無填料熱源塔冬季吸熱量分析

張 楠

(廣州地鐵設計研究院股份有限公司，廣東 廣州 510030)

熱源塔熱泵技術是一種利用防凍溶液從空氣中吸收熱量通過換熱用以室內環(huán)境供熱的新型節(jié)能技術。熱源塔熱泵技術可以解決空氣源熱泵冬季易結霜，地源熱泵技術受地形限制，電暖器能耗過高等問題，在我國南方地區(qū)已有使用[1-3]。

近年來，對于傳統(tǒng)開式熱源塔和閉式塔的理論研究已趨于成熟。陳琦等[4]對閉式熱源塔在不同工況下的換熱性能進行分析，對閉式熱源塔的優(yōu)化運行進行了解析。李勝兵等[5]通過實驗對比了閉式熱源塔與開式熱源塔的吸熱效率，發(fā)現(xiàn)開式熱源塔的吸熱效率高于閉式塔，但運行較為復雜。崔海蛟等[6-8]利用MATLAB軟件分析了開式熱源塔液滴直徑、空氣流速對逆流式無填料熱源塔吸熱效率的影響。張楠等[9]對熱源塔在夏季工況下噴嘴位置、進風位置對不同環(huán)境參數(shù)對其散熱效率的影響進行分析。章文杰等[10]建立了熱源塔熱泵系統(tǒng)冬季吸熱能力模型，并根據(jù)氣象參數(shù)對不同城市熱源塔潛熱換熱和顯熱換熱量進行對比，對其經濟性進行分析。文先太等[11-13]通過實驗分析了交叉流動時熱源塔的傳質特性并對熱源塔氣水比進行了優(yōu)化分析。李念平等[14]以某辦公建筑為研究對象，利用DeST軟件對建筑負荷進行計算，對熱源塔熱泵與空氣源熱泵的經濟性進行對比，發(fā)現(xiàn)熱源塔熱泵技術具有優(yōu)勢。

本文通過搭建的無填料熱源塔進行試驗，分析不同干球溫度、相對濕度、氣水比、溶液入口溫度對熱源塔吸熱量以及吸熱量中潛熱量和顯熱量的影響。

1 實驗平臺及原理

1.1 實驗平臺介紹

實驗平臺為無填料熱源塔，無填料熱源塔和傳統(tǒng)的開式熱源塔相比，去除了填料部分，不僅可以減小風機能耗，同時解決了傳統(tǒng)的填料熱源塔存在結垢的問題。無填料熱源塔的結構圖如圖1所示，主要由風機、收水器、霧化噴頭、集水池等組成，塔內中空設計，進風量增加，收水器可以阻礙液滴飛出塔外，減少環(huán)境污染。

1.2 換熱原理

無填料熱源塔內，循環(huán)溶液與空氣直接接觸進行換熱。循環(huán)溶液經霧化噴嘴噴灑出微小的液滴，液滴表面水分子無規(guī)則運動，在液滴表面周圍形成飽和空氣層，飽和空氣層溫度與液滴溫度相同，當飽和空氣層溫度高于空氣溫度時，在溫差作用下熱量從空氣向飽和空氣層轉移，兩者發(fā)生顯熱交換。當飽和空氣層水蒸氣分壓力低于空氣水蒸氣壓力時，空氣中水分子向液滴擴散，在液滴表面凝結放熱，溶液溫度升高。溶液與液滴之間既可能只發(fā)生顯熱交換，也可能顯熱交換和潛熱交換同時發(fā)生。

1.3 測量儀器介紹

本次實驗所采用的測試儀器及相關參數(shù)見表1。

表1 實驗儀表和測量參數(shù)

1.4 數(shù)據(jù)分析

溶液吸收的熱量和空氣放出的熱量的計算公式如式(1)，式(2)所示：

Qs=qscs(to-ti)

(1)

Qa=qa(hi-ho)

(2)

其中，qs為溶液的流量，kg/m3；cs為溶液比熱容，kJ/(kg·℃)；ti,to分別為溶液的進出口溫度，℃；qa為溶液的流量，kg/m3；hi,ho分別為溶液的進出口溫度，kJ/kg。

由于實驗過程中存在誤差，溶液的吸熱量與空氣釋放熱量并不完全相等。誤差分析計算結果：

(3)

本次實驗選取誤差在5%之內的數(shù)據(jù)對結果進行分析，保證了實驗的真實性。

2 實驗結果和分析

根據(jù)已有的無填料熱源塔實驗平臺，分別改變空氣進口溫度、相對濕度、溶液入口溫度以及氣水比進行實驗。對溶液的出口溫度、空氣出口處的溫濕度等相關數(shù)據(jù)進行記錄，整理分析其對熱源塔潛熱吸熱量、顯熱吸熱量以及總吸熱量的影響。

2.1 熱源塔吸熱量

對無熱源塔的吸熱量多次重復進行實驗，此時，室外空氣溫度為8 ℃，相對濕度70%，氣水比2.8，溶液入口溫度為-3 ℃。

逆流式無填料熱源塔的吸熱量如圖2所示。由圖2可知，無填料熱源塔的總吸熱量在7.9 kW～8.2 kW之間變動，潛熱吸熱量保持在1.0 kW～1.1 kW，潛熱吸熱量占總吸熱量比例約在13%。因此，無填料熱源塔的吸熱量潛熱占比較小，熱源塔內的換熱主要以顯熱換熱為主。這主要是因為，冬季工況下，循環(huán)溶液的入口溫度較低，經常保持在0 ℃以下，液滴表面水蒸氣分子遷移較慢，空氣中水蒸氣不易凝結，潛熱得熱得不到充分利用的原因造成的。

2.2 空氣干球溫度對吸熱量的影響

保持相對濕度70%，溶液入口溫度-3 ℃，氣水比2.8不變。改變空氣溫度，進行實驗?？諝鉁囟葘嵩此鼰崃康挠绊懭鐖D3所示。

由圖3可以發(fā)現(xiàn)，熱源塔的總吸熱量隨著空氣的干球溫度升高而增大，且增幅明顯，空氣溫度從2升至10，熱源塔的總吸熱量從2.8 kW升至10.5 kW，增長了285%，說明空氣溫度對熱源塔的吸熱量影響明顯，低溫工況下，熱源塔的吸熱量可能會導致不能滿足室內需求。然而在圖3中，潛熱換熱量并未隨干球溫度的升高而增大，反而有降低趨勢，這主要是因為空氣溫度升高，空氣與溶液直接接觸時，換熱溫差增大，這直接導致了顯熱換熱量的增大，與潛熱換熱關系不大，因此顯熱換熱量基本保持不變。

2.3 相對濕度對換熱量的影響

保持空氣溫度8 ℃，溶液入口溫度-3 ℃，氣水比2.8不變，改變空氣相對濕度進行實驗。分析相對濕度對熱源塔換熱量的影響。

相對濕度對熱源塔吸熱量影響的變化曲線如圖4所示。從圖4中可以看出，熱源塔的總吸熱量隨著空氣的相對濕度的增高而增大，這是因為相對濕度的增加，空氣中水蒸氣含量增加，增強了熱質交換，效率得到提升。但換熱量中的顯熱換熱量保持微小增加，而潛熱換熱量隨著相對濕度的增加而迅速增加，換熱量的增加主要是潛熱換熱量增加引起的。

從圖4中發(fā)現(xiàn)，相對濕度為50%時，熱源塔的吸熱量為負值，這說明相對濕度較低時，溶液的水蒸氣分子向空氣傳遞，抑制了熱源塔的傳熱。這是因為空氣相對濕度低，空氣周圍水蒸氣分壓力低于溶液液滴周圍的水蒸氣分壓力，在壓力差的作用下，溶液水蒸氣分子向空氣側遷移，抑制了換熱，因而，熱源塔在低溫高濕的南方環(huán)境下比較適用。

2.4 氣水比對換熱量的影響

保持空氣溫度8 ℃，溶液入口溫度-3 ℃，相對濕度70%不變，依次增加氣水比進行實驗。分析氣水比對熱源塔換熱量的影響。

氣水比對吸熱量影響的變化曲線如圖5所示，氣水比增加，總的吸熱量和顯熱吸熱量增大，但增速緩慢。潛熱吸熱量降低，氣水比從1.2升至4.4，潛熱吸熱量占總換熱量的比值從24.7%降低至7.6%。這是因為溶液不變氣水比增加，通過熱源塔的截面風速加快，而風速的增加強化了對流換熱，顯熱換熱量增加。但換熱時間縮短，潛熱換熱中水蒸氣的凝結受到影響，導致潛熱換熱量的減少。

2.5 溶液入口溫度對換熱量的影響

保持空氣溫度8 ℃，氣水比2.8，相對濕度70%不變，依次提高溶液入口溫度進行實驗。分析溶液入口溫度對熱源塔換熱量的影響。

熱源塔吸熱量隨溶液入口溫度的變化曲線如圖6所示，從圖6中可以發(fā)現(xiàn)，入口溫度升高，熱源塔的潛熱吸熱量和顯熱吸熱量先增大而后減小，這是因為溶液入口溫度的提高，進出口溫差降低導致吸熱量降低。而潛熱換熱量隨入口溫度的增加一直減小，這是因為溶液溫度較低時，水分子運動。溶液周圍水蒸氣分壓力較小，空氣中水蒸氣凝結，潛熱換熱量較大。

3 結論

1)無填料熱源塔中的吸熱包括顯熱吸熱和潛熱吸熱，其中顯熱吸熱占比較大，潛熱吸熱量占比較小，換熱以顯熱為主。2)空氣溫度的提高可以大幅度的增加熱源塔的吸熱量，但吸熱量中潛熱吸熱量并不會隨空氣溫度的升高而增大，溫度對熱源塔的吸熱量較其他因素相比影響最大。3)相對濕度 對熱源塔的總吸熱量和潛熱吸熱量影響較大，濕度升高潛熱換熱量增加。但濕度較低時，會抑制潛熱換熱的發(fā)生，適用于我國南方低溫高濕的氣候環(huán)境。4)熱源塔中的潛熱換熱主要是水凝結造成的，水凝結會導致溶液濃度的降低，因此開式塔需配有濃縮裝置，而且由于飄散損失的出現(xiàn)會導致溶液對環(huán)境造成污染，運行復雜。5)氣水比增加，溶液總吸熱量和顯熱吸熱量均出現(xiàn)增大，但潛熱吸熱量減小。而溶液入口溫度的提高會導致熱源塔的潛熱換熱量降低，顯熱換熱量和總換熱量波動范圍較小。