白運(yùn)運(yùn) 向立平,2 歐陽琴 夏曉康

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熱源塔的研究與發(fā)展

白運(yùn)運(yùn)1向立平1,2歐陽琴1夏曉康1

（1.湖南工業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院 株洲 412007；2.湖南科技大學(xué)煤礦安全開采技術(shù)湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 湘潭 411201）

主要介紹熱源塔的設(shè)備結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及其工作原理，以及熱源塔的翅片換熱器結(jié)構(gòu)參數(shù)和防凍溶液的影響和在干工況、濕工況、及霜工況下的傳熱傳質(zhì)原理。通過分析，認(rèn)為熱源塔熱泵系統(tǒng)是一種一塔兩用、高效節(jié)能的新型實(shí)用技術(shù)。這項(xiàng)新型系統(tǒng)尤其適用于夏熱冬冷地區(qū)，不僅解決了空氣源熱泵系統(tǒng)冬季結(jié)霜以及地源熱泵系統(tǒng)使用受限的難題，值得我們深入的研究以及推廣。

熱源塔；傳熱傳質(zhì)；翅片換熱器；冷熱源

0 引言

當(dāng)今社會(huì)，霧霾現(xiàn)象越來越嚴(yán)重，主要原因是因?yàn)槲覀內(nèi)祟悓τ诖笞匀坏钠茐摹τ跇淠敬罅康目撤?，釋放有害氣體進(jìn)入大氣環(huán)境還有石油和煤炭等一次性的不可再生的能源的利用，對環(huán)境造成了一定的影響，而且可使用的能源是有限的[1-3]。那么尋找新型的能源變成一種必然，因而太陽能、地?zé)崮?、潮汐能等開始被利用起來。而在建筑環(huán)境中就是尋找新型的可循環(huán)的冷熱源設(shè)備。冷熱源設(shè)備在建筑能耗中占有相當(dāng)大的比重，因此尋找到合理經(jīng)濟(jì)并節(jié)約能源的冷熱源設(shè)備也是相當(dāng)重要的[4]。受特定環(huán)境的影響，冬季在我國長江流域以南地區(qū)，北方冷空氣南下，分別受到云南高原、川西高原、武夷山脈和南嶺山脈的阻滯，而來自南海暖濕氣流又不斷從較低的南嶺山脈越過與冷空氣匯合，使南方地區(qū)成為了冷暖氣流的對峙區(qū)，低溫高濕是南方地區(qū)冬季氣候條件的特點(diǎn)。因此在我國的南方地區(qū)要應(yīng)用較合理的技術(shù)可以為人們冬季供暖夏季供冷。

熱源塔熱泵系統(tǒng)就是一種新型的能源系統(tǒng)。該系統(tǒng)不僅解決了冬季空氣源熱泵系統(tǒng)容易結(jié)霜的問題，閉式熱源塔熱泵系統(tǒng)還可以防止防凍溶液飄散到空氣中。熱源塔熱泵系統(tǒng)在夏季的時(shí)候可以用作冷卻塔使用，并且噴淋循環(huán)的是水，因而對于環(huán)境并未有太大的影響。在冬季時(shí)熱源塔熱泵系統(tǒng)利用換熱器管道內(nèi)的防凍溶液與外界的空氣進(jìn)行熱質(zhì)交換從而為房間內(nèi)提供熱源。閉式熱源塔在冬季時(shí)不進(jìn)行防凍鹽溶液的噴灑因而不會(huì)對外界空氣產(chǎn)生污染。此熱源塔，冷熱源合一、一塔兩用，既環(huán)保又節(jié)約，是現(xiàn)在應(yīng)該推廣實(shí)用的新能源技術(shù)。

1 熱源塔的工作原理及其影響因素

熱源塔熱泵的工作原理[5,6]就是在夏季工況的時(shí)候熱源塔就作了冷卻塔，利用高焓值進(jìn)行循環(huán)水在換熱層表面形成水膜直接與低焓值空氣充分接觸，高焓值的水膜表面的水蒸氣的壓力就會(huì)高于空氣中水蒸氣的壓力值形成壓力差這就使得水分蒸發(fā)然后循環(huán)水溫度降低，為水循環(huán)制冷空調(diào)提供了冷源。冬季工況下熱源塔的工作介質(zhì)變成了低溫防凍溶液，熱源塔與蒸發(fā)器連接，蒸發(fā)器吸收防凍溶液，溶液在進(jìn)入填料層與空氣換熱，吸收的熱量經(jīng)過冷凝器傳給用戶。

熱源塔熱泵系統(tǒng)冬季換熱器[7-9]工作工況還分為，干工況、濕工況、結(jié)霜工況。當(dāng)換熱器表面的溫度高于空氣的露點(diǎn)溫度時(shí)處于干工況，此時(shí)空氣的顯熱交換量與換熱器內(nèi)溶液得失熱量相等。當(dāng)換熱器表面的溫度低于空氣的露點(diǎn)溫度而高于零度時(shí)處于濕工況下，此時(shí)空氣的顯熱與潛熱交換量的總和與換熱器內(nèi)溶液的得失熱量相等，而當(dāng)換熱器表面的溫度低于零度時(shí)處于結(jié)霜工況下，當(dāng)換熱器表面剛開始結(jié)霜的時(shí)候，換熱器的換熱效率會(huì)相應(yīng)的增加主要是因?yàn)閯傞_始結(jié)晶時(shí)增加了換熱器的面積從而增加了它的換熱效率，但隨著結(jié)霜情況越來越嚴(yán)重，結(jié)霜面積越來越大。系統(tǒng)繼續(xù)運(yùn)用會(huì)增加機(jī)組的額外負(fù)擔(dān)，而影響整個(gè)換熱效率。

閉式熱源塔的循環(huán)介質(zhì)一直是在管道內(nèi)流動(dòng)，主要是應(yīng)用翅片換熱器與外界空氣進(jìn)行換熱，噴淋裝置內(nèi)裝的是防凍溶液，主要是在冬季噴灑到翅片換熱器上防止換熱器結(jié)霜，防凍溶液與循環(huán)介質(zhì)并不混合。

開式熱源塔則是循環(huán)介質(zhì)在管道內(nèi)流動(dòng)，經(jīng)過噴淋裝置，噴淋到填料層上與空氣換熱，管道內(nèi)的循環(huán)介質(zhì)與噴淋溶液是混合的，并且開始熱源塔在噴淋時(shí)介質(zhì)是與空氣進(jìn)行接觸的。

熱源塔熱泵系統(tǒng)的影響因素也是挺多的。在熱源塔進(jìn)行工作的時(shí)候，不同的溶質(zhì)類型對于熱源塔系統(tǒng)性能影響是不一樣的，在熱源塔內(nèi)應(yīng)用水作為吸熱溶質(zhì)的話，會(huì)使得冷水機(jī)組中產(chǎn)生結(jié)冰現(xiàn)象影響正常工作嚴(yán)重的情況還可能導(dǎo)致管道和水泵被凍壞，因此并不能像冷卻塔一樣應(yīng)用水做溶質(zhì)，必須尋找一種合適溶液。因此學(xué)者提出應(yīng)用鹽溶液代替水作為熱源塔中的溶質(zhì)。并且他們也做了各種實(shí)驗(yàn)，但是不同的鹽溶液的冰點(diǎn)不同并且冰點(diǎn)也會(huì)隨著溶液濃度的變化而變化，而且熱源塔內(nèi)的溶液溫度較低有可能會(huì)產(chǎn)生結(jié)晶現(xiàn)象，這對系統(tǒng)的傳熱效率產(chǎn)生一定的影響。在系統(tǒng)運(yùn)行中溶質(zhì)會(huì)吸收空氣中水蒸氣，會(huì)使得溶液的濃度逐漸減低，并且鹽溶液有腐蝕作用，系統(tǒng)應(yīng)用時(shí)間較長后會(huì)使得管道內(nèi)被腐蝕并且溶液中會(huì)摻有一定的雜質(zhì)。而且不同的換熱器對于熱源塔熱泵系統(tǒng)的換熱效率也有一定的影響，換熱器的類型可以分為，直肋翅片、圓形翅片、矩形翅片以及圓形翅片。對于不同類型的翅片以及翅片間距對于換熱器都會(huì)產(chǎn)生影響。而前人對于防凍溶液以及換熱器翅片類型翅片間距以及換熱器排列方式等做了研究，但是對于熱源塔熱泵系統(tǒng)還有很多問題需要我們進(jìn)一步研究，從而使得熱源塔能夠得到更好的發(fā)展與推廣。

2 熱源塔熱泵的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

到目前為止對于熱源塔的研究主要有：熱源塔內(nèi)部傳熱傳質(zhì)的過程，熱泵系統(tǒng)及熱源塔翅片換熱器幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)等對于新型熱源塔熱泵系統(tǒng)的影響與發(fā)展。

對開式熱源塔的研究主要有，吳丹萍[11]在對不同溶質(zhì)對熱源塔熱泵系統(tǒng)的研究中表明使用LiCl溶液比使用CaCl2溶液系統(tǒng)的危險(xiǎn)時(shí)間點(diǎn)要落后，也說明LiCl溶液有更高的穩(wěn)定性比CaCl2鹽溶液更易于用在熱源塔熱泵中。但是鹽溶液對于熱源塔系統(tǒng)輸送管道內(nèi)具有一定的腐蝕作用，本文沒有提出詳細(xì)措施進(jìn)行改善。Kashinath R Patll[13,14]對不同的溶液在不同的溫度下，不同濃度下對于熱源塔吸收熱量的性質(zhì)進(jìn)行了研究，并將結(jié)果和擬合的公式列出來。劉成興[15]對逆流式熱源塔的傳熱傳質(zhì)與凝水調(diào)節(jié)進(jìn)行了研究，使得熱源塔內(nèi)的水可以實(shí)現(xiàn)自平衡。蘇湛航[19]等對開式熱源塔的載流進(jìn)口溫度、流體流量以及進(jìn)口空氣流量等進(jìn)行另外分析。得出：載熱流體的吸熱量隨著流體進(jìn)口溫度的升高而逐漸降低，熱源塔吸熱效率隨著流體流量和流體進(jìn)口溫度影響。張晨，楊洪海[20]等人對開式熱源塔的工作原理以及結(jié)構(gòu)特點(diǎn)做了分析，使我們充分了解了開式熱源塔系統(tǒng)。

總結(jié)：對于開式熱源塔的研究著重于溶液的選擇、內(nèi)部的傳熱傳質(zhì)過程以及載流體的進(jìn)出口溫度對于熱源塔換熱效率的影響。但是對于在使用CaCl2溶液時(shí)對于熱源塔的腐蝕問題以及在平均室外溫度為30℃、0℃以及-3℃時(shí)CaCl2溶液應(yīng)該控制在什么濃度范圍內(nèi)才可以使熱源塔換熱性能較好，還有噴淋溶液流量應(yīng)該控制在什么范圍內(nèi)才可以使熱源塔換熱性能較好的研究較少因而值得我們?nèi)ニ伎肌?/p>

對閉式熱源塔的研究主要有：Li[10]對熱源塔熱泵的性能進(jìn)行了研究，指出了隨著室外溫度在一定范圍內(nèi)的升高，空調(diào)的能效比也會(huì)有一定的升高，從而提高了空調(diào)的效率。梁彩華、文太先[12]等對熱源塔熱泵系統(tǒng)構(gòu)建以及實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了研究得出：（1）壓縮機(jī)的耗功與制熱量會(huì)隨著溫差的增大而減小，溫差增大1.5℃壓縮機(jī)耗功減少0.1kW，制熱量減少0.8kW；（2）隨著熱源塔溶液進(jìn)口溫差的增大熱泵的COP值會(huì)有相應(yīng)的減小，當(dāng)溶液進(jìn)出口溫差增大為1.5℃，熱泵COP減少0.3；（3）熱泵的蒸發(fā)溫度會(huì)隨著熱源塔溶液進(jìn)口溫差增大而減小，當(dāng)蒸發(fā)溫度降低4.4℃時(shí)，空氣與蒸發(fā)溫度的溫差增大4.32℃。張晨、劉秋克[16]等對三種形式的熱源塔進(jìn)行了研究比較，進(jìn)而得出閉式熱源塔是最符合現(xiàn)代環(huán)境技術(shù)要求的新型、高效率、低能耗的技術(shù)。Giulio Croce[17]等對翅片換熱器傳熱傳質(zhì)進(jìn)行了數(shù)值模擬，得出：進(jìn)行數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)分析的差距不大并且證實(shí)了影響翅片換熱器傳熱傳質(zhì)的因素是水膜的結(jié)構(gòu)，并且用實(shí)驗(yàn)證實(shí)了在它會(huì)被聚集成水滴而不是流動(dòng)的水膜，并且會(huì)對換熱器的壁溫和翅片間流動(dòng)的水以及翅片間干濕區(qū)域的評估有影響，因此本文希望學(xué)者們可以深入的去總結(jié)一套完整的擴(kuò)散方程的組合以解決此問題。Aytunc, Erek[18]等人對換熱器的幾何結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究得出：當(dāng)換熱器圓管管徑的橢圓率增加，換熱效率也會(huì)增加，橢圓率對于換熱器壓力下降也有一定影響并且橢圓形管比圓形管具有更小的阻力的特點(diǎn)，因而在動(dòng)力學(xué)領(lǐng)域內(nèi)應(yīng)用更廣泛。章文杰，李念平[21]等人對熱源塔內(nèi)部的響遍潛熱能做了研究，得出：（1）冬季工況下在一些高濕地區(qū)熱源塔熱泵系統(tǒng)換熱是會(huì)有潛熱交換，對此類交換應(yīng)該做一些深入的研究；（2）在熱源塔換熱系統(tǒng)中循環(huán)溶液的出口溫度波動(dòng)是由于內(nèi)部潛熱交換影響的。因而指出在一些高濕地區(qū)應(yīng)該注重潛熱變化，并且對于潛熱交換的研究更深入，使得熱源塔熱泵系統(tǒng)在高濕地區(qū)可以推廣。文先太，梁彩華[22]等對熱源塔的潛熱交換進(jìn)行研究，得出：（1）溶液的進(jìn)口溫度從-2℃增加到4℃時(shí)潛熱量從27%變?yōu)闊o潛熱交換；（2）當(dāng)風(fēng)量從286m3/h到447m3/h時(shí)潛熱交換從9%增加到無潛熱交換；（3）溶液流量增加使得潛熱交換比也相應(yīng)的增加而室內(nèi)干球溫度的增加使得潛熱量減小顯熱量增加。黃從建，李念平[23]等人分析了冬季干工況下閉式熱源塔的傳熱特點(diǎn)并且建立了傳熱方程，以及換熱效率方程，并通過實(shí)驗(yàn)分析了翅片換熱器幾何結(jié)構(gòu)對于換熱量的影響。得出：翅片間距增大降低了換熱量，而增大盤管管徑增大換熱量。

總結(jié)：對于閉式熱源塔較開式熱源塔的好處是不會(huì)飄灑污染物對于環(huán)境有一定的保護(hù)，但對于翅片換熱器形狀的研究較少因此值得我們深入研究，對于現(xiàn)在全球環(huán)境變化惡劣，因而有可能閉式熱源塔換熱器也會(huì)結(jié)霜因而與新型可再生能源的結(jié)合應(yīng)值得重視。

3 熱源塔熱泵系統(tǒng)的應(yīng)用

熱源塔熱泵技術(shù)最早是在日本應(yīng)用——橫濱競技場和名古屋[24]取名為采熱塔。

熱源塔最先被廣泛了解的是2008南方經(jīng)受百年一遇的雪災(zāi)在此期間湖南湘西吉首市金煌賓館[25]安裝了熱源塔熱泵系統(tǒng)，在遭遇冰災(zāi)時(shí)由于氣溫較低空氣的濕度較大，大量的熱量被濕空氣蒸發(fā)而帶走，各種風(fēng)冷熱泵供熱設(shè)備由于氣溫的影響被停止運(yùn)行，在這種情況下金煌賓館確可以利用熱源塔熱泵技術(shù)為客房提供28-32度左右的溫度，還可以讓賓客正常使用日常用水。至此之后許多學(xué)者對于熱源塔熱泵開始進(jìn)行研究，劉秋克對于熱源塔在我國南方的應(yīng)用做了適應(yīng)性的實(shí)驗(yàn)，并且結(jié)合湖南當(dāng)?shù)氐墓こ虒?shí)例進(jìn)行了各項(xiàng)性能技術(shù)的分析。結(jié)果得出熱源塔熱泵在我國南方可以得到良好的使用。

上海虹橋機(jī)場航管辦公樓[26]就利用了熱源塔熱泵技術(shù)，由于原建筑中央空調(diào)系統(tǒng)冷凍機(jī)在夏季是制冷效率低，在冬季時(shí)能耗比較高，并且燃油產(chǎn)生了大量的污染物，因此改換了設(shè)備，在這種大型的空間內(nèi)由于熱源塔熱泵的使用使得空調(diào)機(jī)房的設(shè)備更加緊湊，自動(dòng)化程度更高，節(jié)能效率提高。

浙江桐廬大酒店也采用了閉式熱源塔。

熱源塔與太陽能結(jié)合運(yùn)用，既可以吸收空氣中的能量也可以吸收太陽能，實(shí)現(xiàn)雙熱源熱泵系統(tǒng)。現(xiàn)在有許多學(xué)者開始研究熱源塔與地?zé)崮芟嘟Y(jié)合，地?zé)崮艿睦寐室话憧梢赃_(dá)到50%-70%，而且開發(fā)時(shí)間少，投資較少，并且地?zé)峥梢灾苯永幂^方便因而是難得的新型能源系統(tǒng)。

在我國長江流域以南的地區(qū)，夏季炎熱，冬季陰雨連綿潮濕寒冷的地區(qū)，熱源塔熱泵正好利用這一環(huán)境因素來為居民提供冷熱源，熱源塔熱泵技術(shù)在我國南方得到了應(yīng)用。

湖南長沙地區(qū)屬于夏熱冬冷地區(qū)，春末夏初多雨，夏末秋初多旱。全年無霜期約275天，年均降水量約1422.4毫米。而熱源塔熱泵系統(tǒng)既可以進(jìn)行潛熱交換也可以進(jìn)行顯熱交換，也可以避免結(jié)霜現(xiàn)象。因而熱源塔熱泵系統(tǒng)適合與長沙等夏熱冬冷地區(qū)發(fā)展。

4 結(jié)論與展望

（1）熱源塔用作空調(diào)冷熱源系統(tǒng)，是一種新型節(jié)能系統(tǒng)，并且一塔兩用，尤其適用于夏熱冬冷地區(qū)，改善了空氣源熱泵冬季結(jié)霜以及地源熱泵使用首先的問題，符合國家大力倡導(dǎo)的節(jié)能和環(huán)保的要求。

（2）對于熱源塔熱泵系統(tǒng)國內(nèi)外已經(jīng)做出了多項(xiàng)研究，例如：防凍溶液的選擇，翅片換熱器的幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)的影響、熱源塔內(nèi)部傳熱傳質(zhì)的分析、換熱效率的影響因素等等。但是對于翅片換熱器中翅片類型的傳熱傳質(zhì)模擬實(shí)驗(yàn)，噴淋液的噴淋過程中熱源塔內(nèi)部傳熱傳質(zhì)的模擬以及噴淋液的濃縮和熱源塔與其他新型能源的結(jié)合等研究還略顯不足。

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Research and Development of the Heat Source Tower

Bai Yunyun1Xiang Liping1,2Ouyang Qin1Xia Xiaokang1

( 1.Hunan university of technology, School of civil engineering, Zhuzhou, 412007;2.Hunan university of science and technology of coal mine safety mining technology in hunan province key laboratory, Xiangtan, 411201 )

This paper mainly introduces the equipment structure characteristics and working principle of the heat source tower, as well as the heat source tower finned heat exchanger structure parameters and the influence of the antifreeze solution and in working condition of dry and wet conditions, and the frost conditions of heat and mass transfer principle. Through the analysis, think dual heat source heat pump system is a kind of towers, high efficiency and energy saving of new practical technology. The new system is especially suitable for hot summer and cold winter region, not only solved the winter frost air source heat pump system and the problem of the limited use of ground source heat pump system, is worthy of our in-depth research and extension.

Heat source tower; Heat and mass transfer; Finned heat exchanger; Cold and heat source

1671-6612（2017）02-224-05

TK121

A

煤礦安全開采技術(shù)湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放基金資助項(xiàng)目

白運(yùn)運(yùn)（1990.8-），女，在讀研究生，E-mail：1540056492@qq.com

向立平（1977.9-），男，博士，副教授

2016-05-09