地表水源热泵对环境的影响分析

摘要：基于Fluent流体力学软件，以2010年上海世博会为例，通过数值模拟，预测以黄浦江水作为冷热源的水源热泵温排水的扩散范围，重点探讨了温排水对水环境的热影响。

1 前言

水源热泵在夏季使用过程中冷却水排放会对水域产生温升影响，出于生态学方面的考虑，人们对加热或冷却河水在许可性方面仍然存在很多争议，因此本文以2010年上海世博会为例，针对水源热泵在黄浦江流域的应用进行分析。 2 黄浦江概况 2.1 水文 世博会围栏区内黄浦江总长5800m，河床断面呈U型河床形态，江水系正规的半日潮，每日有两次涨落。涨潮时潮水从长江口经过吴淞口向上涌进，平均历时4小时48分，最大涨潮流速1.81m/s;接着落潮水流转向长江口流出，平均历时7小时38分，最大落潮流速1.51m/s，潮汐曲线近似正弦曲线。据历年潮位特征数值统计，千年一遇高潮位5.30m，大汛低潮位1.18 m，平均潮位2.2 m，历史最低潮位0.32 m。年平均净径流量315.7m3/s。 2.2 水温 根据黄浦公园水文站1959～1993年早上8时实测水温资料，黄浦江历年最高日均水温33.4℃(1983年8月5日)，最低日均水温1.7℃(1963年1月17日)，历年平均水温18.3℃(历年各月平均水温见下表1)。 表1黄浦公园、淞浦大桥历年各月平均水温(℃)

月份	1月	2月	3月	4月	5月	6月	7	8	9	10	11	12
黄浦公园	6.0	6.7	10.2	15.6	21.2	25.4	29.3	30.3	27.3	21.9	16.1	9.4
淞浦大桥	4.6	7.1	10.2	16.3	20.7	25.1	30.1	30.8	28.6	20.2	14.5	7.4

2.3 水质 根据1999年东海监测中心对黄浦江(松江-吴淞口段)水系表层沉积物的物理指标测定结果：黄浦江底泥的平均相对密度2.29，平均固体百分比52.37%，PH平均值为7.85，最低值6.82出现在南浦大桥附近 [1]。有机污染综合评价大部分在Ⅳ~劣Ⅴ之间，黄浦江干流水质综合评价为Ⅲ~劣Ⅴ类。 2.4 温排水排放状况 目前黄浦江沿岸已有近一百家较大企业单位，分属电力、冶金、交通等部门。由电厂排进江中的废热主要以循环冷却水的方式带入。其中闵行、吴泾、南市、杨树浦、高桥和闸北等电厂，水资源总利用量约为35.692×108m3(统计日取水量2×104m3以上的取水口)，约占黄浦江枯水年(保证率为97%)水资源量的7.5%左右，热量排放占总排放量的86%，成为影响江水水温的主要人工热源。从现有红外航测和现场实测资料分析，在某些河段中水温已升高约0.5℃～1℃[2]。 3 上海世博会概况 上海世博园区位于南浦大桥与卢浦大桥之间的黄浦江两岸，规划控制面积约6.68平方公里，黄浦江江面平均宽度约400m，深度7～9m。估算在极端最高人流量80万人/日，同时在场系数0.7下的空调负荷，根据“位置相近、规模相近、功能相近”的原则，设立5个分布式能源站，为整个园区提供冷量。假定各能源站均利用黄浦江水作为冷却水源，按5℃温差计算得出最大用水量28.73 m3/s(见下表2)，占黄浦江枯水年水资源量的1.8%，可见黄浦江水资源在数量上是可以保证的。 表2 各能源站空调负荷、冷却水量汇总

统计量	能源站1	能源站2	能源站3	能源站4	能源站5	合计
空调负荷(kW)	40459	42317	38615	99274	67577	288242
冷却水量(m3/s)	4.03	4.22	3.85	9.89	6.74	28.73

4 二维数学模拟 4.1 模型设计 围栏区范围内黄浦江的特点是：①水面开阔，河道宽深比较大，温度较易在垂直方向上达到均匀分布;②水流流向不单一。根据以上特点，首先进行二维模拟，预测园区整体空调负荷下温排水的影响范围。 基于流体力学软件fluent建立模型，如图1所示，5个能源站点各点取、排水口间距全部设定为400m。在模型中创建了四边形结构性网格，网格尺寸8m×8m，计算时间步长2s。 4.2 参数设置 1)水面综合散热系数 采用Gunnerberg经验公式[3]，代入上海2005年7月逐时气象数据得到平均值41.4W/m2.℃。 2)边界条件和初始条件 对黄浦江实际潮流进行等振幅等周期简化，采用涨潮、落潮各6小时周期为12小时的三角函数来定义速度边界条件。以入海口方向为正，流动曲线与实际监测数据对比见图2。下游设定自由出流边界条件，取水口进水流速0.6m/s。 3)初始条件 初始水温的设定依据表1，按7、8月水面温度30℃、取水口处温降1℃设置(302K)，取排水5℃温差计算。河流初始流速1.51m/s。 4.3 温度场模拟结果 1)落潮过程温排水对下游产生温升影响，但热水只在沿岸地带扩散。下游江面宽度430m，温升>0.07℃包络线宽度约131m;取水口受到上游排水的影响，1号取水口处江水表面温升0.34℃、2号取水口处温升0.46℃、3号取水口处温升0.34℃。 2)憩息流期间，由于水体流动缓慢湍流扰动小，扩散速度减弱，温排水在排放口附近积聚，围栏区下游温升>0.07℃的包络线宽度284m;取水口处江水表面温升约0.3℃。 3)涨潮高潮时期江水倒流，下游温排水对上游水域产生影响，自4号取水口入海口方向水域温升0.2℃宽度约330m;各取水口江水表面温升约0.7℃左右。 4)涨潮结束落潮开始，热量积聚造成围栏区水体温升0.3℃左右，而各取水口处江水表面温升约0.8-0.9℃。

5 三维数学模拟

综合考虑潮位、往复流速度场、水面热扩散等因素展开三维数值模拟,考查沿水深方向的扩散情况。

5.1 模型设计

从三维 紊流数学模型出发，对表面进行刚盖假定。在大汛低潮位(P≥90%)1.18米并保证历史最低潮位0.32米的基础上，选取能源站1为参考点，模拟区域长1000米，江面宽度400米，7米水深，网格划分采用结构性网格，局部加密，最小网格尺寸1m×1m×5m，时间步长1s。

5.2 模拟结果

1)模拟结果表明，温排水的扩散范围受往复流速度场的影响随计算时间呈周期性波动，最大影响时间出现在涨潮结束落潮开始期间(憩息流阶段)，涨、落潮期间温升影响缩小，如图3、图4所示。

2)温差导致的浮力效应使表层水体受温排水的影响较大，中层次之，底层相对较小。温排水沿水深方向影响范围如图5所示;沿水流方向的影响范围如图6所示。

3)围栏区内温升0.3℃的面积最大，0.5℃次之，到1℃时显著减小并成为转折点，1.5℃～3.0℃扩散范围相近但不占主导地位(如图7);对上述离散温升值进行扩散面积加权平均，得到平均温升0.46℃，没有超出我国《地面水环境质量标准》中夏季周平均最大温升≤1℃的限制;

6 水域生态平衡的保护措施

当温排水进入受纳水体后，破坏了水域的自然状态，出现了热量、能量的重新分配和递变，这必然导致水体生态环境效应发生改变。就世博园区水源热泵系统而言，虽然它所带来的温升效应远远不及六大电厂对环境的影响能力，但是仍有必要采取有效措施，缓解黄浦江的环境负担。

降低系统对环境的热影响方法很多，除合理布置取排水口外，从系统方面来说，提高循环水泵扬程，加大冷凝器冷却面积，加快循环水流速，均能达到降低冷却水温升的目的。从渔业方面来说，可以放养经济价值高、见效快的热带鱼类，充分利用排放水中的热能资源。

7 结论

7.1温排水的最大影响时间出现在憩息流期间，在规划能源站点分布情况下，园区整体排热量对水体的影响远远不及各大电厂的影响力。

7.2 沿水深方向，在流速很小的情况下1℃温升影响了7m水深，但是憩息流维持的时间短，并且在平面范围内的影响宽度70m，相对江面宽度400m而言，只在排放口附近影响了水体，因而对于黄浦江水生环境来讲，具有一定的自然水温通道。

7.3 本文模拟情景设定为世博会期间预计极端最大冷负荷，并且全部场馆都采用江水作为冷热源，事实上根据目前规划方案设计，园区并非全部采用江水源热泵，并且极端负荷出现率也不高，因而本文模拟结果偏为保守。

7.4 上游排水口对下游取水口表面温升影响较大，因而系统设计过程中须考虑二次热回归的影响，取水口的设计无论在深度还是在水流方向上都必须保证足够的安全距离。

7.5 本文对温排水扩散范围的研究，目的不在模拟数据的准确性，旨在为地表水源热泵供冷系统的方案设计提供指导。

参考文献

[1] 王金辉,沈庆红,踓伟民.关于黄浦江水系表层沉积物的现状研究.上海环境科学,2001,20(1)：11--15

[2] 邬建中,黄爱珠.二维扩散方程计算潮汐河流纳污物分布[J].人民珠江,1997(4):49--51

[3] 朱羿.电厂温排放的水环境数学模拟及热环境容量的计算.南京,河海大学硕士论文，2005,6