闭式热源塔热泵系统制热性能实验研究

2020-08-17赵星辰方俊飞

可再生能源 2020年8期

冯荣，赵星辰，孟欣，方俊飞

（1. 陕西理工大学机械工程学院，陕西汉中 723001； 2. 陕西省工业自动化重点实验室，陕西汉中723001）

0 前言

近年来，学者们基于冷却塔逆用吸热技术设计出了热源塔热泵系统。热源塔热泵系统以空气作为冷、热源，在制热工况下，采用低冰点的防冻工质从热源塔中吸取空气的低温热量；然后，将工质输送至热泵机组的蒸发器中释放热量；最后，利用热泵循环产生高温热量，供用户使用。夏季，热源塔热泵系统以“冷水机组+冷却塔”模式为用户提供冷量。由于热源塔热泵系统能够克服蒸发器的结霜问题，并且不会受到地质条件的约束，因此受到广泛关注[1]～[4]。

目前，对于热源塔热泵系统的研究，主要集中在热源塔内的热质传递规律及其影响因素上。Tan在标准冷却塔Merkel 方程的基础上，建立了开式逆流热源塔内热质交换的基本数学模型，模拟结果表明，该模型能够可靠地评估逆流热源塔的换热性能[5]。Zhang 以温度和含湿量差作为传热和传质的驱动力，建立了热质传递过程的简化分析模型，发现进水温度和水气比对热源塔吸热量和吸热效率影响很大[6]。 Song 通过实验研究了以丙三醇为循环工质的闭式热源塔的吸热性能，得到了该热源塔的传热传质的关联式[7]。文先太基于POPPE 理论建立了叉流塔传热传质模型，模拟结果表明，叉流热源塔潜热百分比随着进口溶液温度的升高而下降[8]。贺志明建立了防霜工况下逆流闭式能源塔的数学模型，模拟结果表明，该工况下塔内空气的焓值呈线性分布[9]。孟庆山测试了冬季南京地区开式能源塔热泵机组的运行性能。研究发现，该热泵机组的制热量随着空气湿球温度的降低而明显减小[10]。

1 闭式热源塔热泵系统

图1 闭式热源塔热泵系统的结构图Fig.1 The configuration of the closed-type heating tower system and measuring point layout

图1 为闭式热源塔热泵系统的结构图。由图1 可知，闭式热源塔热泵系统主要由闭式热源塔、热泵机组以及相关的管道、阀门组成。闭式热源塔从上到下依次为轴流风机、喷淋装置、翅片管换热器、出风口、喷淋池和喷淋泵。其中，轴流风机的额定功率为2.2 kW；翅片管换热器的几何尺寸为860 mm×870 mm×400 mm，翅片间距为3 mm。冬季，当空气流经翅片管换热器时，温度会逐渐降低，密度会逐渐增大，因此，轴流风机的风向设置为从上向下。同时，为了强化防冻溶液与空气之间的换热强度，在闭式热源塔翅片管换热器中，防冻溶液的流动方向为从下向上，与空气形成逆流换热。热泵机组主要由压缩机、板式换热器、壳管式换热器、换向阀以及节流阀组成。其中，压缩机的排气量为17.2 m3/h，板式换热器和壳管式换热器的换热面积分别为2.34 m2和3.56 m2，制冷剂为R22。板式换热器为蒸发器，并通过管道、防冻液循环泵与闭式热源塔的翅片管蒸发器相连接，为了保证循环通畅，在防冻液循环泵的入口处安装了膨胀水箱，同时选用冰点为-15 ℃、体积分数为30%的乙二醇防冻水溶液作为循环工质（以下简称为防冻溶液），以保证运行过程不结冰，防冻溶液循环泵的额定功率为1.5 kW。壳管式换热器为冷凝器，末端循环工质（以下简称为供热工质）为水。

2 实验

2.1 实验原理

本文建立闭式热源塔热泵系统的热平衡方程，以研究其制热性能。闭式热源塔热泵系统中主要存在以下能量转换与传递环节：闭式热源塔中翅片管换热器内的低温防冻溶液吸收由轴流风机输送来的空气的热量，并在蒸发器内将热量传递至制冷剂；然后，在压缩机的作用下，制冷剂温度继续升高；最后，在冷凝器中放出热量供用户使用。

闭式热源塔从空气中吸收的热量（热源塔吸热功率）与蒸发器中制冷剂的吸热量相等，记为Qe。 Qe的计算式为

式中：c1为防冻溶液的比热容，kJ/（kg·℃）；L1为防冻溶液的体积流量，m3/s；ρ1为防冻溶液的密度，kg/m3；T2为防冻溶液流出热源塔（流进蒸发器）时的温度，℃；T1为防冻溶液流出蒸发器（流进热源塔）时的温度，℃。

冷凝器向末端释放制热功率Qc的计算式为

式中：c2为水的比热容，取4.2 kJ/（kg·℃）；L2为水的体积流量，m3/s；ρ2为水的密度，取1 000 kg/m3；T4为冷凝器出口水温，℃；T3为冷凝器进口水温，℃。

（3）完善天然气分布式能源天然气价格优惠机制。单独核定天然气分布式能源天然气价格。《关于发展天然气分布式能源的指导意见》中指出“在确定分布式能源气价时要体现天然气分布式能源削峰填谷的特点，给予价格折让”。但是，天然气供应具有很强垄断性，企业间的相互协调离不开政府的监督和指导。上海已经制定天然气分布式能源优惠价格、长沙提出供气单位应给予天然气分布式能源价格折让。四川省是天然气产气大省，建议政府相关部门充分考虑天然气分布式能源的对电网和天然气的双重调峰功能，制订政策，进一步对天然气价格进行折让，并可实施夏季调峰气价。以促进天然气消费，支持天然气分布式能源的发展。

采用性能系数（Coefficient of Performance，COP）和系统能效比（System Energy Efficiency Ratio，SEER）分别对热源塔热泵机组和闭式热源塔热泵系统的经济性进行评价。 COP 和SEER 的计算式分别为

式中：Ec，Ef，Ep分别为压缩机、轴流风机和防冻液循环泵的耗电功率，kW。

由能量守恒原理可知，热泵机组蒸发器的吸热量与压缩机的耗功量之和应等于冷凝器放热量，因此，可用式（5）对实验结果进行能量平衡误差分析。

式中：η 为相对误差。

为了简化计算过程，作如下假设：①整个闭式热源塔热泵系统管路热损失和热媒蒸发损失忽略不计；②两种热媒密度和比热容的变化忽略不计；③轴流风机和防冻溶液循环泵工作时的耗电量不变，且为实际运行频率与额定频率的比值与额定功率的乘积。

2.2 实验方法与过程

由图1 还可看出：在蒸发器出口与热源塔进口之间的管道，热源塔出口与蒸发器进口之间的管道以及冷凝器进、出口的管道上，均安装了测量防冻溶液和供热工质（水）的温度传感器，分别记为T1，T2，T3和T4，这4 个传感器均为Pt100 温度传感器，量程均为-50～100 ℃，测量精度均为±0.1℃；在热源塔出口与蒸发器进口之间的管道和冷凝器出口的管道上均安装了测量防冻溶液和水的体积流量的传感器，分别记为L1，L2，这2 个传感器均为涡轮电磁流量计，量程均为0.5～10 m3/h，测量精度均为±1%；在闭式热源塔上部进风口处安装了测量环境温度和湿度的传感器，分别记为Ta，Rh。其中，环境温度传感器的相关参数与T1～T4相同；环境湿度传感器的量程为0～100%，测量精度为±2%。此外，本文采用三相功率变送器测量压缩机的实时耗电量，记为Ec，量程为0～10 kW，测量精度为±0.5%。所有数据由Agilent349702 数据采集仪自动采集并记录，采集时间间隔为10 s。本文的测试时段有2 个，分别为2020 年1 月6 日0：00-6：00 和2020 年1 月17 日0：00-6：00。在第2 个测试时段中，给防冻溶液循环泵和热源塔轴流风机分别配备了变频器，并且运行频率均调整至35 Hz。第一个测试时段为阴雨天气；第二个测试时段为晴天。

3 实验结果与讨论

3.1 环境参数

图2 为2 次测试时段内，环境的温度和相对湿度随时间的变化情况。图中：Ta，a，Ta，b分别为第1，2 测试时段的环境温度；Rha，Rhb分别为第1，2测试时段的空气相对湿度。

图2 2 次测试时段内，环境的温度和相对湿度随时间的变化情况Fig.2 Changes of air temperature and relative humidity in two test periods

由图2 可知，在第1 测试时段内，环境温度为5.1～5.4 ℃，环境相对湿度为92.1%～94.5%，变化幅度均较小。由于热源塔在工作过程中，不仅能够吸收环境空气中的显热，还能够吸收环境空气中水蒸气凝结过程的相变潜热，因此，该天气条件有利于热源塔的吸热；在第2 测试时段内，环境温度较低，并由2.5 ℃持续下降至0.1 ℃，最低环境温度仅比文献[11]规定的汉中地区冬季采暖计算温度（-0.1 ℃）高出0.2 ℃。此外，环境相对湿度也低于第1 测试时段，为80.4～89.5%。

3.2 防冻溶液和供热工质的流量与温度

图3 为2 次测试时段内，防冻溶液的流量及其进、出口温度随时间的变化情况。图中：L1，a，L1，b分别为第1，2测试时段，防冻溶液的流量；T1，a，T1，b分别为第1，2 测试时段，防冻溶液流进热源塔的温度；T2，a，T2，b分别为第1，2 测试时段，防冻溶液流出热源塔的温度。

图3 2 次测试时段内，防冻溶液的流量及其进、出口温度随时间的变化情况Fig.3 Changes of flow rate and inlet and outlet temperature of antifreeze solution in two test periods

由图3 可知，在第1 测试时段内，防冻溶液的流量在2.9 m3/h 附近有轻微波动，由于环境温度变化较小，在防冻溶液循环泵和风机运行参数一定的情况下，防冻溶液的进、出口温度也仅有轻微波动，进、出口平均温差为3 ℃；在第2 测试时段内，由于防冻溶液的运行频率降低，防冻溶液流量随之降低至2.75 m3/h 左右，而防冻溶液进、出口温度均随着环境温度的下降而下降，进、出口平均温差也有所降低，为2.8 ℃。

图4 2 次测试时段内，供热工质的流量及其进、出口温度随时间的变化情况Fig.4 Changes of flow rate and inlet and outlet temperature for heating in two test periods

图4 为2 次测试时段内，供热工质的流量及其进、出口温度随时间的变化情况。图中：L2，a，L2，b分别为第1，2 测试时段，供热工质的流量；T3，a，T3，b分别为第1，2 测试时段，供热工质回水温度；T4，a，T4，b分别为第1，2 测试时段，供热工质回水温度。

由图4 可知，在第2 测试时段内，供热工质流量略有增加。受末端用户需热量和热泵机组运行情况的综合影响，2 个时段内，供热工质出口温度（供热温度）均有所变化，供热温度分别为46.7～47.1 ℃和43.0～45.1 ℃，进、出口平均温差分别为3.9，3.6 ℃。

3.3 闭式热源塔热泵系统吸热功率、制热功率和压缩机耗电功率

在本文的2 个测试时段内，防冻溶液的温度为-9～2.5 ℃，在此条件下，乙二醇溶液的比热容和密度仅减小了1%[12]。为了简化计算，防冻溶液比热容取3.589 kJ/（kg·℃），密度取1 050 kg/m3。

图5 为2 次测试时段内，闭式热源塔热泵系统制热功率（以下简称为系统制热功率）、热源塔吸热功率和压缩机耗电功率随时间的变化情况。图中：Qc，a，Qc，b分别为第1，2 测试时段的系统制热功率；Qe，a，Qe，b分别为第1，2 测试时段的热源塔吸热功率；Ec，a，Ec，b分别为第1，2 测试时段的压缩机耗电功率。

图5 2 次测试时段内，系统制热功率、热源塔吸热功率和压缩机耗电功率随时间的变化情况Fig.5 Changes of heating capacity，heating absorption and power consumption in two test periods

由图5 可知，在第1 测试时段内，热源塔吸热功率和系统制热功率均有轻微波动，系统的最低制热功率高于13 kW。在第2 测试时段内，热源塔吸热功率和系统制热功率均小于第1 测试时段，且均随着环境温度的降低而降低。在最低环境温度（0.1 ℃）时，系统制热功率为11.4 kW，同时，由于防冻溶液温度降低必然会导致热泵机组蒸发温度随之下降，在相同冷凝温度的情况下，会增加压缩机的耗电功率。由于第2 测试时段内的供热温度低于第1 测试时段，使得第2 测试时段的压缩机耗电功率略低于第1 测试时段，表明供热温度对压缩机耗电量影响较大，因此，在实际应用中，应在保证热舒适度的情况下，避免供热温度过高。此外，测试期间，从底部流进热源塔的防冻溶液温度持续低于0 ℃，因此，不断有液滴从翅片管换热器滴入喷淋池内，但未发现翅片管换热器有明显的结霜现象，一方面可能是由于尽管空气中水蒸气被凝结成液体，但在从上而下的强大风力的驱动下，使得凝结的液体没有来得及结霜就被吹落；另一方面由于防冻溶液和翅片表面温度不够低，导致结霜效果有限。

图6 为2 次测试时段内，热泵机组能量平衡相对误差随时间的变化情况。

图6 2 次测试时段内，热泵机组能量平衡相对误差随时间的变化情况Fig.6 Changes of relative error of energy balance in two test periods

由图6 可知，由于压缩机的耗电量没有全部转化为功，当连接热泵机组主要部件的铜管暴露在空气中时，热损失和热媒物性会发生变化，测量仪器也存在误差，导致压缩机耗电量与热源塔吸热量之和并不等于冷凝器放热量，但热泵机组能量平衡相对误差未超过10%，表明本文的实验结果误差在合理范围之内。

3.4 热泵机组COP 和闭式热源塔热泵系统SEER

图7 为2 次测试时段内，热泵机组COP 和闭式热源塔热泵系统的SEER （以下简称为系统SEER）随时间的变化情况。

由图7 可知，在第1 测试时段内，热泵机组COP 为2.8～2.9；在第2 测试时段内，热泵机组COP 为2.85～2.7，整体上低于第1 测试时段，这是由于在该时段内，虽然系统制热量和压缩机耗电量均降低了，但随着环境温度的降低，系统制热量的降低幅度更大，导致热泵机组COP 降低了。

图7 两次测试时段内，热泵机组COP 和系统SEER随时间的变化情况Fig.7 Changes of COP of heat pump unit and SEER of the heat pump system in two test periods

由图7 还可看出，在第1 测试时段内，系统SEER 约为1.6；在第2 测试时段内，系统SEER 为1.7～1.8，高于第1 测试时段，这是由于在第2 测试时段内，降低了防冻溶液循环泵和热源塔风机的运行频率，使得闭式热源塔热泵系统的耗电量减小了，因此，系统SEER 升高了，这说明该闭式热源塔热泵系统中防冻溶液循环泵和热源塔风机选型过大。