热源塔的研究与发展

白运运 向立平,2 欧阳琴 夏晓康



热源塔的研究与发展

白运运1向立平1,2欧阳琴1夏晓康1

（1.湖南工业大学土木工程学院 株洲 412007；2.湖南科技大学煤矿安全开采技术湖南省重点实验室 湘潭 411201）

主要介绍热源塔的设备结构特点及其工作原理，以及热源塔的翅片换热器结构参数和防冻溶液的影响和在干工况、湿工况、及霜工况下的传热传质原理。通过分析，认为热源塔热泵系统是一种一塔两用、高效节能的新型实用技术。这项新型系统尤其适用于夏热冬冷地区，不仅解决了空气源热泵系统冬季结霜以及地源热泵系统使用受限的难题，值得我们深入的研究以及推广。

热源塔；传热传质；翅片换热器；冷热源

0 引言

当今社会，雾霾现象越来越严重，主要原因是因为我们人类对于大自然的破坏。对于树木大量的砍伐，释放有害气体进入大气环境还有石油和煤炭等一次性的不可再生的能源的利用，对环境造成了一定的影响，而且可使用的能源是有限的[1-3]。那么寻找新型的能源变成一种必然，因而太阳能、地热能、潮汐能等开始被利用起来。而在建筑环境中就是寻找新型的可循环的冷热源设备。冷热源设备在建筑能耗中占有相当大的比重，因此寻找到合理经济并节约能源的冷热源设备也是相当重要的[4]。受特定环境的影响，冬季在我国长江流域以南地区，北方冷空气南下，分别受到云南高原、川西高原、武夷山脉和南岭山脉的阻滞，而来自南海暖湿气流又不断从较低的南岭山脉越过与冷空气汇合，使南方地区成为了冷暖气流的对峙区，低温高湿是南方地区冬季气候条件的特点。因此在我国的南方地区要应用较合理的技术可以为人们冬季供暖夏季供冷。

热源塔热泵系统就是一种新型的能源系统。该系统不仅解决了冬季空气源热泵系统容易结霜的问题，闭式热源塔热泵系统还可以防止防冻溶液飘散到空气中。热源塔热泵系统在夏季的时候可以用作冷却塔使用，并且喷淋循环的是水，因而对于环境并未有太大的影响。在冬季时热源塔热泵系统利用换热器管道内的防冻溶液与外界的空气进行热质交换从而为房间内提供热源。闭式热源塔在冬季时不进行防冻盐溶液的喷洒因而不会对外界空气产生污染。此热源塔，冷热源合一、一塔两用，既环保又节约，是现在应该推广实用的新能源技术。

1 热源塔的工作原理及其影响因素

热源塔热泵的工作原理[5,6]就是在夏季工况的时候热源塔就作了冷却塔，利用高焓值进行循环水在换热层表面形成水膜直接与低焓值空气充分接触，高焓值的水膜表面的水蒸气的压力就会高于空气中水蒸气的压力值形成压力差这就使得水分蒸发然后循环水温度降低，为水循环制冷空调提供了冷源。冬季工况下热源塔的工作介质变成了低温防冻溶液，热源塔与蒸发器连接，蒸发器吸收防冻溶液，溶液在进入填料层与空气换热，吸收的热量经过冷凝器传给用户。

热源塔热泵系统冬季换热器[7-9]工作工况还分为，干工况、湿工况、结霜工况。当换热器表面的温度高于空气的露点温度时处于干工况，此时空气的显热交换量与换热器内溶液得失热量相等。当换热器表面的温度低于空气的露点温度而高于零度时处于湿工况下，此时空气的显热与潜热交换量的总和与换热器内溶液的得失热量相等，而当换热器表面的温度低于零度时处于结霜工况下，当换热器表面刚开始结霜的时候，换热器的换热效率会相应的增加主要是因为刚开始结晶时增加了换热器的面积从而增加了它的换热效率，但随着结霜情况越来越严重，结霜面积越来越大。系统继续运用会增加机组的额外负担，而影响整个换热效率。

闭式热源塔的循环介质一直是在管道内流动，主要是应用翅片换热器与外界空气进行换热，喷淋装置内装的是防冻溶液，主要是在冬季喷洒到翅片换热器上防止换热器结霜，防冻溶液与循环介质并不混合。

开式热源塔则是循环介质在管道内流动，经过喷淋装置，喷淋到填料层上与空气换热，管道内的循环介质与喷淋溶液是混合的，并且开始热源塔在喷淋时介质是与空气进行接触的。

热源塔热泵系统的影响因素也是挺多的。在热源塔进行工作的时候，不同的溶质类型对于热源塔系统性能影响是不一样的，在热源塔内应用水作为吸热溶质的话，会使得冷水机组中产生结冰现象影响正常工作严重的情况还可能导致管道和水泵被冻坏，因此并不能像冷却塔一样应用水做溶质，必须寻找一种合适溶液。因此学者提出应用盐溶液代替水作为热源塔中的溶质。并且他们也做了各种实验，但是不同的盐溶液的冰点不同并且冰点也会随着溶液浓度的变化而变化，而且热源塔内的溶液温度较低有可能会产生结晶现象，这对系统的传热效率产生一定的影响。在系统运行中溶质会吸收空气中水蒸气，会使得溶液的浓度逐渐减低，并且盐溶液有腐蚀作用，系统应用时间较长后会使得管道内被腐蚀并且溶液中会掺有一定的杂质。而且不同的换热器对于热源塔热泵系统的换热效率也有一定的影响，换热器的类型可以分为，直肋翅片、圆形翅片、矩形翅片以及圆形翅片。对于不同类型的翅片以及翅片间距对于换热器都会产生影响。而前人对于防冻溶液以及换热器翅片类型翅片间距以及换热器排列方式等做了研究，但是对于热源塔热泵系统还有很多问题需要我们进一步研究，从而使得热源塔能够得到更好的发展与推广。

2 热源塔热泵的国内外研究现状

到目前为止对于热源塔的研究主要有：热源塔内部传热传质的过程，热泵系统及热源塔翅片换热器几何结构参数等对于新型热源塔热泵系统的影响与发展。

对开式热源塔的研究主要有，吴丹萍[11]在对不同溶质对热源塔热泵系统的研究中表明使用LiCl溶液比使用CaCl2溶液系统的危险时间点要落后，也说明LiCl溶液有更高的稳定性比CaCl2盐溶液更易于用在热源塔热泵中。但是盐溶液对于热源塔系统输送管道内具有一定的腐蚀作用，本文没有提出详细措施进行改善。Kashinath R Patll[13,14]对不同的溶液在不同的温度下，不同浓度下对于热源塔吸收热量的性质进行了研究，并将结果和拟合的公式列出来。刘成兴[15]对逆流式热源塔的传热传质与凝水调节进行了研究，使得热源塔内的水可以实现自平衡。苏湛航[19]等对开式热源塔的载流进口温度、流体流量以及进口空气流量等进行另外分析。得出：载热流体的吸热量随着流体进口温度的升高而逐渐降低，热源塔吸热效率随着流体流量和流体进口温度影响。张晨，杨洪海[20]等人对开式热源塔的工作原理以及结构特点做了分析，使我们充分了解了开式热源塔系统。

总结：对于开式热源塔的研究着重于溶液的选择、内部的传热传质过程以及载流体的进出口温度对于热源塔换热效率的影响。但是对于在使用CaCl2溶液时对于热源塔的腐蚀问题以及在平均室外温度为30℃、0℃以及-3℃时CaCl2溶液应该控制在什么浓度范围内才可以使热源塔换热性能较好，还有喷淋溶液流量应该控制在什么范围内才可以使热源塔换热性能较好的研究较少因而值得我们去思考。

对闭式热源塔的研究主要有：Li[10]对热源塔热泵的性能进行了研究，指出了随着室外温度在一定范围内的升高，空调的能效比也会有一定的升高，从而提高了空调的效率。梁彩华、文太先[12]等对热源塔热泵系统构建以及实验进行了研究得出：（1）压缩机的耗功与制热量会随着温差的增大而减小，温差增大1.5℃压缩机耗功减少0.1kW，制热量减少0.8kW；（2）随着热源塔溶液进口温差的增大热泵的COP值会有相应的减小，当溶液进出口温差增大为1.5℃，热泵COP减少0.3；（3）热泵的蒸发温度会随着热源塔溶液进口温差增大而减小，当蒸发温度降低4.4℃时，空气与蒸发温度的温差增大4.32℃。张晨、刘秋克[16]等对三种形式的热源塔进行了研究比较，进而得出闭式热源塔是最符合现代环境技术要求的新型、高效率、低能耗的技术。Giulio Croce[17]等对翅片换热器传热传质进行了数值模拟，得出：进行数值模拟与实验分析的差距不大并且证实了影响翅片换热器传热传质的因素是水膜的结构，并且用实验证实了在它会被聚集成水滴而不是流动的水膜，并且会对换热器的壁温和翅片间流动的水以及翅片间干湿区域的评估有影响，因此本文希望学者们可以深入的去总结一套完整的扩散方程的组合以解决此问题。Aytunc, Erek[18]等人对换热器的几何结构进行研究得出：当换热器圆管管径的椭圆率增加，换热效率也会增加，椭圆率对于换热器压力下降也有一定影响并且椭圆形管比圆形管具有更小的阻力的特点，因而在动力学领域内应用更广泛。章文杰，李念平[21]等人对热源塔内部的响遍潜热能做了研究，得出：（1）冬季工况下在一些高湿地区热源塔热泵系统换热是会有潜热交换，对此类交换应该做一些深入的研究；（2）在热源塔换热系统中循环溶液的出口温度波动是由于内部潜热交换影响的。因而指出在一些高湿地区应该注重潜热变化，并且对于潜热交换的研究更深入，使得热源塔热泵系统在高湿地区可以推广。文先太，梁彩华[22]等对热源塔的潜热交换进行研究，得出：（1）溶液的进口温度从-2℃增加到4℃时潜热量从27%变为无潜热交换；（2）当风量从286m3/h到447m3/h时潜热交换从9%增加到无潜热交换；（3）溶液流量增加使得潜热交换比也相应的增加而室内干球温度的增加使得潜热量减小显热量增加。黄从建，李念平[23]等人分析了冬季干工况下闭式热源塔的传热特点并且建立了传热方程，以及换热效率方程，并通过实验分析了翅片换热器几何结构对于换热量的影响。得出：翅片间距增大降低了换热量，而增大盘管管径增大换热量。

总结：对于闭式热源塔较开式热源塔的好处是不会飘洒污染物对于环境有一定的保护，但对于翅片换热器形状的研究较少因此值得我们深入研究，对于现在全球环境变化恶劣，因而有可能闭式热源塔换热器也会结霜因而与新型可再生能源的结合应值得重视。

3 热源塔热泵系统的应用

热源塔热泵技术最早是在日本应用——横滨竞技场和名古屋[24]取名为采热塔。

热源塔最先被广泛了解的是2008南方经受百年一遇的雪灾在此期间湖南湘西吉首市金煌宾馆[25]安装了热源塔热泵系统，在遭遇冰灾时由于气温较低空气的湿度较大，大量的热量被湿空气蒸发而带走，各种风冷热泵供热设备由于气温的影响被停止运行，在这种情况下金煌宾馆确可以利用热源塔热泵技术为客房提供28-32度左右的温度，还可以让宾客正常使用日常用水。至此之后许多学者对于热源塔热泵开始进行研究，刘秋克对于热源塔在我国南方的应用做了适应性的实验，并且结合湖南当地的工程实例进行了各项性能技术的分析。结果得出热源塔热泵在我国南方可以得到良好的使用。

上海虹桥机场航管办公楼[26]就利用了热源塔热泵技术，由于原建筑中央空调系统冷冻机在夏季是制冷效率低，在冬季时能耗比较高，并且燃油产生了大量的污染物，因此改换了设备，在这种大型的空间内由于热源塔热泵的使用使得空调机房的设备更加紧凑，自动化程度更高，节能效率提高。

浙江桐庐大酒店也采用了闭式热源塔。

热源塔与太阳能结合运用，既可以吸收空气中的能量也可以吸收太阳能，实现双热源热泵系统。现在有许多学者开始研究热源塔与地热能相结合，地热能的利用率一般可以达到50%-70%，而且开发时间少，投资较少，并且地热可以直接利用较方便因而是难得的新型能源系统。

在我国长江流域以南的地区，夏季炎热，冬季阴雨连绵潮湿寒冷的地区，热源塔热泵正好利用这一环境因素来为居民提供冷热源，热源塔热泵技术在我国南方得到了应用。

湖南长沙地区属于夏热冬冷地区，春末夏初多雨，夏末秋初多旱。全年无霜期约275天，年均降水量约1422.4毫米。而热源塔热泵系统既可以进行潜热交换也可以进行显热交换，也可以避免结霜现象。因而热源塔热泵系统适合与长沙等夏热冬冷地区发展。

4 结论与展望

（1）热源塔用作空调冷热源系统，是一种新型节能系统，并且一塔两用，尤其适用于夏热冬冷地区，改善了空气源热泵冬季结霜以及地源热泵使用首先的问题，符合国家大力倡导的节能和环保的要求。

（2）对于热源塔热泵系统国内外已经做出了多项研究，例如：防冻溶液的选择，翅片换热器的几何结构参数的影响、热源塔内部传热传质的分析、换热效率的影响因素等等。但是对于翅片换热器中翅片类型的传热传质模拟实验，喷淋液的喷淋过程中热源塔内部传热传质的模拟以及喷淋液的浓缩和热源塔与其他新型能源的结合等研究还略显不足。

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Research and Development of the Heat Source Tower

Bai Yunyun1Xiang Liping1,2Ouyang Qin1Xia Xiaokang1

( 1.Hunan university of technology, School of civil engineering, Zhuzhou, 412007;2.Hunan university of science and technology of coal mine safety mining technology in hunan province key laboratory, Xiangtan, 411201 )

This paper mainly introduces the equipment structure characteristics and working principle of the heat source tower, as well as the heat source tower finned heat exchanger structure parameters and the influence of the antifreeze solution and in working condition of dry and wet conditions, and the frost conditions of heat and mass transfer principle. Through the analysis, think dual heat source heat pump system is a kind of towers, high efficiency and energy saving of new practical technology. The new system is especially suitable for hot summer and cold winter region, not only solved the winter frost air source heat pump system and the problem of the limited use of ground source heat pump system, is worthy of our in-depth research and extension.

Heat source tower; Heat and mass transfer; Finned heat exchanger; Cold and heat source

1671-6612（2017）02-224-05

TK121

A

煤矿安全开采技术湖南省重点实验室开放基金资助项目

白运运（1990.8-），女，在读研究生，E-mail：1540056492@qq.com

向立平（1977.9-），男，博士，副教授

2016-05-09