华彬宫庄园中心区建筑群设计了一座巨大景观水池。其长度为168米、宽度30米、深度0.5米，面积5040平方米，水容量2520立方米。其中，内圈（161米x18米）水池池底为玻璃结构，兼做地下空间的玻璃顶。该水池冬季需要防止温度过低而冻结，因此需要对防冻措施和负荷计算进行专题研究。

1.       水池换热分析

如图为本项目水池冬季换热过程的示意图。

如果不考虑水流入流出输出的热量，水池与外界的热交换主要通过下列途径：太阳辐射、天空辐射、与空气的对流换热、水面蒸发、与地下的热传导。根据国内外的相关研究和测试，其中水面蒸发和天空辐射对水体冷却的影响最大。

水的冷却主要通过表面蒸发完成。风速对蒸发换热量的大小有很大的影响。

在晴朗的夜晚，温度相对较高水体表面将向温度较低的天空进行辐射传热，这部分热量在水体冷却中占有不少的比例。比如当温差达到14K时将有160W/m2的热量通过辐射传递出去。

太阳辐射得热是水体得热的主要来源。它主要被水体上部分吸收，除非水很清澈的情况。大约40%的太阳辐射在表面被吸收，其余能量的大约93%在人眼可见的深度内被吸收。

当水面与空气存在温差时，热量通过对流换热相互传递。风速的增加会使空气与水的对流换热量快速增加，但自然水体与室外空气的吸热和放热交互存在，因此通过对流传热的累计换热量较小，。

以上各项的换热量主要取决于室外气象参数，由于室外参数全年逐时变化，因此各项换热量也是全年逐时变化的，属于非稳态导热，需要建立微分方程组采用动态计算软件进行求解。

最后一项热传递是通过大地导热的热量，它所占的比例一般很小。对于本项目来说，最后一项即为与地下空间的换热。其换热量由稳态传热计算即可得出。

2.       室外水池非稳态换热过程数值模型建立

如前所述，水池与室外的换热量主要取决于室外气象参数，由于室外参数全年逐时变化，因此各项换热量也是全年逐时变化的，各项换热由于水体的蓄热作用会产生延时迭加效应，属于非稳态导热，需要建立微分方程组采用动态计算软件进行求解。在此基础上，才能够进行水池加热能耗的动态计算和系统优化。

建立水体非稳态换热的数学模型，在此基础上采用TRNSYS平台进行数值求解。

利用地表水水体温度的数学模型，利用TRNSYS建立地表水换热器模型（TYPE），其功能是：根据一定的参数设置，按一定的时间步长，接收气象文件数据和必要的输入数据进行换热计算，输出地表水水体的瞬时温度，地表水体各项得热量的值等。

3.       防冻加热负荷的计算

a)     稳定加热情况下的负荷

在TRNSYS环境下，建立了水池加热系统模型，其中包括的主要组件模型为：气象数据、天空温度、辐射、地表水体、数据输出等。气象参数采用了北京市标准年逐时气象参数，建模界面如下图所示。

 池水TRNSYS建模图

对冬季进行3000小时的模拟计算。池水加热由固定温度和流量的水流入池中而带入，经过试算，得到水池的持续加热负荷为。

单位面积各项逐时换热量和全年逐时水温曲线如下图曲线所示。

图中可见，水体最大的冷却换热量为蒸发，其次是长波辐射和对流。主要的得热为太阳辐射，与地下空间的换热较小。

单位面积各项逐时换热量曲线

稳定加热下的全年逐时水温曲线

b)     间歇加热情况下的负荷

长时间的持续稳定加热将耗费大量的能耗，且水温较高时也无必要。较为经济的方式是设置水温传感器，在池水低于设定值时，开启加热系统。但该方式需要的瞬时加热负荷也增大。下面模拟计算这种情况。

池水温度降至3℃以下时开启加热系统。模拟的池水温度和加热功率如下图所示。可以看出，当池水温度低于3℃时，加热系统启动，水温最低降至0.4℃。较持续加热的情况低了0.6℃。

歇加热下水温和加热量曲线 

4.       水池加热的节能优化

按前面的计算，本项目景观水池的加热功率和累计耗热量较大。如采用常规设备加热，运行电费相当可观。

值得注意的是，防冻加热所需要的温度可以较低，因此如采用电或燃料燃烧产生的高品位热，显而易见是不经济的。本项目的主要热源为地源热泵系统，由于所需要的冷凝温度较低，水池加热热泵可以达到较高的效率值。如按季节COP=5.0计算，则所需要的电费降至25.24万元。

更具吸引力的加热方案是，直接采用地埋管与水池进行换热，只在必要时开启热泵机组，即加热负荷主要由地埋管直接承担。示意图如下。 

在TRNSYS中建立模型，增加地埋管管热器模块，设置相应参数。模型图如下所示。

  采用地埋管间歇加热景观水池的TRNSYS模型图

模拟结果曲线如下图所示。水池温度最低仍为1℃。水池进水温度即为地埋管出水温度，冬季最低为5.8℃。

值得注意的是，地埋管系统的地下土壤平均温度由15℃下降到末期的12℃，下降了3℃。由于地埋管系统要求全年累计取热量和放热量的平衡，因此需要考虑夏季向土壤的灌热。

灌热方案为：当池水温度高于19℃时，启动循环水泵和埋管换热系统，由景观水池向埋管侧灌热。如池水温度低于19℃或埋管出水温度大于进水温度，则停止灌热。

模拟的水温、灌热量及地下平均温度如下图所示。可以看出，地下平均地埋管系统的地下土壤平均温度上升了3.4℃。可灌热量大于冬季的取热量，因此埋管通过一定的调节措施，可以通过与景观水池的换热，达到全年的热平衡。同时满足水池的冬季防冻负荷。同时还可以降低夏季水池的温度。

埋管直接换热的方案中，景观水需要直接进入地埋管换热器。因此需要慎重考虑景观水的水处理方案。同时，由于温差较小，需要合理考虑水池的布水集水方案，使水温充分混合。

采用地埋管间歇加热景观水池的模拟结果曲线

夏季 由景观水池向地埋管灌热的模拟结果曲线