熱源塔在不同城市的供暖特性分析

衛(wèi)俊宇 呂懌非 向 陽 盧 軍 王琳玉 殷叔靖

（1.重慶大學(xué)土木工程學(xué)院 重慶 401331；2.江蘇辛普森新能源有限公司 揚(yáng)州 225127）

0 引言

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和生活水平增長(zhǎng)，居民對(duì)室內(nèi)舒適度的要求越來越高，為了滿足要求，建筑能耗將不可避免的持續(xù)增加。中國(guó)雖然自然資源豐富，但我國(guó)能源“富煤、缺油、少氣”的國(guó)情決定了未來煤炭依然是我國(guó)的供能主力，而燃燒煤炭生成的多種有毒有害氣體不僅導(dǎo)致生態(tài)環(huán)境的破壞，還威脅到居民的身體健康[1]。目前我國(guó)空調(diào)系統(tǒng)能耗在建筑總能耗中約占50%～70%[2]，因此空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)能降耗是重中之重。傳統(tǒng)的中央空調(diào)系統(tǒng)歷經(jīng)多年發(fā)展已趨近于成熟，但仍存在各種各樣的不足。因此有專家學(xué)者提出通過逆用冷卻塔原理可以得到熱源塔[3]，相較于傳統(tǒng)的冷熱源形式，熱源塔熱泵系統(tǒng)具有更加高效、節(jié)能、環(huán)保的優(yōu)點(diǎn)。

本文基于熱源塔內(nèi)部的傳熱傳質(zhì)數(shù)值模型建立了熱源塔熱泵系統(tǒng)模型，然后對(duì)熱源塔在成都、重慶、武漢共3 個(gè)城市的冬季供暖特性進(jìn)行分析。

1 熱源塔數(shù)學(xué)模型與系統(tǒng)模型建立

1.1 熱源塔數(shù)學(xué)模型的建立

在TRNSYS 軟件中，沒有開式橫流熱源塔的模塊，也沒有其對(duì)應(yīng)熱泵機(jī)組的相關(guān)計(jì)算組件，因此作者將自行編寫熱源塔模塊及其對(duì)應(yīng)熱泵機(jī)組計(jì)算組件。首先確定塔內(nèi)部的傳熱傳質(zhì)數(shù)值模型，熱源塔在冷卻塔的基礎(chǔ)上進(jìn)行了一定程度的改造。供冷季，熱源塔相當(dāng)于冷卻塔，經(jīng)過熱源塔處理的冷卻水來到熱泵主機(jī)中的冷凝器吸收冷媒的熱量；供暖季，熱源塔中的工作介質(zhì)變成低溫抗凍溶液，溶液流入熱源塔在填料區(qū)吸收來自空氣的熱量再傳遞給蒸發(fā)器[4]。因此在建立模型時(shí)，只需完成熱源塔在供暖季時(shí)計(jì)算模型的建立，供冷季將溶液相關(guān)參數(shù)值改為水的參數(shù)值即可。

塔內(nèi)熱質(zhì)交換過程如圖1（a）所示，塔外空氣通過風(fēng)機(jī)的作用由水平方向（即x 軸）進(jìn)入填料區(qū)，通過噴嘴將抗凍溶液均勻噴淋在填料上，溶液沿豎直方向（即y 軸）流經(jīng)熱源塔。在溶液由上至下的流動(dòng)過程中，其與空氣充分接觸并進(jìn)行傳熱傳質(zhì)[5]。當(dāng)空氣溫度與溶液溫度不一致時(shí)，溫度差促使兩者發(fā)生顯熱交換；當(dāng)空氣與溶液界面存在含濕量差時(shí)，二者發(fā)生質(zhì)交換，此時(shí)潛熱換熱成為主要部分。

圖1 開式橫流熱源塔Fig.1 Open cross flow heat source tower

為了方便塔內(nèi)熱質(zhì)交換數(shù)值模型的建立，先設(shè)定以下條件：（1）換熱過程始終處于穩(wěn)態(tài)且均為均勻流動(dòng)；（2）熱質(zhì)交換過程僅存在于塔內(nèi)，與外界絕熱絕濕；（3）溶液僅在填料層表面與空氣發(fā)生傳熱傳質(zhì)；（4）微元體之間不存在熱質(zhì)交換；（5）空氣與溶液的物理性質(zhì)始終保持不變；（6）溶液的溶質(zhì)無損失[6]。

為便于分析，將熱源塔傳熱傳質(zhì)三維模型簡(jiǎn)化為二維模型，能量平衡方程的微分形式如式（1）所示。

其中，qm,air為空氣質(zhì)量流量；qm,sol為溶液質(zhì)量流量，kg/s；hair為濕空氣的比焓；hsol為溶液的比焓，kJ/kg；h和l分別為熱源塔z 軸和x 軸方向上的長(zhǎng)度，m。

根據(jù)進(jìn)入微元體的濕量應(yīng)等于離開微元體的濕量，可以得到質(zhì)量平衡方程的微分形式如式（2）所示。

其中，ω air為濕空氣的含濕量；ω sol為溶液的含濕量，g/kg。

根據(jù)前文設(shè)定的條件，溶液的溶質(zhì)在整個(gè)換熱過程中沒有損失，則有式（3）。

其中，θ s為溶液的溶質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%。

利用有限差分法對(duì)方程進(jìn)行求解，圖1（b）表示的是有限差分法的求解示意圖。在X 方向上分成N 份，Y 方向上分成M 份，對(duì)于第（i，j）個(gè)微元體，式（1）-（3）可以進(jìn)行離散求解。

1.2 系統(tǒng)模型的建立

作者將建立的熱源塔數(shù)值模型用FORTRAN語言進(jìn)行編寫后，封裝成獨(dú)立的熱源塔模塊，并在TRNSYS 中進(jìn)行運(yùn)算，使用TRNSYS 中現(xiàn)有的組件庫(kù)以及在前文中搭建的熱源塔及熱泵機(jī)組組件，建立了熱源塔熱泵系統(tǒng)模型如圖2 所示。

圖2 在TRNSYS 軟件中建立的系統(tǒng)模型Fig.2 System model established in TRNSYS software

2 建筑模型建立與負(fù)荷計(jì)算

2.1 建筑模型的建立

本文所研究建筑包括商業(yè)、辦公和住宅建筑，如圖3 所示為SketchUP 軟件建立的該建筑的3D模型，圖3（a）、（b）、（c）分別表示的是商業(yè)、辦公和住宅建筑，空調(diào)面積分別為35196.95m2、38650.33m2、5916.81m2。將三類建筑的負(fù)荷逐時(shí)相加可以得出該建筑群總的逐時(shí)負(fù)荷，在計(jì)算冷、熱負(fù)荷時(shí)采用“溫度水平”方法。

圖3 該建筑的3D 建模Fig.3 3D modeling of the building

2.2 全年負(fù)荷的計(jì)算

本文對(duì)成都、重慶、武漢共3 個(gè)城市進(jìn)行比較分析，氣象參數(shù)均從Meteonorm 數(shù)據(jù)庫(kù)中導(dǎo)出。由于本文研究重點(diǎn)是在不同的氣象參數(shù)情況下比較熱源塔運(yùn)行時(shí)的換熱特性，因此在后文討論中，負(fù)荷數(shù)據(jù)及系統(tǒng)組件參數(shù)都用在重慶氣象條件下得出的結(jié)果，只改變?cè)谙到y(tǒng)運(yùn)行時(shí)熱源塔所處環(huán)境的氣象參數(shù)。

重慶地區(qū)的全年逐時(shí)負(fù)荷如圖4 所示，最大冷、熱負(fù)荷分別為7145.30kW、2906.24kW，冷、熱負(fù)荷指標(biāo)分別為112.21W/m2、45.64W/m2。

圖4 重慶地區(qū)的全年逐時(shí)負(fù)荷Fig.4 Annual hourly load in Chongqing

本文針對(duì)供暖季進(jìn)行分析研究，因此僅考慮供暖季的冷熱源選型，選型為：1 小2 大共3 臺(tái)熱泵機(jī)組，其中小機(jī)組額定制冷、熱量分別為884.6kW、863.6kW，對(duì)應(yīng)機(jī)組側(cè)、負(fù)荷側(cè)水泵的額定流量分別為200m3/h、160m3/h，對(duì)應(yīng)熱源塔的額定功率為12kW；大機(jī)組額定制冷、熱量分別為1093.2kW、1073.4kW，對(duì)應(yīng)機(jī)組側(cè)、負(fù)荷側(cè)水泵的額定流量分別為250m3/h、200m3/h，對(duì)應(yīng)熱源塔的額定功率為14kW。

3 熱源塔冬季換熱性能分析

3.1 溶液進(jìn)、出口溫度

如圖5 所示分別為成都、重慶、武漢的熱源塔溶液進(jìn)、出口溫度。

圖5 成都、重慶、武漢市的熱源塔溶液進(jìn)、出口溫度Fig.5 Solution inlet and outlet temperature of heat source tower in Chengdu,Chongqing and Wuhan

成都市熱源塔溶液進(jìn)、出口溫度平均值為-2.40℃和1.56℃，重慶市熱源塔溶液進(jìn)、出口溫度平均值為-3.22℃和0.60℃，武漢市熱源塔溶液進(jìn)、出口溫度平均值為-4.59℃和-0.96℃。溶液在整個(gè)供暖季的最低和最高溫度出現(xiàn)在熱源塔的進(jìn)口和出口處，成都市分別為-8.91℃和9.96℃，重慶市分別為-9.84℃和9.09℃，武漢市分別為-12.12℃和9.27℃。

結(jié)合室外空氣的露點(diǎn)溫度可以發(fā)現(xiàn)，熱源塔溶液進(jìn)、出口溫度隨露點(diǎn)溫度而變化，且塔入口溫度低于塔出口溫度低于露點(diǎn)溫度。理想的塔出口溫度應(yīng)無限接近露點(diǎn)溫度，若高于露點(diǎn)溫度，溶液就無法從空氣中獲取潛熱。

3.2 溶液進(jìn)、出口溫度差與逼近度

逼近度定義為室外空氣的濕球溫度與溶液出口溫度的差值，如式（4）所示。如圖6 所示分別為成都、重慶、武漢的熱源塔溶液進(jìn)、出口溫度差和逼近度。

圖6 成都、重慶、武漢市的熱源塔溶液進(jìn)、出口溫度差和逼近度Fig.6 Temperature difference and approximation degree of solution inlet and outlet of heat source tower in Chengdu,Chongqing and Wuhan

其中，tout為溶液出口溫度，tw為室外空氣的濕球溫度，℃。

從圖6 中可以看出逼近度的波動(dòng)幅度小于熱源塔溶液進(jìn)、出口溫度差的波動(dòng)幅度。成都、重慶、武漢的熱源塔溶液進(jìn)、出口溫度差波動(dòng)范圍在2.97～5.62℃、2.88～5.37℃、2.56～5.29℃，逼近度在3.62～4.50℃、3.54～4.43℃、4.09～4.84℃。當(dāng)建筑負(fù)荷升高時(shí)，塔側(cè)換熱器的換熱量隨之增加，水流量不變時(shí)，熱源塔溶液進(jìn)、出口溫度差就會(huì)增大，塔入口溫度和塔出口溫度都降低，逼近度升高。

3.3 換熱量與潛熱比

潛熱比ζ定義為潛熱換熱量占總換熱量的比例，如式（5）所示。如圖7 所示分別為成都、重慶、武漢的換熱量和潛熱比。

圖7 成都、重慶、武漢市的熱源塔顯熱換熱量、潛熱換熱量和潛熱比Fig.7 Sensible heat transfer,latent heat transfer and latent heat ratio of heat source tower in Chengdu,Chongqing and Wuhan

其中，Q2為潛熱換熱量，Q為總換熱量，kJ/kg。

從圖7 中可以看出換熱量和潛熱比的波動(dòng)幅度都較大。成都市顯熱、潛熱換熱量和ζ范圍為321～1855kW、2～1105kW、0.3%～56%；重慶市顯熱、潛熱換熱量和ζ范圍為294～1616kW、48～1102kW、6%～56%；武漢市顯熱、潛熱換熱量和ζ范圍為308～2110kW、-39～1018kW、-3%～52%，其中潛熱換熱量為負(fù)值說明溶液邊界層的水蒸氣分壓力大于主流空氣中的水蒸氣分壓力，潛熱的傳遞方向?yàn)槿芤旱娇諝狻?/p>

結(jié)合室外空氣的含濕量可以發(fā)現(xiàn)，總體上潛熱換熱量隨著含濕量的升高而增大，為正相關(guān)，這是因?yàn)橹黧w空氣中的水蒸氣分壓隨著含濕量的升高而增大，水蒸氣從空氣傳遞到溶液的能力提高，潛熱換熱量隨之增長(zhǎng)。

3.4 機(jī)組COP 與系統(tǒng)COP

機(jī)組COP 和系統(tǒng)COP 的計(jì)算如式（6）和式（7）所示。

其中，qm,load為流體質(zhì)量流量，kg/h；Cp,load為流體比熱，kJ/(kg ℃)；Δtload為流體進(jìn)出口溫差，℃；ΣN為所有熱泵機(jī)組耗功率之和，ΣNAE為熱泵機(jī)組所有附屬設(shè)備耗功率之和，kW。

如圖8 所示分別為成都、重慶、武漢的機(jī)組COP 和系統(tǒng)COP 隨時(shí)間變化的關(guān)系。

圖8 成都、重慶、武漢市的機(jī)組COP 和系統(tǒng)COPFig.8 Unit COP and system COP in Chengdu,Chongqing and Wuhan

從圖8 中可以看出機(jī)組COP 整體大于系統(tǒng)COP。成都、重慶、武漢的機(jī)組COP 平均值為3.99、3.93、3.77，系統(tǒng)COP 平均值為3.33、3.26、3.20。

結(jié)合室外空氣的含濕量可以發(fā)現(xiàn)，總體上供暖季機(jī)組COP 隨著含濕量的升高而增大，這是因?yàn)榭諝庵泻瑵窳吭龃螅瑹嵩此目諝庵蝎@得的熱量增多，機(jī)組更好滿足建筑負(fù)荷的需求，機(jī)組COP 隨之增大。相比于武漢，成都、重慶的機(jī)組COP 更高，超過3.9，這是因?yàn)槌啥肌⒅貞c冬季室外空氣的含濕量更高，而系統(tǒng)COP 較為接近。

4 結(jié)論

作者分析了3 個(gè)城市不同氣象條件下的熱源塔溶液進(jìn)、出口溫度，溶液進(jìn)、出口溫度差與逼近度，換熱量與潛熱比等，得出以下結(jié)論：

（1）建筑負(fù)荷改變時(shí)，塔側(cè)換熱量也改變，在水流量不變時(shí)，溶液進(jìn)、出口溫度差隨之改變。氣象參數(shù)改變也會(huì)引起進(jìn)、出口溫度差改變。3 個(gè)城市的熱源塔溶液進(jìn)、出口溫度差平均值均高于3.6℃，成都和重慶的逼近度平均值較小，在4.2℃以下，武漢較大，在4.5℃以上。

（2）在供暖季，機(jī)組COP 大體上隨著含濕量的升高而增大，這是由于含濕量升高，熱源塔從室外空氣中獲取的熱量增多，機(jī)組更能滿足負(fù)荷需求，因此機(jī)組COP 也增大。

（3）相比于武漢，成都和重慶在供暖季的室外空氣含濕量平均值更大，機(jī)組COP 和系統(tǒng)COP也更大，但凝水量也更大。可以看出熱源塔熱泵系統(tǒng)在成都、重慶這樣的冬季低溫高濕地區(qū)更適用，但需注意系統(tǒng)結(jié)凍問題。