空氣源熱泵和能源塔熱泵的對比研究

李子為

摘要：隨著社會的發展，能源匱乏和環境污染成為人們面臨的重要問題，因此節能減排成為社會發展的必然趨勢。空氣源熱泵和能源塔熱泵作為可再生能源的利用方式，在人們的生活中應用越來越多，本文通過對空氣源熱泵和能源塔熱泵熱水系統進行分析，對空氣源熱泵和能源塔熱泵進行了對比研究

關鍵詞：空氣源熱泵 能源塔熱泵 研究

一、空氣源熱泵的工作原理

空氣源熱泵熱水機主要由冷凝器、壓縮機、儲液器、過濾器、膨脹閥、蒸發器等部分構成，其工作原理如圖1所示：

當空氣源熱泵機組運行時，低壓狀態下的液態制冷劑會流經蒸發器，此時其能夠從溫度相對較高的空氣中吸收熱量，并從液態變為氣態。隨后制冷劑會進入壓縮機，通過壓縮機做功使制冷劑的壓力和溫度升高，使之從低溫低壓制冷劑轉化為高溫高壓的蒸汽。之后，壓縮機將高溫高壓的蒸汽排到冷凝器中，在冷凝器中制冷劑將獲取的熱量傳遞給冷水，冷水吸熱溫度升高，而此時高溫高壓狀態下的制冷劑則轉化為低溫高壓的液態制冷劑，并從冷凝器流到膨脹閥中，并經過絕熱膨脹過程降低壓力，變成低溫低壓的液體，再次流入蒸發器之中并蒸發為氣態。制冷劑在蒸發器，壓縮機，冷凝器，以及膨脹閥之間不斷地循環，從而將冷凝器中的低溫冷水不斷加熱，直到降水加熱到設定的溫度。

二、能源塔熱泵的原理和特點

能源塔熱泵的原理是利用水和空氣接觸時的熱質交換來將空氣中的熱量傳遞給水。在冬季，能源塔熱泵機組需要消耗部分電能，并且通過利用氯化鈣等冰點低于零度的載體介質來提取空氣中的低品位熱能，然后將其轉化成大量的高品位熱能，從而起到供熱或者提供熱水的作用。在環境溫度較高的春夏秋三季，可以將能源塔作為熱源來制取熱水，并且在夏季還可以為熱泵機組冷凝器提供冷卻水，作為冷卻塔使用。

能源塔熱泵系統具有節能效果顯著、環保作用突出、機組壽命長、應用范圍廣、系統設計簡單、適用性強等特點。能源塔熱泵系統的平均能效比可以達到4.5，具有顯著的節能效果，與風冷熱泵相比可節能30%以上；能源塔熱泵系統利用空氣中的能量，屬于可再生能源，因此其工作時能夠降低一次能源的消耗，同時減少廢水、廢氣的排放，具有突出的環保作用；能源塔熱泵相較于風冷熱泵，在全年工作運行情況下磨損更輕，使用壽命更長；能源塔熱泵應用范圍廣，由于其不受地質條件限制、不依賴于地下水、地表水，且噪音較小，能夠適用于室外濕球溫度高于-9℃的長江以南地區的特點，使其相較于地源熱泵系統、水源熱泵系統和風冷熱泵系統擁有更廣泛的應用范圍。此外，相較于其他熱泵系統，能源塔熱泵在設計時需要考慮的問題更少，設計更簡單，并且具有很好的適用性。

三、空氣源熱泵和能源塔熱泵的對比研究

通過實驗探究，空氣源熱泵和能源塔熱泵在不同溫度下加熱相同體積的水升高相同溫度的COP值如表1所示：

通過實驗和表中數據進行分析，發現在冬季能源塔熱泵的運行能效要高于空氣源熱泵，而在夏季情況下則正好相反，空氣源熱泵的運行能效要優于能源塔熱泵。這是由于在冬季，長江中下游地區的氣候濕冷，空氣溫度低，在溫度低于5℃時冷凝溫度就會低于0℃。在這樣的條件下空氣源熱泵的冷凝器翅片會出現結霜的現象，這會對傳熱效果造成不利的影響，在其運行過程中需要進行不斷的融霜來維持主機的正常運行，這就會嚴重降低主機的加熱能力和效益。《建筑給水排水設計規范》規定冬季最冷月平均溫度小于10℃時應設置輔助加熱設備也是出于此原因。與空氣源熱泵不同的是，能源塔熱泵實質上是一組水源熱泵，熱媒流體介質在蒸發器吸收冷量后排至能源塔，通過與空氣的充分交換后吸收熱量回到蒸發器繼續吸冷。能源塔的作用實質上就是冷卻塔的逆過程，也就是所謂的吸熱冷凝，在冬季能源塔的流體介質需要在低于0℃的環境下工作，因此需要采取冰點較低的防凍劑。雖然能源塔和空氣塔一樣，最終都是在空氣中抽取熱量，但是由于不會出現結霜的情況，不需要進行融霜，因此系統的運行效率較高，這也是在冬季能源塔熱泵比空氣塔熱泵運行能效高的原因。在夏季，由于環境溫度較高，此時能源塔內空氣與蒸發器介質的交換是冷凝和蒸發的平衡，而蒸發散熱會影響能源塔的吸熱效果，導致了能源塔熱泵能效相對較低。

參考文獻

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（作者單位：江蘇大學）