闭式热源塔特性及系统运行策略的研究

王心慰

摘 要： 热源塔热泵系统运行稳定，运行性能高，是一种初投资低，同时不受地质条件和场地限制的空调方案。闭式热源塔作为热源塔热泵系统的核心设备，对它的研究可以指导热源塔系统的设计和优化。本文在总结前人对空气与水直接接触的热质交换和热源塔的热力特性的研究基础上提出了一种新型的热源塔结构，并根据武汉的气象条件提出了闭式热源塔系统在夏热冬冷地区独有的冬季运行策略。

关键词： 热源塔系统;热泵;热质交换;运行策略

【中图分类号】TU831     【文献标识码】A     【文章编号】1674-3733（2020）04-0204-01

1 引言

热源塔热泵是一种以空气为冷热源，通過塔体的换热作用为实现供暖，供冷，以及生活热水的一种新设备[1]。它既可以在夏季供冷，还可以在冬季供暖，为夏热冬冷地区的冬季供暖问题提供一种可行的解决方案。

2 热源塔分类

近年来，热源塔技术飞速发展，出现了不同形式的热源塔。热源塔系统主要由热源塔塔体、循环管路、动力设备、热泵主机等部分构成[2]，虽然热源塔系统的分类多种多样，但是热源塔系统与常规系统的区别的主要标志在于热源塔塔体，所以按热源塔塔体的主要区别进行分类比较合理，按不同的塔体结构进行分类目前可以分为以下三类：①传热介质和空气接触方式：开式热源塔和闭式热源塔。②塔内的通风动力：自然通风热源塔和机械通风热源塔。③空气与不冻液在塔体内的相对流动方向： 横流塔、逆流塔和顺流塔。

此外，开式热源塔根据塔体内有无填料又可分为有填料型和无填料型，还有其他的分类这里不一一研究。

3 闭式热源塔

在传统闭式热源塔中，能量的传递比较复杂。当闭式热源塔在冬季工况下运行时，由于盘管内溶液温度和掠过盘管的空气参数随着热源塔高度变化，从理论上分析，闭式热源塔内的工况主要分为以下4种：干工况、湿工况、霜工况、半湿半干工况[3]。

干工况运行时，在闭式逆流热源塔中，空气从下方进入与盘管表面充分换热后从上方排出。干工况运行过程只有显热交换，没有质交换，换热过程较简单。笔者对热源塔结构进行了改进，在传统闭式热源塔底部增加了一块填料区，建立了一种新型的闭式热源塔模型，增加进入盘管换热区的空气湿度，提高盘管区喷淋液温度，显著提高潜热和显热的交换。

4 闭式热源塔在武汉的运行策略

热源塔的防冻液随系统的运行会吸收空气中的水分，浓度会逐渐降低，冰点也随之降低，所以运行策略比较复杂，如果不按设计要求来操作很可能使系统效果不好，甚至结霜，严重的还会停机，结合武汉的气象参数并根据防冻液的热力性能来研究闭式热源塔的运行策略。

4.1 武汉气象参数

热源塔系统的温度适用范围为干球温度-8℃—2℃。

考虑到系统的安全可靠节能，将冬季空调室外计算干球温度的下限设为-8℃.这是因为根据冬季测试分析，在室外空气干球温度为-8℃时相对湿度为60%时，热源塔进液温度为-15.5℃、出液温度为-13℃，满液式热源塔热泵机组蒸发温度将低至-18℃，如采用干式蒸发器，蒸发温度将会低至-20℃这是螺杆压缩机蒸发温度的下限。而目前低温型水源热泵主机大部分采用的是螺杆压缩机，所以设置-8℃的下限。

以下是武汉地区的冬季空调设计参数，和名义工况不一致的地方可以用系数修正从而得到系统真实的运行能效。

4.2 防冻液的选择

常见的防冻液有氯化钙、甲醇、乙醇（俗名酒精）、乙二醇、丙三醇等，但甲醇和乙醇都很容易挥发，作为热源塔系统的防冻液不用作空调的防冻剂所需浓度太大，成本高，也不实用。这里选取乙二醇和氯化钙溶液进行对比，选出最合适的防冻液。武汉冬季室外设计温度和两种溶液的冰点，选择20%氯化钙溶液和25%的乙二醇溶液，考虑到成本和安全，综合比较选择氯化钙溶液作为防冻液。

运行过程中必须保证某个密度下防冻液的对应的冰点温度要小于蒸发器出口温度。据此得到运行策略表。

5 结论

本文在总结前人经验的基础上提出了改进型闭式热源塔结构，分析了各参数对系统运行的影响。具体工作和结论如下：①提出一种新型闭式热源塔结构，在传统闭式热源塔底部增加了一块填料区，增加进入盘管换热区的空气相对湿度，提高盘管区喷淋液温度，显著提高潜热和显热的交换。改进型闭式结构较好地结合了开式塔换热效率高和传统型闭式结构腐蚀污染小的优点，而且，冬季运行提高了喷淋液温度，运行更可靠。②根据热源塔系统防冻液的热力特性结合武汉的气象条件提出了闭式热源塔系统在武汉地区在冬季运行策略，对在实际操作中促进节能减排具有指导意义。

参考文献

[1] 王志林，刘秋克，李静，等.热源塔[P].中华人民共和国国家知识产权局，ZL 200620073647.8， 2007.8.8.

[2] 刘秋克.闭式热源塔[P]：中国200810031368.9.2008-10-08.

[3] 章文杰，李念平，王丽结.热源塔热泵系统相变潜热的应用研究[J].重庆大学学报，2011， 34 （Z） ：58-61.

[4] 方国明.热源塔热泵在空调工程中的应用实践[J].制冷空调工程技术，2008， （3）： 13-16.