热源塔热泵冬季供暖性能实测分析

熊 磊 杨露露 肖劲高



热源塔热泵冬季供暖性能实测分析

熊 磊1杨露露1肖劲高2

（1.重庆大学 重庆 400045；2.贵州合心慧能科技有限公司 贵阳 550002）

热源塔热泵技术在南方地区具有良好的节能和环保效益，近年来正在南方地区逐渐推广开来。通过对重庆市某实际工程所采用的热源塔热泵系统进行测试分析，探索其在重庆地区是否适用。在空气干球温度为9℃-15℃，相对湿度为55%-65%，主机热水进出口温差为1.9℃-2.3℃，主机功率为144kW-155kW，源侧泵和用户侧泵功率为17kW-18kW，热源塔风机功率为34kW-35kW的试验条件下，该热泵机组的主机冬季制热性能系数COP为3.61-5.19，系统冬季制热综合性能系数SEER为1.84-2.66。在空气干球温度为12℃-14℃时，热泵机组的COP值在4.5-5.2之间，处于高效运行；同时热源塔的换热效率高达67%-74%，具有良好的换热性能。

热源塔；热泵；换热效率；COP

0 引言

随着生活水平的提高，南方地区对冬季供暖的需求日益增加。由于传统的冷热源方案在南方低温高湿地区供暖的制约，热源塔热泵应运而生。

由于热源塔热泵技术在南方地区具有节能优势和推广价值，目前很多学者对热源塔进行了深入研究。李胜兵等[1]通过对闭式热源塔和开式热源塔搭建系统试验台，对南方低温高湿工况下热源塔换热特性进行实验研究，结果表明：相同工况下，开式热源塔的吸热效率平均比闭式热源塔高出35%，开式热源塔更适合南方低温高湿环境。李念平等[2]以某办公建筑为模型，设计了热源塔热泵和空气源热泵两种冷热源方案，并对其进行经济性分析比较。研究表明：热源塔热泵具有初投资低、年综合运行费用低等优势，适合在冬季低温高湿地区推广。徐政宇[3]对开式热源塔冬季换热性能影响因素进行分析，包括入口空气干球温度、含湿量、防冻溶液流量等，并编写了逆流开式热源塔冬季性能计算软件。文先太等[4,5]对不同气液比对热源塔换热性能的影响、溶液再生问题、传热传质特性进行了理论和实验研究。国内吴丹萍[6]研究了不同防冻溶液氯化钙和氯化锂的情况下对热源塔热泵系统的性能影响。国外Manuel[7]对防冻液氯化钙溶液的物性参数和浓度的关系进行了研究。

重庆市作为典型的冬季低温高湿环境的地区，本文欲探究热源塔热泵技术在重庆地区实际工程中是否满足供暖要求，并讨论热源塔的供暖性能。

1 热源塔热泵技术

热源塔热泵是一种以空气为热源，通过塔体与空气进行热量交换，实现制冷、供暖、生活热水三联供的新型节能设备，其系统原理[8]如图1所示。

1-热源塔热泵机组；2-热源塔；3-溶液循环塔；4-压缩机；5-节流阀；6-冷凝器；7-蒸发器；8-热用户

冬季，热源塔是一种可以直接采集室外低品位热源的设备。从热泵机组蒸发器中流出的低温防冻溶液被输送至热源塔内，通过喷淋器被均匀喷淋在具有亲液性填料层的凹凸形波板上，在填料表面形成液膜，直接与温度较高的湿空气充分接触，吸收空气中的热量，提取空气中的低品位热能，温度升高后，再经管道输送至热泵机组的蒸发器，为热源塔热泵系统提供稳定的热量来源。

2 工程应用

2.1 工程概况

本项目为重庆市忠县移民培训就业基地改扩建项目，主楼6层，主要为大堂、餐饮、服务用房、技能培训室、会议室、宿舍；地下一层主要功能为设备用房。本项目属一类高层建筑，高层总面积为2.2万m2，建筑高度28.5m。

经空调负荷软件计算，得到本工程空调面积为16000m2，夏季空调冷负荷为2320kW，冬季热负荷为1340kW。

2.2 冷热源

本项目采用3台螺杆式热源塔热泵机组，单台额定制冷量812kW，额定制热量为813kW，其中一台为全热回收，一台部分热回收，一台没有热回收，热回收机组为该项目提供生活热水。三台机组设于地下室机房内，热源塔设于屋顶。热源塔夏季的循环介质为水，冬季循环介质为防冻溶液，夏季防冻溶液由溶液回收泵收到一层溶液回收水箱内，冬季由溶液补给泵送入系统循环。热泵机组夏季制冷供回水温度为7℃/12℃，冬季供暖供回水温度为45℃/40℃，不同季节运行工况转换时切换管段上的阀门组。

1-1号热泵机组（全热回收）；2-2号热泵机组（部分热回收）；3-3号热泵机组；4-集水器；5-分水器；6-用户侧泵；7-源侧泵；8-热源塔；9-溶液回收池；10-生活热水箱；11-生活热水泵

系统设4台末端循环泵、4台源侧循环泵，三用一备；2台热回收泵，一用一备；1台溶液回收泵、1台溶液补给泵、1台浓缩装置热水循环泵；溶液补给泵设于一层设备房内，其余设备均设在地下室冷热源机房内。根据末端设备使用情况，启动冷热源机组数量，根据生活热水使用情况可以设定空调优先或者制热水优先。冷热源系统如图2所示。

3 实验设计

本项目的冷热源机组由一台具有全热回收的热源塔热泵机组1号、一台具有部分热回收的热源塔热泵机组2号和一台不具备热回收的热源塔热泵机组3号组成，在图2中从左到右依次为1、2、3号。冬季运行时，由1号热泵机组制生活热水；当建筑处于部分热负荷下时，运行3号热泵机组进行供暖；当室外温度过低，建筑室内负荷处于极端负荷时，则同时运行2号机组和3号机组进行供暖。

本实验时，由于室外温度较高，设备运行情况：启动3号热源塔热泵机组，启动4台热源塔，源侧泵和用户侧泵各启动3台。由于热源塔风机以固定功率运行，转速固定，因此可将热源塔空气流量设为不变的常数，通过测量热源塔风口面积和断面风速，得到湿空气流量为25m3/s；防冻溶液采用密度在1130kg/m3左右的CaCl2溶液，并且假定防冻溶液的密度在一定运行时间内变化很小，则定压比热容可以近似为c=3.320kJ/(kg·℃)。

实验中，对温度的测试采用铂电阻温度传感器，并利用无纸记录仪进行记录；对溶液及热水的流量测试采用超声波流量计；利用钳形功率计对机组、水泵以及风机功率进行测量。

测点：T-干球温度；S-湿球温度；Q-流量；V-流速

如图3所示，对热源塔热泵系统进行布点测试。主要测试的物理量有：进口溶液流量m,i、进口溶液温度T,i、出口溶液温度T,o、进口湿空气干球温度T,i、进口湿空气含湿量W,o、出口湿空气干球温度T,o、出口湿空气含湿量W,o、塔内湿空气流量m、进口热水温度T、出口热水温度T、热水流量m以及源侧泵、用户泵和热泵机组的功率。

4 数据分析

在机组连续运行的情况下，对其进行测试并记录。通过数据分析整理，测试结果分析如下：

（1）该热源塔热泵系统以密度在1130kg/m3左右的CaCl2溶液为防冻溶液循环吸收空气低位热能，运行主机名义制热量为813kW。在冬季制热工况下，本次测试时室外空气干球温度在9℃-15℃之间，温度适宜，建筑热负荷不高，因此单独运行一台机组能够满足供暖要求。从测试结果来看，在室外气温9℃-15℃、相对湿度在55%-65%的情况下：该机组的冬季制热性能系数COP值为3.61-5.19；系统冬季制热综合性能系数SEER值为1.84-2.66。

图4 COP、SEER随室外干球温度变化情况

（2）从图4可以看出，热泵机组在不改变运行状态连续运行的情况下，随着室外干球温度的上升，主机冬季制热性能系数COP值和系统冬季制热综合性能系数SEER都呈现增加的趋势，在室外干球温度为12.9℃时COP值取得最大值5.19，当室外干球温度继续上升时，COP值处于一个波动范围，在4.5-5.0之间变化。此时热源塔热泵机组处于高效运行状态。

（3）从图4可以看出，系统冬季制热综合性能系数始终都处于一个较低的水平，在1.84-2.66之间变化，即使机组制热性能系数COP达到最高值5.19，SEER值仍只有2.66。节能设计规范推荐采用“小流量、大温差”的方式来达到节能的目的，从表4可已看出，循环溶液的进出口温差在1.9℃-3.5℃之间，而空调热水的进出口温差仅在1.9℃-2.3℃之间。在要求相同的换热量的情况下，小温差必然导致大流量，而大流量就需要启动更多的泵来达到要求。因此，本次测试运行工况下，源侧泵和用户侧泵各开启3台的方式导致了系统输入功率过大，使得系统冬季制热综合性能系数SEER偏低。

（4）理论上讲，热源塔内的换热过程中，湿空气的失热量应当等于防冻循环溶液的得热量，然而实际运行过程中这却是很难达的。因此，本文定义热源塔换热效率来表征空气与防冻溶液的换热完善程度，其定义公式如下：

式中，Qw为防冻溶液得热量，kW；Qa为湿空气失热量，kW。

如图5所示，在空气干球温度9℃-15℃的环境下，热源塔换热效率在56.39-73.30之间波动。当室外空气干球温度为9℃-13℃时，热源塔换热效率随着空气干球温度的增加呈上升趋势，当空气干球温度为12.9℃时，换热效率最高达到73.3%；当空气干球温度为13℃-15℃时，换热效率在66%-70%之间波动。因此在测试运行条件下，当室外空气干球温度在12℃-14℃时，热源塔取得较高的换热效率。

5 结论

（1）在室外空气干球温度为9℃-15℃、相对湿度为55%-65%，主机热水进出口温差为1.9℃-2.3℃，主机功率为144kW-155kW，源侧泵和用户侧泵功率为17kW-18kW，热源塔风机功率为34kW-35kW的试验条件下，该热泵机组的主机冬季制热新性能系数COP为3.61-5.19，系统冬季制热综合性能系数SEER为1.84-2.66。制热量可以满足设定区域室内的供暖要求。

（2）在室外空气干球温度为12℃-14℃时，结果表明热泵机组的COP值为4.5-5.2之间，处于高效运行。而系统冬季制热综合性能系数SEER为1.84-2.66，始终处于较低水平，经数据分析表明：系统运行方案中源侧泵和用户侧泵开启数量过多，出现“大流量、小温差”的情况，造成能源浪费，系统SEER较低。

（3）本文定义了换热效率来探索热源塔内的换热性能情况，结果表明：当室外空气干球温度在12℃-14℃时，热源塔的换热效率高达67%-74%，具有良好的换热性能。

[1] 李胜兵,李念平,崔海蛟,等.低温高湿工况下热源塔换热特性实验研究[J].科学技术与工程,2017,(5):271-275.

[2] 李念平,张鼎,成剑林,等.热源塔热泵空调系统经济性分析[J].深圳大学学报(理工版),2015,(4):404-410.

[3] 徐政宇.夏热冬冷地区开式热源塔热泵技术的供暖性能研究[D].重庆:重庆大学,2014.

[4] 文先太,梁彩华,张小松,等.热源塔液气比优化分析与实验研究[J].东南大学学报(自然科学版),2011,(4): 767-771.

[5] 文先太,梁彩华,张小松,等.热源塔传质特性的分析和实验研究[J].化工学报,2011,(4):901-907.

[6] 吴丹萍.不同溶质对闭式热源塔热泵系统性能的影响研究[D].长沙:湖南大学,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

贵阳高新区高层次人才创新创业项目支持

熊 磊（1992.08-），男，在读硕士研究生，E-mail：523079875@qq.com

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

2017-04-25