熱源塔的研究與發展

白運運 向立平,2 歐陽琴 夏曉康

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熱源塔的研究與發展

白運運1向立平1,2歐陽琴1夏曉康1

（1.湖南工業大學土木工程學院 株洲 412007；2.湖南科技大學煤礦安全開采技術湖南省重點實驗室 湘潭 411201）

主要介紹熱源塔的設備結構特點及其工作原理，以及熱源塔的翅片換熱器結構參數和防凍溶液的影響和在干工況、濕工況、及霜工況下的傳熱傳質原理。通過分析，認為熱源塔熱泵系統是一種一塔兩用、高效節能的新型實用技術。這項新型系統尤其適用于夏熱冬冷地區，不僅解決了空氣源熱泵系統冬季結霜以及地源熱泵系統使用受限的難題，值得我們深入的研究以及推廣。

熱源塔；傳熱傳質；翅片換熱器；冷熱源

0 引言

當今社會，霧霾現象越來越嚴重，主要原因是因為我們人類對于大自然的破壞。對于樹木大量的砍伐，釋放有害氣體進入大氣環境還有石油和煤炭等一次性的不可再生的能源的利用，對環境造成了一定的影響，而且可使用的能源是有限的[1-3]。那么尋找新型的能源變成一種必然，因而太陽能、地熱能、潮汐能等開始被利用起來。而在建筑環境中就是尋找新型的可循環的冷熱源設備。冷熱源設備在建筑能耗中占有相當大的比重，因此尋找到合理經濟并節約能源的冷熱源設備也是相當重要的[4]。受特定環境的影響，冬季在我國長江流域以南地區，北方冷空氣南下，分別受到云南高原、川西高原、武夷山脈和南嶺山脈的阻滯，而來自南海暖濕氣流又不斷從較低的南嶺山脈越過與冷空氣匯合，使南方地區成為了冷暖氣流的對峙區，低溫高濕是南方地區冬季氣候條件的特點。因此在我國的南方地區要應用較合理的技術可以為人們冬季供暖夏季供冷。

熱源塔熱泵系統就是一種新型的能源系統。該系統不僅解決了冬季空氣源熱泵系統容易結霜的問題，閉式熱源塔熱泵系統還可以防止防凍溶液飄散到空氣中。熱源塔熱泵系統在夏季的時候可以用作冷卻塔使用，并且噴淋循環的是水，因而對于環境并未有太大的影響。在冬季時熱源塔熱泵系統利用換熱器管道內的防凍溶液與外界的空氣進行熱質交換從而為房間內提供熱源。閉式熱源塔在冬季時不進行防凍鹽溶液的噴灑因而不會對外界空氣產生污染。此熱源塔，冷熱源合一、一塔兩用，既環保又節約，是現在應該推廣實用的新能源技術。

1 熱源塔的工作原理及其影響因素

熱源塔熱泵的工作原理[5,6]就是在夏季工況的時候熱源塔就作了冷卻塔，利用高焓值進行循環水在換熱層表面形成水膜直接與低焓值空氣充分接觸，高焓值的水膜表面的水蒸氣的壓力就會高于空氣中水蒸氣的壓力值形成壓力差這就使得水分蒸發然后循環水溫度降低，為水循環制冷空調提供了冷源。冬季工況下熱源塔的工作介質變成了低溫防凍溶液，熱源塔與蒸發器連接，蒸發器吸收防凍溶液，溶液在進入填料層與空氣換熱，吸收的熱量經過冷凝器傳給用戶。

熱源塔熱泵系統冬季換熱器[7-9]工作工況還分為，干工況、濕工況、結霜工況。當換熱器表面的溫度高于空氣的露點溫度時處于干工況，此時空氣的顯熱交換量與換熱器內溶液得失熱量相等。當換熱器表面的溫度低于空氣的露點溫度而高于零度時處于濕工況下，此時空氣的顯熱與潛熱交換量的總和與換熱器內溶液的得失熱量相等，而當換熱器表面的溫度低于零度時處于結霜工況下，當換熱器表面剛開始結霜的時候，換熱器的換熱效率會相應的增加主要是因為剛開始結晶時增加了換熱器的面積從而增加了它的換熱效率，但隨著結霜情況越來越嚴重，結霜面積越來越大。系統繼續運用會增加機組的額外負擔，而影響整個換熱效率。

閉式熱源塔的循環介質一直是在管道內流動，主要是應用翅片換熱器與外界空氣進行換熱，噴淋裝置內裝的是防凍溶液，主要是在冬季噴灑到翅片換熱器上防止換熱器結霜，防凍溶液與循環介質并不混合。

開式熱源塔則是循環介質在管道內流動，經過噴淋裝置，噴淋到填料層上與空氣換熱，管道內的循環介質與噴淋溶液是混合的，并且開始熱源塔在噴淋時介質是與空氣進行接觸的。

熱源塔熱泵系統的影響因素也是挺多的。在熱源塔進行工作的時候，不同的溶質類型對于熱源塔系統性能影響是不一樣的，在熱源塔內應用水作為吸熱溶質的話，會使得冷水機組中產生結冰現象影響正常工作嚴重的情況還可能導致管道和水泵被凍壞，因此并不能像冷卻塔一樣應用水做溶質，必須尋找一種合適溶液。因此學者提出應用鹽溶液代替水作為熱源塔中的溶質。并且他們也做了各種實驗，但是不同的鹽溶液的冰點不同并且冰點也會隨著溶液濃度的變化而變化，而且熱源塔內的溶液溫度較低有可能會產生結晶現象，這對系統的傳熱效率產生一定的影響。在系統運行中溶質會吸收空氣中水蒸氣，會使得溶液的濃度逐漸減低，并且鹽溶液有腐蝕作用，系統應用時間較長后會使得管道內被腐蝕并且溶液中會摻有一定的雜質。而且不同的換熱器對于熱源塔熱泵系統的換熱效率也有一定的影響，換熱器的類型可以分為，直肋翅片、圓形翅片、矩形翅片以及圓形翅片。對于不同類型的翅片以及翅片間距對于換熱器都會產生影響。而前人對于防凍溶液以及換熱器翅片類型翅片間距以及換熱器排列方式等做了研究，但是對于熱源塔熱泵系統還有很多問題需要我們進一步研究，從而使得熱源塔能夠得到更好的發展與推廣。

2 熱源塔熱泵的國內外研究現狀

到目前為止對于熱源塔的研究主要有：熱源塔內部傳熱傳質的過程，熱泵系統及熱源塔翅片換熱器幾何結構參數等對于新型熱源塔熱泵系統的影響與發展。

對開式熱源塔的研究主要有，吳丹萍[11]在對不同溶質對熱源塔熱泵系統的研究中表明使用LiCl溶液比使用CaCl2溶液系統的危險時間點要落后，也說明LiCl溶液有更高的穩定性比CaCl2鹽溶液更易于用在熱源塔熱泵中。但是鹽溶液對于熱源塔系統輸送管道內具有一定的腐蝕作用，本文沒有提出詳細措施進行改善。Kashinath R Patll[13,14]對不同的溶液在不同的溫度下，不同濃度下對于熱源塔吸收熱量的性質進行了研究，并將結果和擬合的公式列出來。劉成興[15]對逆流式熱源塔的傳熱傳質與凝水調節進行了研究，使得熱源塔內的水可以實現自平衡。蘇湛航[19]等對開式熱源塔的載流進口溫度、流體流量以及進口空氣流量等進行另外分析。得出：載熱流體的吸熱量隨著流體進口溫度的升高而逐漸降低，熱源塔吸熱效率隨著流體流量和流體進口溫度影響。張晨，楊洪海[20]等人對開式熱源塔的工作原理以及結構特點做了分析，使我們充分了解了開式熱源塔系統。

總結：對于開式熱源塔的研究著重于溶液的選擇、內部的傳熱傳質過程以及載流體的進出口溫度對于熱源塔換熱效率的影響。但是對于在使用CaCl2溶液時對于熱源塔的腐蝕問題以及在平均室外溫度為30℃、0℃以及-3℃時CaCl2溶液應該控制在什么濃度范圍內才可以使熱源塔換熱性能較好，還有噴淋溶液流量應該控制在什么范圍內才可以使熱源塔換熱性能較好的研究較少因而值得我們去思考。

對閉式熱源塔的研究主要有：Li[10]對熱源塔熱泵的性能進行了研究，指出了隨著室外溫度在一定范圍內的升高，空調的能效比也會有一定的升高，從而提高了空調的效率。梁彩華、文太先[12]等對熱源塔熱泵系統構建以及實驗進行了研究得出：（1）壓縮機的耗功與制熱量會隨著溫差的增大而減小，溫差增大1.5℃壓縮機耗功減少0.1kW，制熱量減少0.8kW；（2）隨著熱源塔溶液進口溫差的增大熱泵的COP值會有相應的減小，當溶液進出口溫差增大為1.5℃，熱泵COP減少0.3；（3）熱泵的蒸發溫度會隨著熱源塔溶液進口溫差增大而減小，當蒸發溫度降低4.4℃時，空氣與蒸發溫度的溫差增大4.32℃。張晨、劉秋克[16]等對三種形式的熱源塔進行了研究比較，進而得出閉式熱源塔是最符合現代環境技術要求的新型、高效率、低能耗的技術。Giulio Croce[17]等對翅片換熱器傳熱傳質進行了數值模擬，得出：進行數值模擬與實驗分析的差距不大并且證實了影響翅片換熱器傳熱傳質的因素是水膜的結構，并且用實驗證實了在它會被聚集成水滴而不是流動的水膜，并且會對換熱器的壁溫和翅片間流動的水以及翅片間干濕區域的評估有影響，因此本文希望學者們可以深入的去總結一套完整的擴散方程的組合以解決此問題。Aytunc, Erek[18]等人對換熱器的幾何結構進行研究得出：當換熱器圓管管徑的橢圓率增加，換熱效率也會增加，橢圓率對于換熱器壓力下降也有一定影響并且橢圓形管比圓形管具有更小的阻力的特點，因而在動力學領域內應用更廣泛。章文杰，李念平[21]等人對熱源塔內部的響遍潛熱能做了研究，得出：（1）冬季工況下在一些高濕地區熱源塔熱泵系統換熱是會有潛熱交換，對此類交換應該做一些深入的研究；（2）在熱源塔換熱系統中循環溶液的出口溫度波動是由于內部潛熱交換影響的。因而指出在一些高濕地區應該注重潛熱變化，并且對于潛熱交換的研究更深入，使得熱源塔熱泵系統在高濕地區可以推廣。文先太，梁彩華[22]等對熱源塔的潛熱交換進行研究，得出：（1）溶液的進口溫度從-2℃增加到4℃時潛熱量從27%變為無潛熱交換；（2）當風量從286m3/h到447m3/h時潛熱交換從9%增加到無潛熱交換；（3）溶液流量增加使得潛熱交換比也相應的增加而室內干球溫度的增加使得潛熱量減小顯熱量增加。黃從建，李念平[23]等人分析了冬季干工況下閉式熱源塔的傳熱特點并且建立了傳熱方程，以及換熱效率方程，并通過實驗分析了翅片換熱器幾何結構對于換熱量的影響。得出：翅片間距增大降低了換熱量，而增大盤管管徑增大換熱量。

總結：對于閉式熱源塔較開式熱源塔的好處是不會飄灑污染物對于環境有一定的保護，但對于翅片換熱器形狀的研究較少因此值得我們深入研究，對于現在全球環境變化惡劣，因而有可能閉式熱源塔換熱器也會結霜因而與新型可再生能源的結合應值得重視。

3 熱源塔熱泵系統的應用

熱源塔熱泵技術最早是在日本應用——橫濱競技場和名古屋[24]取名為采熱塔。

熱源塔最先被廣泛了解的是2008南方經受百年一遇的雪災在此期間湖南湘西吉首市金煌賓館[25]安裝了熱源塔熱泵系統，在遭遇冰災時由于氣溫較低空氣的濕度較大，大量的熱量被濕空氣蒸發而帶走，各種風冷熱泵供熱設備由于氣溫的影響被停止運行，在這種情況下金煌賓館確可以利用熱源塔熱泵技術為客房提供28-32度左右的溫度，還可以讓賓客正常使用日常用水。至此之后許多學者對于熱源塔熱泵開始進行研究，劉秋克對于熱源塔在我國南方的應用做了適應性的實驗，并且結合湖南當地的工程實例進行了各項性能技術的分析。結果得出熱源塔熱泵在我國南方可以得到良好的使用。

上海虹橋機場航管辦公樓[26]就利用了熱源塔熱泵技術，由于原建筑中央空調系統冷凍機在夏季是制冷效率低，在冬季時能耗比較高，并且燃油產生了大量的污染物，因此改換了設備，在這種大型的空間內由于熱源塔熱泵的使用使得空調機房的設備更加緊湊，自動化程度更高，節能效率提高。

浙江桐廬大酒店也采用了閉式熱源塔。

熱源塔與太陽能結合運用，既可以吸收空氣中的能量也可以吸收太陽能，實現雙熱源熱泵系統?，F在有許多學者開始研究熱源塔與地熱能相結合，地熱能的利用率一般可以達到50%-70%，而且開發時間少，投資較少，并且地熱可以直接利用較方便因而是難得的新型能源系統。

在我國長江流域以南的地區，夏季炎熱，冬季陰雨連綿潮濕寒冷的地區，熱源塔熱泵正好利用這一環境因素來為居民提供冷熱源，熱源塔熱泵技術在我國南方得到了應用。

湖南長沙地區屬于夏熱冬冷地區，春末夏初多雨，夏末秋初多旱。全年無霜期約275天，年均降水量約1422.4毫米。而熱源塔熱泵系統既可以進行潛熱交換也可以進行顯熱交換，也可以避免結霜現象。因而熱源塔熱泵系統適合與長沙等夏熱冬冷地區發展。

4 結論與展望

（1）熱源塔用作空調冷熱源系統，是一種新型節能系統，并且一塔兩用，尤其適用于夏熱冬冷地區，改善了空氣源熱泵冬季結霜以及地源熱泵使用首先的問題，符合國家大力倡導的節能和環保的要求。

（2）對于熱源塔熱泵系統國內外已經做出了多項研究，例如：防凍溶液的選擇，翅片換熱器的幾何結構參數的影響、熱源塔內部傳熱傳質的分析、換熱效率的影響因素等等。但是對于翅片換熱器中翅片類型的傳熱傳質模擬實驗，噴淋液的噴淋過程中熱源塔內部傳熱傳質的模擬以及噴淋液的濃縮和熱源塔與其他新型能源的結合等研究還略顯不足。

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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

煤礦安全開采技術湖南省重點實驗室開放基金資助項目

白運運（1990.8-），女，在讀研究生，E-mail：1540056492@qq.com

向立平（1977.9-），男，博士，副教授

2016-05-09