能源塔热泵系统及其供热运行性能分析

图１ 能源塔热泵系统供暖运行示意
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－９ ℃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
①☆ 孟庆山，男，１９７０年１０月生，大学，副总工程师 ２６４００３ 烟台市莱山区蓝德路３号 （０５３５）６７２１６３１ Ｅｍａｉｌ：ｍｑｓ＠ｌａｎｄａｃ．ｎｅｔ．ｃｎ
箱中，当 溶 液 挥 发 后 再 通 过 加 药 泵 补 充 到 系 统
在 中。溶液浓度稀释 变 低 或 气 温 突 降 需 要 增 加 溶 调 液 浓 度 时 ，主 机 控 制 加 药 电 磁 阀 从 加 药 罐 向 系 统
自动加药［２］。
空
犇犽（狋）＝烅０．９２５－０．０３７５狋 －２＜狋≤１８
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
图２ 能源塔换热焓湿图
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。
功率，ｋＷ；犌 为能源塔空气体积流量，ｍ３／ｓ；ρ为空 气密度，ｋｇ／ｍ３。
根据式（５），犺犅 可以表示为
为－１ ℃，热泵机组蒸发器进出水温度为－１ ℃／ －６ ℃，要保证－６ ℃的溶液不凝固，考虑３ ℃的
犺犅
＝
犙
－犘 ＋犌犃ρ犃犺犃 犌犅ρ犅
（６）
安全余量，溶液的凝固点温度需要低于－９ ℃。
经过充分换热，能源塔排风相对湿度φ犅 是由
大气压力，Ｐａ。
将式（３）代入式（２），犃 点的比焓可表示为
狋ｆ ≤狋ＷＢ －Δ狋１ －Δ狋２ －狋Ｓ
线 （１）
犺犃 ＝犳１（狋犃，φ犃）
（４）
式中 狋ｆ 为溶液凝固点温度，℃；狋ＷＢ为环境湿球温
在 度，℃；Δ狋１ 为能源塔与环境的换热温差，℃；Δ狋２ 为 调 热泵机组蒸发器进出水温差，℃；狋Ｓ 为设定的安全
om ２ 载冷剂溶液 .c 载冷剂 溶 液 主 要 由 氯 化 钙 （ＣａＣｌ２）或 氯 化 镁
cr （ＭｇＣｌ２）等 无 机 盐 配 制 而 成，以 降 低 溶 液 的 凝 固 a 点。由于凝固点温度越低，需要的溶液浓度越大， hv 密度越大，流动阻力增加，同时比热容减小，输送相 .e 同热量所需溶液的流量增大，循环泵消耗功率也将 w 增大。因此，载冷剂溶液只要使凝固点温度不低于 w 系统运行可能出现的最低温度即可，一般取２～８ ://w ℃的安全余量。运行时，图１中热泵机组的检测装
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
ttp 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
表１ 南京地区冬季温、湿度时间统计
ｈ
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 １ ℃，犆犗犘 下降３．１％～４．５％，温度越低下降幅度
温度／℃
相对湿度／％
１０
３０
５０
７０
９０
≤－６
０
１
３
４
１
－４
１
３
１０
２３
１０
越大；在测试的最高湿球温度２２ ℃时，制热量为 ８１３ｋＷ，犆犗犘 值高达５．６１；湿球温度在１４ ℃附近
余量，℃。
空 例如环境湿球温度为２℃，能源塔与环境的换 通 热温差为３ ℃，热泵机组蒸发器进出水温差为 ５ 暖 ℃，此时能源塔出水温度即机组蒸发器的进水温度
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ρ犅犺犅 －犌犃ρ犃犺犃
（５）
式中 犙 为热泵主机制热量，ｋＷ；犘 为主机电动机
程；如果犃 点在等湿线犱 右侧犃″的位置，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［１］：
犺 ＝１．０１狋＋犱（２５００＋１．８４狋） 而含湿量可通过式（３）表示为
（２）
犱 ＝０．６２２犅φ－狆φｑ狆，ｂｑ，ｂ
（３）
式中 狆ｑ，ｂ为饱和空气的水蒸气分压力，Ｐａ；犅 为
为了降低对金属的腐蚀性，要将溶液调控到偏 溶液浓度和能源塔结构决定的临界相对湿度，从式
碱性环境，取ｐＨ 值为８左右。 ３ 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
（７）可得到犅 点的含湿量，通过式（８）计算得到能
专题研讨
暖通空调暖在通空线调 犎犞牔h犃t犆t p２０:１/１/w年第w４１w卷第.e５h期
８ ９
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。
om 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
r.c 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 ac 犺犲犪狋犻狀犵狆犲狉犳狅狉犿犪狀犮犲犪狀犪犾狔狊犲狊
犽＝１
式中 犙犽 为 第犽 个 温 度 频 段 热 泵 提 供 的 热 量，
ｋＷ。
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－２ ℃时设备满
负荷运行，湿球温度高于１８ ℃时设备的部分负荷
系数为２５％，－２～１８ ℃之间线性变化，表示为
烄１
狋≤－２
线 高 时 ，溶 液 通 过 图 １ 中 的 溢 流 口 回 收 到 溶 液 集 液
hv 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
.e 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 w 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 w 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狆狌犿狆犪狋 ://w 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
９ ２
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专题研讨
热运行、冷凝器出水温度保持４５℃时，实测的制热
南京地区２００９年１２月１日至２０１０年２月２８
量、耗电量及制热性能系数随环境湿球温度的变 日的温、湿度时间统计数据见表１。
化。从图５可以看出，热泵机组的制热量随着湿球
置随时监 测 溶 液 的 密 度，换 算 成 对 应 的 凝 固 点 温
ttp 度，并与蒸发器出水温度进行对比，根据式（１）的要 h 求，给出溶液浓度的控制信号。
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
cr 在相同的环境温度下，相对湿度越大，对应的 a 湿球温度越高，同时吸湿量越大，吸湿过程伴随水 hv 蒸气汽化潜热的释放，相变热量绝大部分被溶液吸 .e 收，能源塔出水温度越高，越有利于制热性能系数 w 的提高。
w 图４为具有代表性的南京地区２０１０年１月 ://w ２日的逐时气象数据曲线，随着昼夜温度的变化，
２０１１（５）
暖通空孟调庆山在，等：线能源塔h热t泵tp系:统/及/w其供w热w运行.性e能h分v析
９ １
犻
犎犛犘犉 ＝ 犻
∑ （犎犔犽犖犽）
犽＝１ 犻
（９）
∑ ∑ （犘犽犇犽犖犽）＋ （犃犽犖犽）
犽＝１
犽＝１
式中 犻为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，ｋＷ；犖犽 为第犽 个温度频段
源塔的吸湿量。
犱犅 ＝犳２（犺犅，φ犅）
（７）
犠 ＝犌犃ρ犃犱犃 －犌犅ρ犅犱犅
（８）
根据以上方法，ＧＳＨＰ Ｃ０４２８Ｎ 型能源塔热
缩。图２是能源塔换热过程中空气进、出风的焓湿 泵机组满负荷运行，载冷剂溶液质量分数为１８％
图，图中近似地以等焓线代替等湿球温度线，φ 为 时，理论吸湿量与空气状态的关系如图３所示。在
季制冷时，通过水路切换，能源塔连接到空调用冷
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。