暖通系統熱源塔熱泵技術原理淺析

1、熱源塔熱泵概念的解釋

　　1.1熱源塔熱泵技術冬季，位于赤道附近的地球表面較多的接受了太陽輻射給地球的能量溫度升高，熱能以長波反射和水分吸熱蒸發的過程上升至大氣生成暖濕氣流層，暖濕氣流層又不斷地向溫度低的北極方向流動并逐漸減弱，在這個流動的區域范圍內空氣中蘊藏了無限的由太陽能轉化的低溫位熱源。通過熱源塔熱泵輸入少量的高位電能，實現低位熱能向高位熱能轉移的一種為建筑物提供冷暖空調生活熱水的可再生能源技術。夏季，長江流域以南地區“高溫高濕”水汽蒸發接近飽和狀態蒸發效率低，傳統冷卻塔失去了蒸發冷卻功能導致制冷機能效比下降。熱源塔夏季為冷源塔具有負壓動能，它可使濕空氣脫離飽和狀態使水分子之間引力減小，水分子汽化加快，克服了環境條件因空氣中濕度對冷卻水溫度值的影響，提高了制冷機效率。

　　1.2熱源塔熱泵構成由《閉式熱源塔》和《低熱源熱泵》組成。

　　1.3熱源塔熱泵功能夏季為高效負壓蒸發水冷卻2級能效制冷機，冬季為高效寬帶小溫差無霜空氣源熱泵。

　　1.4熱源塔熱泵定位熱源塔可高效吸收“低溫高濕”空氣中的低溫位熱源，經由低熱源熱泵提升為高溫位熱能為空調場所提供供熱。環境空氣溫度與熱泵機組蒸發溫度傳熱溫差越小，熱泵的供熱性能系數COP值越高；反之傳熱溫差越大，熱泵的供熱性能系數COP值越低。環境空氣溫度的變化是不由人們意志為轉移的，為了在“低溫高濕”空氣中獲得可以利用太陽能轉化的再生能源，必須減小環境空氣溫度與熱泵機組蒸發溫度的傳熱溫差，要實現這一標準，必須提高熱源吸收設備與熱泵提升設備蒸發面積和低溫工藝配置。工藝設計要求：熱源塔吸收輸出的低溫位熱源溫度與環境空氣溫度的傳熱溫差必須小于Δt=3℃，進入低熱源熱泵熱源溫度與蒸發器的蒸發溫度傳熱溫差也必須小于Δt=3℃，熱源塔熱泵蒸發器的蒸發溫度與環境空氣溫度的傳熱溫差小于或等于Δt=6℃時，熱泵才能獲得較高的供熱性能系數。傳統的冷卻塔吸收輸出的低熱源溫度與環境空氣溫度的傳熱溫差大于Δt=6℃，進入水源熱泵熱源溫度與蒸發器的蒸發溫度傳熱溫差大于Δt=7℃，水源熱泵蒸發器的蒸發溫度與環境空氣溫度大于Δt=13℃以上，熱泵獲得的供熱性能系數較低。因此，熱源塔熱泵吸收低溫位熱源和提升至高溫位熱能的能力遠高于冷卻塔水源熱泵系統。熱源塔熱泵中的閉式熱源塔和低熱源熱泵是按照冬季以“吸收和提升顯熱能”為主的小溫差傳熱設計，所以定位為“熱源塔熱泵”。與冷卻塔水源熱泵不同的是：冷卻塔是按夏季以“蒸發釋放潛熱能”為主的設計，用冷卻塔代替熱源塔取熱，其體積大換熱量不足效率低凝結水份多，溶液濃度不穩定及漂損嚴重和污染環境。

　　2.熱源塔熱泵供熱工藝原理

　　2.1熱源塔熱泵供熱工藝原理開/閉式熱源塔采用－20℃以下低溫寬帶高效換熱器，空氣則經多層寬帶翅片換熱器表面逆向流通，形成傳熱面與空氣之間的顯熱與潛熱的交換，獲得低于環境溫度2～3℃的溶液作為熱源塔熱泵的低溫位熱源。低熱源熱泵采用小溫差傳熱，熱源溶液溫度與制冷機工質蒸發溫度差約為Δt=2～3℃。嚴格控制環境溫度與制冷機工質蒸發溫度差不超過Δt=8℃，因此提高了熱源塔熱泵機組的冬季供熱性能系數高達3.5～4.5.冬季供熱工藝原理，熱源塔8從空氣中獲取了低溫位熱源由循環泵5輸送給蒸發器4進行熱交換釋放低溫位熱源，由熱泵1提升后的熱量進入冷凝器2釋放高溫位熱量，由循環泵6將冷凝器2釋放的高溫位熱量輸送給空調場所。通過對南方五十年一遇冰凍期熱源塔熱泵實驗項目運行觀測證明，當環境溫度不低于1.0℃的情況下熱源塔寬帶換熱器空氣逆向流通暢通，為無霜狀態運行。

　　2.2正溫度無霜期運行設計南方冬季，環境空氣溫度為2～5℃的持續時間為40天左右，約占冬季低溫高濕天氣85%以上，是傳統窄帶大溫差傳熱空氣源熱泵結霜率較頻繁期。閉式熱源塔設計上采用了冷庫-15℃的低溫寬帶小溫差傳熱技術，比傳統窄帶大溫差傳熱空氣源熱泵結霜溫度下降了5～6℃，減少了85%的結霜機率。環境空氣溫度高于2.0℃以上時，空氣相對濕度較大潛熱含量高，寬帶換熱器在進行熱交換時凝結水量大，凝結水分離系統自動排出凝結水份。

　　2.3負溫度防霜期運行設計南方冬季，環境空氣溫度低于1.5℃以下時累計時間約10天左右，為防止負溫度條件下濕空氣遇冷在蒸發器表面結霜，系統設計了負溫度防霜系統，自動噴淋環保防凍溶液降低換熱器表面冰點，待低溫期過后采用濃縮裝置分離水份，也可以按熱源需求量的10%進行建筑物樁基地源取熱加消防蓄熱池組成噴淋防霜系統，保障閉式熱源塔處于無霜運行狀態。

　　3.熱源塔熱泵經濟性能

　　3.1初投資成本其增加的低溫寬帶換熱器成本及機組低溫工況下效率衰減所增加的成本，仍比地源熱泵土壤源（土壤地層）換熱器低50%的投入。

　　3.2運行經濟性浙江桐廬好的大酒店采用三聯供空調，夏季制冷負荷為3200KW；冬季供熱負荷為2500KW；生活熱水為180噸/日。制冷量5200兆瓦/年；供熱量2700兆瓦/年；熱水為6.8萬噸/年。地區能源價格：混合源地源熱泵巖層埋管120元/米；峰谷電均價0.815元/kwh、燃氣2.65元/m3；燃油5.98元/kg；不同冷熱源設備配置全部采用模塊化螺桿壓縮機。采用五種三聯供空調冷熱源方案進行圖表分析對比表明，熱源塔熱泵年能耗綜合費用低于任何一種空調方案，低于單冷機+燃油爐288萬元（60%）、低于單冷機+燃氣爐162萬元（42%）、低于風冷熱泵+電輔139萬元（40%）、低于混合源地源熱泵60萬元和年還貸利息13萬元（25%）。

　　3.3管理方便性閉式熱源塔采用寬帶高效換熱器，管內防凍溶液依靠動力強制循環，流速快傳熱均勻效率高，溶液濃度不受外界空氣濕度變化影響，其冰點性能穩定管理方便。

　　3.4系統適用性設計及配置合理的閉式熱源塔熱泵系統廣泛適用于黃河流域以南任何地區。