1、暖通空调在线 http:/暖通空调在线 http:/ 专题研讨暖通空调犎犞牔犃犆 年第卷第期 能源塔热泵系统及其供热运行性能分析烟台蓝德空调工业有限责任公司孟庆山张战张新力冯海摘要介绍了能源塔热泵系统的原理和载冷剂溶液的性质，建立了吸湿量的数学模型，实测分析了能源塔热泵在不同湿球温度下的制热量和制热性能系数（犆犗犘）。结合南京地区应用实例，计算了供热季节性能系数（犎犛犘犉）。结果显示，能源塔热泵系统在湿度较大的长江流域有广阔的应用前景。关键词能源塔热泵系统供热季节性能系数吸湿量湿球温度犈狀犲狉犵狔狋狅狑犲狉犺犲犪狋狆狌犿狆狊狔狊狋犲犿狊犪狀犱狋犺犲犻狉犺犲犪狋犻狀犵狆犲狉犳狅狉犿犪狀犮犲犪狀犪
2、犾狔狊犲狊犅狔犕犲狀犵犙犻狀犵狊犺犪狀，犣犺犪狀犵犣犺犪狀，犣犺犪狀犵犡犻狀犾犻犪狀犱犉犲狀犵犎犪犻犃犫狊狋狉犪犮狋 犘狉犲狊犲狀狋狊狋犺犲狅狆犲狉犪狋犻狅狀狆狉犻狀犮犻狆犾犲狅犳狋犺犲犲狀犲狉犵狔狋狅狑犲狉犺犲犪狋狆狌犿狆狊狔狊狋犲犿犪狀犱狋犺犲狆狉狅狆犲狉狋犻犲狊狅犳狉犲犳狉犻犵犲狉犪狋犻狀犵犿犲犱犻狌犿狊狅犾狌狋犻狅狀，犪狀犱犲狊狋犪犫犾犻狊犺犲狊犪犿犪狋犺犲犿犪狋犻犮犪犾犿狅犱犲犾狅犳犺狔犵狉狅狊犮狅狆犻犮犮犪狆犪犮犻狋狔犜犲狊狋狊犪狀犱犪狀犪犾狔狊犲狊狋犺犲犺犲犪狋犮犪狆犪犮犻狋狔犪狀犱狋犺犲犮狅犲犳犳犻犮犻犲狀狋狅犳狆犲狉犳狅狉犿犪狀犮犲（犆犗犘）狅犳犲狀犲狉犵狔狋狅狑犲狉犺犲犪狋
3、狆狌犿狆犪狋犱犻犳犳犲狉犲狀狋狑犲狋犫狌犾犫狋犲犿狆犲狉犪狋狌狉犲狊犠犻狋犺犪狀犪狆狆犾犻犮犪狋犻狅狀犲狓犪犿狆犾犲犻狀犖犪狀犼犻狀犵，犮犪犾犮狌犾犪狋犲狊狋犺犲犺犲犪狋犻狀犵狊犲犪狊狅狀犪犾狆犲狉犳狅狉犿犪狀犮犲犳犪犮狋狅狉（犎犛犘犉）犜犺犲狉犲狊狌犾狋狊犺狅狑狊狋犺犪狋狋犺犲犲狀犲狉犵狔狋狅狑犲狉犺犲犪狋狆狌犿狆狊狔狊狋犲犿犻狊犳犲犪狊犻犫犾犲犻狀狋犺犲犺犻犵犺犺狌犿犻犱犻狋狔犪狉犲犪狊狊狌犮犺犪狊狋犺犲犢犪狀犵狋狕犲狏犪犾犾犲狔犓犲狔狑狅狉犱狊 犲狀犲狉犵狔狋狅狑犲狉犺犲犪狋狆狌犿狆狊狔狊狋犲犿，犺犲犪狋犻狀犵狊犲犪狊狅狀犪犾狆犲狉犳狅狉犿犪狀犮犲犳犪犮狋狅狉，犺狔犵狉狅狊犮狅狆犻犮犮犪
4、狆犪犮犻狋狔，狑犲狋犫狌犾犫狋犲犿狆犲狉犪狋狌狉犲犢犪狀狋犪犻犔犪狀犱犃犻狉犆狅狀犱犻狋犻狅狀犻狀犵犐狀犱狌狊狋狉狔犆狅，犔狋犱，犢犪狀狋犪犻，犛犺犪狀犱狅狀犵犘狉狅狏犻狀犮犲，犆犺犻狀犪 引言目前，建筑的空调和生活热水供应，多采用冷水机组加锅炉、直燃型吸收式冷热水机组等方式，运行费用高，消耗一次能源多，排放有害气体，污染环境。在新建建筑中推广利用热泵技术，并对既有建筑的空调系统进行节能改造势在必行。但空气源热泵在湿度大的地区冬季供暖运行结霜现象严重，故障率高，需要辅助电加热，运行效率较低；地源热泵需要打井埋管空间，系统占地面积大，初投资费用高，存在冬夏季冷热平衡问题；水源热泵需要具备地表水或
5、地下水利用条件，地方政府为了水源的有序开发利用也制定了很多限制措施。能源塔热泵系统是近年新推出的一种应用形式，不受地质条件限制，初投资低，适用于冬季湿球温度在以上的地区，具有较大的节能潜力。能源塔热泵系统冬季利用凝固点较低的溶液提取空气中的热量，夏季转换为高效冷却塔，可以实现热回收功能，全年提供生活热水。 能源塔热泵系统简介具有热回收功能的能源塔热泵系统如图所示，冬季供暖或制取生活热水时，能源塔作为热源连接蒸发器，空调用冷凝器连接系统末端散热；夏季制冷时，通过水路切换，能源塔连接到空调用冷图 能源塔热泵系统供暖运行示意孟庆山，男，年月生，大学，副总工程师烟台市莱山区蓝德路号（）：收稿日期：一次
6、修回：二次修回：暖通空调在线 http:/暖通空调在线 http:/ 暖通空调犎犞牔犃犆 年第卷第期专题研讨凝器上，作冷却塔使用，蒸发器连接系统末端。生活热水用冷凝器与热水箱连接，在空调制冷的同时通过热回收制取生活热水，其他季节利用能源塔制取生活热水。由于闭式塔从空气中吸收热量时存在二次换热，吸热效率低，在盘管外壁容易结霜，甚至出现冻冰现象，能源塔通常采用开式结构。在开式系统中，载冷剂溶液的浓度和液位是变化的。能源塔热泵机组具有密度检测装置，可以在线检测、控制载冷剂溶液的密度和凝固点。系统中还设置了加药罐和溶液集药箱。 载冷剂溶液载冷剂溶液主要由氯化钙（）或氯化镁（）等无机盐配制而成，以降低溶
7、液的凝固点。由于凝固点温度越低，需要的溶液浓度越大，密度越大，流动阻力增加，同时比热容减小，输送相同热量所需溶液的流量增大，循环泵消耗功率也将增大。因此，载冷剂溶液只要使凝固点温度不低于系统运行可能出现的最低温度即可，一般取的安全余量。运行时，图中热泵机组的检测装置随时监测溶液的密度，换算成对应的凝固点温度，并与蒸发器出水温度进行对比，根据式（）的要求，给出溶液浓度的控制信号。狋狋狋狋狋（）式中狋为溶液凝固点温度，；狋为环境湿球温度，；狋为能源塔与环境的换热温差，；狋为热泵机组蒸发器进出水温差，；狋为设定的安全余量，。例如环境湿球温度为，能源塔与环境的换热温差为，热泵机组蒸发器进出水温差为，此
8、时能源塔出水温度即机组蒸发器的进水温度为，热泵机组蒸发器进出水温度为，要保证的溶液不凝固，考虑的安全余量，溶液的凝固点温度需要低于。为了降低对金属的腐蚀性，要将溶液调控到偏碱性环境，取值为左右。 能源塔吸湿量在能源塔载冷剂与空气直接接触过程中，同时有热量和质量的传递。载冷剂随着环境空气温度及湿度的变化，可能会因吸湿而稀释或因挥发而浓缩。图是能源塔换热过程中空气进、出风的焓湿图，图中近似地以等焓线代替等湿球温度线，为图 能源塔换热焓湿图相对湿度。溶液换热升温，空气是降温，等湿线犱上是临界过程，从犃点到犅点，如果犃点在等湿线犱左侧犃的位置，含湿量增加，溶液是挥发过程；如果犃点在等湿线犱右侧犃的位置
9、，含湿量减小，溶液是吸湿过程。湿空气的比焓犺是温度狋和含湿量犱的函数：犺狋犱（狋）（）而含湿量可通过式（）表示为犱狆，犅狆，（）式中狆，为饱和空气的水蒸气分压力，；犅为大气压力，。将式（）代入式（），犃点的比焓可表示为犺犃犳（狋犃，犃）（）能源塔热泵系统运行热平衡后，热泵机组蒸发器提取的热量为犙犘犌犅犅犺犅犌犃犃犺犃（）式中犙为热泵主机制热量，；犘为主机电动机功率，；犌为能源塔空气体积流量，；为空气密度，。根据式（），犺犅可以表示为犺犅犙犘犌犃犃犺犃犌犅犅（）经过充分换热，能源塔排风相对湿度犅是由溶液浓度和能源塔结构决定的临界相对湿度，从式（）可得到犅点的含湿量，通过式（）计算得到能源塔的吸湿
10、量。犱犅犳（犺犅，犅）（）犠犌犃犃犱犃犌犅犅犱犅（）根据以上方法，型能源塔热泵机组满负荷运行，载冷剂溶液质量分数为时，理论吸湿量与空气状态的关系如图所示。在暖通空调在线 http:/暖通空调在线 http:/ （）孟庆山，等：能源塔热泵系统及其供热运行性能分析 图 能源塔吸湿量与空气状态的关系湿球温度为，相对湿度为时，吸湿量和挥发量基本持平，相对湿度增加，吸湿量增大，湿球温度越高，变化趋势越明显。在相同的环境温度下，相对湿度越大，对应的湿球温度越高，同时吸湿量越大，吸湿过程伴随水蒸气汽化潜热的释放，相变热量绝大部分被溶液吸收，能源塔出水温度越高，越有利于制热性能系数的提高。图为具有代表性的南京
11、地区年月日的逐时气象数据曲线，随着昼夜温度的变化，相对湿度在之间变化。由于相对湿度在不断变化过程中，所以能源塔系统本身具有溶液浓度自平衡能力。当相对湿度多日持续较高时，溶液通过图中的溢流口回收到溶液集液箱中，当溶液挥发后再通过加药泵补充到系统中。溶液浓度稀释变低或气温突降需要增加溶液浓度时，主机控制加药电磁阀从加药罐向系统自动加药。图 逐时气象数据曲线 能源塔热泵的供热季节性能系数犎犛犘犈美国能源部和制冷空调与供暖协会（）提出用供热季节性能系数犎犛犘犈（）作为评价热泵性能的指标，并且提出以温度频段法来估算犎犛犘犉的值，即犎犛犘犉犻犽（犎犔犽犖犽）犻犽（犘犽犇犽犖犽）犻犽（犃犽犖犽）（）式中犻为
12、供暖季的温度频段数；犎犔犽为第犽个温度频段建筑物热负荷，；犖犽为第犽个温度频段的时间，；犘犽为第犽个温度频段热泵的耗能量，；犇犽为第犽个温度频段的部分负荷因数；犃犽为第犽个温度频段的辅助加热量，。由于能源塔热泵机组不使用辅助电加热，犃犽，认为建筑物的热负荷近似等于热泵机组提供的热量，式（）可简化为犎犛犘犉犻犽（犙犽犇犽犖犽）犻犽（犘犽犇犽犖犽）（）式中犙犽为第犽个温度频段热泵提供的热量，。在不同的环境温度下，设备的负荷率不同。根据机组的选型，假设湿球温度低于时设备满负荷运行，湿球温度高于时设备的部分负荷系数为，之间线性变化，表示为犇犽（狋）狋狋狋狋烅烄烆（）部分负荷系数受建筑结构、设备选型、使
13、用管理、环境温度等多种因素的制约，部分负荷系数不同，对犎犛犘犉略有影响。 能源塔热泵的实测性能冬季室外空气的状态参数对能源塔热泵系统容量和制热性能系数（犆犗犘）的影响很大。图是型能源塔热泵机组主机在冬季制图 制热量、耗电量及制热性能系数随湿球温度的变化暖通空调在线 http:/暖通空调在线 http:/ 暖通空调犎犞牔犃犆 年第卷第期专题研讨热运行、冷凝器出水温度保持时，实测的制热量、耗电量及制热性能系数随环境湿球温度的变化。从图可以看出，热泵机组的制热量随着湿球温度的降低有明显衰减，但耗电量只是略减，所以对应的犆犗犘的变化也比较明显，湿球温度每下降，犆犗犘下降，温度越低下降幅度越大；在测试的
14、最高湿球温度时，制热量为，犆犗犘值高达；湿球温度在附近时，蒸发器的出水温度为，接近水源热泵机组规定的水源热泵制热工况，制热量，犆犗犘值为；湿球温度是能源塔热泵系统设定的额定工况，此时制热量为，是水源热泵工况下的，犆犗犘值为；湿球温度是测试的最低温度，此时制热量为，犆犗犘值仍达。 系统应用实例南京某三星级旅游涉外酒店，主楼的客房面积为，裙楼的大堂、办公区、餐厅及俱乐部总建筑面积为，设计冷负荷为，空调热负荷为，热水负荷为。该酒店选用型能源塔热泵机组台，型、型全热回收热泵机组各台。夏季，台机组同时使用，满足空调需求，其中台全热回收型热泵机组回收热量制取生活热水，不平衡的冷热负荷由机组通过能源塔自动调
15、整；冬季，台机组满足供暖需求，台热回收型热泵机组制取生活热水；过渡季节，只由台热回收型热泵机组制取生活热水。南京地区冬季平均气温，月平均气温。图是根据南京地区气象数据绘制的最近年月日至月日逐日最高气温、最低气温和平均相对湿度曲线，最低温度只有天达到，平均相对湿度在之间，适宜能源塔热泵机组的运行。图 逐日气象数据曲线南京地区年月日至年月日的温、湿度时间统计数据见表。表 南京地区冬季温、湿度时间统计温度相对湿度 根据表、图和式（），对南京地区在不同湿球温度下的能源塔热泵性能进行分析，可得出如表所示的数据，代入式（），年月日至年月日的能源塔热泵供热季节性能系数犎犛犘犉。表 不同湿球温度下能源塔热泵性
16、能分析湿球温度时间制热量耗电量部分负荷因数如果将供热季节延长到月日至次年月日，犎犛犘犉的值会更高。考虑到过渡季节生活热水制取和夏季的热回收，该酒店的运行费用大大低于空气源热泵或冷水机组加锅炉等传统方式。 适用区域图为我国月平均气温图，度线以南区域，冬季湿球温度基本高于，是能源塔热泵陶玫，项瑛，肖卉江苏省年冬季气候影响评价江苏省气候中心，暖通空调在线 http:/暖通空调在线 http:/ （）孟庆山，等：能源塔热泵系统及其供热运行性能分析 图 我国月平均气温图机组的适用范围。淮河秦岭以南，尤其长江流域，空气相对湿度较大，夏季热负荷大于冬季冷负荷，基本不需要增加设备功率就可满足冬季的热需求，有着
17、广阔的应用前景。我国其他地区也可应用能源塔热泵技术，在春、夏、秋季制取热水，冬季湿球温度低于的很短时间内再辅以其他加热措施。 结论 在湿球温度高于、相对湿度较大的地区，采用能源塔热泵供暖或制取生活热水的方案是可行的，弥补了地源热泵和空气源热泵的局限和不足。能源塔系统制热时不会结霜，不需融霜，不需要辅助电加热，制热、制冷能效都高于空气源热泵，已经在多个工程中得到成功实践，运行效果符合预期。 能源塔热泵主机的工况与水源热泵有很大差异，常规水源热泵较难适应高压差的运行工况。能源塔热泵蒸发器采用满液式可以减小换热温差，需要采取防腐措施。热泵机组的凝固点保护值需要根据载冷剂溶液密度和环境温度的变化调整，
18、检测装置在线监测溶液的密度，当稀释变低或气温突降需要增加溶液浓度时，从加药罐向系统自动加药。 能源塔的风道与水路流程是根据吸热特性设计的，与冷却塔不同，系统设计时要充分考虑溶液吸湿对运行的影响。特殊设计的能源塔本身具有溶液浓度自平衡能力，当相对湿度持续较高时，溢出溶液回收到溶液集液箱中，当溶液挥发后再补充回系统中。 湿球温度是能源塔热泵系统的额定工况，此时热泵机组的制热量只有水源热泵机组制热工况下的，需要根据制热量的衰减合理选择机型。 能源塔热泵系统不仅可在新建建筑中推广，更适宜于既有建筑空调系统的节能改造。参考文献：赵荣义，范存养，薛殿华，等空气调节版北京：中国建筑工业出版社，孟庆山，陈金花
19、，顾全局，等能源塔自动加药装置：中国，龙惟定，范存养上海地区空气热源热泵的应用与展望暖通空调，（）深圳麦克维尔空调有限公司，合肥通用机械研究所 水源热泵机组北京：中国标准出版社，檹檹檹檹檹檹檹檹檹檹檹檹檹檹檹檹檹檹檹檹檹檹檹檹檹檹檹檹檹檹檹檹檹檹檹檹檹檹檹檹檹檹檹檹檹（上接第页）值之间的比较，显示出比较接近的结果，同时峰值与振幅也比较吻合。由于在用数值方法求解能量方程时采用了三阶精度，所以计算结果没有出现发散点，该方法可应用于集中供热系统的优化运行，从而达到提高供热系统热效率的目的。下一步的研究将建立一个能够反映热力站动态行为的模型，同时提出更适合于供热系统在各种热状况下最优化运行的运算法则。参考文献：单兴卓节能技术和措施在集中供热系统中的应用分析天津：天津大学，（）：，（）：贺平，孙刚供热工程北京：中国建筑工业出版社，（）：
