浅水型湖水全年逐时水温模拟

浅水型湖水全年逐时水温模拟

肖溪

身份证号43060319890320xxxx广东省建筑设计研究院深圳分院广东省

摘要：基于湖水与外部环境的换热机理，建立足以反映实际物理过程的离散数学模型。利用计算机编程，将数学模型转化为迭代计算程序，以完成冗杂的计算。以当地标准年的逐时气象参数作为计算依据，求解出全年逐时水温，并构成闭变化曲线。模拟得到的广州增城湖水逐时温度与在增塘水库实测采集的数据基本吻合，证明所建立的模型是合理，并有很高的准确性。关于深水层对表面水温的影响，提出假设，用他人模拟的结果作为验证的依据，证明假设合理。

关键词：浅水型湖逐时水温离散方程气象参数

Abstract：Basedonthemechanismofheattransferbetweenlakeandoutsideenvironment,establishadiscretemathematicalmodeltoreflecttheactualphysicalprocess.Usingcomputerprogramming,transformmathematicalmodelintoaniterativecalculationprocedure,tocompletethecomplicatedcalculation.Thelocalstandardyearhourlymeteorologicalparametersasthecalculationbasis,calculatehourlywatertemperature,andformaclosedcurve.SimulationresultsofGuangzhouZengchengLakekissedthemeasureddataofZengtangreservoir,whichshowsthatthemodelisreasonable,andhasbhighaccuracy.Ontheinfluenceofthedeeplayeronthesurfaceofthewater,thehypothesisisproposed,simulationresultswithothersasthebasisofverification,andtheassumptionsarereasonable.

Keywords：ShallowlakeHourlywatertemperatureThediscreteequationMeteorologicalparameters

0引言

地表水源热泵技术能有效利用可再生能源和低品热能，有很大的节能潜力，符合我国节能和可持续发展的国策。

地表水源热泵利用地表水作为能量的载体，维持系统能量平衡。地表水温对热泵机组的性能有很大的影响，是分析评价系统性能的一个重要的参数。在制冷工况时，水温越来低，机组COP值越高；在制热工况时则相反。

地源热泵系统设计普遍采用的是工况设计的方法。重点分析系统在设计工况下的性能，而弱化了系统全年时的性能分析。系统大部分运行时间是在部分工况下，从而使系统的性能与经济分析与实际的情况存在很大的误差。

基于浅水型地表水与周围环境的换热机理建立模型，采用《中国建筑热环境分析用气象数据集》收录不用气象站的全年逐时气象参数，提出根据地点得出当地浅水型地表水体全年逐时水温的方法。作为地表水源热泵系统全年经济性能分析的依据。

1湖水热质交换机理

水深为3~8m的浅水型湖水，受湖面风的影响，在湖水上层（约水下3m）会形成温度较为均匀的温水层。忽略深水层对表面水温度的影响，将表面温水层温度视为均匀一致。湖水温度只随时间变化。湖水温度的变化量取决于湖水与周围环境的换热量。据分析，主要的换热途径为水面换热和太阳辐射得热。

1.1水表面换热过程

湖水通过湖面与大气直接接触，并发生热质交换。

在水温为0~30℃范围。边界层的饱和蒸气压力可由下式计算[1]。

2计算及验证

2.1计算过程及赋值

湖水换换热量由当地的气象参数计算得，全年逐时水温需以逐时气象参数为计算依据。全年逐时水温求解采用当地的逐时干球温度、逐时空气含湿量和逐时水平太阳辐射量，运用上文推导的公式进行计算。

由上述的分析结果可见，模拟得到的结果足以反映水温实际的变化情况。

3模型不足及完善

3.1假设提出

浅水型湖水水温求解模型没有考虑当水深较深时，深水层与表面温水层之间的对流作用。深水层没有与大气直接换热，只与温度较为稳定的湖底换热。水温比较稳定。

引用文献[6]针对抚仙湖建所建立模型在40m处。的温度分布。可见，深水层湖水温很稳定，全年变化幅度仅为1.43℃。

误现象发生及修正方法均符合原理分析得出的假设。说明模型建立是正确的，得出的模拟结果有较高的可信度。可运用于实际的工程案例分析。

4结论

模型采用迭代的方法，求解不同地点浅水型湖水水温分布，得到封闭的温度曲线，采用多个不同地点标准年的气象均能得到较为合理的结果，可见数学的实现方法是正确的。

利用增塘水库采集的水温，验证模型求解浅水型湖体水温的正确性。模拟得到的水温与采集水温高度吻合，方差仅为0.0647。说明模型求浅水型湖水温度准确度较高。

引用文献[6]中模拟得到的水温数据，验证模型对深水型湖体水温误差产生的原因。得出深水型湖体的深水层与表面温水层存在对流作用，使水温变化更趋于平稳。浅水型模拟求解水深较深的湖体水温时，可加放对流项进行修正。

参考文献

[1]陈晓．地表水源热泵理论及应用[M]．北京：中国建筑工业出版社，2011．

[2]连之伟．热质交换原理与设备[M]．北京：中国建筑工业出版社．2006．

[3]林丽娜,冀兆良,杨建坤,江向阳,甘崇炮,林贞发.夏热冬暖地区湖水源热泵系统方案的可行性研究[J].广州建筑,2014,(04):38-42.

[4]陈永灿，张宝旭，李玉梁．密去水库垂向水温模型．

水利学报[J]．1998（9）．

[5]李怀恩，沈晋．一维垂向水库水温数学模型研究与黑河水库水温预测[J]．陕西机械学院学报．1990（4）．

[6]沈晋，沈冰，李怀恩，李长兴，周考德．著．环境水文学[J]．合肥：安徽科学技术出版社．1992．

[7]吴浩．湖水源热泵系统水体热承载能力的研究[Ｄ]．重庆大学2008