热源塔热泵在夏热冬冷地区的应用

太阳能次生源热源塔热泵技术在夏热冬冷地区的应用

湖南大学土木工程学院热源塔热泵研究中心刘秋克李念平成剑林

湖南秋克热源塔热泵科技工程有限公司殷浪刘博城蔡继辉

摘要在研究国内外冷却塔采热热泵技术不适应我国南方夏热冬冷气候条件下运行的基础上，由国内QIUKE科技以6项中国发明专利和1项美国发明专利重新定位，以吸收和提升低温位热源为单位的设计制造定义为“太阳能次生源热源塔热泵”简称（热源塔热泵）。2008年初我国南方遭受了五十年一遇的冰冻期，热源塔热泵经受了恶劣气候环境下严峻考验，供暖温度超过28℃。热源塔热泵堪称为百年空调重大突破，在全球属于发展初期应用较少，但确已顽强的生命力崛起被人类逐渐步接受。热源塔热泵在夏热冬冷地区与其它热泵空调和化石能源空调相比较，具有效率更高、使用限制条件比较少的特点。

关键词热源塔热泵、地源热泵、冷热源、太阳能次生源、可再生能源

引言

对于我国夏热冬冷地区舒适性空调，一般应满足夏季制冷和冬季供暖两种功能。在传统的建筑物中因气候因素和经济发展等原因，一般只需考虑夏季制冷问题。但随着人们生活水平的提高和促进工作和生产效率的提高，对空调的舒适度要求较高，需要满足建筑物冬季供暖的场所需求倍增。对于冬季供暖有需求的建筑物，如果设计仅仅考虑空调冷源问题，而不重视空调热源的选择采用电辅和化石能源，将造成冬季空调能源消耗过大，从而造成全年空调能耗偏高和终端用户高排碳污染环境。

在传统空调热源方案中，通常需分别设置冷源（制冷机）和热源（锅炉或电辅热）。由于用高温位的化石能源去生产中位热能，其存在能源效率很低和环境污染问题，所以空调热源的来源方式应逐步的由传统化石能源锅炉转化为应用太阳能次生源作为热泵的热源，能源效率高更加环保。

本文结合技术的起源和基本原理与工程实例，介绍一种在夏热冬冷地区综合经济性能比较突出的空调冷(热)源系统——太阳能次生源热源塔热泵空调技术。

1、能源来自太阳能次生源太阳能次生源广义的解释，太阳能以辐射能形式加热了地球表面，地球吸收了太阳能后所产生的一系列热能存储与释能及质的转换，形成可再生利用的新能源均为太阳能次生源。能够用于建筑物冷热空调的太阳能次生源包括：地源热泵所用的热源、空气源热泵所用的热源和制冷所用的蒸发冷却（太阳能辐射给地球的热量反射给空气所形成的干湿球差才存在液体蒸发现象）等。其他例如风能、海洋能、气候变化等等都是来自太阳能次生源。

2、热源塔定义的起源以热源塔定位用作吸收低温位冷(热)源技术的起源可追溯到日本20世纪80年代，采用冷却塔加氯盐溶液曝气循环吸收空气中的低温位热源，日本取名为采热塔/加热塔，国内暖通会议取名为冷却塔采热，有的厂家也称之为能源塔。由于是冷却塔结构没有改变，存在溶液随时被稀释导致运行的不稳定和设备腐蚀及立体空间污染问题，在此基础上QIUKE科技重新定位确立正确的研发方向，以吸收低温位热源为单位的设计制造，定义为“热源塔”，2005年在全国科技网上招标。

2.1开式冷却塔即时吸收热源存在的问题采用冷却塔加氯盐溶液曝气循环吸收空气中的低温位热源，在工程实际应用中设备严重腐蚀、水质环境污染、立体空间环境空气污染严重。

2.1.1冷却塔取热效率低，冷却塔是以汽化蒸发潜热能为主构造的换热设备，用于冬季吸收显热能时即使放大冷却塔容量吨位来配置，显然也是换热面积不足传热温差大，溶液温度低导致热泵蒸发温度低，热泵供热性能下降。加之采用的热泵大温差传热，蒸发温度低，需要高浓度的氯盐类作为循环介质，曝气循环溶解氧增加加速氯盐对设备的腐蚀性。

2.1.2溶液浓度高不可再生利用，在低温高湿气候期持续时间长达90天，需要将稀释后溶液排放掉补充原液维持浓度，造成了河道水环境污染。氯盐类溶液飘雾污染腐蚀周围环境的钢结构。

2.2闭式热源塔即时吸收热源高效以吸收低温位热源为计量单位的设计制造设备，参照国标水源热泵标准中冷源词汇，热源塔应是以冬季吸收空气中低温位热源为主的设计，定义为“热源塔”。

2.2.1高能效负压蒸发冷却，夏季在“高温高湿”气候条件下，空气接近饱和状态，冷却塔的蒸发效率很低，制冷机冷凝余热只能变为与空气之间显热交换，冷却水出水温度高，藻类繁殖污染水质，制冷机效率低。在相同的气象条件下闭式热源塔具有负压值汽化蒸发功能，冷却水出水温度低制冷机能效高。

2.2.2高性能无环境影响供热，冬季在“低温高湿”气候条件下，闭式热源塔以封闭式结构内置循环溶液小温差传热即时吸收空气中低温位热能，对环境无任何污染。环境空气温度零度以上为无霜期运行，相当于减小传统空气源热泵90%以上的结霜几率；环境空气负温度以下配置负温度凝结水浓缩分离器、蓄热能、地源等防霜和融霜装置实现热泵环境空气负温度状态下无霜运行。

3、定义热源塔热泵国内QIUKE科技考虑到仅凭小温差热源塔是难以提高吸收太阳能次生源的综合高效，应用6项中国发明专利和1项美国发明专利重新定义，以吸收和提升低温位热源为单位的匹配设计制造定义为“太阳能次生源热源塔热泵”简称（热源塔热泵）。热源塔热泵是将闭式热源塔与低热源热泵（性能要求高于地源热泵）以小温差传热高性能定位，进行合理的设备之间匹配，充分利用具有无限能量的太阳能次生能源可再生能源替代建筑物终端化石能源空调，实现空调领域的动车组。

3.1热源塔热泵组成由闭式热源塔+低热源热泵+负温度凝结水分离器组成，保障了在空气温度0℃，相对湿度100%的低温高湿状态下，热源塔热泵供热的高性能，且对环境无任何污染。

3.2热源塔热泵特点夏季为高效负压蒸发冷制冷机；冬季为宽带小温差气候能热泵。热源塔热泵是将夏热冬冷地区普遍应用的水冷却制冷+锅炉和空气源热泵+电辅热融为一体，改变其原有设备低效率的大温差传热设计配置，省去了锅炉和电辅热，实现了冷暖空调热水三联供，一机三用。彻底改变了传统空调领域300—2000KW水冷却制冷机无法实现热泵化的技术难题。节能减碳和综合经济性能指标高于夏热冬冷地区传统空调系统的30—60%，是有效地利用太阳能次生能源的可再生能源技术。

3.3补偿地源热泵出现的问题

3.3.1补偿水源热泵，在我国北方夏热冬寒地区，地下水资源匮乏热泵热源不足，热源塔热泵可利用热源塔吸收太阳能次生源补偿水源热泵热源的不足。在我国南方夏热冬冷地区，地下水资源匮乏夏季制冷冷却水量不足，热源塔热泵可利用热源塔实现负压蒸发冷却补偿水源热泵的冷源。

3.3.2平衡土壤源热泵，在我国北方夏热冬寒地区，土壤源蓄热不足，热源塔热泵可利用过渡季节吸收太阳次生源进行土壤源补偿蓄热，调节土壤源温度场的平衡。冬季气候温和期热源塔热泵吸收太阳能次生源独立供热，可有效地减少土壤源热泵储热容积和占地面积。在我国南方夏热冬冷地区，热源塔热泵可利用太阳能次生源负压蒸发冷调节土壤源温度场的热堆积问题，实现系统的稳定运行。

3.4减少我国对化石能源依赖

3.4.1在我国长江流域以南的夏热冬冷地区，应用热源塔热泵与传统锅炉供热配合，进行节能减碳改造互补利用，可减少供热期间90% 以上或完全对化石能源的依赖。

3.4.2在我国北方黄河流域夏热冬冷与冬寒的过度地区，应用热源塔热泵与传统锅炉供热配合，进行节能减碳改造互补利用，可减少供热期间60% 以上对化石能源的依赖。

3.4.3在我国东北地区及华北夏热冬寒地区，应用热源塔热泵与传统锅炉供热空调配合，进行节能减碳改造互补利用，可减少供热期间30—40% 对化石能源的依赖。

3.4.4减缓全球性化石能源消费，热源塔热泵高效吸收太阳能次生源，在低纬度地区可完全替代化石能源。热源塔热泵多功能高效，制冷负压蒸发冷高效节能，可提高热带雨林气候制冷机能效30%；在高纬度地区热源塔热泵可减少锅炉对化石能源的依赖时间达30%以上。

4、热源塔热泵工程应用

第二代冷却塔替代热源塔产品项目

4.1湖南湘西示范项目天丰宾馆改造前，宾馆冷暖空调热水三联供系统为燃油锅炉+空气源热泵，锅炉冒黑烟污染环境，热泵风冷却效率低，年总能耗高达70万元（见图4.1）；年排碳300吨/年，终端排碳大于200吨/年。改造后，为热源塔热泵三联供系统，年能耗约36.0万元/年，电力排碳约109吨/年，减