热源塔热泵低热能再生技术在南方的应用

宁波市工程设计研究院热源塔热泵技术研究所 刘秋克 王武英

目前，寻求廉价的低品位可再生冷(热)源是降低空调能耗成本的关键措施。热源塔热泵是根据我国南方特定气候条件，夏季“高温酷暑”冬季“低温高湿”设计的四季都能高效运行的低热能热泵系统。该系统能够在原有水冷却单冷机节能，只能在夏季使用的基础上，通过高效宽带热源塔吸收低品位能，全年取消锅炉等辅助热源，实现冷暖空调生活热水三联供，有效解决传统窄带风冷热泵夏季制冷风冷却能耗高，冬季供热窄带翅片换热器易结霜问题。

根据目前水源热泵应用的现状来看，地源—水源热泵系统在南方的应用情况很不乐观，需要谨慎应用。湘西凤凰县某宾馆采用岩溶水热泵，就出现地下出水温度达到40℃多度现象。

根据目前土壤源热泵在南方应用的现状来看，地源—土壤源热泵系统的运行效果也不是很经济。依据2003年对宁波盛隆集团、宁波凯峰集团所应用的土壤源热泵热交换器(地下埋管)的传热与宁波阿克苏集团冷却塔研究分析，夏季冷却塔的冷却效果高于土壤源冷源系统。当土壤源地下埋管纵横排数超过四排以上时，中心区域热扩散受阻，土壤源(淤泥质粘土)地下温度场承乳峰曲线上升。

而窄带空气源热泵的效率也比较低，其主要因素是以夏季冷凝散热设计为主的干空气传热的窄带翅片，不能兼固夏季与冬季同效率。

热源塔热泵与水冷宽带热泵的

节能优势

热源塔热泵是将夏季大型水蒸发冷却制冷机具有节能优势的基础上，与高能效低热源吸收设备热源塔有机地结合，取消了锅炉、电热等辅助热源，实现冷暖空调热水三联供。热源塔及热泵机组是按照室外空气温度-5～6℃，85%以上空气湿度气候条件下设计的宽带小温差系统。热源塔低温循环液体直接或间接从空气中吸收显热与潜热源为热泵提供低品位能。热泵热源来源性能稳定，供热性能系数(COP)提高达3.0以上。夏季，热源塔有N倍于冷却塔的蒸发量，为水体汽化蒸发冷却制冷机余热，能效比(EER)可达4.5～5.5，可有效地实现100%冷热回收，提供免费生活热水节能环保。

水冷宽带热泵是热源塔热泵原理小型商用化，派生出来针对传统低效率窄带空气源热泵的更新换代产品。水冷宽带热泵夏季为水冷机，比传统空气源热泵提高效率25%；冬季为-20℃的低温宽带翅片换热器吸收空气中显热与潜热能。在较低的环境温度下比传统空气源热泵提高效率60%以上。

热源塔热泵工艺原理与经济性

1、开式热源塔热泵供热工艺原理与经济性。

开式热源塔热泵供热工艺原理，是将低于湿球温度的特制防冻溶液均匀喷淋在凹凸形波板具有亲液性质填料层上，防冻溶液在亲液填料面形成液膜，空气则经多层凹凸形波板填料空间的表面空隙逆向流通，形成液气之间的接触面热交换。获得低于湿球温度2℃的低位能溶液作为低热能热泵的低品位可再生能源。热源塔热泵采用比类式水源热泵更小的传热温差，热源溶液温度与制冷机工质蒸发温度差约为 Δt=2-3℃。防冻溶液在热源塔中热交换吸热主要是依靠表面液膜，在发生显热交换的同时又有潜热交换存在，总热交换是显热交换加潜热(或负值潜热)交换的代数和。

显热交换是空气与溶液之间存在温差时，由导热、对流和辐射作用而引起的换热结果。

潜热交换是空气中的水蒸气凝结(或蒸发)而放出(或吸收)汽化潜热的结果。其增加凹凸形波换热填料层及机组低温工况下效率衰减所增加的成本，比地源热泵土壤源地下换热器低70% 的投入。其夏季比南方地源土壤源热泵冷却水温度低5～10℃的持续时间为150天左右，节能24%以上；其冬季比南方地源热泵热源进水温度低5～12℃的持续时间不超过700小时(30天)。

开式热源塔采用凹凸形波换热填料层，防冻溶液膜直接与空气接触换热，溶液浓度易受外界空气湿度变化影响，使其冰点发生改变，需要定期启动浓缩装置浓缩，因气候有周期性降温波动，需要认真观测防冻溶液浓度，管理相对繁琐。设计及配置合理的热源塔热泵系统广泛适用于长江流域以南任何地区。

2、闭式热源塔热泵供热工艺原理与经济性。

闭式热源塔热泵供热工艺原理是采用－20℃以下低温宽带换热器，空气则经多层宽带翅片换热器表面逆向流通，形成传热面与空气之间的显热与潜热的交换，获得低于环境温度2-3℃的溶

液作为热源塔热泵的低品位可再生能源。热源塔热泵采用比类式水源热泵更小的传热温差，热源溶液温度与制冷机工质蒸发温度差约为 Δt=2-3℃。严格控制环境温度与制冷机工质蒸发温度差不超过Δt=8℃，因此提高了热源塔热泵机组的供热性能系数高达3.0～3.5。

2008年元月在对南方五十年一遇的冰冻期实验观测证明，在环境温度不低于2℃的情况下热源塔宽带换热器空气逆向流通畅通，为无霜状态运行。

当外界空气温度低于1℃以下时融霜周期为6—12小时，有三种融霜方式可采用：

自动启动喷淋防冻溶液微循环降低换热器结霜冰点，在外界空气温度与湿球温度差超过一定差值后，稀释后的防冻溶溶液通过微循环与空气接触直接蒸发浓缩，自动维持溶液浓度；

与有一定换热能力的地下消防水池配合，自动启动喷淋融霜系统；

与有一定换热能力的地下土壤源配合，自动启动喷淋融霜系统(此系统可以应用到长江流域以北地区的城市中心区域)。

在初投资成本方面，其增加的低温宽带换热器成本及机组低温工况下效率衰减所增加的成本，仍比地源热泵土壤源(土壤地层)换热器低50%的投入。

在运行经济性方面，夏季比南方土壤源热泵冷却水温度低5～10℃的持续时间为150天左右，节能24%以上，冬季比南方土壤源热泵热源进水温度低5～12℃的持续时间不超过700小时(30天)。

此外，闭式热源塔采用宽带高效换热器，管内防冻溶液依靠动力强制循环，流速快传热均匀效率高，溶液浓度不受外界空气湿度变化影响，其冰点性能稳定管理方便。 其设计及配置合理的闭式热源塔热泵系统广泛适用于黄河流域以南任何地区。

热源塔热泵的关键技术特点

热源塔热泵是根据我国南方气候条件的特殊性，夏季“高温酷暑”冬季“低温高湿”设计四季皆能高效运行的热泵系统。系统能够在原有水冷却单冷机节能只能在夏季使用的基础上，通过宽带高效热源塔吸收低品位能作为热泵热源，实现冷暖空调生活热水（制冷期间全免费生活热水）三联供，四季皆用。有效地解决了传统风冷热泵夏季制冷风冷却能耗高，冬季供热窄带翅片换热器易结霜阻塞空气流通失去效能问题。热源塔热泵是将“水冷却单冷机与风冷热泵的有机结合”充分利用改造。热源塔热泵供暖供热水无需电辅、锅炉等辅助热源，节能环保、高效，是我国自己开发的热泵技术。