【慧聰熱泵網訊】引言
地表水水源熱泵空調系統是利用可再生能源中的水資源，利用熱泵原理，通過少量的高位電能輸入，實現冷熱量由低位能向高位能轉移，從而達到對建築物進行夏季供冷、冬季供熱的技術，是一種高效、節能、環保的綠色空調系統[1]。重慶地屬長江水系，境內河網密布，全市年平均水資源總量5000億m3，其中地表水資源佔絕大部分，開發潛力巨大[2]。
儘管水源熱泵具有明顯優點，但工程應用中水源熱泵系統的實際運行效果與很多因素有關，其中水源條件對水源熱泵工程的影響尤為重要，直接決定水源熱泵工程的可行性。本文結合重慶某酒店水源熱泵空調工程項目，對其水源條件進行分析，並根據分析結果進行取退水系統設計。
1、工程概況
該項目為重慶某區縣的一個四星級酒店，總建築面積41216m2，項目地位於某江河河畔，酒店冷熱源機房距離河岸110m，項目具體水源條件示意圖如圖1。酒店擬利用河水的冷熱能量，為其集中空調系統提供冷熱量，同時供應衛生熱水。項目集中空調系統夏季最大冷負荷為4469kW，冬季空調最大熱負荷為2879kW，衛生熱水最大熱負荷為1412kW。
圖1項目水源條件示意圖
2水源條件分析
水源條件對水源熱泵系統的運行效果影響顯著，直接關係到水源熱泵項目的可行性。以下從河水溫度、流量、水質等方面分析本項目水源條件。
2.1河水溫度
圖2冬季河水全天溫度變化
圖3夏季河水全天溫度變化
為了準確掌握該工程擬採用的河水水溫情況，筆者在冬季和夏季進行了測試，每次測試均進行多天，每天對水下2米處河水溫度和實時空氣溫度平均3小時測試記錄一次。測試主要儀器有：(1)資料記錄測溫儀，TES-1315。該儀器配置測試探頭可伸入水下，準確測量水溫。(2)水銀溫度計。可以測試室外空氣溫度，並對測溫儀的測試結果進行校核。圖2、3分別為冬季和夏季河水水溫測試情況。
冬、夏季河水水溫測試情況表明，冬季河水溫度比空氣溫度高7℃～10℃，而夏季河水溫度比空氣溫度低8℃～13℃；冬季河水全天溫度變化範圍9℃～12℃，夏季河水全天溫度變化範圍20℃～25℃。基本符合《水源熱泵機組》(GB/T19409-2003)中地下水式機組正常工作的冷(熱)源溫度範圍：製冷10℃～25℃，制熱10℃～25℃[3]。冬季極端條件下河水溫度低於10℃影響機組運行時，可通過在水源熱泵系統設計中增加輔助加熱設備解決。
2.2河水流量分析
本項目擬利用的河流屬於長江二級支流，夏季降水充沛流量大，可以保證本項目水源熱泵系統取水量，冬季降水少流量較小，有必要對冬季河水流量進行測試。河水流量測量採用間接測量的方法，通過測量河水過流斷面面積和該過流斷面的對應平均流速，計算河水流量。
2.2.1河水過流斷面選取
對於項目地測試斷面，可依據實測數據簡化為若干個不同深度的矩形縱截面，如圖4所示。
圖4河流測試縱截面示意圖
2.2.2河水流速分布
該河流河道平緩，水流較為穩定，屬於明渠流，沿用水力學中明渠流的有關結果，將其簡化為光滑壁面的明渠流動。基於Prandtl動量傳遞理論的混合長度假設，明渠流縱向流速沿垂線的分布通常採用的對數分布形式[4-7]：
式中，umax為垂線最大流速，m/s；u為水深y處流速，m/s；y為水中任一點到渠底的距離，m；H為渠道水深，m；k為卡門常數，常取0.4；u為摩阻流速，m/s。
利用HR-2型流速測算儀測試各測點不同深度下的流速，根據測試流速數據可計算出各測點垂線流速umax和摩阻流速u，從而確定出各測點流速隨水深度變化的公式。計算結果如表1所示。
表1縱截面主流速分布及umax、u.值確定
2.2.3河水流量計算
通過上面計算所得的河流主流道段水流流速隨深度y的變化規律，可以計算出河水流量(忽略直線段、過渡段河水流量)為：
1表2河流縱截面流量計算
項目冬季水源熱泵系統取水量可根據如下公式計算：
其中：Q』為吸熱量，Q為熱負荷，COP為熱泵機組在設計工況下的制熱能效比，L為取水量，Cp為水的定壓比熱容，Dt為取退水溫差。計算得，冬季水源熱泵系統所需河水量為881m3/h，考慮水處理過程中5%的水量損失，取水量取為925m冬3/h(0.257m3/s)，遠小於河水總流量1.813m冬3/s。
項目冬季水源熱泵系統最大取水量925m3/h，設計取水溫差為3℃，河水取水設計溫度8℃，河水回水設計溫度5℃。系統退水沿退水管道退入河中，按最不利情況考慮，不計退水沿途散熱，退水溫度5℃，退水量等於取水量(不考慮綠化及景觀用水)，則由熱平衡可以計算河水的溫升。
熱平衡方程：
其中：MS為扣除取水量後的河水流量，m3/h，即Ms=Mj-Mt；Tj為河水溫度，℃；Mt為退水量，m3/h；Tt為退水溫度，℃；Mj為河水流量，m3/h；T為退水與河水混合後的溫度，℃。
計算得T=7.54℃，即冬季設計工況下河水溫降為0.46℃，對河水溫度的影響很小，同時由於河水是流動的，該溫度變化不會積累。
夏季為豐水期，河水流量遠大於冬季河水流量(圖1顯示夏季豐水位214.5，冬季枯水位211.6)，而水源熱泵系統取水量變化不大，則夏季河流總流量滿足項目水源熱泵系統取水量，退水對河水溫度的影響也比冬季更小。
2.3河水水質分析
本項目工程河段以上集水區巖性以灰巖為主，流域植被條件較好，無化工廠等汙水排放，表3為本項目河水水質與水源熱泵推薦水質要求對比[8]。
表3項目河水水質與水源熱泵推薦水質要求對比
對比顯示，本項目河水水質除含沙量外均滿足要求。項目水源熱泵系統設計中，可以通過取水方式和水處理的設計來改善水質狀況，使源水進水滿足水源熱泵機組對水質的要求，項目可採用直接式水源熱泵系統。
3、取退水方案設計
為進一步保證項目實施水源熱泵系統的可行性，進行水源熱泵系統取退水方案設計。目前工程中最常用的取水方案有浮船取水、潛水泵直接取水、滲濾取水以及岸邊直接取水+水處理方案等方案[9]。
取水設施應與周圍環境保持協調，項目取水位置河面水深較淺，不具備浮船取水條件，排除浮船取水方案；考慮取水可靠性要求及檢修要求，為延長取水系統壽命，防止水泵被泥沙掩埋或洪水衝走破壞取水系統，排除潛水泵直接取水方案；同時滲濾取水方案施工難度大，成本較高，且有一定的水量衰減，而該河流枯水期水量較少，排除滲濾取水方案；本項目擬採用直接取水+水處理方案取水，岸邊修建半埋入式取水泵房放置取水泵，取水頭部伸入河流中心取水；河水沿輸水管道進入冷熱源機房，經水處理設備處理後送入水源熱泵機組利用。
退水系統包括回水排放系統(部分用作綠化、景觀用水)和泥水排放系統。經過水源熱泵機組換熱後的河水預留中水接口，用作綠化、道路澆灑用水，大部分河水沿退水管退回到河流下遊100米處。水處理設備定時進行反衝洗處理，含有泥沙的反衝洗水經排汙管排至集水坑，集水坑內放置排汙泵將汙水排至河流河床附近，並在排汙口設置沉沙池，防止排汙水引起河水的二次汙染。
圖5取退水系統流程圖
4、結論
本項目水源水溫全年在9℃～25℃範圍內，基本符合地下水式機組對水溫的要求(10℃～25℃)；全年河水流量＞1.813m3/s，足夠滿足項目取水量需求；水質除含沙量外均滿足水源熱泵機組對水質的要求；經水源熱泵取退水系統設計，可採用直接式地表水水源熱泵系統。
參考文獻：
[1]楊建敏,戴源德,馮立傑.水源熱泵空調系統及工程實例分析[J].製冷與空調,2009,23(3):31-34.
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[4]王二平,金輝,張燕燕.矩形明渠流分布特徵及其在流量測量中的應用[J].灌溉排水學報,2008,27(4):25-28.
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[9]李文,王勇.開式地表水水源熱泵系統的取水方案分析
[J].製冷與空調,2009,9(4):20-22。