熱源塔熱泵冬季供暖性能實(shí)測(cè)分析

熊 磊 楊露露 肖勁高

?

熱源塔熱泵冬季供暖性能實(shí)測(cè)分析

熊 磊1楊露露1肖勁高2

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

熱源塔熱泵技術(shù)在南方地區(qū)具有良好的節(jié)能和環(huán)保效益，近年來(lái)正在南方地區(qū)逐漸推廣開(kāi)來(lái)。通過(guò)對(duì)重慶市某實(shí)際工程所采用的熱源塔熱泵系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)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(duì)濕度為55%-65%，主機(jī)熱水進(jìn)出口溫差為1.9℃-2.3℃，主機(jī)功率為144kW-155kW，源側(cè)泵和用戶側(cè)泵功率為17kW-18kW，熱源塔風(fēng)機(jī)功率為34kW-35kW的試驗(yàn)條件下，該熱泵機(jī)組的主機(jī)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(shí)，熱泵機(jī)組的COP值在4.5-5.2之間，處于高效運(yùn)行；同時(shí)熱源塔的換熱效率高達(dá)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(duì)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(yīng)運(yùn)而生。

由于熱源塔熱泵技術(shù)在南方地區(qū)具有節(jié)能優(yōu)勢(shì)和推廣價(jià)值，目前很多學(xué)者對(duì)熱源塔進(jìn)行了深入研究。李勝兵等[1]通過(guò)對(duì)閉式熱源塔和開(kāi)式熱源塔搭建系統(tǒng)試驗(yàn)臺(tái)，對(duì)南方低溫高濕工況下熱源塔換熱特性進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，結(jié)果表明：相同工況下，開(kāi)式熱源塔的吸熱效率平均比閉式熱源塔高出35%，開(kāi)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(shè)計(jì)了熱源塔熱泵和空氣源熱泵兩種冷熱源方案，并對(duì)其進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性分析比較。研究表明：熱源塔熱泵具有初投資低、年綜合運(yùn)行費(fèi)用低等優(yōu)勢(shì)，適合在冬季低溫高濕地區(qū)推廣。徐政宇[3]對(duì)開(kāi)式熱源塔冬季換熱性能影響因素進(jìn)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(xiě)了逆流開(kāi)式熱源塔冬季性能計(jì)算軟件。文先太等[4,5]對(duì)不同氣液比對(duì)熱源塔換熱性能的影響、溶液再生問(wèn)題、傳熱傳質(zhì)特性進(jìn)行了理論和實(shí)驗(yàn)研究。國(guó)內(nèi)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(duì)熱源塔熱泵系統(tǒng)的性能影響。國(guó)外Manuel[7]對(duì)防凍液氯化鈣溶液的物性參數(shù)和濃度的關(guān)系進(jìn)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(shù)在重慶地區(qū)實(shí)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(shù)

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

1-熱源塔熱泵機(jī)組；2-熱源塔；3-溶液循環(huán)塔；4-壓縮機(jī)；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(shè)備。從熱泵機(jī)組蒸發(fā)器中流出的低溫防凍溶液被輸送至熱源塔內(nèi)，通過(guò)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(jīng)管道輸送至熱泵機(jī)組的蒸發(fā)器，為熱源塔熱泵系統(tǒng)提供穩(wěn)定的熱量來(lái)源。

2 工程應(yīng)用

2.1 工程概況

本項(xiàng)目為重慶市忠縣移民培訓(xùn)就業(yè)基地改擴(kuò)建項(xiàng)目，主樓6層，主要為大堂、餐飲、服務(wù)用房、技能培訓(xùn)室、會(huì)議室、宿舍；地下一層主要功能為設(shè)備用房。本項(xiàng)目屬一類(lèi)高層建筑，高層總面積為2.2萬(wàn)m2，建筑高度28.5m。

經(jīng)空調(diào)負(fù)荷軟件計(jì)算，得到本工程空調(diào)面積為16000m2，夏季空調(diào)冷負(fù)荷為2320kW，冬季熱負(fù)荷為1340kW。

2.2 冷熱源

本項(xiàng)目采用3臺(tái)螺桿式熱源塔熱泵機(jī)組，單臺(tái)額定制冷量812kW，額定制熱量為813kW，其中一臺(tái)為全熱回收，一臺(tái)部分熱回收，一臺(tái)沒(méi)有熱回收，熱回收機(jī)組為該項(xiàng)目提供生活熱水。三臺(tái)機(jī)組設(shè)于地下室機(jī)房?jī)?nèi)，熱源塔設(shè)于屋頂。熱源塔夏季的循環(huán)介質(zhì)為水，冬季循環(huán)介質(zhì)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(nèi)，冬季由溶液補(bǔ)給泵送入系統(tǒng)循環(huán)。熱泵機(jī)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(yùn)行工況轉(zhuǎn)換時(shí)切換管段上的閥門(mén)組。

1-1號(hào)熱泵機(jī)組（全熱回收）；2-2號(hào)熱泵機(jī)組（部分熱回收）；3-3號(hào)熱泵機(jī)組；4-集水器；5-分水器；6-用戶側(cè)泵；7-源側(cè)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(shè)4臺(tái)末端循環(huán)泵、4臺(tái)源側(cè)循環(huán)泵，三用一備；2臺(tái)熱回收泵，一用一備；1臺(tái)溶液回收泵、1臺(tái)溶液補(bǔ)給泵、1臺(tái)濃縮裝置熱水循環(huán)泵；溶液補(bǔ)給泵設(shè)于一層設(shè)備房?jī)?nèi)，其余設(shè)備均設(shè)在地下室冷熱源機(jī)房?jī)?nèi)。根據(jù)末端設(shè)備使用情況，啟動(dòng)冷熱源機(jī)組數(shù)量，根據(jù)生活熱水使用情況可以設(shè)定空調(diào)優(yōu)先或者制熱水優(yōu)先。冷熱源系統(tǒng)如圖2所示。

3 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

本項(xiàng)目的冷熱源機(jī)組由一臺(tái)具有全熱回收的熱源塔熱泵機(jī)組1號(hào)、一臺(tái)具有部分熱回收的熱源塔熱泵機(jī)組2號(hào)和一臺(tái)不具備熱回收的熱源塔熱泵機(jī)組3號(hào)組成，在圖2中從左到右依次為1、2、3號(hào)。冬季運(yùn)行時(shí)，由1號(hào)熱泵機(jī)組制生活熱水；當(dāng)建筑處于部分熱負(fù)荷下時(shí)，運(yùn)行3號(hào)熱泵機(jī)組進(jìn)行供暖；當(dāng)室外溫度過(guò)低，建筑室內(nèi)負(fù)荷處于極端負(fù)荷時(shí)，則同時(shí)運(yùn)行2號(hào)機(jī)組和3號(hào)機(jī)組進(jìn)行供暖。

本實(shí)驗(yàn)時(shí)，由于室外溫度較高，設(shè)備運(yùn)行情況：?jiǎn)?dòng)3號(hào)熱源塔熱泵機(jī)組，啟動(dòng)4臺(tái)熱源塔，源側(cè)泵和用戶側(cè)泵各啟動(dòng)3臺(tái)。由于熱源塔風(fēng)機(jī)以固定功率運(yùn)行，轉(zhuǎn)速固定，因此可將熱源塔空氣流量設(shè)為不變的常數(shù)，通過(guò)測(cè)量熱源塔風(fēng)口面積和斷面風(fēng)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(yùn)行時(shí)間內(nèi)變化很小，則定壓比熱容可以近似為c=3.320kJ/(kg·℃)。

實(shí)驗(yàn)中，對(duì)溫度的測(cè)試采用鉑電阻溫度傳感器，并利用無(wú)紙記錄儀進(jìn)行記錄；對(duì)溶液及熱水的流量測(cè)試采用超聲波流量計(jì)；利用鉗形功率計(jì)對(duì)機(jī)組、水泵以及風(fēng)機(jī)功率進(jìn)行測(cè)量。

測(cè)點(diǎn)：T-干球溫度；S-濕球溫度；Q-流量；V-流速

如圖3所示，對(duì)熱源塔熱泵系統(tǒng)進(jìn)行布點(diǎn)測(cè)試。主要測(cè)試的物理量有：進(jìn)口溶液流量m,i、進(jìn)口溶液溫度T,i、出口溶液溫度T,o、進(jìn)口濕空氣干球溫度T,i、進(jìn)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(nèi)濕空氣流量m、進(jìn)口熱水溫度T、出口熱水溫度T、熱水流量m以及源側(cè)泵、用戶泵和熱泵機(jī)組的功率。

4 數(shù)據(jù)分析

在機(jī)組連續(xù)運(yùn)行的情況下，對(duì)其進(jìn)行測(cè)試并記錄。通過(guò)數(shù)據(jù)分析整理，測(cè)試結(jié)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(yùn)行主機(jī)名義制熱量為813kW。在冬季制熱工況下，本次測(cè)試時(shí)室外空氣干球溫度在9℃-15℃之間，溫度適宜，建筑熱負(fù)荷不高，因此單獨(dú)運(yùn)行一臺(tái)機(jī)組能夠滿足供暖要求。從測(cè)試結(jié)果來(lái)看，在室外氣溫9℃-15℃、相對(duì)濕度在55%-65%的情況下：該機(jī)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(jī)組在不改變運(yùn)行狀態(tài)連續(xù)運(yùn)行的情況下，隨著室外干球溫度的上升，主機(jī)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(shì)，在室外干球溫度為12.9℃時(shí)COP值取得最大值5.19，當(dāng)室外干球溫度繼續(xù)上升時(shí)，COP值處于一個(gè)波動(dòng)范圍，在4.5-5.0之間變化。此時(shí)熱源塔熱泵機(jī)組處于高效運(yùn)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(gè)較低的水平，在1.84-2.66之間變化，即使機(jī)組制熱性能系數(shù)COP達(dá)到最高值5.19，SEER值仍只有2.66。節(jié)能設(shè)計(jì)規(guī)范推薦采用“小流量、大溫差”的方式來(lái)達(dá)到節(jié)能的目的，從表4可已看出，循環(huán)溶液的進(jìn)出口溫差在1.9℃-3.5℃之間，而空調(diào)熱水的進(jìn)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(dǎo)致大流量，而大流量就需要啟動(dòng)更多的泵來(lái)達(dá)到要求。因此，本次測(cè)試運(yùn)行工況下，源側(cè)泵和用戶側(cè)泵各開(kāi)啟3臺(tái)的方式導(dǎo)致了系統(tǒng)輸入功率過(guò)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(nèi)的換熱過(guò)程中，濕空氣的失熱量應(yīng)當(dāng)?shù)扔诜纼鲅h(huán)溶液的得熱量，然而實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中這卻是很難達(dá)的。因此，本文定義熱源塔換熱效率來(lái)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(dòng)。當(dāng)室外空氣干球溫度為9℃-13℃時(shí)，熱源塔換熱效率隨著空氣干球溫度的增加呈上升趨勢(shì)，當(dāng)空氣干球溫度為12.9℃時(shí)，換熱效率最高達(dá)到73.3%；當(dāng)空氣干球溫度為13℃-15℃時(shí)，換熱效率在66%-70%之間波動(dòng)。因此在測(cè)試運(yùn)行條件下，當(dāng)室外空氣干球溫度在12℃-14℃時(shí)，熱源塔取得較高的換熱效率。

5 結(jié)論

（1）在室外空氣干球溫度為9℃-15℃、相對(duì)濕度為55%-65%，主機(jī)熱水進(jìn)出口溫差為1.9℃-2.3℃，主機(jī)功率為144kW-155kW，源側(cè)泵和用戶側(cè)泵功率為17kW-18kW，熱源塔風(fēng)機(jī)功率為34kW-35kW的試驗(yàn)條件下，該熱泵機(jī)組的主機(jī)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(shè)定區(qū)域室內(nèi)的供暖要求。

（2）在室外空氣干球溫度為12℃-14℃時(shí)，結(jié)果表明熱泵機(jī)組的COP值為4.5-5.2之間，處于高效運(yùn)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(jīng)數(shù)據(jù)分析表明：系統(tǒng)運(yùn)行方案中源側(cè)泵和用戶側(cè)泵開(kāi)啟數(shù)量過(guò)多，出現(xiàn)“大流量、小溫差”的情況，造成能源浪費(fèi)，系統(tǒng)SEER較低。

（3）本文定義了換熱效率來(lái)探索熱源塔內(nèi)的換熱性能情況，結(jié)果表明：當(dāng)室外空氣干球溫度在12℃-14℃時(shí)，熱源塔的換熱效率高達(dá)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(shí)驗(yàn)研究[J].科學(xué)技術(shù)與工程,2017,(5):271-275.

[2] 李念平,張鼎,成劍林,等.熱源塔熱泵空調(diào)系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性分析[J].深圳大學(xué)學(xué)報(bào)(理工版),2015,(4):404-410.

[3] 徐政宇.夏熱冬冷地區(qū)開(kāi)式熱源塔熱泵技術(shù)的供暖性能研究[D].重慶:重慶大學(xué),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(shí)驗(yàn)研究[J].東南大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2011,(4): 767-771.

[5] 文先太,梁彩華,張小松,等.熱源塔傳質(zhì)特性的分析和實(shí)驗(yàn)研究[J].化工學(xué)報(bào),2011,(4):901-907.

[6] 吳丹萍.不同溶質(zhì)對(duì)閉式熱源塔熱泵系統(tǒng)性能的影響研究[D].長(zhǎng)沙:湖南大學(xué),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(yáng)高新區(qū)高層次人才創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項(xiàng)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