无填料热源塔冬季吸热量分析

张 楠

(广州地铁设计研究院股份有限公司，广东 广州 510030)

热源塔热泵技术是一种利用防冻溶液从空气中吸收热量通过换热用以室内环境供热的新型节能技术。热源塔热泵技术可以解决空气源热泵冬季易结霜，地源热泵技术受地形限制，电暖器能耗过高等问题，在我国南方地区已有使用[1-3]。

近年来，对于传统开式热源塔和闭式塔的理论研究已趋于成熟。陈琦等[4]对闭式热源塔在不同工况下的换热性能进行分析，对闭式热源塔的优化运行进行了解析。李胜兵等[5]通过实验对比了闭式热源塔与开式热源塔的吸热效率，发现开式热源塔的吸热效率高于闭式塔，但运行较为复杂。崔海蛟等[6-8]利用MATLAB软件分析了开式热源塔液滴直径、空气流速对逆流式无填料热源塔吸热效率的影响。张楠等[9]对热源塔在夏季工况下喷嘴位置、进风位置对不同环境参数对其散热效率的影响进行分析。章文杰等[10]建立了热源塔热泵系统冬季吸热能力模型，并根据气象参数对不同城市热源塔潜热换热和显热换热量进行对比，对其经济性进行分析。文先太等[11-13]通过实验分析了交叉流动时热源塔的传质特性并对热源塔气水比进行了优化分析。李念平等[14]以某办公建筑为研究对象，利用DeST软件对建筑负荷进行计算，对热源塔热泵与空气源热泵的经济性进行对比，发现热源塔热泵技术具有优势。

本文通过搭建的无填料热源塔进行试验，分析不同干球温度、相对湿度、气水比、溶液入口温度对热源塔吸热量以及吸热量中潜热量和显热量的影响。

1 实验平台及原理

1.1 实验平台介绍

实验平台为无填料热源塔，无填料热源塔和传统的开式热源塔相比，去除了填料部分，不仅可以减小风机能耗，同时解决了传统的填料热源塔存在结垢的问题。无填料热源塔的结构图如图1所示，主要由风机、收水器、雾化喷头、集水池等组成，塔内中空设计，进风量增加，收水器可以阻碍液滴飞出塔外，减少环境污染。

1.2 换热原理

无填料热源塔内，循环溶液与空气直接接触进行换热。循环溶液经雾化喷嘴喷洒出微小的液滴，液滴表面水分子无规则运动，在液滴表面周围形成饱和空气层，饱和空气层温度与液滴温度相同，当饱和空气层温度高于空气温度时，在温差作用下热量从空气向饱和空气层转移，两者发生显热交换。当饱和空气层水蒸气分压力低于空气水蒸气压力时，空气中水分子向液滴扩散，在液滴表面凝结放热，溶液温度升高。溶液与液滴之间既可能只发生显热交换，也可能显热交换和潜热交换同时发生。

1.3 测量仪器介绍

本次实验所采用的测试仪器及相关参数见表1。

表1 实验仪表和测量参数

1.4 数据分析

溶液吸收的热量和空气放出的热量的计算公式如式(1)，式(2)所示：

Qs=qscs(to-ti)

(1)

Qa=qa(hi-ho)

(2)

其中，qs为溶液的流量，kg/m3；cs为溶液比热容，kJ/(kg·℃)；ti,to分别为溶液的进出口温度，℃；qa为溶液的流量，kg/m3；hi,ho分别为溶液的进出口温度，kJ/kg。

由于实验过程中存在误差，溶液的吸热量与空气释放热量并不完全相等。误差分析计算结果：

(3)

本次实验选取误差在5%之内的数据对结果进行分析，保证了实验的真实性。

2 实验结果和分析

根据已有的无填料热源塔实验平台，分别改变空气进口温度、相对湿度、溶液入口温度以及气水比进行实验。对溶液的出口温度、空气出口处的温湿度等相关数据进行记录，整理分析其对热源塔潜热吸热量、显热吸热量以及总吸热量的影响。

2.1 热源塔吸热量

对无热源塔的吸热量多次重复进行实验，此时，室外空气温度为8 ℃，相对湿度70%，气水比2.8，溶液入口温度为-3 ℃。

逆流式无填料热源塔的吸热量如图2所示。由图2可知，无填料热源塔的总吸热量在7.9 kW～8.2 kW之间变动，潜热吸热量保持在1.0 kW～1.1 kW，潜热吸热量占总吸热量比例约在13%。因此，无填料热源塔的吸热量潜热占比较小，热源塔内的换热主要以显热换热为主。这主要是因为，冬季工况下，循环溶液的入口温度较低，经常保持在0 ℃以下，液滴表面水蒸气分子迁移较慢，空气中水蒸气不易凝结，潜热得热得不到充分利用的原因造成的。

2.2 空气干球温度对吸热量的影响

保持相对湿度70%，溶液入口温度-3 ℃，气水比2.8不变。改变空气温度，进行实验。空气温度对热源塔吸热量的影响如图3所示。

由图3可以发现，热源塔的总吸热量随着空气的干球温度升高而增大，且增幅明显，空气温度从2升至10，热源塔的总吸热量从2.8 kW升至10.5 kW，增长了285%，说明空气温度对热源塔的吸热量影响明显，低温工况下，热源塔的吸热量可能会导致不能满足室内需求。然而在图3中，潜热换热量并未随干球温度的升高而增大，反而有降低趋势，这主要是因为空气温度升高，空气与溶液直接接触时，换热温差增大，这直接导致了显热换热量的增大，与潜热换热关系不大，因此显热换热量基本保持不变。

2.3 相对湿度对换热量的影响

保持空气温度8 ℃，溶液入口温度-3 ℃，气水比2.8不变，改变空气相对湿度进行实验。分析相对湿度对热源塔换热量的影响。

相对湿度对热源塔吸热量影响的变化曲线如图4所示。从图4中可以看出，热源塔的总吸热量随着空气的相对湿度的增高而增大，这是因为相对湿度的增加，空气中水蒸气含量增加，增强了热质交换，效率得到提升。但换热量中的显热换热量保持微小增加，而潜热换热量随着相对湿度的增加而迅速增加，换热量的增加主要是潜热换热量增加引起的。

从图4中发现，相对湿度为50%时，热源塔的吸热量为负值，这说明相对湿度较低时，溶液的水蒸气分子向空气传递，抑制了热源塔的传热。这是因为空气相对湿度低，空气周围水蒸气分压力低于溶液液滴周围的水蒸气分压力，在压力差的作用下，溶液水蒸气分子向空气侧迁移，抑制了换热，因而，热源塔在低温高湿的南方环境下比较适用。

2.4 气水比对换热量的影响

保持空气温度8 ℃，溶液入口温度-3 ℃，相对湿度70%不变，依次增加气水比进行实验。分析气水比对热源塔换热量的影响。

气水比对吸热量影响的变化曲线如图5所示，气水比增加，总的吸热量和显热吸热量增大，但增速缓慢。潜热吸热量降低，气水比从1.2升至4.4，潜热吸热量占总换热量的比值从24.7%降低至7.6%。这是因为溶液不变气水比增加，通过热源塔的截面风速加快，而风速的增加强化了对流换热，显热换热量增加。但换热时间缩短，潜热换热中水蒸气的凝结受到影响，导致潜热换热量的减少。

2.5 溶液入口温度对换热量的影响

保持空气温度8 ℃，气水比2.8，相对湿度70%不变，依次提高溶液入口温度进行实验。分析溶液入口温度对热源塔换热量的影响。

热源塔吸热量随溶液入口温度的变化曲线如图6所示，从图6中可以发现，入口温度升高，热源塔的潜热吸热量和显热吸热量先增大而后减小，这是因为溶液入口温度的提高，进出口温差降低导致吸热量降低。而潜热换热量随入口温度的增加一直减小，这是因为溶液温度较低时，水分子运动。溶液周围水蒸气分压力较小，空气中水蒸气凝结，潜热换热量较大。

3 结论

1)无填料热源塔中的吸热包括显热吸热和潜热吸热，其中显热吸热占比较大，潜热吸热量占比较小，换热以显热为主。2)空气温度的提高可以大幅度的增加热源塔的吸热量，但吸热量中潜热吸热量并不会随空气温度的升高而增大，温度对热源塔的吸热量较其他因素相比影响最大。3)相对湿度 对热源塔的总吸热量和潜热吸热量影响较大，湿度升高潜热换热量增加。但湿度较低时，会抑制潜热换热的发生，适用于我国南方低温高湿的气候环境。4)热源塔中的潜热换热主要是水凝结造成的，水凝结会导致溶液浓度的降低，因此开式塔需配有浓缩装置，而且由于飘散损失的出现会导致溶液对环境造成污染，运行复杂。5)气水比增加，溶液总吸热量和显热吸热量均出现增大，但潜热吸热量减小。而溶液入口温度的提高会导致热源塔的潜热换热量降低，显热换热量和总换热量波动范围较小。