排水水温模型的建立主要有: ?湖南大学陈晓建立了简化的地表水源热泵温排水二维预测模型,并利用数字特 征的求解方法,推导出了该模型的解析解。而且模拟了某电厂的温排水水温,得出其模 型的准确性。 ?南京工业大学城建学院的赵坚、刘金祥等人根据热力学第一定律建立地表水源 热泵水温模型并采用经典的龙格.库塔数值法对其进行求解,同时根据《地表水环境质 量标准》,利用黄金分割法求解一定负荷的建筑采用地表水源热泵空调系统需要的最小 水体体积【引。 ?河北省环境科学研究院的陈新永等人对水面散热系数心的灵敏度进行分析, 使得水温模型的建立更具现实意义,对环保部门进行沿江、沿海的水源热泵系统的应用 规划具有重要意义【引。 ?中国水利水电科学研究院李振海等人在进行二维数值模拟时对动量方程的对 流项采用迎风格式,扩散项采用中心差分格式,连续方程与热输运方程采用控制体积法 解出了大亚湾填海工程实施后惠州电厂温排放的流场和温升场【。 国外对温排水水温模型的建立主要有 在水体水温预测模拟方面,国外自世纪年代就开始了这方面的工作。以府南河水源作为空调冷热源的可行性分析研究 美国麻省理工学院的提出了深分层蓄水体温度等变化的一维数学模型: 模型【; 年 .对 核电站的温排水对河流的水温影响 作了分析【】; 年.等采用嵌套网格技术建立了一种三维模型 对 发电站排放的冷却水进行了数值模拟【】。 .温排水二维流场数学模型的建立 图.’水域坐标系统图 . 锄 对于开阔水域,常采用深度平均的二维水流运动方程描述水流流场,采用二维温度 方程模拟温升的空间分布变化情况。由三维流体运动方程沿垂线积分得 到的二维非恒定运动方程,简单建立的水域坐标系统如图.。这样在直角坐标系下的 水流控制方程组如下包括连续方程和动量方程【】。 连续方程: 丝垫堕坐盟:印 . 。 现 瓠 谤 方向动量方程: 业型垫尘垫尘: 。 .、 一 昙喀孙唔卜簪“一‖豢十肚西华大学硕士学位论文 方向动量方程: 乒~,肌 优 出 .砂 孙 丢日象日豺‖簪甜一‖爹肚 式中卜一时间坐标;,纵向、横向坐标;卜水位;,?; 方向的垂线平均流速/;??垂线水深,?;磊一河底高程; ??源强,/?口,源汇的单位面积流量;广重力加速度;卜柯氏系数; 一河床糙率;??紊动粘性系数 为了下一步求解的方便,把...方程表示成如下的统一形式: , 缸 咖 等笋堕笋堕笋丢‖罢昙‖考‘, 舐 缸/『砂’ 砂/ 其中,矽为通用应变量,与?是相对的广义扩散系数,是广义源项。 对于不同的微分方程,?、。和有不同的含义,见表.。 表.不同的微分方程的?、西和 . 侬删跚 痧、西 本研究项目为了建立物理平面与计算平面上各点的对应关系,通过求解泊松 方程就 可将平面上不规则的物理区域变换成善一叩正交曲线坐标系下的矩形区域。 变换关 系如下:以府南河水源作为空调冷热源的可行性分析研究 . 霉雾叫鲫,在嗍 鲁鲁砒们~?。 在边界上 手, . 【刁叩, 式中的、为调节函数,选择调节函数可以讲?平面中曲线网格的形状、疏密 程度和正交性进行调整。本研究项目采用指数形式的调节函数: ,玎? 印一白 芎一白 。., 一喜包盟孑一白一一白,一仇 ,叩? 印叩一珐一 ,一仍 一? 一仇喀一白,一仍一 一喜 一仇一喀一白,一仍, 三 芒\ 三。’ , 警掣簧靴日扯日期 南历一日嚣一日苗坩锄, . ?‘:七 . 夕 仇巩 口旌矿 表善一,坐标微分方程的?、和 西华大学硕士学位论文 表. 孝一,坐标微分方程的矽、矿和 . 渤 善一, 。。矽、 .温排水二维温升数学模型的建立 .. 理论分析 经过热交换的温排水从排水口口排出后,进入环境水体,所携带的热量在水中迁移; 一方面随同水流自上游向下游输运;同时由于水流的紊动效应、水体存在的温度梯度、 温升带不断在水体中扩散;此外在水、气界面中,水体所含热量会通过蒸发、辐射等物 理作用散发。本研究项目在研究电厂温排水数学模型的基础上,建立了温排水二维对流 扩散方程描述水体对温升的自净过程,与上一节所建立的温排水二维流场数学模型耦合 解得地表水源热泵系统温排水的温升场。 经过换热后的水体进入受纳水体后,可将其水温传递规律概况为三个阶段:首先进 行三维传导,即温度沿垂向水深方向、横向河宽方向、纵向水流方向三个 方向混合,一般河流的水深和河宽相比要小的多,所以垂直方向传导很快;同时进行二 维水流方向传导,随着河水流动方向按一定规律发展。 夏季湖水承受温排水的热负荷,必须考虑水平方向水温的不均匀分布。由于受地表 水源热泵空调系统排水口出流方式及地表水的地理形状的影响较大,地表水 的水温分布 不均会导致地表水大面积环流,所以须进一步分类: 、流散型:当河床狭长时,长宽比应大于?,不论排水口出流方式如何, 环流区占总水面积比例小则能避免大面积环流发生; 、环流型【 :不能避免大面积环流发生的水体都叫环流型。环流型水温模拟 需要将其划分为环流和直流两区,并且须进行逐区求解。 本研究项目所举例的明远湖和府南河即为流散型。以府南河水源作为空调冷热源的可行性分析研究 ..温排水二维温升数学模型 图.单元体能量守恒图 、. 喀 黝 同温排水二维流场数学模型一样,二维温升模型也采用深度平均原理,将三维热运 输方程沿垂线积分可得温排水二维温升数学模型。采用二维温升数学模型模拟计算河段 温升的空间分布变化情况。即对流扩散方程【】【】【】: 四 、 一~ 国 苏 咖 叙\缸/却 卸 . 警警等静办豺孙豺筹悄训, 式中:卜受纳水体温升;卜时间坐标;,纵向、横向坐标;, ?、方向的垂线平均流速/.??垂线水深;??纵向弥散系数;, ??横向弥散系数;足,??水面综合散热系数;??水的密度/,; 。??水的定压比热。/?;??源强 建立物理平面与计算平面上各点的对应关系,将平面上不规则的物理区域变 换 成亏一叩正交曲线坐标系下的矩形区域。得到亏一,正交曲线坐标系下的热 输运方程:西华大学硕士学位论文 一?一..?一 。’ 扣陪‖甄扣旧豺筹坝翻, 采用有限体积法离散热对流扩散方程,微分方程.可写为: . 口乃口 疋%写口?瓦%五 对对流项采用上风格式,扩散项采用幂函数格式,则得到各影响系数的表达 式为: . %见。彳 。见:彳:厂一, %仇么只,仇:彳只:厂卜, . 口?见彳只?:么 :厂一,】 . %皿?彳四皿:彳刚厂,】 . 铲?”:等 , 口::燮. 出私口;矽 .曲 其中: 册。?叩 . 。删。卸 . 删。?孝 . 只删,?毒 . .耻警以警 限。曲 耻警警 限,的, 以府南河水源作为空调冷热源的可行性分析研究 见。:堕警,见::掣 ? 凸 . 驴警岛警 伍砌, ? 钏刚一一掣肥卟一掣 ,咖 钏咖小,,一掣 呦,,?一掣 九 钏刚,一掣肥,,?一掣 ?, 钏引一,一掣?,,?一掣 微分方程?离散为形如式?的方程组,方程个数与未知温升,个数 相同,则成为可以直接求解的闭合线性方程组。 .控制方程的离散及数值解法 由于应变量在节点之间的分布假设及推导离散方程的方法不同,就形成了不 同类型的离散化方法,目前常用的离散化方法有:有限差分法、有限元法和有 限体积法。 日陆 ?有限差分法 甜,简称【】 有限差分法是数值解法中最经典的方法。它是将求解域划分为差分网格,用 有限个 网格节点代替连续的求解域,然后将偏微分方程控制方程的导数用差商代替,推导 出含有离散点上有限个未知数的差分方程组。求差分方程组代数方程组的解,就是 微分方程定解问题的数值近似解,这是一种直接将微分问题变为代数问题的近似数值解 法。由于有限差分法的计算工作量少、格式简单、比较成熟,较多的用于求解双曲型和 抛物型问题,也是计算水力学中常用的数值解法。但是用它求解边界条件复杂、尤其是 椭圆型问题不如有限元法或有限体积法方便。 锄 ?有限元法 甜,简称【】 有限元法是将一个连续的求解域任意分成适当形状的许多微小单元,并于各小单元 分片构造插值函数,然后根据极值原理变分或加权余量法,将问题的控制方程转化 为所有单元上的有限元方程,把总体的极值作为各单元极佰之和,即将局部单元总体合西华大学硕士学位论文 成,形成嵌入了指定边界条件的代数方程组,求解该方程组就得到各节点上待求的函数 . 值。 有限元的基础是极值原理和划分插值,它吸收了有限差分法中离散处理的内核,又 采用了变分计算中选择逼近函数并对区域进行积分的合理方法,是这两类方法相互结 合、取长补短发展的结果。它具有很广泛的适用性,.特别适合于几何及物理条件比较复 杂的问题,而且便于程序的标注化。但是由于有限元法因求解速度慢,因此在商用 软件中并不普遍。 ?有限体积法 ,简称?山【】 有限体积法又称控制体积法,其基本思路是:将计算区域划分为网格,并使每个网 格点周围有一个互不重复的控制体积;将待解微分方程控制方程对每个控制体体积 积分,从而得出一组离散方程,求解离散后的方程组便可得到网格节点上的近似解。 有限体积法的基本思想易于理解,并能得出直接的物理解释。离散方程的物理意义, 就是因变量在有限大小的控制体积中的守恒原理,如同微分方程表示因变量在无限小的 控制体积中守恒原理易于。有限体积法得出的离散方程,要求因变量的积分守恒对任意 一组控制体积都得到满足,对整个计算区域,自然也得到满足。这是有限体积法吸引人 的优点。有一些离散方法,例如有限差分法,仅当网格极其细密时,离散方程才满足积 分守恒;而有限体积法即使在粗网格情况下,也显示出准确的积分守恒。 本研究项目介绍的离散过程及数值求解方法将全部基于有限体积法。对模拟区域采 用边界拟合坐标技术进行坐标变换,用有限体积解法对变换后的控制方程进行离散,再 对离散方程进行数值求解,计算得出各个控制节点的垂线平均流速和温升值。 对有限体积法的网格进行优化 在使用有限体积法时,总是要将计算域划分成若干个单元,然后在各个单元及节点 上离散相关的控制方程。本研究项目使用交错网格对使用的普通网格上离散控制方程时 给计算带来的严重问题。而采用本研究项目随后数值计算的锄软件也采用交错网格 技术。 交错网格的具体方法是将速度风量与压力在不同的网格系统上离散。交错网 格如图 .所示,其中符号“”的位置为标量的求解点或所在点;符号“?爷表示速率度 计算点;符号“ 表示速度计算点。以府南河水源作为空调冷热源的可行性分 析研究 ???一一 \ 么 、../一 、、? / \/ \ / \/ \ \ 、.,‘ 、.厂 、\ “ 、.., 氐生厂 、..一/一 / \./ 、 / \ / \ 一 、、 也厂/ 一厂 入 。、.一/ / \/ \/ \/ \/ \ \二 越厂 、??厂二 、一厂 。/ \ 一/ 、、 一, \/ \ 一厂 心《 【 , ?::???. .厂 。、/ 、.一厂 \/ / \/ \ 、一,一, \三 × 图.交错网格布置示意图 锄 . 骶鲥 交错网格划分应注意以下几点: ?网格合理的尺寸。流场模型被离散化的程度是由网格尺寸所决定的,相应的计 算精度也决定着网格数量,继而影响网格大小。 ?网格点合理的分布。划分过多的网格会影响计算迭代的效率,所以在网格划分 的分布上要做到合理、均匀且抓计算重点区域。比如在流场模拟的重点区域,可以采取 适当加密网格的做法。 ?均匀过渡网格。使用划分网格尺度的光滑过渡才能保证有限体积法离散的原有 ’ 精度。 ?网格生成的算法应与随后的流场计算相对应。在整个流场计算中取得最佳的综合 效果不一定是最优的网格生成算法所决定的,因为网格的生成与流场的计算涉及的不仅 有计算精度,还有计算效率等。 离散方程的求解 本研究项目采用求解泊松方程生成正交曲线网格,可以良好的模拟天然河岸边界, 采用有限体积法离散控制方程,并把计算区域用交错网格进行网格优化,闭边界采用无 滑移边界条件,使用流量和温度条件,给定初始流速和温度,使用 们计算程式迭代求解【】。 .模型初始条件及边界条件的确定 假设条件: ?采用假设,认为温度不同引起的水体密度变化很小,可以忽略; ?不考虑岩土与水体间的质交换: ?忽略自然因素引起的河流、湖泊水流进出。西华大学硕士学位论文 初始条件: 丁孝,叩, 瓦,例,瓦为初始水温; ”,,岛工,少,气,初始流速; 边界条件: ?岸边界:从水体热平衡等因素影响程度看,由土壤进入水中的热量不大,采用 望笠: 坌三主:垒: 叩 叩 , 绝热边界条件: ,公式中的为岸边界;河床及岸采用黏性 无滑移边界条件; ?水边界:考虑到模型的计算范围足够大,去进、出留边界温升值为, ,, 锄 即 ,为出流边界法向单位矢量,即温度法向倒数为; ?水面综合散热系数【】: 水面综合散热系数是描述水体对废热自净能力和水体中热量降解速率的基本参数, 定义为单位面积上单位温升的散热量。它综合体现水气交界面上的对流、蒸发、辐射的 三种散热能力,其中以蒸发散热为主。由水体环境当日气象条件、温排水状况、河流状 况以及河床情况等多种因素决定着水面综合散热系数的大小,所以水温预测及模拟的一 个重要前提就是确定水面综合散热系数,确定的合理性决定着结果的合理性。 目前,应用经验公式来计算水面综合散热系数是工程上普遍采用的方 法,并且通过的计算结果成功应用于工程实例中。河北省环境科学研究院陈永新等人曾 经对水面综合散热系数采用经验公式法进行灵敏度分析,其结论是:在实测气象资料缺 乏的情况下,采用肌经验公式可以代替计算水面综合散热系数,其计算结果可 以运用到多排口温升场叠加模拟计算中。因此,本研究项目采用衄经验公式来计算水面综合散热系数。 经验公式 五.×.五... %? 陋乞引南枷觏悦? 式中:为水面以上处的风速;为各网格计算温升加上环境水温。 ?温排水口: 排水流速,等,为排水水量;为排水管截面积;以府南河水源作为空调冷热源的可行性分析研究 排水温度为地表水源热泵主机冷凝器换热排水温度。 源强项 恒定源强单位面积流量?,由温排水口设计位置得出: ?乃?罟导鬲,式中、?分别为水源热泵温排水排放流量/和出水温升?;缸为 口“?.月 排放口所在节点宽度。 . 本章小结 本章利用三维流体运动方程和三维热运输方程而建立起地表水源热 泵系统的温排水二维流场、温度场数学模型。介绍了离散化的主要方法一有限体积法, 在时间域和空间域上将原本连续的控制方程转化为离散方程,并用交错网格技术进行离 散优化。在建立边界条件中,确立了假设条件、初始条件等,为方程的求解提供了边界 依据。在参数的选择上,重点介绍了水面综合散热系数取值的经验公式。 西华大学硕士学位论文 以四川大学图书馆地表水源热泵工程的实例对模型分析验证 . 成都地区利用地表水作为空调冷热源的条件 .. 气候特征 成都位于长江上游之南,介于东经度分至度分,北纬度分至 度分之间,属亚热带季风湿润气候。成都气候温和、四季分明、无霜期长、雨 量充沛、日照较少。多年年平均气温为.?,年最高气温为.?,年极端最低 气温为一.?,最热月出现在~月,月平均气温为.和.?,最冷月出现在 月,月平均气温为.?;年总降水量为毫米左右,雨量主要集中在~月, 月降雨量分别为和毫米,降雨最少月份为和月,月降雨量分别为毫米 左右,暴雨期普遍出现在~月,常年暴雨出现的始终期分别在月、月底和月下 旬【】。 ..水源条件 成都位于四川盆地之腹地,享有“西部之心的美誉。由于响应国家节能环保 的号 召,地源热泵的推广工作比较积极,但地表水源热泵系统的应用比较少。四川 省属多雨 地区,全年降水日数为~天,年平均降水量达。尤其是月至月, 这个期间的降水量约占全年的%~%左右。根据四川水资源公报显示水量储量: 年全省水资源总量.亿,全省地下水资源量.亿立方米,全省地表 水资源量.亿立方米。地表水水温方面根据四川省水文站年提供的观测资料: 岷江水源年最高水温为.?月日,最低水温为.?月日,全年低于? 的时间只有天,低于?的有天。 表. 四川省主要地区水资源【】 “. 亿 . . . 水资源总量 . . . . . . 地表水 . . . . . . 地下水以府南河水源作为空调冷热源的可行性分析研究 图. 四川省年水资源对比表【】觚讹? . 细啪:劬 从表和图可看出,四川省地表水资源相当丰富。而应用地表水源热泵空调系统的水 源条件要求是:?水源的水量能满足用户地表水源热泵系统正常运转制热负荷或制冷 负荷的要求;?水源水温符合地表水源热泵机组的运行工况。根据美国制冷学会 标准,开式地表水源热泵空调系统对水温的要求是~?;?水源的水质要 达到设计水源热泵空调系统要求的规定。如果水源水质达不到标准,则会污染换热器表 . 面或者腐蚀换热器,从而影响整个系统的正常运行。 .工程实例概况 .. 工程概况 四川大学图书馆江安分馆地处四川省成都市郊区,位于四川大学江安校区内,由加 拿大方舟设计公司设计师阿穆莱德先生设计,其外形呈火炬状。整个建筑气派大方,内 部读书环境舒适美观,是学校的标志性建筑之一。 空调部分的设计是由中国建筑西南设计研究院设计,根据工程实际情况,空调主机 采用水源热泵机组。本工程的夏天制冷、冬天采暖由各空调机组提供,余热量通过板式 本工程 换热器与湖水交换热量,其制冷量为,热平衡后的供热量为。 年月开工,’年月才正式提交竣工报告。 ..设计参数及空调负荷 室外设计参数根据成都地区气象条件决定,见表.。西华大学硕士学位论文 表.室外设计参数 “. ,印姗 室内设计参数,见表.. 根据不同房间和区域功能的不同,则室内设计的温度也不同。图书馆空调系统为舒 适性低噪音设计标准,根据噪音级别、室外温湿度、经济条件、节能要求以及舒适性等 因素确定。 表.室内设计参数 . 印阳 图书馆空调负荷及温排水流量 根据四川省蓝天机电建设有限公司提供的相关资料得到:空调冷负荷 ;热 。 平衡后的热负荷 介 根据?兰一 ’ 式中:为负荷脚,?,为取、排水温差/?,为流量/,/。 取?:?,则温排水流量为. /。 本次的实例项目流体介质为水。其基本的物理参数见表.。以府南河水源作 为空调冷热源的可行性分析研究 表.介质的物理参数 . 传热系统/ 参数 密度/ 动力粘度/ 定压比热//? 介质 / /? 纯水 ..空调系统方式 冷热源及冷热媒:根据甲方按方案图招标后本工程采用水.水源热泵作为空 调冷热源,夏季通过板式换热器由湖水将室内热量带走,板式换热器热侧供 回水温度为 /?,冬季通过内区及外区的热平衡来满足空调要求。当循环水回水温度低 于?时 启动辅助热源电热水锅炉向系统补充热量,当循环水回水温度高于?时板式换热器 系统启动,板换系统启动与湖水取水系统连动。 空调水系统为?次泵负荷侧定流量两管制闭式循环系统。立管为同程式,水平 环路为异程式。室内吊装的空调器采用室温控制送风温度及送风量,机房内空调器采用 回风温度控制送风温度及空调系统根据内外区分区设置,大空间设全空气系统,小空间 的房间设吊顶式空调器.内区空调新风由竖井中的新风管集中提供新风,外区空调新风 直接由空调机组从室外吸取,一至五层的小房间共设九套新风系统经加压后送至各机组 的回风静压箱.空调季节考虑定时全新风,开馆前启动屋顶上的排风机进行排风同时通 过外窗引进室外低温新鲜空气。 ..四川大学江安图书馆空调系统具体设计 四川大学江安校区图书馆空调系统是由中国建筑西南设计研究院设计,采用的是特 灵地源热泵机组。其具体设计思想如下: 取水方案 本项目以附近明远湖的水作为水源,在明远湖的中部的东北角设置取水口位 于水 面以下,并在取水口附近设置取水。 输水管设计。 湖水的含盐量及矿化物浓度低,但是含氧量较高,所以为了后期正常运行及使用, 所采用的引水管、供水管、回水管及管件上的阀门和阀件均选用抗腐蚀性的产品。引水 管通过水泵接入空调取水池内,为使温排水在湖体中充分散热,且避免温排水严重影响 取水附近水体温度,将排水口设置在距离取水口约的东南侧位置见图.。西华大学硕士学位论文 图.室外空调排水口、取水口示