热源塔热泵技术在南方应用
引言
南方冬季冷暖气流对峙形成“低温高湿”的大气环境，遇冷结霜问题使得这种环境成为对传统空气源热泵有害的低品位热源。受地质及环境条件限制，采用混合式地源热泵的系统，在岩石地质条件下埋管的初投资昂贵。对于城市中心区域的建筑物， 能够满足混合式地源热泵的条件几乎为零。因此大量采用电热及矿物燃料作为供热热源，能耗高污染环境。美国北部地源热泵热源温度一般均在0℃以下，与其对比，我国南方“低温高湿”空气中存在的低品位热源具有无限能量。热源塔热泵是一种能从“低温高湿”空气中高效吸收提升低品位能量的装置，在无锅炉等辅助热源条件下，经受住南方五十年一遇的冰冻期考验，吉首市金煌宾馆客房供暖温度达到30℃。
1．技术领域
热源塔热泵技术应用，涉及到中国长江流域以南地区建筑物空调节能减排效率。是针对南方冬季“低温高湿”气候条件而研究开发的高性能低品位热源热泵。热泵通过输入少量的高品位能，实现低品位能量向高温位的转移，为建筑物空调节能减排提供一种经济且性能优越的制冷与供热装置。
2．技术背景
2.1 受特定气候条件因素影响 冬季在中国长江流域以南地区，北方冷空气南下，分别受到云南高原、川西高原、武夷山脉和南岭山脉的阻挡滞留，而来自南海的暖湿气流又不断从较低的南岭山脉越过与冷空气汇合，使南方地区成为冷暖气流对峙区，“低温高湿”成为该区域冬季特定的气候条件。 冬季，2～－5℃的空气温度有近200—250小时(约10天左右)，2～5℃的空气温度有近900—1000小时(约40天左右)。 在空气中 “潜热”含量高的情况下，传统空气源热泵因构造缺陷，会出现结霜、效率低的现象，更严重的是会造成压缩机长期处在高压差下运行，损坏率高。 而辅以高品位电热能及矿物燃料为辅助热源，能耗高污染环境。
2.2 受地质及环境条件的限制 地源热泵具有良好的供热性能，但由于中国南方地质构造复杂，丘陵山区岩层埋深浅，采用混合式地源热泵时，其岩层埋管的初投资造价昂贵。在城市中心区域建筑物，能够满足混合式地源热泵埋管条件的场地很少，不得不大量采用电热、燃油、燃煤锅炉等设备消耗高位能来供热，能耗高且污染环境。
2.3 特定的气候条件蕴藏了无限能量 寻找廉价的适合于中国南方“低温高湿”气候条件的低品位热源作为热泵热源，成为行业节能减排关注的焦点。在美国北部地区土壤源热泵，冬季地下土壤源温度一般都在0℃以下。在中国南方2℃以下的天数占供暖期的15%左右，持续时间短；2℃以上的天数占供暖期85%以上，持续时间长。环境空气源作为低品位热源具有无限能量，从“低温高湿”空气中吸收提升低品位能量的条件要优于美国北部地区土壤源热泵的条件。所以，需要根据中国南方特定的气候条件，开发一种能从“低温高湿”空气中高效吸收提升低品位热源的装置即“热源塔”。
3. 热源塔热泵技术
3.1 热源塔热泵功能 夏季为高效水冷制冷机，冬季为高效宽带无霜空气源热泵。
3.2 热源塔热泵构成 由冷热源吸收设备闭式热源塔和低品位热源提升设备热泵组成。
3.3 低品位热源吸收 由热源塔旋流风机扰动环境中的“低温高湿”空气从塔体底部进入，经低温宽带换热器底部迎风面逆向流通，形成传热面与环境空气之间的显热与潜热的交换。宽带换热器将来自热泵小温差蒸发器的低温循环溶液从上部进液底部出液，获得低于环境温度2～3℃的溶液作为热源塔热泵的低品位热源(见图1)。
3.4 自然无霜期运行设计 南方冬季，环境温度为2～5℃的持续时间为40天左右，占冬季低温高湿天气85%以上，是传统窄带空气源热泵结霜率较频繁的时期。闭式热源塔设计上采用了冷库-15℃的低温宽带小温差传热技术，比传统窄带空气源热泵结霜温度下降了5～6℃，减少了85%的结霜机率。环境空气温度高于2.0℃以上时，空气相对湿度较大潜热含量高，宽带换热器在进行热交换时凝结水量大，凝结水分离系统自动排出凝结水份。
3.5 人工防霜期运行设计 南方冬季，环境空气温度低于1.0℃以下的时累计时间约10天左右，为防止负温度湿空气遇蒸发器结霜，系统设计了负温度防霜系统，自动喷淋环保防冻溶液降低换热器表面冰点，待低温期过后采用浓缩装置分离水份，也可以按热源需求量的10%进行建筑物桩基地源取热+消防蓄热池组成喷淋防霜系统，保障闭式热源塔处于无霜运行状态。
4. 不同热源热泵效率与经济性能
4.1 热源塔热泵应用案例与性能
湖南吉首市金煌宾馆，地处湘西山区，冬季低高湿，夏季高温酷暑。空调面积2300M²，其中客房80间，大堂150M²，茶艺中心95M²。生活热水需求量15吨/日，供暖温度要求28℃。系统设计，采用“热源塔热泵冷暖空调热水三联供”系统，热泵机组设计容量，按夏季标准工况制冷量采用160KW机组二台。在厂家交货前进行标准工况制冷量测试时发现每台只有120KW/台。比原设计配置减少了160*2－120*2=80KW，相当于25%的设备容量配置。2008年南方遭受了50年一遇的－1～－4℃ 冰冻期，这个先天性不足的容量配置系统，经受了严峻的实际考验。标准工况制冷量为120*2=240KW的机组在低品位的热源进水温度为－5℃情况下， 压缩机自然衰竭要大于标准工况制冷量的25%，实际工况供热量为90*2=180KW。在冰冻期期间， 由于热源塔热泵低品位热源来源稳定，无霜运行效率高满足要求，平均日输出45℃生活热水15吨，客房供暖温度达到28～33℃(见图2)，大堂供暖温度达到24～26℃。热源塔热泵性能。在“低温高湿冰冻期”就开式热源塔而言，只要保障溶液冰点浓度，在低品位热源温度为－5℃，输出热水45℃情况下，机组的供热性能系数COP不低于3.0。实验室测试，传统干式热泵螺杆机组在给定－5℃低品位热源，输出热水52℃条件下，供热性能系数COP不低于2.6。
图1 热源塔热泵冰冻期供热 图2 安装空气源热泵加锅炉 图3 压缩机烧损设备腐蚀
4.2 传统空气源热泵应用案例与性能 &nbs p;
吉首市南方大酒店2003年安装格力空气源热泵，因“低温高湿” 结霜造成压缩机长期处在高压差下运行，损坏率超过67%。无法满足供热需求被迫安装煤锅炉供热。而且南方冬季受冷暖气流团对峙影响，长期处于低气压控制，锅炉燃烧排放的二氧化硫烟气扩散困难，与湿空气混合生成酸雾，造成周围环境酸雾浓度高，设备不到三年就严重腐蚀报废(见图3)。《热泵市场》杂志报道，2008年南方遭受50年一遇的低温高湿冰冻期，空气源热泵因设计结构存在缺陷，严重结霜不能启动，几乎是全军覆没。据湖南大学国家863试验室龚教授测试，在冬季0～3℃“低温高湿”的环境温度下，湖南地区空气源热泵供热性能系数COP平均只有1.5左右。
4.3 地源混合源热泵应用案例与性能
4.3.1 宁波市鄞州区合作银行案例
宁波市鄞州区合作银行，建筑面积25000M²，设计采用地源混合源(地埋管+冷却塔)热泵系统。项目区域地质为洪积层盆地构造，岩层埋深70米，地处郊外开发区，具备一定的绿地面积可供地源埋管，基本排除了受到地质及环境条件的制约。实际施工120孔钻机在洪积层钻孔每米井深造价不超过45元/米。经济性，地源埋管增加的初投资较小，通过若干年运行节能费用可收回多余的初投资。
4.3.2 浏阳市某妇幼保健院案例
浏阳市某妇幼保健院，空调面积18000M² 制冷负荷1700 KW，供热负荷1350 KW，设计为混合源地源(地埋管+冷却塔)热泵，单井深度80米，累计不少于18000米井深埋管，包括桩基埋管。 此项目经过多家热泵空调厂历时半年的竞标，最终以600万元定标。根据2008年建设部“第二届地热能开发利用与热泵技术应用交流会”介绍，四川地源热泵示范工程，地源岩层埋管每米井深造价120～200元/米的数据，某妇幼保健院混合源地源热泵冷(热)源系统总造价可达252万元以上。
如果某妇幼保健院热泵空调系统，最初设计采用热源塔热泵冷(热)源系统可比地源混合源热泵冷(热)源系统总造价减少60%左右的初投资。混合式地源热泵冷(热)源系统对比热源塔热泵冷(热)源系统需要增加161万元的初投资。混合式地源热泵系统比热源塔热泵系统年节约运行费用7.0万元，支付岩层地源埋管增加的161万元初投资银行贷款年利息需要16.88万元(见表1)。
5.结语
5.1 热源塔热泵对比空气源热泵，用于夏季制冷时具有水蒸发冷却节能的特点，用于冬季供热时则采取宽带喷淋无霜运行的节能措施，全年可比空气源热泵节能35—40%。
5.2 热源塔热泵对比地源混合式热泵，用于夏季制冷时具有相同的能效比，用于冬季供热综合供热性能系数比混合式地源热泵平均下降12%左右。但采用混合式地源热泵所得到的年节能经济效益，可能不抵支付岩层地质条件下地源埋管工程所增加的初投资年贷款利息，若在这种情况下，混合式地源热泵就失去了经济性意义。
