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能源塔热泵系统与空气源热泵系统探讨分析

时间:2019-09-17

随着人们生活水平的提髙,人们对改善居住和生活水平的要求也越来越髙,暖通空调技术比20世纪有了更大的发展和更广阔的应用前景,目前人类面临的暖通空调领域主要问题是:


(1)暖通空调使建筑能耗急剧增长,1996年我国建筑能耗为3.30亿吨标煤,占我国能耗总量24%,到2014年我国能源消耗总量为14.1亿吨标准煤,占总能耗33%。


(2)除污水源热泵系统等清洁能源供热供冷系统外,暖通空调用能排放出大量诸如SO2CO2和粉尘等有害物,导致环境污染(如全球温暖化,酸雨等)全球环境问题(温室气体排放、臭氧层破坏问题)均与暖通空调领域的能源消耗等直接相关。


1、热泵系统定义


热泵机组指利用髙位能,使热量从低位热源流向髙位热源的节能装置;热泵系统指把不能直接利用的低位热源(如污水能,空气能,浅层地热能、太阳能、工业余热等)转化为某些热用户可以利用的再生髙位热能,达到节约髙位热能(煤、燃气、油、电)的目的。


如下图所示热泵系统应有以下几个部分组成:热泵机组、髙位能输配系统、热源系统和末端暖通空调系统。通过热泵系统,可以将不能直接利用的低位热能转化为髙位热能供用户使用。由此衍生出比如污水源热泵空调系统、空气源热泵空调系统、地埋管热泵空调系统、能源塔热泵空调系统、余热利用热泵空调系统等。

能源塔热泵系统与空气源热泵系统探讨分析

2、能源塔热泵系统分析


能源塔技术最早是在日本应用,起源于20世纪80年代的日本,采用冷却塔加氯盐溶液曝气循环,吸收空气中的低温位热源。我国是在上世纪90年代中期开始研究能源塔热泵系统。


2.1能源塔热泵系统工作原理简介

能源塔热泵系统与空气源热泵系统探讨分析

能源塔热泵系统的主要设备为:能源塔、热泵机组、循环水泵、末端风机盘管装置。其中能源塔又包括塔体,加热盘管,喷淋循环泵等。能源塔热泵系统工作原理如图二所示:在冬季工况下打开阀门B,关闭阀门A,能源塔从室外取热,能源塔设备与热泵机组的蒸发器相连接,载冷剂从空气中取热进入蒸发器后又将热量传递给制冷剂,利用冰点低于零度的载冷剂在室外吸收低温湿空气中所蕴含的热量,通过能源塔热泵机组输入少量的电能实现能量的转移,满足室内采暖的需求;在夏季运行工况下打开阀门A,关闭阀门B,能源塔设备与热泵机组的冷凝器相连接,能源塔系统向室外放热。夏天由于能源塔的特殊设计,起到髙效冷却塔的作用,将热量排到大气中实现制冷。全年系统平均能效比在3.5以上,远远髙于传统的风冷热泵,同时,如选用双冷凝器完全热回收热泵机组可在夏季回收系统中的废热,免费制取卫生热水。


2.2能源塔热泵系统工况优于空气源热泵系统的分析


夏季制冷工况:空气相对湿度90%以上时,空气接近饱和状态,水蒸发效率很低,冷却水与空气之间进行显热交换,调节热源塔循环风量形成较髙的负压值增大蒸发效果。冷却水出水温度比传统冷却塔出水温度低3—5℃。


冬季制热工况:冬季南方空气湿度较大,吸收空气中的低温位热源作为热泵的热源,利用冰点低于0。载体介质,髙效提取空气中水蒸气凝结为水的过程中所放出的能量,达到制热目的。低于空气温度的循环介质进入热源塔换热器,吸收空气传给翅片蒸发器的热能后循环介质温度升髙。传统风冷热泵在空气湿度大、潮湿阴冷地区,冬季供热时结霜严重,须耗能融霜,热泵效率低,而能源塔热泵系统无结霜困扰,因而可髙效、稳定的提取低温空气的热能。


2.3能源塔热泵系统地区应用的优势分析


夏季将高于空气湿球温度的循环水,均勻喷淋在亲水性质优于冷却塔的凹凸形波板上,循环水在亲水填料面形成水膜,空气侧经多层凹凸形波板填料空间的表面空隙逆向流通,形成水气之间的接触面,水膜与空气直接进行潜热与显热的逆流换热,水份蒸发时吸收了热泵机组冷却循环水余热,降低了循环冷却水温,使冷却水接近于空气湿球温度上限值1一2℃。


冬季将低于湿球温度的防冻溶液均匀的喷淋在凹凸形波板具有亲液性质填料层上,使防冻溶液在亲液填料面形成液膜。空气侧经由多层凹凸形波板填料空间的表面空隙逆向流通,形成液气之间的接触面,溶液在能源塔中热交换吸热,主要依靠表面液膜,在发生显热交换的同时,潜热交换也存在。


2.4能源塔发展历程中典型结构分析概述(见下表)

能源塔热泵系统与空气源热泵系统探讨分析

3、能源塔热泵系统与空气源热泵系统运行优劣势对比分析


3.1空气源热泵系统运行主要问题探析


空气气温季节性的变化规律制约了空气源热泵机组的制热量、制冷量和能效比等,夏季要求供冷负荷越大时,对应的冷凝温度最髙;冬季极寒天气要求供热负荷最大时,对应的蒸发温度最低,实际选用空气源热泵系统时也会因此增大机组的容量和运行能耗。此外空气源热泵系统在冬季极寒天气时,结霜严重时,蒸发压力过低,制冷剂蒸发量急剧减少,回液过多造成液击的可能性大大增加,这导致机组运行不稳定,甚至机组停止运行。


如下图所示,一天中空气气温的变化幅度很大,早晨空气气温在-10℃到-5℃,这种工况下热泵机组的冷凝温度和蒸发温度之差可以达到80℃。该问题在设计选型时应重视。

能源塔热泵系统与空气源热泵系统探讨分析

3.2空气源热泵机组结霜问题规律汇总


根据《空气源热泵技术与应用》一书中,对我国一些典型城市应用空气源热泵系统出现结霜的情况统计如下表。由表三数据可见,我国北方地区,冬季气温虽低但是由于空气相对湿度较低,空气源热泵结霜时间占整个运行时间的比例不高,平均为27%左右;我国南方地区,冬季气温不太低但相对湿度较髙,空气源热泵结霜时间占整个运行时间比例较髙,平均为49%。


3.3能源塔热泵系统与空气源热泵系统对比分析(详见下表)

能源塔热泵系统与空气源热泵系统探讨分析

4、衍生探讨


空气的单位容积比热很小,常温下约为1.21KJ/(m3.℃),水的单位容积比热为4186KJ/(m3.℃),也就是说在相同温降下,若想要从空气中和水中分别吸取相同的热量,所需要的空气量(m3)是水的3460倍。相应的,风机的容量也会很大,空气源热泵系统及能源塔热泵系统在设计安装选型时要注意风机噪音问题。

能源塔热泵系统与空气源热泵系统探讨分析

中国污水处理行业研究报告显示,中国污水排放量800亿吨,按照开发50%计算,至少可以为5亿平米建筑供暖及空调,年节约标煤500万吨以上。在污水量充足的情况下,采用污水源热泵系统可以达到节能减排清洁能源供热供冷的目的。污水源热泵系统是以污水中的能量为低位能,通过少量电能输入,采用污水换热和热泵技术,将污水中低品位能量开发利用,满足冬季供暖,夏季供冷的需求、同时解决生活卫生热水的供应问题,具有一机三用的功能。由于采用了污水低品位热能,通常情况下,输入1kW电能可获得5kW以上的冷量或4kW以上的热能,因此污水源热泵系统的运行费用和初投资大大低于传统的供热供冷方式。污水源热泵系统最大的技术困难就是如何防止污水对管路、换热设备的污染、堵塞、腐蚀,市场上已经有很多应用。

能源塔热泵系统与空气源热泵系统探讨分析

能源塔热泵系统与空气源热泵系统探讨分析

能源塔热泵系统与空气源热泵系统探讨分析

5、结论


能源塔热泵空调系统相比较于空气源热泵系统而言,造价比较髙,但是该系统改善了空气源热泵系统冬季结霜问题,比较适合于夏热冬冷及夏热冬暖地区。对于能源塔系统今后还有很多方面需要投入精力进行研发,比如防冻溶液的选择、能源塔换热器的几何结构参数影响、能源塔内部传热传质的分析,换热效率的影响因素等分析,喷淋液喷淋过程中热源塔内部传热传质的模拟以及能源塔热泵系统与其他热泵系统耦合运行等问题。