封闭式环热源塔热泵空调系统在夏热冬冷地区的应用研究外文翻译资料

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封闭式环热源塔热泵空调系统在夏热冬冷地区的应用研究

程建林，邹申华，陈世强

湖南科技大学，采矿与安全工程学院，湘潭，中国

摘要：

本文分析了夏热冬冷地区冷热源方案的优缺点。此外，研究了封闭式热泵空调系统的工作原理、分类和利用。此外，它介绍了在这一领域的发展历史和研究评论。本文对该系统的实际应用进行了测试，并对其运行特性进行了分析。热源热泵的节能、环保、可持续发展等特点，已被提出，在夏热冬冷地区具有广阔的发展前景。

关键词：封闭式环热源塔；空调；夏热冬冷地区

1. 前言

根据国家标准的民用建筑热设计规范，以年均气温为主要指标，在我国目前夏热冬冷地区涉及长江流域及周边地区，包括16个省、自治区、直辖市。区域气候特点是夏季炎热而潮湿，冬季寒冷，湿度高，昼夜温差小，年降雨量少且日照少。由于历史和经济的原因，该地区的平均住宅建筑没有暖气空调，一般的保持结构的热力学性能是非常差，并且室内热环境和生活条件是非常坏的。随着区域经济的发展和人民生活水平的提高，人们对供暖空调的要求也越来越高。

对于该地区，常规空调冷热源方案通常分别设置冷源（制冷机）和热源（蒸发器）。由于效率和环境污染问题，空调热源模式已逐步由蒸发器向效率更高、环境保护更为环保的热泵机组转变。目前，采用风冷热泵和地源热泵、水源热泵和地源热泵供暖在冬季和夏季空调，由于恶劣的天气条件，在该地区，建筑本身的各种问题出现，如空调和采暖能耗高，严重浪费了能源。制定了建筑空调节能的法律法规，对现有的评价指标，如节能改造政策、现有建筑物、空调及采暖空调系统等方面进行了节能研究，针对新空调系统的低温热源，从高湿环境和设计特点，可以高效节能。热泵空调系统作为热源塔，在夏热地区广泛应用，越来越多的学者开始对该系统进行研究。

1. 研究方法

热源塔热泵空调系统利用热源进行传输，在冬季炎热和夏季凉爽地区得到热泵机组的低温热源，从而实现建筑采暖、降温。热源塔作为冷却和热源，其技术可以追溯到20世纪80年代的日本，称为加热或加热塔。在引进国内市场后，一些厂商也把它称为“节能塔”。随着不断地改良[ 1 ]和提升，它才正式命名为热源塔。

在传热过程中，冬季要使用0℃以下的载体介质，在相对湿度较高的环境下，有效地提取低品位热能，从而获得热泵机组的热源；由于其特殊的设计，在夏季，热源塔由热泵机组的冷却而有效降温。

热源热泵是根据中国南方的具体情况，在“非常热”的夏季和具有“低温和湿度”的冬季的条件下，可以有效地运行在低热热泵系统。该系统主要由热源塔、热泵、水泵及管道切换装置组成。鉴于与大气热源塔形式接触的循环介质是不同的，热源塔分为开式和闭式热源塔。与之相应的空调系统分为开式和闭式热源热泵空调系统。

• 1. 开式热源塔热泵系统

在开式热源塔中，塔内部的工作条件与冷却塔循环，塔循环介质流体总是与外界接触的热量，与外界的大气有质的现象。在夏季，循环介质是水，而在冬季，它是酒精或低冰点盐的水溶液，在下面冻结的情况下，它可以从冬季寒冷的空气中吸收热量，提供给低温热泵机组作为热源。

对开式塔热源空调系统的研究主要通过一系列的理论分析、数值模拟和实验对比，重点研究了在分析内部传热和传质过程中的开式热源塔和传质特性[2]，气液比对热源塔[3]、相变换热器、热源塔性能[4]、再生介质[5]、热源塔热泵系统应用[6]等的影响。

由于开式热泵空调系统的应用，在冬季循环介质中的热源塔遭受了较大的偏移和周围环境的腐蚀。防冻液，浓缩和稀释浓度，与单位稳定性和安全性差等复杂的情况都限制了开式热泵空调系统的应用。由于环境保护、安全、节能等方面的原因，闭环热源塔的利用得以快速发展。

• 1. 闭式热源热泵空调系统

在闭式热源塔中，循环介质在换热器管内流动，通过换热器与外界进行交换热量，从而消除了循环介质流动现象；循环介质始终保持相同的溶液浓度，且溶液凝固点不改变，从而使热泵主机处于稳定工作状态，运行效率更为有效。由热源塔和热泵主机，它可以分为热源热泵和分布式热泵。

• • 1. 集成热源热泵

集成热源热泵联合热泵主机为一体，可供用户直接到夏季空调冷冻水，冬季热水供暖，其结构主要是由涡旋压缩机、冷热源侧宽带翅片换热器，负荷侧板式换热器、蓄能器、四通换向阀、制冷和制热膨胀阀、储热除霜阀、冷却系统（包括循环泵、防垢藻感应仪、喷雾水分离器，等），变速风机，等。

图1。（a）制冷工况示意图；（b）加热工况示意图；（c）除霜工况示意图。

在夏天，风机将集成在塔内部的外部空气进入到体内的热量，并在同一时间运行的喷雾系统，喷雾蒸发冷却在宽带翅片换热器表面，加强传热效果。如图1a所示，制冷剂循环在换热器、膨胀阀、省煤器、负荷侧板式换热器，四通换向阀和压缩机。在这个塔里，热源在闭环冷却塔、冷水机组中具有重要作用，同时喷雾蒸发器传热及其稳定运行效果优于具有较好冷却效果的风冷热泵。

在冬季，喷雾系统将在宽带翅片换热器表面防冻液间歇喷雾防止霜冻，如图1b所示，制冷压缩机压缩到蓄能器，将储热部分存储箱；经换向阀进入板式换热器的负荷侧之后，通过膨胀阀进入宽带翅片热交换器冷却，吸收空气中的热量进入压缩机以完成整个过程。换热器表面不易冻结且热效率的机能更高。气候是比较差的，在低的温度和湿度条件下是较高；塔热源需要进入除霜条件。在除霜条件，如图1c所示，制冷压缩机压缩到蓄能器，经换向阀直接进入宽带翅片换热器换热后，吸收热量后储存于蓄能器。部分热量在加热和除霜条件进入储存箱为除霜过程提供热量。整个压缩机是在加热的过程中顺利运行且除霜加热效率更高。

由于压缩机和换热器规格的限制，集成塔热源仅适用于小型民用建筑；同时由于项目内的热泵循环控制物质，且更复杂的储能，性能不稳定，所以集成的临时塔热源在实验应用阶段还没有得到大规模推广使用。

• • 1. 分布式热源热泵

分布式热源热泵系统是指通过换向站管连接热源塔和热泵主机，两者不成一体。这样的设备是灵活、方便、易于设计，并且施工、安装和运行维护阶段是目前最为广泛使用的一类。

从下面的图像，可以看出，分布式热源热泵系统在冬季供暖模式的过程中，可以防冻，能改变闭式热源塔站阀组，能在热泵机组和水泵之间循环使用，还能吸收闭环热源塔的热量。加热炉内的热泵机组可储存热能，同时在炉内加热保温材料，并可从储热罐中提取热交换器的表面。在除霜过程中，只需要关闭热源塔风机开启除霜泵和热交换器的周期可以在表面换热盘管除霜。除霜过程简单快速，避免热泵主机，这可以节省运营成本，提高系统效率。分布式热源热泵系统的转换，夏季和冬季的条件也很简单，这只需要在打开的位置换向阀，无需主机塔和热源，水泵等。

现在除了使用储热水箱除霜，当室外空气温度低于1℃，有三种方式可采用：1.自动启动防冻液喷雾泵，减少防冻换热器；2.条件允许的情况下，对地下消防水池一定的传热能力，自动启动喷雾除霜系统；3.一种与地下土壤源相匹配的热交换容量，自动启动。除霜要选择方便的方式、灵活的布局应根据地理条件、项目建设条件。

目前，对闭式热源塔系统的研究主要集中在分析作为冷热源[7]的热源塔[8]理论和实验分析的基础上，由于热泵系统和运行机制的热源塔结构特点，冬季可以在低温和潮湿气候条件下长期工作，它可以有效地保持工作条件，生产空调和同时为用户提供热水，其布置的占地面积小，方便灵活，无需埋管钻，操作简单，管理方便，所以在我国的夏热冬冷地区，它得到了广泛的应用和发展。

1热源塔；2热源塔热泵；3用户侧；4冷水泵；5冷却水泵；6流量启动开关

图2。分布式热源塔热泵供热系统工作原理图。

1. 结论
   1. 项目简介

以湖南某办公楼空调系统为例，研究了闭环热源热泵空调系统。总建筑面积为32819.5平方米，建筑高度为60.60米，第一类高层建筑。它分为2层楼层，主要有1层地下车库和设备房，第十六层为办公室、会议室和多媒体投影展厅等。夏季空调室外计算干球温度35℃，夏季空调室外计算湿球温度26.8℃；冬季室外计算干球温度为2℃，冬季空调室外相对湿度为72%。建筑全年的舒适性中央空调系统，夏季空调冷负荷为3740千瓦；冬季空调热负荷1800千瓦。夏季空调冷负荷2515.4千瓦，主要的冬季空调热负荷1130.7千瓦。1号楼、2号楼夏季空调冷负荷612.3千瓦，冬季空调热负荷为334.6千瓦。制冷机房空调主机室所需的冬、夏热冷源所需的建筑，同时考虑使用系数为0.90。夏季的水冷却水为回水温度，满足7℃~12℃的要求，冬季热水回水温度需要满足45℃~40℃的要求。

• 1. 空调系统选项

在炎热的夏天和寒冷的冬季，最常用的空调系统地源（水源）热泵系统和空气源热泵系统（或空气源热泵 燃气锅炉）。地源热泵（水源）系统可以利用地下水、地表水或埋管技术来提取低热源，有条件的区域是利用可再生能源的有效途径，但更具限制性。在炎热的夏季和寒冷的冬季，地下水、地表水富集区大多是在农村地区，而不是城市，大规模的推广和应用在城市水源热泵具有一定的局限性。在地源热泵换热器中，由于土壤传热特性差，需要大的传热区，占地面积大，受地质条件和施工技术影响的同时，也需要考虑热积累的问题，因而具有一定的推广难度。空气源热泵系统从低温热源空气中提取，灵活，应用广泛，但其缺点是显而易见的：一是减少室外空气温度，热泵的效率也相应降低；二是在低环境温度和相对湿度高易吸收蒸发器表面，空调热泵的除霜产生的热量，不仅影响用户的舒适性，而且还造成大量的能源消耗。

在炎热的夏季和寒冷的冬季，热源热泵系统，与传统的中央空调系统相比，仅改变冷却塔的一部分，在冬季你只需要添加其他设备加热；相比地源热泵系统，热源塔一般安装在顶部的建筑物，从地面的限制，这可以节省大量宝贵的地面空间，在同一时间内，热源塔热泵系统不受地理、地质、水环境的影响，对热泵系统进行热源塔操作。同时，热源热泵机组与水-水换热器的方法，对机组本身的效率高于空气-水热交换，以及系统效率高于空气源热泵系统。空调系统相对开闭比闭环热源塔的热源塔为空调系统。本工程无天然气供应，地质条件差，选择在建筑中的闭环热源热泵空调系统中使用。

建筑空调冷热源采用三热源热泵机组；其单机制冷量为1120千瓦，供热容量为809千瓦。选择六闭环热源塔配单热源，与额定水塔270m³/h，33000m³ /小时的额定风量，380千瓦的热吸收能力，水侧和用户侧采用四个45千瓦变频泵。

• 1. 系统运行性能

热泵主机参数记录在以下表格：

表1。热泵主机参数。

空调房间的参数记录在以下表格中：

表2。空调房间参数。