湖水源热泵发展现状

湖水源热泵根据其所利用的低品位热源的种类可归类于地表水源热泵系统。湖水与河水的差异较为明显,前者水体流动性差(部分无流动性,仅通过降雨、降雪等自然气象形态进行水体补充),水体总热容量小,热泵系统取放热对整个水体物化特性尤其是温度影响较大,由于流动性较差,水体冬季易结冰;后者水体流动性强,热承载能力强,热泵系统取热对整个水体流域的物化特性几乎无影响。湖水水体具有一般地表水体的通性,水质较差[52],含有大量的泥沙及水生生物,属于多相流体,流体的流动传热特性比较复杂;水温方面,由于湖水与大气直接接触,水温状况与地下水及污水相比冬季低5～10℃,夏季高5～10℃,但与当地空气温度相比冬季高3～10℃,夏季低5～12℃,具有一定的温度优势[53]。

湖水源热泵系统在国内外的发展比较迅速,不仅在系统理论体系研究领域具有一定的突破,且拥有大量的工程应用实践案例。Jobson[54,55]针对发电厂冷凝水来源的湖泊建立了湖水温度分布模型,全面考虑大气与湖水之间的热量传递过程,如蒸发、对流、水面长波辐射、天空长波辐射、太阳辐射、冷辐射等的影响,但没有考虑热分层的情况。Chiasson AD[56]等建立了池塘用于计算土壤源热泵夏季多余冷凝热的模型,考虑了池水与盘管换热量的逐时变化,但该模型将池水视为均匀混合,没有考虑水体的垂向水温变化。陈晓等人[57]建立了闭式湖水源热泵系统的数学模型,将垂向水温模型与热泵机组模型耦合求解,分析夏热冬冷地区闭式湖水源热泵系统的运行特性。陈金华等[58]利用流体计算软件建立3D湖水水体模型,对某湖水源热泵系统的排放水管网采用复合散点排水以及采用集中排水方式进行了动态数值模拟,得到逐时排热工况下湖体温度场的分布情况。2004年,在湖南省湘潭市城市中心区建造了试验性的开式湖水源热泵系统,利用56000m2的人工湖中水深25m处的水作为低温冷热源,通过热泵机组为附近四幢大型建筑进行区域供冷供热[59,60]。2007年,重庆开县人民医院湖水源热泵空调系统利用容量为16万～22万m3,水深为5～7.5m的安康水库内的水源作为空调系统的冷热源,采用了直接取水、间接利用的方案[61,62]。2000年在美国Iowa州的West Burlington建成世界上最大的闭式湖水源热泵系统,利用60703m3的湖水作为低温冷源,为大型医院提供5276kW的冷量[63]。2003年,士耳其Cukurova大学的Büyükalaca等人对Seyhan河及湖水作为热泵热源的可行性作了调查及实验研究[64]。