热源塔热泵技术在夏热冬暖地区的应用

湖南秋克热源塔热泵科技工程有限公司 刘秋克

摘要 在研究国内外冷却塔采热热泵技术不适应我国南方气候条件下运行的基础上，由国内科研机构重新定位，以吸收和提升低温位热源为单位的设计组合制造，定义为“热源塔热泵”。热源塔热泵属于我国民族品牌专利技术，2008年初我国南方遭受了五十年一遇的冰冻期，热源塔热泵系统经受了恶劣气候环境下的严峻考验，供暖温度超过28℃。热源塔热泵在国内属于发展初期，应用较少。但该系统在夏热冬暖地区与其它热泵空调系统相比，具有效率更高、使用限制条件比较少的特点。本文结合工程实例，介绍其热源塔热泵专利技术转化产品在工程项目设计中应注意的问题。

关键词 热源塔热泵、地源热泵、冷热源、太阳能次生源、可再生能源

引言

对于我国南方地区中央空调系统来说，在有冷暖需求的空调场所，一般应满足夏季制冷和冬季供暖两种功能。在夏热冬暖地区，因气候因素和经济发展的原因，一般建筑只需考虑夏天制冷问题即可。但随着人们生活水平的提高，对空调的要求舒适度也提高了，在许多建筑物，如宾馆、医院和商务楼，也需要满足冬季供暖需求。对于冬季供暖有需求的建筑物，如果设计仅仅考虑空调冷源问题而不重视空调热源的选择，将造成冬季空调能源消耗过大，从而造成全年空调能耗偏高和终端用户高排碳。

在传统空调热源方案中，通常需分别设置冷源（制冷机）和热源（锅炉或电辅热）。由于用高温位的化石能源去生产中位热能，其存在能源效率很低和环境污染问题，所以空调热源的来源方式已逐渐由采用化石能源锅炉转化为应用太阳能次生源可再生能源作为热泵的热源，能源效率很高更加环保。

本文结合工程实例，介绍一种在夏热冬暖地区综合经济性能比较突出的空调冷(热)源系统——热源塔热泵专利技术系统。

1、什么是热源塔？

热源塔用作吸收低温位冷(热)源技术的起源可追溯到日本20世纪80年代，采用冷却塔加盐溶液曝气循环吸收空气中的低温位热源，日本取名为采热塔/加热塔，国内暖通会议取名为冷却塔采热，有的厂家也称之为能源塔，本文采用国内暖通会议定位名词即“冷却塔采热”。

1.1冷却塔低热源吸收技术，采用冷却塔加盐溶液曝气循环吸收空气中的低温位热源，在工程实际应用中多以失败告终，其主要问题是：

1.1.1冷却塔是以汽化蒸发潜热能为主构造的换热设备，用于冬季吸收显热能时即使放大冷却塔容量吨位来配置，显然也是换热面积不足传热温差大，溶液温度低导致热泵蒸发温度低，热泵供热性能下降。

1.1.2大温差传热热泵蒸发温度低，需要高浓度的盐类作为循环介质，由于浓度高不可再生利用，在低温高湿气候期持续时间较长时，需要将稀释后溶液排放掉补充原液维持浓度，造成了河道环境污染。

1.1.3循环介质溶液开式曝气循环溶解氧增加，对设备有严重的腐蚀性。

1.1.4冷却塔结构没有雾气分离装置，盐类溶液飘雾污染腐蚀周围环境的钢结构。

1.2热源塔低热源吸收技术，是以采集吸收低温位热源为计量单位的设计制造设备，参照国标水源热泵标准中冷源侧和热源侧词汇，热源塔是以冬季吸收空气中低温位热源为主的设计，定义为“热源塔”。

1.2.1夏季在“高温高湿”气候条件下，空气接近饱和状态，冷却塔的蒸发效率很低，制冷机组冷凝热水余热只能变为与空气之间显热交换，冷却水出水温度高，藻类青苔繁殖污染水质，制冷机效率低。在相同的气象条件下热源塔具有负压值汽化蒸发功能，冷却水出水温度低制冷机效率高。

1.2.2冬季在“低温高湿”气候条件下，热源塔是小温差传热向空气要能源设备，配置负温度凝结水浓缩分离装置、蓄热能融霜装置、地源融霜装置的其中之一，小温差传热无霜吸收空气中低温位源作为热泵的热源来源，提高了热泵供热性能，从而实现为建筑物供暖的稳定性。

1.3热源塔低热源设备分类，热源塔分为开式热源塔和闭式热源塔。

1.3.1开式热源塔，是以开式循环经雾气分离采集吸收低温位热源，配置负蒸发温度(机组)凝结水浓

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缩分离装置组成热源塔。

其优点是，设备造价成本低，可以使用低浓度的环保循环溶液。

其缺点是，管理比较麻烦，循环溶液浓度是动态变化，循环溶液使用周期长。

1.3.2闭式热源塔，可以实现开闭式双向功能运行，作为闭式循环是以内置循环溶液通过换热器与空气进行热交换，0℃以上换热器处于无霜吸收低温位热源状态，负温度以下热源塔换热器防霜有三种类型：

A、配置负空气温度(环境)间歇式喷淋溶液——凝结水浓缩分离装置组成热源塔无霜运行；

B、配置蓄热能融霜装置组成热源塔间歇式融霜运行，利用气候冷热变化的周期性，在寒流过后空气温度上升，由热源塔吸收空气中低温位热源，经热泵提升向蓄热池防热储存常温融霜热源。

C、利用地源融霜装置组成热源塔间歇式融霜运行，可以利用少量的地表水源或地下土壤源埋管吸收低温位热源直接进行负空气温度状态下的热源塔换热器融霜。

其优点是，内置循环溶液热源稳，对环境无任何环保影响，循环系统干净无污染，循环溶液浓度稳定不受干湿气候变化影响，还可以与少量的地源组合为混合源，使用范围可扩大到华北地区，设备采用不锈钢制造不腐蚀可进行清洗寿命高。

其优点是，设备造价成本高。但与南方岩层构造的地源土壤源来源对比，有较高的投资经济性。

2、什么是热源塔热泵？

热源塔热泵在我国南方应用的技术标准要求是，充分利用具有无限能量的太阳能次生能源可再生能源实现——小温差传热向空气要能源，无锅炉无电辅终端无排碳。

2.1热源塔热泵质量性能，由“热源塔(配凝结水分离装置)”+“小温差低热源热泵”成套设备的组成，应保障在空气温度0℃，相对湿度100%的低温高湿状态下，热源塔热泵机组的供热性能不低于4.0，不允许热源塔直接排放稀释循环溶液，热源塔溶液浓缩分离装置排放的凝结水分应达到污水级排放标准。

2.2热源塔热泵功能要求，夏季为高效负压汽化水冷却二级能效制冷机；冬季为高效宽带小温差传热无霜空气能热泵。

2.3热源塔热泵节能优势，热源塔热泵是将我国南方普遍应用的传统水冷却制冷+锅炉和空气源热泵+电辅热融为一体，改变其原有设备低效率的大温差传热设计配置，省去了锅炉和电辅热，实现了冷暖空调热水三联供，一机三用。彻底改变了传统300—2000KW水冷却制冷机无法实现热泵化的技术难题。节能减碳和综合经济性能指标高于我国南方传统空调系统的30—60%，是有效地利用太阳能次生能源的可再生能源技术。

3、夏热冬暖地区热泵家族类型

在各种制冷方式中，水冷冷水机组比其他形式的制冷方式的制冷能效比都高；各种制热方式中，热泵比其他制热形式的制热效率都高。在冬季的制热方式中，象锅炉这样的低效率的方式已经无需与热泵相比，目前传统热泵空调最典型的形式为空气源热泵系统和地源热泵系统，在应用方面都存在一定的问题。所以在与热源塔热泵系统的方案比较中，比较高效经济既能制冷又能制热的热泵空调系统形式才有意义。

3.1空气源热泵从空气中提取低位热源，应用广泛。但其缺点也十分明显，一是随着空气温度的降低，蒸发温度下降，热泵的效率降低；二是在环境气温低而相对湿度高时容易在蒸发器表面结霜，除霜时，热泵不仅不供热，还要消耗除霜所消耗的热量。

3.2地源热泵可以利用地下水、地表水或土壤埋管技术提取低位热源，在有条件的地区也能作为可再生能源加以利用。在夏热冬暖地区，地下水、地表水尽管丰富，但在城市，往往是稀缺资源，难以大规模

推广应用；而作为地埋管地源热泵，由于土壤的传热性能欠佳，需要较多的传热面积，导致占地面积较大。

3.3热源塔热泵系统在夏热冬暖地区，比较容易实现热泵功能。这是因为它比起传统水冷却制冷机+锅炉来，有较高的节能减碳优势，冷暖空调热水三联供，一机三用；比起地源热泵来，不受地上地下水资源和地面面积的限制；比采用传统空气源热泵要有很高的制冷能效和供热效率。而它的综合效率因为采用小温差传热，是吸收廉价的太阳能次生源冷(热)源的可再生能源技术。

4、用冷却塔+水源热泵构造代用热源塔热泵系统的不足之处

因为冬季的室外湿球温度较低，传热温差较低，热源塔热泵系统要达到在冬季吸收足够热量，必须具有较大的传热面积。因此冷却塔代用热源塔必须做得比普通冷却塔要大，才能满足冬季制热的要求。这就要求建筑屋面具有较大的面积，其所占屋面面积一般是普通冷却塔的1.5～2倍。另一方面，要满足冬季较低温度下的传热，水源热泵机组传热温差大蒸发温度低，这就需要循环溶液浓度高冰点温度低以防结冰。

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目前传热介质一般采用氯化钠、氯化钙等盐溶液，这些物质曝气后溶解氧增加具有一定的腐蚀性。采用乙二醇溶液虽然没有腐蚀，但开式运行循环溶液损失大，运行成本高。无论是那类溶液只要浓度超过了允许的范围都无法通过现代技术浓缩分离，当气候“低温高湿”持续期较长时，溶液曝气循环自蒸发浓缩不能维持平衡时，被稀释溶液要被排放掉污染水质环境。

5、某工程热源热泵系统设计 5.1工程概况

湖南某商务楼，总建筑面积34903.8㎡，总建筑高度94.5m，地下一层，地上23层。 经逐时负荷计算，夏季空调冷负荷为3517kW，冬季空调热负荷为1067 kW。 5.2热泵机组的选型与水冷机组的配置

由于建筑物冷热负荷数值差距较大，对于传统空气源热泵机组选型的基本原则，即在夏热冬暖地区应用时，应以热负荷选型，不足冷量可由水冷机组提供的这一原则，是考虑到空气源热泵效率较低、造价较高的情况而定的；而对于小温差低热源热泵机组（热源塔热泵机组），由于其效率比空气源热泵高，高于一般的水冷却冷水机组能效的10% 以上。因此，其选型主要是应是从性能稳定上考虑，再考虑造价方面，可参照单冷机+燃气锅炉、混合源地源热泵进行投资与回报对比。

设备选型按夏季考虑，全部选用小温差低热源热泵机组，运行互换性强，在低热源状态下热泵虽有衰减可满足供热需求还有余量。

本项目热源塔配置选型如下：冬季，考虑到历史极限温度因素，低温位热源吸收不低于2000 KW，凝结水分分离装置日浓缩量大于15吨/日；夏季，考虑到我国南方地区经常处在高温高湿状态下，冷源冷却能力不低于4200 KW（冷却水循环量750吨）。冷(热)源设备选用模块化带有雾气分离的专用320变风量热源塔7台，空气温度零度低温位热源吸收能力不低于2240KW，冷源冷却能力不低于4800 KW。

本项目机组配置选型如下：夏季制冷由2台1120KW小温差低热源热泵机组构成高效制冷机；2台625kW高效冷回收机组构成的独立生活热水系统，可实现低空调负荷下的全部免费空调制冷。夏季总制冷量为：1120*2+625*2=3490KW。

5.3系统设计的关键

对于热源塔热泵系统，末端系统负荷侧设计建议采用小温差换热器配置，冷热水输出温度均可比常规温度低5℃，主机节能率可高于10%左右。冷热换向站要求采用质量好可靠性高转换装置，不应有溶液的泄漏，要求在最低管道位置可排空溶液，对于开式自蒸发浓缩系统至少要求有一个寒流周期的稀释溶液储存调节池。水系统的设计与常规的中央空调水系统有许多共同之处，有一定经验的工程师都可以完成。

6、应用情况和展望

由于热源塔热泵技术是彻底改变了传统国内外空调领域设计制造“大温差传热”理念，引入“小温差传热向空气要能源，无锅炉无电辅终端无排碳”新理念。目前热源塔热泵技术应用还不普遍。典型的项目有浙江普陀山大酒店、浙江息耒小庄度假村、江都质检站、镇江阿德宝假日酒店。特别是2008年初我国南方遭受了五十年一遇的冰冻期，热源塔热泵系统经受了恶劣气候严峻的实际考验。湖南吉首市金煌宾馆客房供暖温度28～30℃，大堂供暖温度24～26℃。这些项目都是位于我国的夏热冬冷地区。对于夏热冬暖地区，由于气候条件比夏热冬冷地区更温暖，更有利于热源塔热泵系统效能的发挥。本文所介绍的工程项目是夏热冬暖地区在建的项目。之所以热源塔热泵系统能在夏热冬冷地区率先使用，一方面是该地区夏季制冷、冬季制热的需求更加明显；另一方面是该地区风冷热泵技术的应用更受气候条件的制约。随着人民生活水平的提高，夏热冬暖地区冬季供暖需求的增多，相比其他空调热泵系统来说，效率更高、限制条件较少的热源塔热泵技术应用将会越来越广，为本地区节能减碳事业做出应有贡献。

热源塔热泵技术在我国南方十五个省和直辖市推广应用量达到50%左右时，按GB/T2589-2008综合能耗计算通则标准计算，年可为用户节约运行费用300亿元以上人民币，节约1500万吨以上标准煤，减少终端使用燃气、燃油和燃煤生活用锅炉产生的碳排放量约4500万吨以上。

参考文献：

[1] 建设部《建设科技》期刊 “热源塔热泵低热能再生技术在我国南方的应用”作者 刘秋克 [2] 中能源《地源热泵》期刊“热源塔热泵技术在南方应用”作者 刘秋克 [3] GB50189-2005 公共建筑节能设计标准 中国建筑工业出版社

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