長沙地區(qū)湖泊水庫水溫變化及影響因素研究

蔣新波　楊昌智　文潔　施周

摘要：以長沙地區(qū)用于水源熱泵的湖泊水庫水體作為研究對象，建立一個湖泊水體水溫計算模型，通過模型求解結(jié)果與實測數(shù)據(jù)的對比，驗證了模型的正確性.利用建立的水溫模型研究了長沙地區(qū)的湖泊水體水溫變化規(guī)律及其影響因素，計算出長沙地區(qū)湖泊水體冷凝熱與取熱量熱承載能力，并且對冷熱承載能力的影響因素進行了分析，其結(jié)果可作為以湖泊水體為熱源的水源熱泵系統(tǒng)的設計參考.

關(guān)鍵詞：湖泊水體；水溫變化；影響因素；熱承載

中圖分類號：TU205 文獻標識碼：A

Abstract：Taking the water temperature of lakes and reservoirs as the research object， a lake water temperature calculation model was built. The correctness of the calculation model was validated by comparing the model results with measured data. The variation and influencing factors of the water temperature of lakes and reservoirs in Changsha area were studied with the model. The load capacity of heat and cool supply of lakes and reservoirs were calculated， and the influencing factors of the load capacity of the heat and cool supply were analyzed. The results can provide references for the design of water source heat pump system using lakes and reservoirs as the heat source.

Key words：lake water； change rules of water temperature； influencing factor；load capacity of heat and cool supply

地表水地源熱泵系統(tǒng)由于節(jié)能與環(huán)保效益顯著，近年來在國內(nèi)外得到廣泛的應用＼[1-3＼]，所用的熱源包括湖泊水等滯流水體、江河水、污水等＼[4-7＼]，但由于規(guī)范與制度的缺乏導致推廣呈現(xiàn)出很大的盲目性，部分地區(qū)造成了對地表水源系統(tǒng)的熱污染，水溫變化不僅改變水體熱環(huán)境和區(qū)域氣象環(huán)境，也極大改變水體的氧容量和水體有機物的構(gòu)成，導致地表水生物系統(tǒng)一定程度的破壞，對魚類等水體生物的養(yǎng)殖有重大影響[8-12]，水溫預測對于湖泊水庫的魚類養(yǎng)殖有重要的環(huán)境預警作用，因此水溫預測是合理利用的前提，水溫預測對于把握水環(huán)境的變化趨勢和防止水環(huán)境的突變有重要意義.為了保證湖泊等地表水生物系統(tǒng)不被破壞，根據(jù)《中華人民共和國地表水環(huán)境質(zhì)量標準》GB3838-2002有關(guān)規(guī)定＼[13＼]，江河、湖泊等具有使用功能的地面水體，人為造成的環(huán)境水溫變化應限制在夏季周平均最大溫升≤1 ℃，冬季周平均最大溫降≤2 ℃，這說明地表水體在夏季和冬季分別存在最大受熱能力和最大取熱能力，本文將這兩種能力分別稱為冷凝熱承載和取熱量承載，統(tǒng)稱為熱承載能力.根據(jù)熱量平衡建立水溫數(shù)學模型，利用長沙地區(qū)的氣象參數(shù)，研究了長沙地區(qū)的水溫變化規(guī)律，計算了長沙市主要湖泊水庫水體的熱承載能力.

1湖泊水庫水體熱泵系統(tǒng)水溫模型

地表水體在夏季和冬季分別存在最大受熱能力和最大取熱能力，本文將這兩種能力分別稱為冷凝熱承載和取熱量承載，統(tǒng)稱為熱承載能力，對水源熱泵系統(tǒng)而言，夏季湖泊水體能夠提供給水源熱泵系統(tǒng)的最大冷量稱為最大冷凝熱承載，在冬季能夠提供給水源熱泵系統(tǒng)的最大熱量稱為最大取熱量承載，在計算上等于水源熱泵系統(tǒng)向水體排（吸）熱量.

1.1物理模型

本次模擬主要為應用于地源熱泵系統(tǒng)的湖泊水庫水體的水溫變化及熱承載能力，對于湖泊水庫地源熱泵系統(tǒng)涉及的水體，本次模擬做如下假設＼[14＼]：

1）從水體與周圍環(huán)境熱平衡各個因素的影響程度來看本研究假設湖泊水庫水體與熱泵尾水充分混合，并且不考慮其溫度梯度；

2）水平面符合剛蓋假設，即認為在計算過程中自由水面是固定的，在其法線方向速度等于零，其切向的速度和風與水面的摩擦速度一樣.假設水面對太陽輻射的反射率不隨太陽高度角變化而變化；

3）不考慮土壤與水體以及土壤中的物質(zhì)之間的交換.湖體壁面及底面，采用無滑移的粘性條件，同時假設他們之間沒有質(zhì)量交換.

1.2數(shù)學模型

湖泊水庫水體與周圍環(huán)境之間的熱量交換主要包括：太陽的短波輻射、水體與周圍大氣的長波輻射換熱、與周圍空氣的對流熱交換、水體由于蒸發(fā)而帶來的散熱、與接觸土壤之間的傳熱和熱泵機組的冷凝排熱與冬季取熱.下面描述一下水面熱交換、土壤的傳熱及熱泵機組的冷凝排熱與冬季取熱等數(shù)學模型.

1.3氣象參數(shù)的選擇

目前具有全年逐時氣象參數(shù)的數(shù)據(jù)庫主要有中國氣象局氣象信息中心氣象資料室熊安元等與清華大學建筑技術(shù)科學系江億等編著的《中國建筑熱環(huán)境分析專用氣象數(shù)據(jù)集》、張晴原和楊洪興編著的《建筑用標準氣象數(shù)據(jù)手冊》、energyplus官網(wǎng)上可以下載的中國大部分地區(qū)與城市的氣象參數(shù)、歐盟SODA項目的METEOTEST氣象數(shù)據(jù).通過數(shù)據(jù)分析與比較，4個氣象數(shù)據(jù)庫中的相關(guān)數(shù)據(jù)存在一定的差異，如圖1所示，例如張晴原的室外氣溫數(shù)據(jù)平均比清華的高0.41 ℃，如圖2所示，太陽的輻射平均高0.99 W/m2，但大致趨勢一樣，通過對長沙地區(qū)相關(guān)氣候參數(shù)的測量，長沙地區(qū)的實測氣候參數(shù)與《中國建筑熱環(huán)境分析專用氣象數(shù)據(jù)集》吻合度較高，故本次模擬大部分數(shù)據(jù)采用該數(shù)據(jù)庫相關(guān)數(shù)據(jù)，部分數(shù)據(jù)根據(jù)實地測量得到.

3.3太陽輻射對日平均水溫變化情況

以5 m水深，100 000 m2水體面積為例，模擬了太陽輻射被不同程度的云層的覆蓋下水溫的變化情況，水體溫度的變化與太陽輻射的強度有較強的關(guān)聯(lián)，如圖9與圖10所示.云層從0成到10成的變化，總體上夏季太陽輻射對水體溫度的影響大，而冬季影響小，從長沙地區(qū)看，7，8月份影響最大，而4月份影響最小，主要原因是7，8月份在長沙地區(qū)太陽輻射比較強，而4月份為多云的月份，太陽輻射整體偏小，所以這段時間太陽輻射對水體溫度的影響最小.

3.4水體與環(huán)境換熱構(gòu)成及比例分析

湖泊水庫水體作為水源熱泵冷熱源時的換熱量由3部分組成：水面與周圍環(huán)境的熱交換量、與接觸的土壤換熱量與來自熱泵機組排放或吸收的冷凝熱.其中水面換熱量又由5部分組成：水體吸收的太陽的短波輻射、水體吸收的來自大氣的長波輻射、水體自身向外輻射的長波輻射、水體由于蒸發(fā)而帶來的散熱量和水面與周圍空氣的對流熱交換.以5 m水體深度為例，統(tǒng)計了太陽短波輻射量、長波輻射換熱量（水面長波輻射量與吸收的大氣長波輻射量之差）、水面蒸發(fā)換熱量、水面對流換熱量與土壤換熱（包括池底換熱量bot與壁面換熱量wat）等換熱量的分布情況，其換熱量絕對值如圖11與圖12所示（即只考慮其數(shù)量，不考慮其傳熱方向，用以研究各個熱量分布的權(quán)重即影響大?。?通過對不同換熱量的統(tǒng)計，對換熱量影響最大的為太陽的短波輻射，約占總換熱量的50%，其次為水體與周圍環(huán)境的長波換熱量，影響最小的是土壤的換熱量，其中壁面土壤與水體的換熱量最小，夏季與冬季分別為0.04%與0.08%，這和3.2節(jié)的分析一致，壁面換熱可以忽略不計，但池底換熱量百分比在冬季達到1.13%，不應忽略.隨著深度的增加，太陽短波輻射量所占比例夏季上升，冬季下降，長波輻射換熱量與水面對流換熱量所占比例夏季下降，冬季上升，而水面蒸發(fā)換熱量冬季與夏季都出現(xiàn)下降，同時以上下降與上升的趨勢隨著深度的增加而減小.

4長沙地區(qū)主要湖泊水庫水體熱承載能力

的模擬計算

4.1湖泊水庫熱承載能力判斷標準

如前言中所述，根據(jù)《中華人民共和國地表水環(huán)境質(zhì)量標準》GB3838-2002有關(guān)規(guī)定[13]，江河、湖泊等具有使用功能的地面水體，人為造成的環(huán)境水溫變化應限制在夏季周平均最大溫升≤1 ℃，冬季周平均最大溫降≤2 ℃，本次模擬就是根據(jù)以上判斷標準進行.

4.2長沙地區(qū)主要湖泊水庫水體熱承載能力模擬

結(jié)果

4.2.1水體熱承載能力分析

通過3.1節(jié)的分析，水體越深，其水溫越穩(wěn)定，其熱承載能力也越強.在長沙市主要湖泊水體熱承載能力模擬實驗中，因長沙主要的湖泊水體深度均在15 m以下，故本次研究主要針對深度在10 m以下的水體進行模擬，模擬水體面積為100 000 m2；本次模擬空調(diào)運行的夏季月份為6，7，8，9月，冬季月份為12，1，2月，空調(diào)運行時間分成工作時間運行與全天運行，即運行時間段為7：00～17：00運行與24 h運行.

工作時間運行模擬主要針對各種辦公建筑，對于這類建筑一般空調(diào)在上班前就需要開啟，在接近下班時關(guān)閉，運行時間一般為7：00～17：00之間；全天運行模擬主要針對旅館、酒店等公共建筑，對于這類建筑一般空調(diào)需要全天24 h運行，以滿足客人全天候的需要，其模擬曲線如圖13所示.

通過對水體熱承載與水體深度的關(guān)系的分析，熱承載隨著水體深度的增加而增加，全天運行模式的熱承載與深度基本成正比增加，而工作時間運行方式熱承載與水體深度的關(guān)系則較為復雜.工作時間運行的熱承載大約是全天運行熱承載的2.18倍左右，如圖14所示.

在模擬中發(fā)現(xiàn)，當深度不超過20 m時，溫度的上升成為限制標準，即在滿足溫度上升不超過1 ℃的情況下，溫度下降是不會超過2 ℃，這說明夏季的冷凝熱承載將成為水體熱容的瓶頸；而當深度超過20 m時，溫度下降將成為限制標準，即滿足溫度下降是不會超過2 ℃，溫度上升不超過1 ℃，溫度下降2 ℃將成為判斷標準，這說明冬季的取熱量承載將成為水體熱容的瓶頸.從3.4節(jié)水體與環(huán)境換熱構(gòu)成及比例分析中可以發(fā)現(xiàn)，相對于夏季，冬季的水面

熱對流通量下降，而隨著深度加大，其熱承載能力變大，夏季向空氣中散熱容易而冬季從空氣中去熱難造成了判定標準的輪換.

從3.4節(jié)水體與環(huán)境換熱構(gòu)成及比例分析中可以發(fā)現(xiàn)，水體與周圍環(huán)境的換熱主要是水體與空氣的接觸面.當水體面積一定時，深度越大，其熱承載也越大，但散熱面積沒有增加，所以其熱承載能力不是隨深度同比例增加，即其深度增加一倍，其熱承載能力并非增加一倍，同時從上面的分析可知，隨著深度的加大，其冬夏季的判定標準出現(xiàn)了輪換，故湖泊水域的熱承載能力隨水體深度變化比較復雜.

4.2.2長沙市主要湖泊水體熱承載能力模擬結(jié)果

長沙市大部分湖泊水體的深度都不超過10 m，為了對長沙市地區(qū)的湖泊水體的熱承載能力做出較為準確的判斷，利用前面所述模型，模擬了咸嘉湖、后湖、桃子湖、施家港水上公園、魚婆塘水庫、斑馬湖、躍進湖、東湖、年嘉湖、月湖、楚家湖、梅溪湖、松雅湖等湖泊進行了模擬，得到其熱承載能力如表1所示.

5結(jié)論與討論

本文根據(jù)熱力學第一定律建立地表水源熱泵水溫模型，在保證地表水源熱泵系統(tǒng)引起的夏季周平均最大溫升≤1 ℃，冬季周平均最大溫降≤2 ℃的前提下，模擬了長沙地區(qū)主要水體的熱承載能力，可以為長沙地區(qū)的水源熱泵設計提供一定的參考.通過模擬，得出以下結(jié)論：

1）通過跟湖泊水體實測溫度相比較，根據(jù)該模型編寫的計算程序具有較高的準確性，但基于2.1節(jié)的物理模型的簡化假設，考慮到在實際項目中水源熱泵的冷凝熱排放對于整個水體具有不均勻性，故模擬的熱承載能力可能偏大，故在參考本論文進行設計時可適當減小設計容量.

2）水體溫度隨著空氣溫度的變化而變化，且水溫的變化滯后于氣溫，但水溫變化的振幅小于氣溫，而且隨著水體深度的加大，這種變化越明顯.隨著水體深度的增加，水體的熱承載能力增加，其判定標準出現(xiàn)了輪換，不是正比關(guān)系，故湖泊水域的熱承載能力隨水體深度的變化比較復雜，他們之間的關(guān)系有待進一步研究.

3）對熱承載影響最大的是太陽的短波輻射和水體與周圍環(huán)境的長波換熱量，影響最小的是土壤的換熱量.土壤總的換熱量雖然很小，但對于湖泊水庫這種滯留水體，不應忽視，但從3.2節(jié)分析及3.4節(jié)的熱量計算可以得出，湖體壁面與水體的換熱量幾乎可以忽略.

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