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        能源塔熱泵系統與空氣源熱泵系統探討分析

        時間:2019-09-17

        隨著人們生活水平的提髙,人們對改善居住和生活水平的要求也越來越髙,暖通空調技術比20世紀有了更大的發展和更廣闊的應用前景,目前人類面臨的暖通空調領域主要問題是:


        (1)暖通空調使建筑能耗急劇增長,1996年我國建筑能耗為3.30億噸標煤,占我國能耗總量24%,到2014年我國能源消耗總量為14.1億噸標準煤,占總能耗33%。


        (2)除污水源熱泵系統等清潔能源供熱供冷系統外,暖通空調用能排放出大量諸如SO2CO2和粉塵等有害物,導致環境污染(如全球溫暖化,酸雨等)全球環境問題(溫室氣體排放、臭氧層破壞問題)均與暖通空調領域的能源消耗等直接相關。


        1、熱泵系統定義


        熱泵機組指利用髙位能,使熱量從低位熱源流向髙位熱源的節能裝置;熱泵系統指把不能直接利用的低位熱源(如污水能,空氣能,淺層地熱能、太陽能、工業余熱等)轉化為某些熱用戶可以利用的再生髙位熱能,達到節約髙位熱能(煤、燃氣、油、電)的目的。


        如下圖所示熱泵系統應有以下幾個部分組成:熱泵機組、髙位能輸配系統、熱源系統和末端暖通空調系統。通過熱泵系統,可以將不能直接利用的低位熱能轉化為髙位熱能供用戶使用。由此衍生出比如污水源熱泵空調系統、空氣源熱泵空調系統、地埋管熱泵空調系統、能源塔熱泵空調系統、余熱利用熱泵空調系統等。

        能源塔熱泵系統與空氣源熱泵系統探討分析

        2、能源塔熱泵系統分析


        能源塔技術最早是在日本應用,起源于20世紀80年代的日本,采用冷卻塔加氯鹽溶液曝氣循環,吸收空氣中的低溫位熱源。我國是在上世紀90年代中期開始研究能源塔熱泵系統。


        2.1能源塔熱泵系統工作原理簡介

        能源塔熱泵系統與空氣源熱泵系統探討分析

        能源塔熱泵系統的主要設備為:能源塔、熱泵機組、循環水泵、末端風機盤管裝置。其中能源塔又包括塔體,加熱盤管,噴淋循環泵等。能源塔熱泵系統工作原理如圖二所示:在冬季工況下打開閥門B,關閉閥門A,能源塔從室外取熱,能源塔設備與熱泵機組的蒸發器相連接,載冷劑從空氣中取熱進入蒸發器后又將熱量傳遞給制冷劑,利用冰點低于零度的載冷劑在室外吸收低溫濕空氣中所蘊含的熱量,通過能源塔熱泵機組輸入少量的電能實現能量的轉移,滿足室內采暖的需求;在夏季運行工況下打開閥門A,關閉閥門B,能源塔設備與熱泵機組的冷凝器相連接,能源塔系統向室外放熱。夏天由于能源塔的特殊設計,起到髙效冷卻塔的作用,將熱量排到大氣中實現制冷。全年系統平均能效比在3.5以上,遠遠髙于傳統的風冷熱泵,同時,如選用雙冷凝器完全熱回收熱泵機組可在夏季回收系統中的廢熱,免費制取衛生熱水。


        2.2能源塔熱泵系統工況優于空氣源熱泵系統的分析


        夏季制冷工況:空氣相對濕度90%以上時,空氣接近飽和狀態,水蒸發效率很低,冷卻水與空氣之間進行顯熱交換,調節熱源塔循環風量形成較髙的負壓值增大蒸發效果。冷卻水出水溫度比傳統冷卻塔出水溫度低3—5℃。


        冬季制熱工況:冬季南方空氣濕度較大,吸收空氣中的低溫位熱源作為熱泵的熱源,利用冰點低于0。載體介質,髙效提取空氣中水蒸氣凝結為水的過程中所放出的能量,達到制熱目的。低于空氣溫度的循環介質進入熱源塔換熱器,吸收空氣傳給翅片蒸發器的熱能后循環介質溫度升髙。傳統風冷熱泵在空氣濕度大、潮濕陰冷地區,冬季供熱時結霜嚴重,須耗能融霜,熱泵效率低,而能源塔熱泵系統無結霜困擾,因而可髙效、穩定的提取低溫空氣的熱能。


        2.3能源塔熱泵系統地區應用的優勢分析


        夏季將高于空氣濕球溫度的循環水,均勻噴淋在親水性質優于冷卻塔的凹凸形波板上,循環水在親水填料面形成水膜,空氣側經多層凹凸形波板填料空間的表面空隙逆向流通,形成水氣之間的接觸面,水膜與空氣直接進行潛熱與顯熱的逆流換熱,水份蒸發時吸收了熱泵機組冷卻循環水余熱,降低了循環冷卻水溫,使冷卻水接近于空氣濕球溫度上限值1一2℃。


        冬季將低于濕球溫度的防凍溶液均勻的噴淋在凹凸形波板具有親液性質填料層上,使防凍溶液在親液填料面形成液膜??諝鈧冉浻啥鄬影纪剐尾ò逄盍峡臻g的表面空隙逆向流通,形成液氣之間的接觸面,溶液在能源塔中熱交換吸熱,主要依靠表面液膜,在發生顯熱交換的同時,潛熱交換也存在。


        2.4能源塔發展歷程中典型結構分析概述(見下表)

        能源塔熱泵系統與空氣源熱泵系統探討分析

        3、能源塔熱泵系統與空氣源熱泵系統運行優劣勢對比分析


        3.1空氣源熱泵系統運行主要問題探析


        空氣氣溫季節性的變化規律制約了空氣源熱泵機組的制熱量、制冷量和能效比等,夏季要求供冷負荷越大時,對應的冷凝溫度最髙;冬季極寒天氣要求供熱負荷最大時,對應的蒸發溫度最低,實際選用空氣源熱泵系統時也會因此增大機組的容量和運行能耗。此外空氣源熱泵系統在冬季極寒天氣時,結霜嚴重時,蒸發壓力過低,制冷劑蒸發量急劇減少,回液過多造成液擊的可能性大大增加,這導致機組運行不穩定,甚至機組停止運行。


        如下圖所示,一天中空氣氣溫的變化幅度很大,早晨空氣氣溫在-10℃到-5℃,這種工況下熱泵機組的冷凝溫度和蒸發溫度之差可以達到80℃。該問題在設計選型時應重視。

        能源塔熱泵系統與空氣源熱泵系統探討分析

        3.2空氣源熱泵機組結霜問題規律匯總


        根據《空氣源熱泵技術與應用》一書中,對我國一些典型城市應用空氣源熱泵系統出現結霜的情況統計如下表。由表三數據可見,我國北方地區,冬季氣溫雖低但是由于空氣相對濕度較低,空氣源熱泵結霜時間占整個運行時間的比例不高,平均為27%左右;我國南方地區,冬季氣溫不太低但相對濕度較髙,空氣源熱泵結霜時間占整個運行時間比例較髙,平均為49%。


        3.3能源塔熱泵系統與空氣源熱泵系統對比分析(詳見下表)

        能源塔熱泵系統與空氣源熱泵系統探討分析

        4、衍生探討


        空氣的單位容積比熱很小,常溫下約為1.21KJ/(m3.℃),水的單位容積比熱為4186KJ/(m3.℃),也就是說在相同溫降下,若想要從空氣中和水中分別吸取相同的熱量,所需要的空氣量(m3)是水的3460倍。相應的,風機的容量也會很大,空氣源熱泵系統及能源塔熱泵系統在設計安裝選型時要注意風機噪音問題。

        能源塔熱泵系統與空氣源熱泵系統探討分析

        中國污水處理行業研究報告顯示,中國污水排放量800億噸,按照開發50%計算,至少可以為5億平米建筑供暖及空調,年節約標煤500萬噸以上。在污水量充足的情況下,采用污水源熱泵系統可以達到節能減排清潔能源供熱供冷的目的。污水源熱泵系統是以污水中的能量為低位能,通過少量電能輸入,采用污水換熱和熱泵技術,將污水中低品位能量開發利用,滿足冬季供暖,夏季供冷的需求、同時解決生活衛生熱水的供應問題,具有一機三用的功能。由于采用了污水低品位熱能,通常情況下,輸入1kW電能可獲得5kW以上的冷量或4kW以上的熱能,因此污水源熱泵系統的運行費用和初投資大大低于傳統的供熱供冷方式。污水源熱泵系統最大的技術困難就是如何防止污水對管路、換熱設備的污染、堵塞、腐蝕,市場上已經有很多應用。

        能源塔熱泵系統與空氣源熱泵系統探討分析

        能源塔熱泵系統與空氣源熱泵系統探討分析

        能源塔熱泵系統與空氣源熱泵系統探討分析

        5、結論


        能源塔熱泵空調系統相比較于空氣源熱泵系統而言,造價比較髙,但是該系統改善了空氣源熱泵系統冬季結霜問題,比較適合于夏熱冬冷及夏熱冬暖地區。對于能源塔系統今后還有很多方面需要投入精力進行研發,比如防凍溶液的選擇、能源塔換熱器的幾何結構參數影響、能源塔內部傳熱傳質的分析,換熱效率的影響因素等分析,噴淋液噴淋過程中熱源塔內部傳熱傳質的模擬以及能源塔熱泵系統與其他熱泵系統耦合運行等問題。

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