滲濾取水技術(shù)在海水源熱泵系統(tǒng)中的應(yīng)用

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1、滲濾取水技術(shù)在海水源熱泵系統(tǒng)中的應(yīng)用由世俊，吳君華（天津大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，天津，300072）（yousj@tju.edu.cn）摘要：海水源熱泵系統(tǒng)以海水作為熱泵系統(tǒng)的冷熱源為建筑物進(jìn)行供冷和供熱。海水溫度是海水源熱泵系統(tǒng)應(yīng)用的重要參數(shù)，直接決定了熱泵系統(tǒng)的運行成本。本文提出將滲濾取水技術(shù)應(yīng)用在海水源熱泵系統(tǒng)中，為熱泵系統(tǒng)提供水質(zhì)好且夏季溫度較低和冬季溫度較高的海水作為冷熱源，并結(jié)合工程實例對其技術(shù)和經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行了探討。該研究以期為在沿海地區(qū)推廣使用海水源熱泵空調(diào)系統(tǒng)提供新的思路。關(guān)鍵詞：海水源熱泵；淺層地?zé)崮?；冷熱?引言

2、???利用海水作熱泵的冷熱源為建筑物進(jìn)行供冷和供熱的系統(tǒng)為海水源熱泵系統(tǒng)。在沿海地區(qū)適當(dāng)推廣使用海水源熱泵技術(shù)供熱制冷，可節(jié)約供暖和空調(diào)所消耗的常規(guī)能源，緩解日趨緊張的能源壓力。海水作為冷熱源的技術(shù)難點包括海水腐蝕性要求取水、輸配及用水設(shè)備均要進(jìn)行防腐處理；海水容易滋生海生物要求取水系統(tǒng)進(jìn)行防海生物附著處理；海水含泥或沙要求較好的過濾和除沙處理以減少對設(shè)備的磨損；海水取水量要滿足用水要求；夏季水溫要低冬季水溫要高以利于系統(tǒng)運行效率的提高等等，其中防腐蝕、防海生物附著和除沙過濾等技術(shù)目前已經(jīng)相對成熟。滿足供水量的前提下供水水溫是很重

3、要的參數(shù)，它直接決定了熱泵系統(tǒng)的運行效率及費用，從而是選擇用海水作為熱泵系統(tǒng)冷熱源的重要因素。???海水溫度在供暖期和供冷期溫度變化較大，且冬季溫度較低，甚至低于熱泵機組的最低溫度要求，而夏季溫度又較高。陸地土壤溫度隨著太陽輻射和大氣溫度的周期性變化而呈周期性變化，并隨著深度的增加，溫度變化越來越滯后[1]。在采暖季節(jié)，淺層土壤（1.6m以內(nèi)）平均溫度比氣溫至少高5℃[2]。由于土壤的蓄能效應(yīng)，使得淺層土壤5m至恒溫層在一年內(nèi)溫度變化很小且溫度在11-16℃，這個淺層低溫的地能具有很強的可再生性。海水若能與該土壤層進(jìn)行換熱，其冬季

4、水溫會升高，夏季水溫會降低，從而作為熱泵系統(tǒng)的冷熱源，熱泵機組運行不僅安全性得以保障，效率也將會提高。???基于上述分析，提出將滲濾取水技術(shù)用于海水源熱泵空調(diào)系統(tǒng)中，即海水不直接進(jìn)機組，而是通過滲流到海岸井后再用水泵將水供給機組，從而為機組在夏季提供更低水溫和冬季提供更高水溫的海水。此外，海水在滲流過程中，經(jīng)過土壤過濾，水質(zhì)也會更好。滲濾取水是地表水取水技術(shù)中的一種，在國內(nèi)外均有實際工程實例[3-16]。本文將針對某一實際建筑物，為其設(shè)計海水源熱泵系統(tǒng)進(jìn)行供冷和供熱。內(nèi)容包括：結(jié)合工程地點的實際水文地質(zhì)條件，進(jìn)行海岸井滲濾取水模型

5、的建立；對所建立的模型進(jìn)行實驗驗證；設(shè)計工程所用的取水系統(tǒng)，并預(yù)測其供水水溫；最后與其它冷熱源方案進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性對比。1采用滲濾取水技術(shù)的海水源熱泵系統(tǒng)???采用滲濾取水方式的海水源熱泵如圖1所示。地表海水在與海水相通的透水層中滲流進(jìn)入海岸井，期間經(jīng)土壤過濾且與土壤換熱。取水井設(shè)計時要離海盡量的近，保證海水為井水的直接和唯一的補給水源。海水通過透水層與土壤換熱后溫度在夏季降低或冬季升高5℃左右，從而可以使海水在機組中與制冷劑換熱后的排水水溫基本接近海水溫度，對地表海水產(chǎn)生的熱污染盡量的小。?圖1海水直接補給地下水地源熱泵系統(tǒng)模型2擬建

6、工程實例2.1工程概況???工程地點位于天津港船閘所，使用單位為天津港設(shè)施中心。該設(shè)施中心包括庫房、技工車間、生活樓、辦公樓和會議室，總的建筑面積約1410m2，總冷負(fù)荷為267.33kW，總熱負(fù)荷為204.1kW。通過對工程地點的地質(zhì)條件勘測，該地點地面標(biāo)高為+4.4m，地面以下6m為人工回填粘土層，6-9m為人工回填貝殼土層，9m以下為淤泥質(zhì)粘土，具體土層結(jié)構(gòu)見圖2?，F(xiàn)擬采用采用滲濾取水技術(shù)為海水源熱泵空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行供水，用戶末端使用風(fēng)機盤管系統(tǒng)。2.2理論模擬采用滲濾取水技術(shù)的海水源熱泵系統(tǒng)幾何模型見圖2，其中抽水井直徑為0.

7、4m。該取水系統(tǒng)為熱泵機組提供30m3/h的海水，供回水溫差設(shè)計為5℃。?(a)平面圖（b）剖面圖圖2計算幾何模型???滲濾取水系統(tǒng)屬多孔介質(zhì)中滲流換熱耦合模型，所以本文采用Fluent數(shù)值模擬軟件進(jìn)行模型的建立。由于所研究的滲流流態(tài)屬層流[17]，壓降和速度成比例，忽略對流加速以及擴散，所以多孔介質(zhì)模型簡化為Darcy定律，見式(1)[18]。??????????????????????????????????????????????????????(1)對于多孔介質(zhì)中的傳熱，F(xiàn)luent仍然解標(biāo)準(zhǔn)能量輸運方程，只是修改了傳導(dǎo)流

8、量和過度項。在多孔介質(zhì)中，傳導(dǎo)流量使用有效傳導(dǎo)系數(shù)，過渡項包括了介質(zhì)固體區(qū)域的熱慣量，見式(2)[18]：?????????????????????(2)?其中：hf為流體的焓；hs為固體介質(zhì)的焓；φ為介質(zhì)的多孔性；Shf為流體焓的源項和Shs為固