熊 磊 楊露露 肖勁高

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熱源塔熱泵冬季供暖性能實測分析

熊 磊1楊露露1肖勁高2

（1.重慶大學 重慶 400045；2.貴州合心慧能科技有限公司 貴陽 550002）

熱源塔熱泵技術在南方地區(qū)具有良好的節(jié)能和環(huán)保效益，近年來正在南方地區(qū)逐漸推廣開來。通過對重慶市某實際工程所采用的熱源塔熱泵系統(tǒng)進行測試分析，探索其在重慶地區(qū)是否適用。在空氣干球溫度為9℃-15℃，相對濕度為55%-65%，主機熱水進出口溫差為1.9℃-2.3℃，主機功率為144kW-155kW，源側泵和用戶側泵功率為17kW-18kW，熱源塔風機功率為34kW-35kW的試驗條件下，該熱泵機組的主機冬季制熱性能系數(shù)COP為3.61-5.19，系統(tǒng)冬季制熱綜合性能系數(shù)SEER為1.84-2.66。在空氣干球溫度為12℃-14℃時，熱泵機組的COP值在4.5-5.2之間，處于高效運行；同時熱源塔的換熱效率高達67%-74%，具有良好的換熱性能。

熱源塔；熱泵；換熱效率；COP

0 引言

隨著生活水平的提高，南方地區(qū)對冬季供暖的需求日益增加。由于傳統(tǒng)的冷熱源方案在南方低溫高濕地區(qū)供暖的制約，熱源塔熱泵應運而生。

由于熱源塔熱泵技術在南方地區(qū)具有節(jié)能優(yōu)勢和推廣價值，目前很多學者對熱源塔進行了深入研究。李勝兵等[1]通過對閉式熱源塔和開式熱源塔搭建系統(tǒng)試驗臺，對南方低溫高濕工況下熱源塔換熱特性進行實驗研究，結果表明：相同工況下，開式熱源塔的吸熱效率平均比閉式熱源塔高出35%，開式熱源塔更適合南方低溫高濕環(huán)境。李念平等[2]以某辦公建筑為模型，設計了熱源塔熱泵和空氣源熱泵兩種冷熱源方案，并對其進行經濟性分析比較。研究表明：熱源塔熱泵具有初投資低、年綜合運行費用低等優(yōu)勢，適合在冬季低溫高濕地區(qū)推廣。徐政宇[3]對開式熱源塔冬季換熱性能影響因素進行分析，包括入口空氣干球溫度、含濕量、防凍溶液流量等，并編寫了逆流開式熱源塔冬季性能計算軟件。文先太等[4,5]對不同氣液比對熱源塔換熱性能的影響、溶液再生問題、傳熱傳質特性進行了理論和實驗研究。國內吳丹萍[6]研究了不同防凍溶液氯化鈣和氯化鋰的情況下對熱源塔熱泵系統(tǒng)的性能影響。國外Manuel[7]對防凍液氯化鈣溶液的物性參數(shù)和濃度的關系進行了研究。

重慶市作為典型的冬季低溫高濕環(huán)境的地區(qū)，本文欲探究熱源塔熱泵技術在重慶地區(qū)實際工程中是否滿足供暖要求，并討論熱源塔的供暖性能。

1 熱源塔熱泵技術

熱源塔熱泵是一種以空氣為熱源，通過塔體與空氣進行熱量交換，實現(xiàn)制冷、供暖、生活熱水三聯(lián)供的新型節(jié)能設備，其系統(tǒng)原理[8]如圖1所示。

1-熱源塔熱泵機組；2-熱源塔；3-溶液循環(huán)塔；4-壓縮機；5-節(jié)流閥；6-冷凝器；7-蒸發(fā)器；8-熱用戶

冬季，熱源塔是一種可以直接采集室外低品位熱源的設備。從熱泵機組蒸發(fā)器中流出的低溫防凍溶液被輸送至熱源塔內，通過噴淋器被均勻噴淋在具有親液性填料層的凹凸形波板上，在填料表面形成液膜，直接與溫度較高的濕空氣充分接觸，吸收空氣中的熱量，提取空氣中的低品位熱能，溫度升高后，再經管道輸送至熱泵機組的蒸發(fā)器，為熱源塔熱泵系統(tǒng)提供穩(wěn)定的熱量來源。

2 工程應用

2.1 工程概況

本項目為重慶市忠縣移民培訓就業(yè)基地改擴建項目，主樓6層，主要為大堂、餐飲、服務用房、技能培訓室、會議室、宿舍；地下一層主要功能為設備用房。本項目屬一類高層建筑，高層總面積為2.2萬m2，建筑高度28.5m。

經空調負荷軟件計算，得到本工程空調面積為16000m2，夏季空調冷負荷為2320kW，冬季熱負荷為1340kW。

2.2 冷熱源

本項目采用3臺螺桿式熱源塔熱泵機組，單臺額定制冷量812kW，額定制熱量為813kW，其中一臺為全熱回收，一臺部分熱回收，一臺沒有熱回收，熱回收機組為該項目提供生活熱水。三臺機組設于地下室機房內，熱源塔設于屋頂。熱源塔夏季的循環(huán)介質為水，冬季循環(huán)介質為防凍溶液，夏季防凍溶液由溶液回收泵收到一層溶液回收水箱內，冬季由溶液補給泵送入系統(tǒng)循環(huán)。熱泵機組夏季制冷供回水溫度為7℃/12℃，冬季供暖供回水溫度為45℃/40℃，不同季節(jié)運行工況轉換時切換管段上的閥門組。

1-1號熱泵機組（全熱回收）；2-2號熱泵機組（部分熱回收）；3-3號熱泵機組；4-集水器；5-分水器；6-用戶側泵；7-源側泵；8-熱源塔；9-溶液回收池；10-生活熱水箱；11-生活熱水泵

系統(tǒng)設4臺末端循環(huán)泵、4臺源側循環(huán)泵，三用一備；2臺熱回收泵，一用一備；1臺溶液回收泵、1臺溶液補給泵、1臺濃縮裝置熱水循環(huán)泵；溶液補給泵設于一層設備房內，其余設備均設在地下室冷熱源機房內。根據末端設備使用情況，啟動冷熱源機組數(shù)量，根據生活熱水使用情況可以設定空調優(yōu)先或者制熱水優(yōu)先。冷熱源系統(tǒng)如圖2所示。

3 實驗設計

本項目的冷熱源機組由一臺具有全熱回收的熱源塔熱泵機組1號、一臺具有部分熱回收的熱源塔熱泵機組2號和一臺不具備熱回收的熱源塔熱泵機組3號組成，在圖2中從左到右依次為1、2、3號。冬季運行時，由1號熱泵機組制生活熱水；當建筑處于部分熱負荷下時，運行3號熱泵機組進行供暖；當室外溫度過低，建筑室內負荷處于極端負荷時，則同時運行2號機組和3號機組進行供暖。

本實驗時，由于室外溫度較高，設備運行情況：啟動3號熱源塔熱泵機組，啟動4臺熱源塔，源側泵和用戶側泵各啟動3臺。由于熱源塔風機以固定功率運行，轉速固定，因此可將熱源塔空氣流量設為不變的常數(shù)，通過測量熱源塔風口面積和斷面風速，得到濕空氣流量為25m3/s；防凍溶液采用密度在1130kg/m3左右的CaCl2溶液，并且假定防凍溶液的密度在一定運行時間內變化很小，則定壓比熱容可以近似為c=3.320kJ/(kg·℃)。

實驗中，對溫度的測試采用鉑電阻溫度傳感器，并利用無紙記錄儀進行記錄；對溶液及熱水的流量測試采用超聲波流量計；利用鉗形功率計對機組、水泵以及風機功率進行測量。

測點：T-干球溫度；S-濕球溫度；Q-流量；V-流速

如圖3所示，對熱源塔熱泵系統(tǒng)進行布點測試。主要測試的物理量有：進口溶液流量m,i、進口溶液溫度T,i、出口溶液溫度T,o、進口濕空氣干球溫度T,i、進口濕空氣含濕量W,o、出口濕空氣干球溫度T,o、出口濕空氣含濕量W,o、塔內濕空氣流量m、進口熱水溫度T、出口熱水溫度T、熱水流量m以及源側泵、用戶泵和熱泵機組的功率。

4 數(shù)據分析

在機組連續(xù)運行的情況下，對其進行測試并記錄。通過數(shù)據分析整理，測試結果分析如下：

（1）該熱源塔熱泵系統(tǒng)以密度在1130kg/m3左右的CaCl2溶液為防凍溶液循環(huán)吸收空氣低位熱能，運行主機名義制熱量為813kW。在冬季制熱工況下，本次測試時室外空氣干球溫度在9℃-15℃之間，溫度適宜，建筑熱負荷不高，因此單獨運行一臺機組能夠滿足供暖要求。從測試結果來看，在室外氣溫9℃-15℃、相對濕度在55%-65%的情況下：該機組的冬季制熱性能系數(shù)COP值為3.61-5.19；系統(tǒng)冬季制熱綜合性能系數(shù)SEER值為1.84-2.66。

圖4 COP、SEER隨室外干球溫度變化情況

（2）從圖4可以看出，熱泵機組在不改變運行狀態(tài)連續(xù)運行的情況下，隨著室外干球溫度的上升，主機冬季制熱性能系數(shù)COP值和系統(tǒng)冬季制熱綜合性能系數(shù)SEER都呈現(xiàn)增加的趨勢，在室外干球溫度為12.9℃時COP值取得最大值5.19，當室外干球溫度繼續(xù)上升時，COP值處于一個波動范圍，在4.5-5.0之間變化。此時熱源塔熱泵機組處于高效運行狀態(tài)。

（3）從圖4可以看出，系統(tǒng)冬季制熱綜合性能系數(shù)始終都處于一個較低的水平，在1.84-2.66之間變化，即使機組制熱性能系數(shù)COP達到最高值5.19，SEER值仍只有2.66。節(jié)能設計規(guī)范推薦采用“小流量、大溫差”的方式來達到節(jié)能的目的，從表4可已看出，循環(huán)溶液的進出口溫差在1.9℃-3.5℃之間，而空調熱水的進出口溫差僅在1.9℃-2.3℃之間。在要求相同的換熱量的情況下，小溫差必然導致大流量，而大流量就需要啟動更多的泵來達到要求。因此，本次測試運行工況下，源側泵和用戶側泵各開啟3臺的方式導致了系統(tǒng)輸入功率過大，使得系統(tǒng)冬季制熱綜合性能系數(shù)SEER偏低。

（4）理論上講，熱源塔內的換熱過程中，濕空氣的失熱量應當?shù)扔诜纼鲅h(huán)溶液的得熱量，然而實際運行過程中這卻是很難達的。因此，本文定義熱源塔換熱效率來表征空氣與防凍溶液的換熱完善程度，其定義公式如下：

式中，Qw為防凍溶液得熱量，kW；Qa為濕空氣失熱量，kW。

如圖5所示，在空氣干球溫度9℃-15℃的環(huán)境下，熱源塔換熱效率在56.39-73.30之間波動。當室外空氣干球溫度為9℃-13℃時，熱源塔換熱效率隨著空氣干球溫度的增加呈上升趨勢，當空氣干球溫度為12.9℃時，換熱效率最高達到73.3%；當空氣干球溫度為13℃-15℃時，換熱效率在66%-70%之間波動。因此在測試運行條件下，當室外空氣干球溫度在12℃-14℃時，熱源塔取得較高的換熱效率。

5 結論

（1）在室外空氣干球溫度為9℃-15℃、相對濕度為55%-65%，主機熱水進出口溫差為1.9℃-2.3℃，主機功率為144kW-155kW，源側泵和用戶側泵功率為17kW-18kW，熱源塔風機功率為34kW-35kW的試驗條件下，該熱泵機組的主機冬季制熱新性能系數(shù)COP為3.61-5.19，系統(tǒng)冬季制熱綜合性能系數(shù)SEER為1.84-2.66。制熱量可以滿足設定區(qū)域室內的供暖要求。

（2）在室外空氣干球溫度為12℃-14℃時，結果表明熱泵機組的COP值為4.5-5.2之間，處于高效運行。而系統(tǒng)冬季制熱綜合性能系數(shù)SEER為1.84-2.66，始終處于較低水平，經數(shù)據分析表明：系統(tǒng)運行方案中源側泵和用戶側泵開啟數(shù)量過多，出現(xiàn)“大流量、小溫差”的情況，造成能源浪費，系統(tǒng)SEER較低。

（3）本文定義了換熱效率來探索熱源塔內的換熱性能情況，結果表明：當室外空氣干球溫度在12℃-14℃時，熱源塔的換熱效率高達67%-74%，具有良好的換熱性能。

[1] 李勝兵,李念平,崔海蛟,等.低溫高濕工況下熱源塔換熱特性實驗研究[J].科學技術與工程,2017,(5):271-275.

[2] 李念平,張鼎,成劍林,等.熱源塔熱泵空調系統(tǒng)經濟性分析[J].深圳大學學報(理工版),2015,(4):404-410.

[3] 徐政宇.夏熱冬冷地區(qū)開式熱源塔熱泵技術的供暖性能研究[D].重慶:重慶大學,2014.

[4] 文先太,梁彩華,張小松,等.熱源塔液氣比優(yōu)化分析與實驗研究[J].東南大學學報(自然科學版),2011,(4): 767-771.

[5] 文先太,梁彩華,張小松,等.熱源塔傳質特性的分析和實驗研究[J].化工學報,2011,(4):901-907.

[6] 吳丹萍.不同溶質對閉式熱源塔熱泵系統(tǒng)性能的影響研究[D].長沙:湖南大學,2013.

[7] Conde M R. Properties of aqueous solutions of lithium and calcium chlorides: formulations for use in air conditioning equipment design[J]. International Journal of Thermal Sciences, 2004,43:367-382.

[8] Lu J, Li W, Li Y, et al. Numerical study on heat and mass transfer characteristics of the counter-flow heat-source tower (CFHST)[J]. Energy & Buildings, 2017,145.

The Heating Performance Experimental Study on Heat-source Tower Heat Pump in Winter

Xiong Lei1Yang Lulu1Xiao Jingao2

( 1.Chongqing University, Chongqing, 400045; 2.Guizhou Hexinhuineng science and technology Co., Ltd, Guiyang, 550002 )

Heat-source tower heat pump technology in the southern region has a good energy saving and environmental benefits, which is gradually spread to the south in recent years. Through the test analysis of the heat-source tower heat pump system in a practical project in Chongqing, the paper explores whether it can be applied in Chongqing. When air dry bulb temperature is 9℃-15℃, relative humidity is 55%-65%, hot water temperature difference between inlet and outlet of chiller is 1.9℃-2.3℃, the power of chiller is 144kW-155kW, the power of source side pump and user side pump is 17kW-18kW, the power of heat-source tower fan is 34kW-35kW, the COP of the chiller and SEER of the unit can be 3.61-5.19 and 1.84-2.66 in winter. When air dry bulb temperature is 12℃-14℃, the COP of the chiller is 4.5-5.2, the unit is in efficient operation. At the same time, the heat transfer efficiency of heat-source tower is as high as 67%-74%, which has good heat transfer performance.

Heat-source tower; Heat pump; Transfer efficiency; COP

TB65

B

1671-6612（2018）02-179-04

貴陽高新區(qū)高層次人才創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項目支持

熊 磊（1992.08-），男，在讀碩士研究生，E-mail：523079875@qq.com

楊露露（1966.12-），女，博士，講師，E-mail：648527308@qq.com

2017-04-25