高效能源塔热泵系统的应用研究

姚小奇

德信地产集团有限公司 浙江杭州市 310000

摘要：探索能源塔热泵系统最优的设计、集成、运行控制策略，提高建筑全生命周期运行能效，降低能耗为同类型建筑的设计提供高效可靠的技术指引。

关键词：能源塔，热泵系统，可再生能源。

引言

随着我国经济的发展，能源的需求不断增加，对可再生能源的利用开发被提到了相当高的地位，国家相继出台《中华人民共和国节约能源法》、《绿色建筑评价标准》等法规、政策，大力提倡和鼓励可再生能源的发展利用。建筑空调系统的运行能耗占建筑物能耗的30%左右，发展应用高效的能源系统意义重大。

1 能源塔热泵系统产生背景

1.1 夏热冬冷地区气候特征

根据中国建筑热工分布图，分严寒、寒冷、夏热冬冷、夏热冬暖、温和5个气候地区。其中夏热冬冷地区涉及16个省市，国内生产总值约占全国的48%，是我国人口最密集、经济文化较发达的地区。

夏季:持续3-4个月 高温高湿，无空调的室内房间温度高达32℃以上。

冬季:持续为2~3个月 寒冷潮湿，无空调的室内房间平均温度4~6℃，室外温度0~10℃，相对湿度在80%左右，但为“非采暖区域”。该地区对供冷、供热均有需求，夏季冷负荷略大于冬季热负荷。

1.2 能源结构及节能政策

到2020年，全国国内生产总值能耗比2015年下降15%，能源消费总量控制在50亿吨标准煤以内。加强建筑节能，推进利用太阳能、浅层地热能、空气热能、工业余热等解决建筑用能需求。

1.3 能源塔热泵系统优势

常规水冷冷水机组+锅炉供冷/供暖在大中型建筑中应用较为普遍，具有技术成熟可靠、供冷效率高、初投资少等优点。但其又存在明显不足和实际项目中难以解决的矛盾。常用的热水锅炉，一次能源利用率低，燃料排放物对环境仍存在一定污染。实际设计中存在：锅炉房面积不足、位置难选定、锅炉烟囱需出主楼屋面、泄爆口和燃气调压站难设置等困难。

空气源热泵可兼顾供冷供热，但夏季供冷效率偏低，大多数系统COP不超过3.4，冬季室外温度低于0℃时存在外机结霜严重。

地源源热泵可兼顾供冷供热功能且效率高，但受地理环境限制较大，需较大室外埋管空间，严重影响土建工程进度，长期运行土壤的热物性逐步恶化。

能源塔热泵可兼顾供冷供热功能，夏季为水冷供冷模式且能源塔换热面积比常规冷却塔要大，冷凝温度要低。冬季能源塔溶液与空气直接进行热质交换，以热泵模式运行，考虑到夏热冬冷地区气候特征，机组蒸发温度较高（高于普通风冷热泵）。无需增加锅炉房，系统相对简单，可用于既有建筑节能改造的项目。

2 能源塔热泵的发展及现状

能源塔的前身叫做冷却塔，冷却塔起初只能用于散热，在冬季无法吸热，为了使其在夏季散热、冬季吸热，将冷却塔改造后叫做能源塔。

最早在1962年，井上对横流木格填料塔进行相关测试。1987年日本横滨技场采用冷却塔吸热技术。能源塔热泵适合我国夏热冬冷地区，2005年湖南首次应用第一代能源塔热泵于某酒店。随后，刘秋克高工通过对能源塔结构进行改造，从开式、闭式到混合式进行开发，推出秋克热源塔。文先太、梁彩华等研究建立了叉流式能源塔装置。张晨、杨洪海等证明闭式能源塔热质交换的高效性。佘明威研究了能源塔内的填料与热泵机组不冻液配方，构造能源塔的热质交换模型。熊盎然研究了能源塔内部换热器的传热传质特性，计算出闭式能源塔机组的能耗与制热系数。

3 能源塔热泵系统技术要点

3.1 能源塔热泵运行原理

能源塔热泵是一种外观呈塔形，以空气为热源，通过塔体与空气的换热作用，实现制冷、供暖以及生活热水等多种功能的设备。其热源虽然也来自于空气，但它有别于传统空气源热泵从空气中获取能量的方式，而是利用水源热泵将能源塔从空气中吸收的低品味热量用于制冷、供暖和提供生活热水。热泵机组利用冰点低于0℃的液体介质做为载体，高效提取低温环境下空气中的低品位热量，达到制热目的，解决了空气源热泵冬季结霜和电辅助加热问题。在过渡季节，能源塔作为热源可用来制取生活热水，提高了设备的利用效率。

3.2 能源塔的构成和分类

能源塔主要由围护结构、旋流风动系统、低温高效换热器、气液分离系统、凝结水分离系统、低温防霜系统组成。

能源塔分为闭式和开式两类。开式能源塔供热原理是将低于空气湿球温度的防冻液均匀喷淋在填料层上形成液膜，当空气掠过填料时，气液之间在接触面上发生热质交换，从而使防冻液获得一定的热量，作为热泵的低品位可再生能源。

闭式能源塔中既有盘管又有填料。闭式能源塔夏季为开式负压冷却塔，冷却水温度低于传统冷却塔，提高了制冷机效率。冬季供热时，由于环境中的低温高湿空气从塔体底部进入，经换热器底部迎风面逆向流通，形成传热面与环境空气之间的显热与潜热交换。

3.3 能源塔热泵机组的构成和原理

能源塔热泵机组采用双冷凝器全热回收技术，利用阀门的切换来实现4种不同的运行工况：单独制冷、单独制热、单独制生活热水、制冷同时制生活热水。能源塔热泵机组相比空气源热泵机组多了载冷剂与空气侧的二次换热。能源塔热泵机组是水（地）源热泵机组的衍生品，与常规水源热泵相比，能源塔热泵机组增加了油冷却器。

3.4 能源塔热泵的辅助系统

3.4.1 能源塔热泵防霜系统

当环境空气温度低于1℃时，关闭冷凝水排水阀，启动喷射浓缩机，将溶液浓度升压，高压溶液通过控制阀进入喷射器向换热器喷射溶液，与换热器换热形成水滴落入溶液盘再进入溶液池，完成一个喷射和浓缩周期，待低温期过后采用浓缩装置分离水分。当环境空气温度高于1℃时，关闭喷射浓缩机，开启冷凝水排水阀。

3.4.2 溶液介质系统

防冻液除了飘散损失外，还存在结露损失。为了防止盐溶液的浓度降低，引起凝固温度升高，必须定期测定盐溶液的浓度，浓度降低时应补充盐量，使其保持在适当的浓度；另外，当空气相对湿度较低时，机组运行时盐溶液中的水分会蒸发，盐溶液会浓缩，也需要补充水分。通过自动加药装置使盐溶液的浓度维持在一个动态平衡。

4 能源塔热泵系统应用难点

4.1 高效热源塔热泵机组

夏季为冷水机组工况（冷却水32/37、冷冻水7/12）；冬季为热泵工况，设计工况（热水40/45、防冻液0/-3)，极限工况（热水40/45、防冻液-15/-12)，需要大压比高效压缩机，机组在冬夏均需高效运行、冬季制热量的衰减小。冬季低蒸发温度下对热量需求大，因而需要有油冷却器、经济器和喷液增焓。

4.2 冬夏季高效热源塔

冬夏塔换热能力；冬夏塔传热传质特性；大流量变化布水特性；塔冬季防飘液控制；塔冬季防雨控制。

4.3 热源塔热泵系统集成

热泵主机、热源塔风机、冷却水泵、冷水泵、溶液浓缩装置等进行联合控制，实现系统高效运行。

4.4 溶液介质及浓缩装置

溶液介质要求：价格便宜；腐蚀性弱；换热性能与水相差不大；无毒性和挥发性。

溶液浓缩装置要求：浓缩效率高；浓缩速率高；系统运行稳定，操作少，噪音小；设备寿命不低于正常机组产品寿命。

结束语

能源塔热泵工作环境范围广，能源塔提取低品位热源比风冷热泵稳定，整个冬季机组的性能系数COP可在3.0~3.5范围内变化。

适用于室外湿球温度高于-15℃以上长江以南地区，冬季有空调供热和生活热水需求的项目特别适合，避免了设置锅炉房的麻烦，节省锅炉房占地面积，简化了建筑冷热源系统。

能源塔热泵节能效果明显，在新建或既有建筑节能改造中有一定的节能优势。在水源热泵、地源热泵使用受限的场所，能源塔热泵系统是一种很好的替代品。

参考文献

[1] 方国明，热源塔热泵在空调工程中应用实践 [J].制冷空调工程技术，

2018(3):13-16

[2] 刘克秋，王武英.热源塔热泵低热能再生技术在我国南方的应用 [J].建设科技,2018(15):124-125.

[3] 佘明威，能源塔的研究 [D].武汉：武汉科技大学2011:64.

[4] 熊盎然，闭式热源塔热泵技术的基础理论与试验研究 [D].长沙：湖南大学2011.