直河道水源热泵空调系统对河水温度场影响的模拟研究

本资料包含pdf文件1个，下载需要1积分

2013年第4l卷第 9期 流 体 机 械 71文章编号 ： 1005—0329(2013)09—0071—06直河道水源热泵空调系统对河水温度场影响的模拟研究刘 飞。吴国珊，庄光亮(桂林航天工业学院，广西桂林 541004)摘 要： 应用 CFD软件模拟直河道水源热泵空调系统冷却水热量对河水温度场的影响，就河水温度场随空调系统冷却水流量和温度的变化以及河水的蓄热能力展开研究，得出系统冷却水与河水之间合理的流速比和流量比，以及河水最高温度和平均温度沿河水流动方向的变化情况。

关键词 ： 直河道水源热泵空调系统；温度场；蓄热能力 ；CFD数值模拟中图分类号： TH137；TQo51．5 文献标识码： A doi：10．3969／j．issn．1005-0329．2013．09．016Research on Temperature Field of the Straight River W ater Source Heat PumpAir-conditioner System Based on CFDLIU Fei，WU Guo—shan，ZHUANG Guang—liang(Guilin University of Aerospace Technology，Guilin 541004，China)Abst~ct： The efects of the temperature field of the s ght fiver water source heat pump air-conditioner system are simulatedin this paper，basing on the numerical simulation software of CFD．Problems of the temperature field of river water changes alongwith the cooling water flow an d temperature of the air-conditioner system are discussed．Th is paper comes to the reasonable veloc-ity ratio an d flow ratio of the cooling water and the fiver water，and the change of the river water’S m~imum tempe rature and av-erage temperature along the flow direction.

Key words： s ght river water source heat pump air-conditioner system；temperature field；heat storage capacity；CFD numeri—cal simulation1 引言随着空调技术的发展和世界能源的日益紧缺，人们开始不断尝试高效节能的空调方案，其中地表水源热泵空调系统以节能效果显著、降低建设与运行维护成本、降低建筑成本、环保作用突出等优点成为现代大型中央空调的首选方案?。

地表水源热泵空调系统作为一种节能低碳型空调系统，近年来在我国南方的深圳、广州到上海、南京直到北方采暖地区的北京、大连等城市的公共建筑(办公楼，商住楼，商场等)以及住宅建筑都得到了广泛的应用。地表水源热泵作为利用可再生能源的空调技术，受到重点关注_2 J。河水源热泵空调系统是地表水源热泵空调系统 中的一种 。

本文采用 CFD方法数值模拟研究河水源热泵空调系统冷却水回水流量和温度对河水温度场变化的影响、研究河水温度场的变化规律和河水的蓄热能力可为实际工程建设和实测分析提供重要依据 。

2 数学模型构建稳态流动情况下数学模型，流经热泵空收稿日期： 2012一l1—26 修稿日期： 2013一O1—26基金项目： 广西区教育厅科研项 目：水源热泵空调系统在桂林市四湖水系的应用研究(201103LX716)；桂林航天工业学院科研资助项目(XIOZO08)72 FLUID MACHINERY Vo1．41，No．9，2013侧 机组 的刑水 凋足 弪 利万 崔 支Ⅱ卜(、7nj水 衙度 力常数)：连续方程：+ + ：0 —— —— ——Ox Oy Oz动量方程：P( + + )一 + ( +b 2u+ )p( + + )一 + (嘉+雾+雾)p(u 十 + )一 (o 210+ + )能量方程：“Ot + c3t
+Ot
= 口( Oxz+雾+参8z) M—十 —+ —=口l—— Idx d dz ＼ a ‘}
河水流动为湍流，应用湍流模型 k一8方程，考 虑重 力作 用对漏 帝场 的影 响 ．河 水密 取常数3 几何建模及网格划分3．1 模型 一河体和空调系统冷却水取回水管模型：设河宽100m，取河体长度 370m，河水各处深度均为2m；空调系统冷却水取水管截面尺寸为 lm×1m，长 5m，取水 口上下边缘与河面和河底距离均为0．5m，取水口中心点距离河水进 口处 20m；空调系统冷却水回水管截面尺寸为 1．5m×1．5m，长50m，回水口上边缘与河面相平，下边缘距离河底0．5m，回水口中心点距离河水进 口处 70m。取回水管与河道垂直布置。

网格划分采用间隔为 0．4m的等距离结构化网格。

利用模型一研究空调系统冷却水回水口下游300m范围内河水温度场随空调冷却水流量和温度变化的影响。

3．2 模型二河体和空调系统冷却水回水管模型：设河宽40m，取河体长度 5020m，河水各处深度均为2m；空调系统冷却水回水管截面尺寸为 1．5m×1.

5m，长 50m，回水口上边缘与河面相平，下边缘距离河底 0．5m，取水 口中心点距离河水进 口处20m。回水管与河道垂直布置。

河道上游 50m内采用间隔为0．4m的等距离结构化网格；河道下游4970m范围内沿河水流动方向采用首个网格间隔为0．4m、数量为 1000个 ，沿河水深度方向和河面宽度方向采用间隔为0．4m的渐变结构化网格。

利用模型二研究空调系统回水口下游5000m范围内沿河水流动方向各截面的最高水温和平均水温随空调冷却水回水流量的变化规律。

4 数值模拟研究4．1 河水温度场随空调冷却水流量变化的模拟研 究取环境温度及河水进水口处水温皆为303K，空调冷却水回水水温为 308K，河水人口流量为1200kg／s(流速约为0。006m／s)，取水面与空气的对流换热系数为 12w／(m ·K)，河道两侧及河底绝热，分别模拟当空调冷却水流量分别为 5、10、20、40、60、?、180和 200kg／s(流速分别为0．0022 0．0044 0．0089 0．0178 0 0267、0．0356、0．O444、0．0533、0．0622、0．0711、0．08和0．0889m／s)时，空调回水 口下游 3Om范围内河水温度场的变化情况。由模型一模拟得出河面温度场云图如图 1所示。

分析模拟结果得出：(1)空调冷却水取回水没有出现水温短路现象。

(2)受空调冷却水回水热量的影响，河水温度场变化的形状呈大头长尾形，尾部温度变化集中在设有空调冷却水回水口的河岸一侧，另一侧河岸几乎不受影响。

(3)随着空调冷却水流量的增加，受空调冷却水排放热量影响的水体表面面积不断增加，主要表现为热量沿 Y方向的扩散，设有温度变化的Y方向的最大坐标点为A点，空调冷却水回水流速与河水在取水口后、回水口前流速的比值为i，则 i与A点Y方向坐标的关系曲线如图2。可以看出，流速比在 1—7范围内，热量在 Y方向的影响范围增幅较大，有利于空调冷却水回水热量向河水Y方向扩散。其中流速比在2—3之间时，曲线斜率最大，热量扩散最好。

2013年第 41卷第9期 流 体 机 械 75— 305．50疆3 04_25口氇}303．OO304．5赠 303 5302．50 2500 5000沿岸距离(m)(a)最高水温曲线0 2500 5000沿岸距离(m)(b)平均水温曲线图5 不同冷却水流量时河水各截面的最高水温和平均水温曲线分析模拟结果得出：(1)河体各截面的最高温度与平均温度顺着水流方向逐渐降低，并且温度降低的幅度逐渐减小。

(2)在最初的冷热水混合阶段(沿岸距离800m内)，冷却水流量越大，散热受阻越明显，主要是因为冷却水流速变大并出现回流所致，在最高水温曲线图中表现为曲线斜率绝对值随冷却水流量的增加而下降，曲线出现交叉现象，在平均水温曲线图中表现为沿岸距离近处的平均温度小于沿岸距离远处的平均温度，曲线出现拐点。

(3)沿岸距离 2000m后，各截面最高水温随着冷却水流量的增加而升高，从曲线变化趋势可见，随冷却水流量的增加，各截面最高水温的升高呈渐缓趋势，此现象与冷却水热量向周围扩散有关。

(4)沿岸距离 800m后，各截面平均水温随着冷却水流量的增加而升高，从曲线变化趋势可见，各截面平均水温升高随冷却水流量增加近似呈线性关系。

(5)随着河水热量的扩散，空调冷却水流量为40kg／s时，空调冷却水回水口下游4400m后的最低水温开始出现微小升高，热量扩散到对岸，随着冷却水流量的增加，最低水温发生升高的截面位置距离回水口越来越近，当空调冷却水流量为80kg／s时，开始出现最低水温升高的截面距离回水口距离为 1000m，而在 5000m截面处最低水温只升高了0．0132℃。

(6)由温度模拟云图和截面最低水温情况可知，当空调冷却水回水口尺寸为 1．5m×1．5m，河水深度为 2m，流量比为 0．2时，冷却水回水热量在沿岸距离为 1000m截面处就已经影响到河对岸，因此，流量比不宜再升高。

(7)不同冷却水流量下，沿岸距离5000m处，河水最高水温和平均水温升高值如表 2所示。

表 2 河水沿岸 5000m处河水最高水温和平均水温的升高值冷却水流量 河水流量 流量比 冷却水流速 河水流速 流速比 最高水温升高值 平均水温升高值q(kg／s) q(kg／s) J=q／q (m／s) V(m／s) i=v／V (℃) at(℃15 475 0．0l1 0．0022 0．0o59 0．37 0．10 0．03lO 470 0．O2l 0．0044 O．0059 0．76 0．19 O．052O 460 O．043 O．0089 0．o058 1．55 0．36 O．0930 450 0．067 O．0133 0．o056 2．37 0．49 0．1440 440 O．09l 0．0178 0．o055 3．23 O．58 O．185O 430 0．116 0．0222 O．o054 4．13 0．65 0．2360 420 0．143 0．0267 0．0053 5．O8 0．70 O．2870 410 0．171 O．0311 0．0o51 6．07 0．73 0．3280 400 0．2 0．0356 0．005O 7．11 0．75 0．37注：表中河水流量 q为空调取水口下游、回水口上游流量。

表中数据为空调冷却水回水 口尺寸为 1．5m 空调系统工程提供了模拟水温数据，可合理利用×1．5m，直河道水源河水深度为 2m的水源热泵 城市地表水源资源。

76 FLUID MACHINERY Vo1．41，No．9，20135 结语综上模拟研究成果，地表直河道水源热泵空调系统，当冷却水回水口尺寸为 1．5m×1．5m，河水深度为2m时，冷却水流速与冷热水混合截面前河水流速比值宜在 7以下；冷却水流量与冷热水混合截面前河水流量比值宜在0．2以内；在合适的流量比和流速比情况下，空调回水口下游 5公里外的河水最高水温温升会在 0．75~C以内，平均水温温升会在 0．37℃以内；对于不同温度的空调冷却水回水水温，河水各截面处最高水温与平均水温的升高值与河水和冷却水间温差的比值近视为定值。

研究地表水源热泵空调系统水源水受空调系统冷却水排水热量影响的规律，掌握河水的蓄热能力，可为在实际工程建设中合理利用地表水资源提供重要依据。

参考文献改造工程中的应用 [J]．暖通空调，2010，(7)：8l一84.

[2] 唐琦．桂林某酒店河水源热泵及生活热水系统设计[J]．制冷与空调 ，2010，(4)：56-60.

[3] 孟华，龙惟定．地源热泵技术在暖通空调中的应用[J]．节能与环保，2003，(9)：21-25.

[4] 姜宝成，王永镖，李炳熙．地源热泵的技术经济性评价[J]．哈尔滨工业大学学报，2003，(2)：195．198.

[5] 王勇．地源热泵的技术经济分析[J]．建筑热能通风空调，2001，20(5)：12．13.

[6] 陈金华 ，付祥钊，丁勇，等．重庆开县人民医院湖水源热泵空调系统实测分析[J]．暖通空调，2008，38(8)：111-114.

[7] 黄向阳，周健，刘月红．地表水源热泵系统尾水对水环境影响研究综述 [J]．科学技术与工程，2009，9(5)：1210—1216.

[8] 刚文杰，王劲柏．复合地源热泵系统土壤换热器预测模型研究[J]．流体机械，2012，40(1)：74-78.

[9] 蔡颖玲，张华，朱朔祚，等．地源热泵U型管换热器夏季工况试验分析[J]．流体机械，2012，40(3)：63.

66.

作者简介：刘飞(1979一)，女，硕士，讲师，通讯地址：541004[1] 唐琦．湖水源热泵在桂林榕湖饭店空调及生活热水 广西桂林市七星区金鸡路2号桂林航天工业学院。

欢迎订阅2014年度《压力容器》杂志《压力容器》杂志是经国家新闻出版署批准出版的中央级技术刊物，中国科学技术协会主管、中国机械工程学会压力容器分会主办、合肥通用机械研究院承办，国内外公开发行，国内统一刊号：CN 34—1058／TH，国际连续出版物编号：ISSN1001—4837号。月刊，大 l6开本，每期定价 8．00元，全年定价 96．oo元(含邮寄费)。邮局征订代号26一l0。国外发行：中国国际图书贸易总公司(北京399信箱)，国外发行代号：1529BM。

《压力容器》杂志是中国压力容器学会会刊，自1984年创刊以来，一直坚持学术性与实用性相结合的办刊方针，是压力容器行业的权威杂志之一
。 《压力容器》杂志2004、2008年被评定为“中文核心期刊”编人《中国核心期刊要 目总览》；被科技部“中国科技论文统计源”期刊数据库确定为“中国科技核心期刊”等。杂志已加入了国内所有知名期刊数据库。

《压力容器》杂志主要报道超高压、高压、中低压压力容器和气瓶、换热器、塔器等壳体、大型高压管道、通用机械(如压缩机、制冷机等)承压辅助设备等的试验研究、结构设计、材料工程、制造技术、焊接技术、无损检测技术、技术综述、标准规范、安全分析、使用管理以及国内外压力容器研究技术进展、压力容器行业信息等内容。

为方便广大读者了解《压力容器》杂志情况，欢迎您索取近期杂志。读者如错过邮局征订期，可向压力容器杂志索取 2014年杂志订单。

通信地址：安徽省合肥市高新 区天湖路 29号，邮编：230088，联系电话：(0551)65335515，65335456，传真：0551—65335453，电子信箱：pvt###ehianpvt．oom，网址 ：htp：／／www．ehinapvt．eom。