胡 秋 明,罗 景 辉,武 雪 梅,刘 彪,吴 晓 轩,张 昌 建

(1.河北工程大学 能源与环境工程学院,河北 邯郸 056038; 2.力高(天津)地产有限公司,天津 300480; 3.中国建筑第八工程局有限公司 华北公司,天津 300450)

0 引 言

湖水源热泵(lake water heat pump,LWHP)是一种以消耗少量电能为代价,通过排放温排水与湖水进行热交换,把湖水中的低位能量转化为高位能量的装置,其性能系数(coefficient of performance,COP)一般能达到4～7[1],具有节能减排、运行稳定可靠等特点。因此,湖水源热泵得到了广泛使用[2],但随之也出现了一些问题,其中比较受关注的是水体热污染。水体热污染最早产生于工业的冷却水排放中,它被定义为由于人类活动而向水体中排放的废热超过水体自身的热容量,导致水体中局部生态系统遭受破坏的现象[3-5]。湖水源热泵温排水与工业热排放类似,相比于江、河、海等大面积水域,湖水是一个相对封闭、有限的小型滞留水体,湖水中的热量较难散发出去,一旦湖水源热泵排出的热量大于湖水本身可承载的热量,将会导致水体热污染的产生。水体热污染将会改变水体温度场,造成水质下降及水中溶解氧量的减少,从而破坏水中生态系统平衡[6-11]。

目前,有关温排水影响的研究主要集中在热电厂及核电站等传统工业的排热[12-17]。与工业的温排水排放相比,湖水源热泵的温排水具有季节性排放、排热规律多变、热交换机理复杂等特点。所以,现有的有关工业排热导致的水体热污染相关研究成果并不适用于湖水源热泵。近些年来,也有不少学者对湖水源热泵的温排水影响进行了相关研究。谭理政[18]通过模拟和实验研究了闭式湖水源热泵末端换热器的热扩散情况;刘冰等[19]模拟了湖水源热泵在不同工况下的退水对湖水温度的影响;郝小充等[20]模拟了开式湖水源热泵排水口设在不同位置时湖水温度场分布情况;黄向阳等[21]模拟了开式湖水源热泵在供冷和供热条件下的温排水排放口湖水温度变化情况;陈金华等[22]则对湖水源热泵温排水进行了实测研究;周健等[23]用试验的方法分析了开式湖水源热泵排放方式对湖水温度的影响;蒋新波等[24]利用模型研究了湖南地区的滞流水体水温变化规律,提出了水体热承载力,并对冷热承载能力的影响因素进行了分析;向佳卉等[25]分析了湖水源热泵运行对湖水水温的影响因素。可以看出,现有的研究大部分为模拟研究,缺少相关实测数据,而且多集中在湖水源热泵温排水影响的定性评价上,相关定量评价的指标较少,无法直接指导湖水源热泵的设计与应用。本文根据现有水环境热排放标准,建立了湖水热传递平衡方程,提出了一种定量评价湖水源热泵温排水影响的方法,并进行实测应用,通过与已有研究结果进行对比,以验证此方法的正确性。

1 水体热平衡模型

湖水是一个滞留水体,其热量交换主要发生在水面和水底,即水面与大气的热交换及湖水和底部土壤的热传导[26]。

1.1 水面热平衡

湖水水面主要通过水面辐射、水体蒸发与对流进行热量交换,按性质可分为热辐射、热蒸发及热对流。热辐射量包括太阳短波辐射热量及水面对其反射热量、大气长波辐射热量及水面对其反射热量,将水面反射的热量考虑成水面未吸收的辐射热量,则可将热辐射量简化为水面吸收的太阳短波辐射热量和大气长波辐射热量。因此,湖水热交换量具体是太阳短波辐射热量、大气长波辐射热量、水体长波辐射热量、水体蒸发热量及水体对流热量,将整个湖水简化为一个有限水体,其水面热交换量为

Qst=Qsr+Qar-Qwr-Qe-Qc

(1)

式中:Qst为湖水的热量,Qsr为太阳短波辐射热量,Qar为大气长波辐射热量,Qwr为水体长波辐射热量,Qe为水体蒸发潜热量,Qc为水体对流显热量。

1.2 水面热辐射量

根据上述水面热辐射简化的结果,可将水面热辐射视为水面吸收的太阳短波辐射热量和大气长波辐射热量。

太阳短波辐射热量计算公式为[27]

Qsr=β·(1-γ)·I

(2)

式中:β为太阳辐射吸收率,一般取其平均值0.45;γ为水面对太阳短波辐射的反射率,一般取其平均值0.008;I为太阳辐射强度,它随着水体深度的增加而减小,I的取值具体可以参考文献[28]。

大气长波辐射热量可按公式(3)计算[29]:

Qar=(1-γa)·εac·σ·(Ta+273)

(3)

式中:γa为水面对大气的长波反射率,取0.003[30];Ta为水面上方空气温度,℃;εac为周围大气的发射率,它与气温及云层覆盖情况有关,εac=0.94(Ta+273)2(1+0.17c2),其中c按文献[31]取值;σ为Stefan-boltzmann常数,一般取5.67×10-8W/(m2·K4)。

水体长波辐射热量与水面的长波发射率及温度有关,其计算公式为

Qwr=σεw(Tw+273)4

(4)

式中:εw为水面的长波发射率,取0.97;Tw为水面温度,℃。

1.3 水面蒸发潜热量

湖水蒸发潜热量与水体和周围空气的温度差、湿度差以及水汽边界层的湍流强度有关,具体计算公式为[32]

Qe=11.6v0.5exp (21.32-5411/Tw+273)

(5)

式中:v为水面上方风速,m/s。

1.4 水体对流显热量

当湖水附近的空气温度与水体温度存在差值时,湖水表面将会与空气发生对流换热的现象,一般来说,此过程中发生的对流显热量与其中的温差成正比例关系,按以下公式计算[33]:

Qc=11.6ac(Tw-Ta)v0.5

(6)

式中:ac为经验系数,取0.47。

1.5 热传导换热量

湖水与侧边及底部土壤存在热量传导,包括湖水与侧壁及底部两部分的热交换量,它们和接触面积、水土热传导系数及温差有关,计算公式为[34]

Qd=kg(Tw-Tg)(0.99A/Ig+0.6P)

(7)

式中:kg为水土热传导系数,W/(m2·℃);Tg为湖底土壤温度,℃;A为湖水底面接触面积,m2;Ig为湖水底部与土壤最远边界的距离,m;P为湖水与土壤接触的周长,m。

1.6 湖水源热泵温排水热量

湖水源热泵通过冷却水与湖水进行热量交换,实现将建筑内的热量转移至湖水中,其温排水热量计算公式为

Qh=cpqm(T2-T1)

(8)

式中:Qh为湖水源热泵系统排入湖水中的热量,J;cp为水的比热容,J/(kg·K);qm为冷冻水流量,m3/s;T1、T2分别为湖水源热泵冷却水进出口温度,℃。

则湖水变化的热量为

ΔQ=AQst+Qd+Qh

(9)

式中:Qh在夏季取正值,在冬季则取负值。

2 湖水源热泵温排水影响的评价方法

在夏季,湖水源热泵将建筑内热量转移至湖水中,即向湖水中排放热量;而在冬季,则从湖水中吸取热量至建筑内,即向湖水中排放冷量。

将整个湖水看成一个水体,水体的热量变化计算公式为

ΔQ=ρcpA·HΔT

(10)

式中:H为湖水的平均深度,m;ΔT为湖水平均水温变化值,℃。

将式(10)代入式(9),整理得:

dT/dt=(AQst+Qd+Qh)/ρcpA·H

(11)

为了防止水体热污染问题的产生,对于人为原因造成自然水体的温度变化值,GB3838-2002《地表水环境质量标准》中有明确规定[35]:周平均最大温升不超过1℃,周平均最大温降不大于2℃。为了验证湖水源热泵温排水的排放是否造成湖水的水体热污染,在夏季,假设湖水源热泵造成湖水周平均温升为1℃时的温排水热量为Qs;同时,在冬季,假设湖水源热泵导致湖水周平均最大温降为2℃时的温排水冷量为Qw。定义夏季水体热污染率αs,冬季水体热污染率为αw,则:

αs=Qh/Qs

(12)

αw=Qh/Qw

(13)

若αs和αw均不大于1,则认为湖水源热泵的温排水未造成水体热污染;否则,则认为湖水源热泵的温排水排放造成了水体污染。

对于湖水源热泵来说,在夏季天气最炎热时供冷负荷最大,在冬季天气最冷时供热负荷最大,在夏季天气最炎热时,向湖水中排放的热量最多,在冬季天气最寒冷时,向湖水中排放的冷量最多[36]。同时,湖水在夏季最炎热时散热量最少,而在冬季最寒冷时的热量最少。综合叠加起来,则认为在气温最高的夏季及气温最低的冬季,湖水源热泵温排水最容易造成水体热污染。也就说,如果在这两种极端的条件下,湖水源热泵温排水的排放未引发水体热污染,就认为湖水源热泵在全年运行下都不会造成水体热污染[37]。于是,在评价湖水源热泵温排水影响时,只需计算出夏季最热周及冬季最冷周的水体热污染率,即可判断是否导致水体热污染的发生。

3 案例分析

3.1 系统介绍

南京市(31°14″～32°37″N,118°22″～119°14″E)位于中国西南部,人口超过800万。根据南京工程大学新校区的总体规划,校园中有一个面积约20万m2、平均深度4 m的天印湖,湖中被大道隔开,均分为东、西两个湖泊。学校图书馆建在距天印湖西半湖不足100 m的位置。为此,在图书馆安装了湖水源热泵用于图书馆的冬季供热和夏季制冷,并于2007年投入运行,系统位置如图1所示。该湖水源热泵分为用户侧、热泵房、泵房和U型抛管4部分,其中U型抛管由6个单元组成,均匀安装在湖水中,距离湖底约0.5 m。湖水源热泵排出的温排水通过U型抛管与湖水进行间接换热。因此,其温排水不直接与湖水接触,其运行参数如表1所列。

表1 湖水源热泵运行参数Tab.1 Operation parameters of LWHP

图1 湖水源热泵位置Fig.1 Location of lake water heat pump

天印湖在2013年被南京市政府列为自然保护区,因此对于湖水源热泵是否造成水热污染引起了普遍关注。本文采用上一节提出的湖水源热泵温排水影响评价方法来判断湖水源热泵是否造成水体热污染。同时,根据利用文献[36]提出的小型湖泊的热承载力计算方法进行对比验证。

3.2 实验设计

实验的主要目的是测量最热周和最冷周天印湖的平均水温和气温。此外,还需测量湖水源热泵的运行参数,这有利于温排水热量的计算。根据南京市气象局和水文站的数据,每年8月和2月是南京最热和最冷的时段,为此,实验于2022年2月和8月进行,将各持续一个月。

实验使用的主要仪器和设备如表2所列。在测量过程中,应保证测量杆与空气接触足够的时间,通常为1 min。此外,PLC测温仪主要由UPS(不间断电源)、中央处理器(CPU)、内存、功能模块、通信模块和热电阻组成。

表2 主要实验仪器和设备Tab.2 Main experimental instruments and equipments

考虑到天印湖的深度,在U型抛管的竖直和水平方向各设置9个测点,相邻测点之间的距离为0.5 m,抛管周围测点布置如图2所示。作为对比,自然湖水温度的测点布置与此保持一致。因此,总共有18个测点,最大测量范围为4 m。在不间断电源的连续供电下,湖水的水温不间断测出。同时,采用土壤温度测试仪测量湖底土壤温度。为了获得湖水源热泵系统中冷却水的流量和温度,在冷却水供回水管道上布置了温度和流量传感器。

图2 抛管周围测点布置(单位:mm)Fig.2 Layout of measuring points around the throw pipe

因湖水在竖直方向上存在分层现象,湖水温度存在竖直温度梯度,此时为了简便计算,湖水源热泵温排水引起的湖水温差(温升或温降),按抛管附近所有测点温度的平均值减去相同位置的湖水温度平均值来计算。

4 实验结果与分析

根据实验测量的数据,最热周和最冷周的天印湖气温见表3。结果显示,最热周的整体平均气温高于30℃,最高气温已达到40℃,而最冷周的平均气温不超过0℃,最低气温甚至低至-4℃。

表3 最热周和最冷周气温Tab.3 Temperature at the hottest and coldest week ℃

通过实验数据得到的最热周和最冷周抛管附近的湖水温升及温降随湖水深度的变化趋势如图3所示。图3显示:最热周温升和最冷周温降均随着湖水深度的增加而变大,在湖深为3.5 m时达到最大值,这是由于湖水源热泵抛管设置在湖深为3.5 m处,离抛管越近,则湖水得到的热量越多,其温度越高。从图3还可以看出,在湖水源热泵运行时,湖水温度在竖直方向形成温度梯度,在夏季最热周抛管附近的竖直方向湖水最大和平均温升分别为1.33℃和0.72℃;在冬季最冷周抛管附近的竖直方向湖水最大和平均温降分别为0.96℃和0.49℃。在竖直向上的方向,距抛管的距离大于4 m的上部湖水温度几乎不受影响。图3也显示了越靠近湖面,温升和温降的变化率越低,因为受太阳和大气辐射以及自然风的影响,湖水会在竖直方向上发生温度分层现象,由上到下依次分为变温层、温跃层和等温层。湖水在温跃层及变温层的温度变化更快,因抛管处于下部等温层,湖水的变温层更容易受大气辐射及风力等影响,散热较快,所以湖水从下到上受抛管传热的影响将逐渐变小。此外,图3中显示最热周湖水的最大温升大于最冷周湖水的最大温降,越靠近抛管则表现越明显,这与湖水源热泵夏季的热负荷大于冬季的冷负荷有关,也说明了湖水源热泵在最热周造成的湖水温度变化更大,此时更容易造成水体热污染。

图3 湖水竖直方向温差变化Fig.3 Temperature difference of lake water in vertical direction

图4显示了最热周和最冷周湖水源热泵抛管附近的湖水温升及温降在水平方向的变化情况,抛管附近的湖水温度在水平方向形成温度梯度,在夏季最热周,抛管附近水平方向的湖水最大和平均温升为1.32℃和0.62℃;在冬季最冷周,抛管附近水平方向的湖水最大和平均温降为0.95℃和0.45℃。在水平方向,距抛管越远的湖水温度变化越小,单侧距抛管的距离大于4 m的湖水温度几乎不受影响。同时,图4也说明了在相同条件下,湖水的最大和平均温升均在最热周大于最冷周,这与图3形成相互验证。

图4 湖水水平方向温差变化Fig.4 Temperature difference of lake water in horizontal direction

夏季和冬季水体热污染率随气温变化情况如图5～6所示,从图中得知,在夏季,水体热污染率随着气温的升高而增大,当气温最高为40℃时,湖水的水体热污染率达到最大值0.69;在冬季,水体热污染率随着气温的增大而减小,当气温最低为-4℃时,湖水的水体热污染率都达到最大值0.42。这是因为气温升高,则湖水温度随之增大,同时,在高温时,室内热负荷变大,湖水源热泵需向湖水中排放的热量则多,这说明了在夏季水体热污染率随气温变化的规律。同理,也可以解释在冬季水体热污染率随着气温降低而增大的现象。

图5 夏季不同气温下的水体热污染率Fig.5 Water heat pollution rates under different temperature in summer

图6 冬季不同气温下的水体热污染率Fig.6 Water heat pollution rates under different temperature in winter

计算出的最热周湖水平均温升和水体热污染率如图7所示。从图7可以看出:在最热周,湖水的平均温升和水体热污染率均受气温影响,最大和平均水体热污染率分别为0.69和0.48,此时的湖水最大和平均温升分别为0.70℃和0.57℃。最热周的湖水平均温升和水体热污染率均小于1,则可以认为湖水源热泵温排水未造成天印湖水体热污染。一方面,湖水平均温升和水体热污染率均与气温成正相关,两者随气温的变化趋势保持一致。这是因为气温升高导致湖水温度升高,由于空气与湖面之间存在热交换,湖面从大气和太阳辐射中获得热量,湖水温度随着气温的升高而增加。同时,湖水中的热量会通过蒸发而流失,这样导致湖水温度比气温低。另一方面,在最热周,湖水源热泵温排水的热量随着气温的升高而升高,这是由于气温升高导致室内热负荷增加,为了达到室内舒适的环境,湖水源热泵需将更多的热量转到湖水中。根据国家相关标准:在夏季,湖水源热泵导致的湖水周平均最大温升不超过1℃,而根据图7可知,最热周湖水平均温升及最大温升均未超过1℃,同时,水体热污染率也小于1,这也验证了上文提出的湖水源热泵温排水影响评价方法的正确性。

图7 最热周湖水平均温升及水体热污染率Fig.7 Average temperature rise of lake water and water heat pollution rate in the hottest week

根据实验得出的最冷周湖水平均温降和水体热污染率如图8所示,由图8得知:在最冷周,湖水的平均温降和水体热污染率也受气温影响,最大和平均水体热污染率分别为0.42和0.38,此时的湖水最大和平均温降分别为0.48℃和0.39℃。最冷周的湖水平均温降和水体热污染率也均小于1,这说明湖水源热泵在最冷周的运行未导致天印湖水体热污染现象的发生。此外,湖水平均温降和水体热污染率均与气温成有关,两者随气温的变化趋势保持一致。这是由于低气温更容易造成室内冷负荷增加,湖水源热泵则需从湖水中获取的热量增加,从而导致湖水温度降低以及水体热污染率升高。根据国家标准:在冬季,湖水源热泵导致的湖水周平均最大温降不超过2℃。而从图8得知,最冷周湖水平均温降和最大温降均未超过1℃,同时,水体热污染率也小于1,这也验证了上文提出的湖水源热泵温排水影响的评价方法的正确性。此外,从图8也可以看出,湖水的平均温降在数值上大于水体热污染率,这是由于水体热污染率的定义是以最冷周平均温降2℃为基础条件,这从另一面验证了水体热污染率的定义条件。

图8 最冷周湖水平均温降及水体热污染率Fig.8 Average temperature drop of lake water and water heat pollution rate in the coldest week

比较图7和图8,水体热污染率在最热周的数值稍大于最冷周的数值,这是由于夏季建筑内的热负荷比冬季的冷负荷大,湖水源热泵的夏季向湖水中的排热量大于冬季的取热量,也与国家标准规定的最冷周平均温降(2℃)大于最热周平均温升(1℃)有关,所以这也说明了湖水源热泵在夏季更容易造成水体热污染。

为了验证本文提出的湖水源热泵温排水影响定量评价方法的正确性,采用文献[36]中研究小型湖泊热承载力的计算方法分别计算天印湖在夏季和冬季的最大热承载力。根据文献[36]中的研究数据,查得南京地区平均深度为4m的小型湖泊在夏季和冬季的热承载能力分别为25.3W/和38.5 W/,则计算的热承载力为

(14)

式中:Qxj和Qdj分别是天印湖夏季热承载力及冬季热承载力。

而根据表1,得知湖水源热泵夏季制冷量为1 658 kW,冬季制热量为1 600 kW,显然,它们均小于天印湖在夏季和冬季的热承载力。因此,认为湖水源热泵的温排水并没有造成天印湖的水体热污染,这也验证了本文提出湖水源热泵温排水影响定量评价方法的结论。

5 结 论

由于湖泊的热承载是有限的,在设计湖水源热泵之前,需要对湖泊及当地的气象及水文条件进行适用性分析,以避免影响湖水源热泵系统的运行及造成水体热污染。本文提出了湖水源热泵温排水影响的评价方法,运用实验验证了该评价方法的正确性,可以得出以下结论:

(1) 由于湖水源热泵的持续排热,在抛管附近形成热量堆积,湖水在竖直和水平方向均形成温度梯度。在夏季最热周抛管附近的竖直方向湖水最大和平均温升分别为1.33℃和0.72℃,水平方向的湖水最大和平均温升分别为1.32℃和0.62℃;在冬季最冷周抛管附近的竖直方向湖水最大和平均温降分别为0.96℃和0.49℃,水平方向的湖水最大和平均温降分别为0.95℃ 和0.45℃。

(2) 在水平方向,单侧距抛管的距离大于4 m的湖水温度几乎不受影响,即抛管影响水平单侧湖水区域的范围为4 m以内。所以在布置湖水源热泵抛管时,需要考虑有适当的间距,这样有助于热量的散发,避免湖水局部温度过高,以提高湖水源热泵系统的运行效率。从实验结果来看,本文中的湖水源热泵不同抛管单元之间的水平布置距离大于4 m即可满足要求。

(3) 在最热周,最大和平均水体热污染率分别为0.69和0.48,此时的湖水最大和平均温升分别为0.70℃ 和0.57℃,当气温最高时,湖水平均温升和水体热污染率都达到最大值;在最冷周,最大和平均水体热污染率分别为0.42和0.38,此时的湖水最大和平均温降分别为0.48℃和0.39℃,当气温最低时,湖水平均温降和水体热污染率都达到最大值。比较最热周和最冷周的水体热污染率,明显最热周的水体热污染率大,说明水体热污染率受气温影响较大,湖水源热泵在夏季运行时更容易造成水体热污染,其设计需要重点考虑夏季湖水的热承载能力,以避免水体热污染的发生。