能源塔热泵技术在空调工程中的应用与分析_宋应乾

目 前 ，我 国 的 冷 却 塔 取 热 技 术 仅 限 于 在 广 东 南
① ☆ 宋应乾，男，１９８５年１１月生，在读硕士研究生 ２０１８０４ 上海市曹安公路４８００号 同 济 大 学 嘉 定 校 区 １６ 号 楼 ２ 单 元 １０２－３ 室 （０２１）６９５８３７３５ Ｅ－ｍａｉｌ：ｓｏｎｇｙｉｎｇｑｉａｎ＠１６３．ｃｏｍ
收 稿 日 期 ：２０１０－０２－０１ 修 回 日 期 ：２０１０－１２－０３
２０１１（４）
宋 应 乾 ，等 ：能 源 塔 热 泵 技 术 在 空 调 工 程 中 的 应 用 与 分 析
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图 １ 利 用 冷 却 塔 取 热 的 热 泵 系 统 原 理 图
部 、云 南 南 部 等 地 区 应 用 。 由 于 冷 却 塔 的 技 术 参 数 主要是按照水膜面积与空气对流时的蒸发冷却能 力设计的，当冷却 塔 用 作 取 热 时，其 取 热 能 力 仅 为 冷却能力的 ５０％ 左 右。 尤 其 是，冷 却 塔 的 换 热 器 和 风 机 是 专 为 夏 季 工 况 设 计 的 ，在 冬 季 使 用 时 效 率 很低。因此，使 用 冷 却 塔 作 为 热 源 时 风 机 能 耗 较 高。另 外，南 方 地 区 冬 季 室 外 湿 度 较 大，冷 却 塔 换 热 器 冬 季 运 行 时 会 出 现 结 冰 现 象 ，冰 层 会 产 生 隔 离 作用，导致热泵在非常低的水温下工作，使ＣＯＰ 大 幅度降低。冷却塔用于冬季取热时循环液飘失严 重，如果使用廉价 的 氯 化 物 防 冻 液，其 与 空 气 接 触 混 合 后 溶 解 氧 增 加 ，会 加 速 对 设 备 的 腐 蚀 和 对 周 围 环 境 的 污 染 。 因 此 ，冬 季 将 冷 却 塔 作 为 热 源 使 用 的 效果并不理想。
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能源塔热泵技术在空调 工程中的应用与分析
同济大学 宋应乾☆ 马宏权 龙惟定
摘要 介绍了能源塔热泵技 术 的 发 展、原 理 和 分 类，分 析 了 能 源 塔 热 泵 的 特 点，简 要 阐 述 了能源塔热泵的关键技术问题、设计要点和运行管理方式。指出能源塔不同 于 冷 却 塔，用 冷 却 塔代替能源塔会因为吸收低品位热源的能力不足而使能源塔热泵不能正常工作。将能源塔与 其他空调方式进行了比较，认为在我国长江以南地区的新建建筑或既有建筑改 造 中 ，能 源 塔 热 泵是一种制冷制热设备的新选择。
关键词 能源塔 热泵 低温高湿
Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ａｎｄ ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ｅｎｅｒｇｙ ｔｏｗｅｒ ｈｅａｔ ｐｕｍｐ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｉｎ ａｉｒ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｉｎｇ ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ
Ｂｙ Ｓｏｎｇ Ｙｉｎｇｑｉａｎ★ ，Ｍａ Ｈｏｎｇｑｕａｎ ａｎｄ Ｌｏｎｇ Ｗｅｉｄｉｎｇ
能源塔热泵 技 术 源 于 上 世 纪 ９０ 年 代，应 用 于
珠江三角洲流域的冷却塔热泵取热技术［１］，利 用 冷
却塔从空气中提取热量的热泵系统主要通过机组 外网８个阀门的切换来实现冬夏两种工况的转换 （如 图 １ 所 示 ），机 组 本 身 没 有 任 何 变 化 。 夏 季 工 况 时 ，阀 门 １，２ 和 ７，８ 打 开 ，阀 门 ３，４ 和 ５，６ 关 闭 ，系 统 按 制 冷 方 式 运 行 ，为 室 内 提 供 冷 水 ；冬 季 工 况 时 ， 阀门１，２和７，８关闭，阀 门 ３，４ 和 ５，６ 打 开，系 统 按照制热方式运行，为室内提供加热用水 。 ［２］
能 源 塔 热 泵 的 工 作 原 理 是 ：通 过 水 和 空 气 之 间 的热质交换将空气中的热量传递给水。冬季利用 冰点低于０ ℃的介质提取空气中的低品位热源，通 过向能源塔热泵机组输入少量电能来高效提取空 气 中 水 蒸 气 凝 结 为 水 时 所 放 出 的 潜 热 ，达 到 制 热 目 的 ；夏 季 制 冷 时 ，为 热 泵 机 组 的 冷 凝 器 提 供 冷 却 水 ， 作为高效冷却塔使用 ①。另外，在春秋季节，能源塔 作为热源可用来制取生活热水。 ２．１ 能 源 塔 的 构 成 和 分 类
源 ，通 过 塔 体 与 空 气 的 换 热 作 用 ，实 现 制 冷 、供 暖 以 及提供生活热水等多种功能的新设备。能源塔热 泵 系 统 的 热 源 虽 然 也 来 自 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位热源用于制 冷、供 暖 和 提 供 生 活 热 水。 在 夏 季，能 源 塔 热 泵 机 组把能源塔作为 冷 却 塔，利 用 水 的 蒸 发 散 热，能 效 比可达５．０以上；在 冬 季，能 源 塔 热 泵 机 组 利 用 冰 点低于０ ℃ 的 载 体 介 质，高 效 提 取 －９ ℃ 以 上、相 对湿度较高的低温环境下空气中的低品位热能进 行供热，解决了传 统 空 气 源 热 泵 冬 季 结 霜 的 问 题， 省去了传统空气源热泵的电辅助加热。
闭 式 能 源 塔 夏 季 为 开 式 负 压 冷 却 塔 ，通 过 调 节 风 机 的 流 量 来 实 现 变 风 量 控 制 ，可 在 高 温 高 湿 的 气 候 条 件 下 实 现 负 压 蒸 发 ，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 能源塔旋 流 风 机 扰 动 环 境 中 的 低 温 高 湿 空 气 从 塔 体 底 部 进 入 ，经 低 温 高 效 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 。 ［５］ 来 自 热 泵 蒸 发 器 的 低 温 循 环 溶 液 从 高 效 换 热 器 上 部 进 入 ，底 部 流 出 ，获 得 低 于 环 境 温 度 ２～３ ℃ 的 溶 液 作 为 能 源 塔 热 泵 的 低 品 位 热 源。 ２．２ 能 源 塔 热 泵 机 组 的 构 成 和 原 理
闭 式 能 源 塔 中 既 有 盘 管 又 有 填 料 ，填 料 的 作 用 是使进入能源塔的热水尽可能形成细小的水滴或 水膜，增加水和空 气 之 间 的 接 触 面 积，延 长 接 触 时 间 ，以 增 加 水 气 之 间 的 热 质 交 换 。 盘 管 的 作 用 是 增 强换热效果，避免 管 内 流 体 受 环 境 的 污 染，减 少 载 体介质的损失。
Ｋｅｙｗｏｒｄｓ ｅｎｅｒｇｙ ｔｏｗｅｒ，ｈｅａｔ ｐｕｍｐ，ｌｏｗ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ａｎｄ ｈｉｇｈ ｈｕｍｉｄｉｔｙ
★ Ｔｏｎｇｊｉ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｓｈａｎｇｈａｉ，Ｃｈｉｎａ
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１ 能 源 塔 热 泵 技 术 概 述 能源塔 热 泵 是 一 种 外 观 呈 塔 形，以 空 气 为 热
图 ２ 能 源 塔 的 结 构 示 意 图
能源塔的核心技术是溶液浓缩装置。冬季阴 雨 连 绵 期 间 ，能 源 塔 防 冻 液 膜 直 接 与 空 气 进 行 显 热 与潜热交换的同 时，凝 结 了 空 气 中 的 水 分，使 防 冻 溶 液 浓 度 降 低 ，冰 点 上 升 。 而 浓 缩 装 置 的 作 用 是 将 稀 释 的 防 冻 液 浓 缩 ，使 冰 点 下 降 。
２００３年，国内学者提出，冷 却 塔 不 能 满 足 冬 季 热 泵 机 组 对 热 源 的 需 求 ，建 议 按 冬 季 吸 收 低 品 位 热 源 能 力 设 计 塔 的 参 数，并 将 其 定 名 为 “热 源 塔”［３－４］。目前，国内有部分企 业 研 制 出 同 类 产 品， 称为能源塔。笔者认为该系统能够同时实现制冷、 供 暖 和 提 供 生 活 热 水 ，称 作 能 源 塔 更 准 确 些 。２００４ 年 ，第 一 代 能 源 塔 热 泵 研 制 成 功 并 用 于 湖 南 湘 西 地 区 ，经 过 不 断 改 进 ，现 在 已 发 展 到 第 四 代 。 ２ 能 源 塔 热 泵 系 统 的 原 理
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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 能 量 ，作 为 热 泵 的 低 品 位 可 再生能源。而防冻液所吸收的热量主要是来自空 气和溶液之间由于温差引起的显热交换和空气中 的水蒸气凝结而放出的汽化潜热。开式能源塔中 防 冻 液 直 接 与 空 气 接 触 ，溶 液 温 度 易 受 外 界 气 象 条 件 变 化 的 影 响 使 其 冰 点 不 断 变 化 ，需 要 定 期 启 动 溶 液 浓 缩 装 置 ，管 理 非 常 麻 烦 。 而 闭 式 能 源 塔 克 服 了 以 上 缺 点 ，通 过 使 空 气 逆 向 流 过 低 温 高 效 肋 片 换 热 器 的 表 面 ，形 成 传 热 面 与 空 气 之 间 的 显 热 和 潜 热 交 换 。 同 时 ，由 于 闭 式 能 源 塔 的 高 效 换 热 器 的 管 内 防 冻液依靠溶液泵 强 制 循 环，流 动 速 度 快，换 热 效 率 高。
Ａｂｓｔｒａｃｔ Ｅｘｐｌａｉｎｓ ｔｈｅ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ，ｐｒｉｎｃｉｐｌｅｓ ａｎｄ ｃｌａｓｓｉｆｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ ｅｎｅｒｇｙ ｔｏｗｅｒ ｈｅａｔ ｐｕｍｐ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ．Ａｎａｌｙｓｅｓ ｔｈｅ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ ｅｎｅｒｇｙ ｔｏｗｅｒ ｈｅａｔ ｐｕｍｐ．Ｂｒｉｅｆｌｙ ｄｅｓｃｒｉｂｅｓ ｉｔｓ ｋｅｙ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｃａｌ ｐｏｉｎｔｓ，ｄｅｓｉｇｎ ｆｅａｔｕｒｅｓ ａｎｄ ｏｐｅｒａｔｉｏｎ ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ．Ｐｏｉｎｔｓ ｏｕｔ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｅｎｅｒｇｙ ｔｏｗｅｒ ｉｓ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｆｒｏｍ ｔｈｅ ｃｏｏｌｉｎｇ ｔｏｗｅｒ ａｎｄ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｃｏｏｌｉｎｇ ｔｏｗｅｒ ｍａｙ ｍａｋｅ ｉｔｓ ｈｅａｔ ｐｕｍｐ ｗｏｒｋ ｉｍｐｒｏｐｅｒｌｙ ｂｅｃａｕｓｅ ｏｆ ｌａｃｋｉｎｇ ｏｆ ｔｈｅ ａｂｉｌｉｔｙ ｔｏ ｕｔｉｌｉｚｅ ｌｏｗ－ｇｒａｄｅ ｈｅａｔ ｓｏｕｒｃｅ．Ｃｏｍｐａｒｉｎｇ ｉｔ ｗｉｔｈ ｏｔｈｅｒ ａｉｒ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｉｎｇ ｍｅｔｈｏｄｓ，ｓｈｏｗｓ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｅｎｅｒｇｙ ｔｏｗｅｒ ｃａｎ ｂｅ ｕｓｅｄ ａｓ ａｎ ａｌｔｅｒｎａｔｉｖｅ ｏｆ ａｉｒ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｉｎｇ ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ ｔｏ ａｃｈｉｅｖｅ ｃｏｏｌｉｎｇ，ｈｅａｔｉｎｇ ａｎｄ ｈｏｔ ｗａｔｅｒ ｓｕｐｐｌｙｉｎｇ ｉｎ ｔｈｅ ａｒｅａｓ ｔｏ ｔｈｅ ｓｏｕｔｈ ｏｆ ｔｈｅ Ｙａｎｇｔｚｅ Ｒｉｖｅｒ ｉｎ Ｃｈｉｎａ．