278水源热泵排水对江水温度影响的模拟分析.docx

编号：时间：2021年x月x日书山有路勤为径学海无涯苦作舟页码：水源热泵排水对江水温度影响的模拟分析重庆大学卢军1赵炎2摘要：采用江水源热泵系统可用于夏季制冷和冬季供暖具有明显的节能优势但同时要考虑热泵排水对受纳水体的影响。本文针对重庆地区某一江水源热泵系统选取其夏季和冬季高峰时段的取水量并分别针对夏季江水流速1m/s和0.5m/s冬季江水流速0.3m/s和0.1m/s四种工况建立PHOENICS模型进行模拟预测了夏季和冬季江水源热泵排水对江水水体温度变化的影响距离及包络面积。模拟结果表明夏季温度升高1℃时最大包络面积为536.8m2冬季温度降低2℃时最大包络面积为653.1m2。关键词：水源热泵；PHOENICS模型；水体温度；包络面积1引言近年来随着人们环境保护意识的提高各种排水对水生生态的影响引起了人们的广泛关注。排水所导致的岸边区域水温的改变可能影响水体中某些水生生物的繁殖破坏生态平衡危及接纳水域的生态安全针对这种情况许多学者采用物理模型和数值模拟研究了排水对受纳水域的影响。罗麟等[1]提出了一种三次样条格式用于紊浮力射流问题的k-ε模型数值求解温排水温度场胡绍铃[2]用二维数值方法模拟珠江河口温排水的超温分布黄平[3]、郝瑞霞[4]提出了一种准三维的温排水数值模型。杨国胜[5][6]等人采用深度平均有限元模型模拟了电厂温排水及冷却水排放口附近的流场和温度场。江水源热泵系统可充分利用江水资源作为空调系统的冷热源江水温度稳定夏季比空气温度低冬季比空气温度高具有良好的换热性比其他形式的空调系统可节约更可观的运行费用。但项目运行期间其排水温度偏高可能会对江水水体温度产生影响主要是考虑江水水温变化导致潜在的水生生态影响。目前很少有对水源热泵排水对水体温度影响的研究。本文采用CFD软件PHOENICS模拟了水源热泵排水对江水水体温度的影响距离及包络面积。2工程概况根据可研报告获得该水源热泵系统逐月的取水量以及夏季逐时取水量来近似代替排水量进行模拟。为了获得最不利情况下排水对江水温度的影响分别采用夏季和冬季高峰时所需的冷却水量进行模拟计算。夏季高峰时段需要冷却水量为8664.66m3/h冬季高峰时段需要冷却水量为56409.24m3/天每小时取水量取为5641m3/h。图1给出了该系统的逐月取水量。图1逐月取水图水源热泵排水口选择10根DN1m的圆管作为排水管各排水管之间的中心距为10m排水管置于水底。排水温度夏季取为33℃冬季取为4℃。3PHOENICS数值模拟3.1物理模型根据嘉陵江重庆段的水文资料建立模型空间及各种参数。先作如下假定：实际水域复杂多变因此假定嘉陵江河道为直河道河道水深均匀上游来流均匀且与河道方向平行。模拟空间取为200m×20m×10m长X＝200m宽Y＝20m高Z＝10m。X正向为江水流动方向Y正向为排水方向Z负向为江水深度。10根排水管与江水来流方向成45度排列对江水水面及水底进行简化处理并加细排水口附近的网格。其物理模型见图2。江水流动方向XYZ图2模拟空间3.2数值模型3.2.1控制方程流体流动的控制方程的通用形式为[7]：(1)其中：ρ为密度；Γ为扩散系数；S为源项；U为速度矢量。对应于Φ的特定意义Γ和S应具有特定形式。湍流模型方程选用k-ε双方程模型。k-ε模型是目前工程问题中应用最为广泛的湍流模型该模型由Launder和Spalding提出。3.2.2离散方法本模拟采用的离散方法为有限体积法也称为控制体积法。基本思路是：将计算区域划分为一系列不重复的控制体积并使每个网格点周围有一个控制体积将待解的微分方程对每一个控制体积积分便得出一组离散方程其中的未知数是网格点上的因变量Φ值的数值。3.2.3离散方程组的求解方法本文对离散方程组的求解方法为为压力校正法(SIMPLE即Semi-ImplicitMethodforPressure-LinkedEquations)该方法成为目前CFD通用软件求解低速问题的主要方法。3.3边界条件及数值计算概况排水管排水流速分别根据每月的取水量及排水管截面积进行计算。排水口温度夏季取为33℃冬季取为4℃。夏季江水水体温度取为26.2℃江水流速分别取为1m/s和0.5m/s进行计算。冬季江水水体温度取为10℃江水流速分别取为0.3m/s和0.1m/s进行计算。模型网格数为600×40×5迭代次数为300次。4模拟结果分析Y-Z断面为排水流动方向温度分布X-Z断面为温度沿江水流动方向的温度分布X-Y断面为温度分布沿水深变化。绘制夏季和冬季三个坐标轴的温度分布情况并绘制包络面积。4.1夏季不同江水流速时江水温度变化情况及影响范围1）