湖水源热泵的应用分析

湖水源热泵的应用分析

在空调行业提倡节能减排的前提下,湖水源热泵作为能效比高,无污染的热量交换,实现利用可再生能源节能的目的,应用案例越来越多。本文通过对深圳某学校拟设计的湖水源热泵,在南方的气候,具体的湖水条件下,通过计算分析,讨论湖水源热泵应用的可行性。

标签：湖水源热泵空调湖水冷却

1 工程概况

学校附近约 1.5万平米的湖水作为夏季空调冷源,为确保实际工程中不会出现因湖水散热能力不足而导致湖水源热泵效率下降的状况,需要对湖水源热泵应用在某学校的可行性做如下科学验证:“在极端情况下,持续的空调系统排热是否会使湖水温度明显升高(>30℃)。”

2 计算模型

2.1 基本原理在实际应用过程中,湖水存在的得热和散热环节包括:①空调系统的排热,QHV AC;②湖水吸收的太阳辐射,Qsolar;③湖水表面与空气热湿交换,Qair;④湖水与湖底和四壁的对流换热,Qsoil。

环节①和②主要发生在白天,主要使湖水温度升高,环节③和④全天都会存在,主要使湖水温度降低。各个环节的综合效果可能是白天湖水在获取空调排热和吸收太阳辐射后温度升高,夜间通过对流换热和蒸发向外散热,温度逐渐降低。

根据以上分析,建立湖水的能量平衡方程式如下:

ρVC=QHV AC+Qsolar+Qair+Qsoil(1)

其中,ρ——水密度,1000 kg/m3;

V——水体积,湖水深1~3米,平均按照2米计算,湖水表面积为1.5万m2,则水的体积为30000m3;

τ——时间,s;

QHV AC——空调系统在当前小时内排放的热量,kJ;

Qsolar——湖水当前小时吸收的太阳辐射热量,kJ;

Qair——湖水当前小时与空气热质交换获得的热量,kJ;

Qsoil——湖水当前小时与土壤换热获得的热量,kJ;

2.2 湖水与空气换热

假设湖水温度分布均匀,则湖水与空气的显热交换热量为:

Qair_s=h(tair-tb)A/1000=h(tair-twater)A/1000 (2)

其中:h——空气与水表面间的显热交换系数,h=5.7+3.8v(见),W/(m2.℃);

A——湖水表面积,15000m2;

tair——主体空气温度,℃;

twater——水表面温度,近似为湖水平均温度。

湖水与空气潜热交换热量为:

Qair_t=rhd(dair-db)A/1000(3)

其中:r——汽化潜热,25~30℃的湖水可取2440kJ/kg;

hd——湿交换系数,kg/m2,hd=h/Ca(Ca=1.01kJ/(kg.℃));

d——空气含湿量,kg/kg。

湖水与空气的全热交换热量为:

Qair=Qair_s+Qair_t(4)

2.3 太阳辐射太阳光照射到湖水表面后一部分被反射,一部分穿透整个水体,在穿透过程中部分被湖水吸收,部分透射到湖底,部分辐射被湖底反射到湖水中。太阳光照射到水表面后,大致有

3.5%的太阳光被反射到大气中。穿透水体的太阳光主要为可见光,该部分能量占43%。可近似认为湖水的反射率为0.035,透射率为0.43,吸收率为0.535。

湖水底部土壤的反射率可近似取值为0.1。

仅考虑湖底一次反射,则湖水吸收的太阳辐射热量Qsolar(kW)为:

Qsolar=Qsun(a+τρsoilα)A/1000(5)

其中:Qsun——为照射到湖水表面的总太阳辐照度,W/m2

α——水的吸收率,0.535

τ——水的透射率,0.43

ρsoil——湖水底部土壤的反射率,0.1

2.4 湖水与土壤换热

2.4.1 竖直平板

水与平板的自然对流换热计算公式为(按层流考虑):

Nu=

Nu=(6)

对于竖直平板的常规情况,g=9.8, a=14.9*10-8 ,ΔT=5,l=1,λ=61.8*10-2

Pr=5.42,γ=0.805*10-6

所以hsoil,1=32.23

2.4.2 水平平板

水平平板自然对流换热(按层流考虑):

Nu=0.54*(Gr*Pr)1/4(7)

h=Nu*λ/H

Gr=

所以hsoil,2=29.49

深圳市全年平均温度按照22.2℃计算,一定深度下的土壤温度几乎等于全年空气温度,考虑到湖水深度为1~3米,该深度下的土壤温度会略高于全年空气平均温度,为了安全考虑,土壤温度按照28℃取值。则湖水与土壤的换热量计算公式为:

(8)

其中,F——湖壁面面积,12000m2;

tsoil——土壤温度,取28℃。

2.5 空调排热某学校空调设计负荷为1773kW,日累计负荷为62.1 MJ。本项目冷机COP按4.74计算空调系统冷凝器的排热量,设计日最大排热量为2146.6 kW,累计排热量75.2×103MJ (每天可使湖水温度升高0.6℃)。

2.6 数学模型

根据以上分析,湖水逐时温度可按照下式计算:

模拟计算过程中主要设置如下:

湖水初始温度为30℃,计算时间为1个月(最热的8月);

湖水温度平均分布;

计算时间内每天的空调排热量均相等;

计算周期内不会出现下雨的情况。

3 模型验证

3.1 实测结果2008年8月中旬,对某学校校区湖水温度进行现场实测,测试内容包括湖面风速、环境空气温度、环境空气相对湿度、不同深度湖水温度。测试时间10:30~16:30,每隔半小时记录一次数据。

风速测点选择离湖面1.5m高,四周无灌木遮挡的湖边位置,测试结果见图1,当日平均风速为2.2m/s。

分别测试深度为0.5米、1.5米和2.0米深湖水温度和空气环境参数,如图2所示,0.5米深湖水温度受室外环境温度影响较大,两者温差较小。当湖水温度超过1.5米以后,湖水温度基本不变,受室外环境温度影響较小。

测试当日室外环境平均温度为33.6℃,0.5米、1.5米和2.5米深湖水平均温度分别为30.8℃、26.9℃和26.6℃。

3.2 对比分析当没有空调排热时,公式(9)中QHV AC?为0,湖水温度计算式可表示为:

计算中模型中相关设置说明如下:

湖面风速按照实测参数取值,为2.2m/s;

室外参数暂取《建筑热环境分析专用气象数据集》中本地区典型年的逐时温度,但是在比较模拟结果和实测结果时,选取室外气象参数与实测当日温度接近的几天的模拟结果;