1、黄浦江水温变化规律与上海地区江水源热泵节能潜力研究EVALUATION ON ENERGY EFFICIENCY FOR COLD TUBE OF A/C SYSTEM同济大学 谭洪卫城脉建筑设计(深圳) 有限公司上海分公司 李潇潇上海现代建筑设计(集团) 有限公司 朱金鸣 杨晓敏摘要：本文以全年连续实测的黄浦江水温、空气干球温度及湿球温度数据 为依据，探 讨以黄浦江江水为排热汇或吸热源的江水源热泵系统的节能潜力。关键词：黄浦江；实测；江水温度; 江水源热泵0 引言近来作为地表水源热泵的江水源热泵受到建筑节能研究领域及工程应用的热切关注，对其节能效果和环保优势寄予较大期待，并且在一部分地区得到
2、积极推广应用。不言而喻，江水源热泵系统能否实现预期的节能效果在很大程度上取决于江水的温度特性，然而，对于江水温度的变化规律和特性，国内几乎还没有系统的进行研究，缺乏相应的基础设计参数及运行参考数据。目前大多数系统设计都依据当地水文部门提供的水温数据，但这些数据都并非取自实际取水口位置及实际水深处，这些数据的测试方法、位置相异而且是非连续测定值，对江水源热泵系统设计及运行工况分析不具备直接参考意义，甚至可能对其推广应用造成误区。因此，需要实施对江水水温的连续实测研究，积累基础数据，以便能客观地分析全年变化规律和节能应用潜力。本文通过对上海黄浦江水温实施连续实测（2006 年 6 月-2007 年
3、 7 月） ，初探上海地区的江水源热泵节能潜力。1测试概况测试地点位于上海市黄浦江十六铺段，测试时间从 2006 年 6 月至 2007 年 7 月，对江水温度及室外空气干、湿球温度进行连续同步测试。测试时间间隔为1 分钟。考虑到实际工程取水口的位置以及现场测试条件，选择江边浮码头水域并确定水温测试的测点为水下2m 左右。空气干湿球温度测点布置在附近通风条件较好且遮荫处，避免阳光直射。测点布置示意图如图1 所示：图测点布置示意图2主要测试结果及分析2.1 水温随水深的变化对水温随深度的变化进行了预备测试和分析（因现场条件所限，测试水深范围为 0.2m2.4m）测试表明 0.2m2.4m 深度内
4、水温变化较小。因此本水温测试对象确定为水下 2m 处的水温。由于现场条件（测点固定装置依托于浮码头浮桥） ，远离河岸的江水温随水深的变化规律尚待进一步研究。0246810121416181月1日 2月1日 3月1日 4月1日 5月1日 6月1日 7月1日 8月1日 9月1日 10月1日 11月1日 12月1日日 期温度（）气 温 日 较 差 水 温 日 较 差051015202530354045时 间温度（）江 水 温 度 干 球 温 度 湿 球 温 度8月 9月 10月 11月 12月 1月 2月 3月 4月 5月 6月 7月图 2 江水水温与气温日较差（2006.82007.7） 图 3
5、江水温度逐时变化（各日 8：0022：00 期间）2.2 水温逐时、日、月变化本研究对象的实际工程为依江边而建的地下商业建筑，空调系统的运行时间一般在8：0022：00，为使数据接近实际运行情况，除逐时水温外，本文选取每日 8：0022：00 的实测值计算日平均和月平均值。实测结果表明，水温的日较差与气温相比较小（见图 2） ，变化幅度在 1以内，其稳定性可有利于制冷机组的可靠运行。一年中水温的日平均值在 6.432.1之间变化（见图 3） 。根据美国制冷学会 ARI320 标准，开式水源热泵系统对水温的要求是 5381，黄浦江的水温在该温度范围内，因此将黄浦江水用作水源热泵系统的冷热源是可行
6、的。如图 4 所示，一年中 7、8 月份的月平均江水温度高于其他月，最高是 8 月份，达 31.5。但实际工程中分析江水温度对热泵机组性能的影响时，月平均温度、日平均温度不具备直接参考意义。需要更详细地考查热泵系统运行时间段的逐时温度数据及系统的能效比。2.3 水温与气温的关系 水温会随着气温的上升而升高，但由于水的容积热容量大于空气，并且二者的下垫面不同等原因，导致水温变化延迟于气温变化（图 4） 。逐时江水温度与气温间相关性较弱（图 6） ；日平均，月平均江水温度与气温间存在较强的线性相关性（图 7，图 8） ；对于空调系统运行工况分析，需要考察逐时的水温数据。此外，江水温度变化规律还与河
7、流所处的地理位置、雨水补给类型、水流量等变化的影响，不可仅根据水温与气温的线性关系轻易推测江水温度。需要对江水温度实施连续系统的实测，积累基础设计和运行数据。2.4 水温实测数据与水文资料的对比 针对许多工程项目设计仅依赖水文站提供的水温数据的状况，有必要对其数据与实测数据对比，作可靠性分析。05101520253035401月1日 2月1日 3月1日 4月1日 5月1日 6月1日 7月1日 8月1日 9月1日 10月1日 11月1日 12月1日日 期温度（）江 水 温 度干 球 温 度湿 球 温 度51015202530358 9 10 11 12 1 2 3 4 5 6 7月 份温度（）干
8、 球 温 度 湿 球 温 度 江 水 温 度图 4 测定参数日平均值比较（2006.82007.7 期间） 图 5 各月测定参数的平均值（2006.82007.7 月期间）051015202530350 10 20 30 40 50干 球 温 度 （ ）江水温度（）051015202530350 10 20 30 40干 球 温 度 （ ）江水温度（）图 6 逐时江水温度与气温关系（ 2006.82007.7 期间） 图 7 日平均江水温度与气温关系（ 2006.82007.7 期间）051015202530350 5 10 15 20 25 30 35干 球 温 度 （ ）江水温度（）510
9、15202530358 9 10 11 12 1 2 3 4 5 6 7月 份水温（）实 测 江 水 温 度黄 浦 公 园 水 文 站图 8 月平均江水温度与气温关系（ 2006.82007.7 期间） 图 9 实测江水温度与水文站水温数据对比对比数据中水文数据来自黄浦公园水文站 19591993 历年各月平均水温。图 9 可以看出，实测水温高于水文站水温（包括夏季） ，其中一个原因是由于气温日较差大所致，例如虽然夏季昼间气温高，但夜间降低，而江水温度随夏季时间推移，呈缓慢上升趋势。另一方面，受近年来气温上升的影响，江水温度也有所提高。此外，水文站提供的水温数据其测试方法，测试期间都与本测试相
10、异： 测试方法不同。19591993 期间的水文站水温是采用取样法，使用酒精温度计，以每天早上 8 点测试的水温作为该日水温，以此为基础计算月平均水温。而本文的实测为全年连续计测（采用 T 型热电偶） ，更能反映水温的变化规律。 测点位置不同，水文站测试的是水下 0.5m 深的水温，而本文实测位置是水下 2m，而在不同季节，两深度的江水温度是否一致有待进一步的研究。因此，在有条件测试的情况下，应尽量实施实测来获得所需基础数据。3 江水温度与传统冷却塔出水温的对比利用江水作为热泵系统冷却水与与传统的冷却塔方式相比，最重要的对比要素是所提供冷却水温度的差异，这直接影响系统的能效比。据资料测算，冷却
11、水温度每降低 1，可以提高机组制冷系数 2%-3%左右 2。为此，下文中对其进行对比分析.3.1 冷却塔方式的冷却水温度的实测冷却塔冷却水温测试对象为上海市内某新建综合大楼冷却塔，系统共有三台主机，主机与冷却塔一对一配置，冷却水系统定流量运行，系统运行时间为 8：0017：00。测试期间，综合大楼的冷热源系统尚处于部分负荷运行状态。冷却水供回水温差不足 5。冷却水系统处于比较有利的运行状况，因而冷却水的出水温度相对较低。但在 7 月 2631 期间，冷却水温仍高于江水温度，随着 8 月份气温的下降，冷却水温也下降，而江水温度相对较恒定，因此此时江水温度高于冷却水温（图 10） 。图 11 中，
12、空气湿球温度是在该综合楼冷却塔附近测试所得。该期间冷却水温和湿球温度的差值在 5左右，其平均值为 5，因此本文将湿球温度加 5来推算冷却塔出水温度。2025303540时 间温度（）冷 却 塔 出 水 温 江 水 温 度7月 8月 05101520253035时 间温度（）湿 球 温 度 差 值 冷 却 塔 出 水 温7月 8月图 10 实测逐时冷却水塔出水温度与江水温度对比（ 2007.7.26 8.17）图 11 逐时冷却塔出水温度与空气湿球温度比（ 2007.7.27 8.14）注：图中的差值是指冷却水温与湿球温度的之差-1001020304050时 间温度（）江 水 温 度冷 却 水
13、温冷 却 水 温 与 江 水 温 差6月 份 7月 份 8月 份 9月 份图 12 夏季根据湿球温度推算的冷却塔出水温与江水温度3.2 根据空气湿球温度推算的冷却塔出水温度与江水温度结合本文实测结果及工程经验，将黄浦江边测点的空气湿球温度加 5约作为当地的冷却塔出水温度与江水温度实测值进行对比分析（取 6 月 15 日至 9 月 15 日供冷期间） 。由此得出在供冷期内，78%的时间冷却水温高于江水温度，仅有 22%的时间内冷却水温低于江水温度（图 12） 。由此推测，不仅冬季江水源热泵系统比冷却塔系统具有节能效果，在夏季也仍具有一定的节能潜力（直接利用时） ，但须注意当采用间接利用（江水与热
14、泵间介入板式换热器）时江水源热泵的节能效果将被削弱。 4 结论综上所述，本文可得如下结论：1） 一年中水温的日平均值在 6.432.1之间变化，将黄浦江水用作水源热泵系统的冷热源是可行的。一年中 7、8 月份的江水月平均温度高于其他月，最高是 8 月份，最低为 1 月份。2） 月平均和日平均水温与气温间有较显著的线性相关性，但逐时的水温与气温的线性相关性较弱，对江水源热泵系统得节能效果评价需采用逐时温度数据。3） 根据空气湿球温度推算的冷却塔出水温度与江水温度对比分析得知，夏季供冷期内8：0022：00 逐时数据相比，78%的时间冷却塔出水温高于江水温度，22% 的时间内冷却塔出水温度低于江水
15、温度，夏季工况下江水源热泵系统仍然比比冷却塔方式有利，但节能潜力有限（尤其在间接利用情况下） 。需要对系统实施逐时运行工况模拟分析。参 考 文 献1 Stephen PKavanaugh ，Kevin RaffertyGround source Heat Pump Design of Geothermal Systems for Commercial and Institutional BuildingsAtlantaCa ASHRAE.，19972 T.T. Chow. Applying district-cooling technology in HongKong. Applied Energy. 2004
