熱源塔在不同城市的供暖特性分析

衛俊宇 呂懌非 向 陽 盧 軍 王琳玉 殷叔靖

（1.重慶大學土木工程學院 重慶 401331；2.江蘇辛普森新能源有限公司 揚州 225127）

0 引言

隨著社會經濟發展和生活水平增長，居民對室內舒適度的要求越來越高，為了滿足要求，建筑能耗將不可避免的持續增加。中國雖然自然資源豐富，但我國能源“富煤、缺油、少氣”的國情決定了未來煤炭依然是我國的供能主力，而燃燒煤炭生成的多種有毒有害氣體不僅導致生態環境的破壞，還威脅到居民的身體健康[1]。目前我國空調系統能耗在建筑總能耗中約占50%～70%[2]，因此空調系統的節能降耗是重中之重。傳統的中央空調系統歷經多年發展已趨近于成熟，但仍存在各種各樣的不足。因此有專家學者提出通過逆用冷卻塔原理可以得到熱源塔[3]，相較于傳統的冷熱源形式，熱源塔熱泵系統具有更加高效、節能、環保的優點。

本文基于熱源塔內部的傳熱傳質數值模型建立了熱源塔熱泵系統模型，然后對熱源塔在成都、重慶、武漢共3 個城市的冬季供暖特性進行分析。

1 熱源塔數學模型與系統模型建立

1.1 熱源塔數學模型的建立

在TRNSYS 軟件中，沒有開式橫流熱源塔的模塊，也沒有其對應熱泵機組的相關計算組件，因此作者將自行編寫熱源塔模塊及其對應熱泵機組計算組件。首先確定塔內部的傳熱傳質數值模型，熱源塔在冷卻塔的基礎上進行了一定程度的改造。供冷季，熱源塔相當于冷卻塔，經過熱源塔處理的冷卻水來到熱泵主機中的冷凝器吸收冷媒的熱量；供暖季，熱源塔中的工作介質變成低溫抗凍溶液，溶液流入熱源塔在填料區吸收來自空氣的熱量再傳遞給蒸發器[4]。因此在建立模型時，只需完成熱源塔在供暖季時計算模型的建立，供冷季將溶液相關參數值改為水的參數值即可。

塔內熱質交換過程如圖1（a）所示，塔外空氣通過風機的作用由水平方向（即x 軸）進入填料區，通過噴嘴將抗凍溶液均勻噴淋在填料上，溶液沿豎直方向（即y 軸）流經熱源塔。在溶液由上至下的流動過程中，其與空氣充分接觸并進行傳熱傳質[5]。當空氣溫度與溶液溫度不一致時，溫度差促使兩者發生顯熱交換；當空氣與溶液界面存在含濕量差時，二者發生質交換，此時潛熱換熱成為主要部分。

圖1 開式橫流熱源塔Fig.1 Open cross flow heat source tower

為了方便塔內熱質交換數值模型的建立，先設定以下條件：（1）換熱過程始終處于穩態且均為均勻流動；（2）熱質交換過程僅存在于塔內，與外界絕熱絕濕；（3）溶液僅在填料層表面與空氣發生傳熱傳質；（4）微元體之間不存在熱質交換；（5）空氣與溶液的物理性質始終保持不變；（6）溶液的溶質無損失[6]。

為便于分析，將熱源塔傳熱傳質三維模型簡化為二維模型，能量平衡方程的微分形式如式（1）所示。

其中，qm,air為空氣質量流量；qm,sol為溶液質量流量，kg/s；hair為濕空氣的比焓；hsol為溶液的比焓，kJ/kg；h和l分別為熱源塔z 軸和x 軸方向上的長度，m。

根據進入微元體的濕量應等于離開微元體的濕量，可以得到質量平衡方程的微分形式如式（2）所示。

其中，ω air為濕空氣的含濕量；ω sol為溶液的含濕量，g/kg。

根據前文設定的條件，溶液的溶質在整個換熱過程中沒有損失，則有式（3）。

其中，θ s為溶液的溶質質量分數，%。

利用有限差分法對方程進行求解，圖1（b）表示的是有限差分法的求解示意圖。在X 方向上分成N 份，Y 方向上分成M 份，對于第（i，j）個微元體，式（1）-（3）可以進行離散求解。

1.2 系統模型的建立

作者將建立的熱源塔數值模型用FORTRAN語言進行編寫后，封裝成獨立的熱源塔模塊，并在TRNSYS 中進行運算，使用TRNSYS 中現有的組件庫以及在前文中搭建的熱源塔及熱泵機組組件，建立了熱源塔熱泵系統模型如圖2 所示。

圖2 在TRNSYS 軟件中建立的系統模型Fig.2 System model established in TRNSYS software

2 建筑模型建立與負荷計算

2.1 建筑模型的建立

本文所研究建筑包括商業、辦公和住宅建筑，如圖3 所示為SketchUP 軟件建立的該建筑的3D模型，圖3（a）、（b）、（c）分別表示的是商業、辦公和住宅建筑，空調面積分別為35196.95m2、38650.33m2、5916.81m2。將三類建筑的負荷逐時相加可以得出該建筑群總的逐時負荷，在計算冷、熱負荷時采用“溫度水平”方法。

圖3 該建筑的3D 建模Fig.3 3D modeling of the building

2.2 全年負荷的計算

本文對成都、重慶、武漢共3 個城市進行比較分析，氣象參數均從Meteonorm 數據庫中導出。由于本文研究重點是在不同的氣象參數情況下比較熱源塔運行時的換熱特性，因此在后文討論中，負荷數據及系統組件參數都用在重慶氣象條件下得出的結果，只改變在系統運行時熱源塔所處環境的氣象參數。

重慶地區的全年逐時負荷如圖4 所示，最大冷、熱負荷分別為7145.30kW、2906.24kW，冷、熱負荷指標分別為112.21W/m2、45.64W/m2。

圖4 重慶地區的全年逐時負荷Fig.4 Annual hourly load in Chongqing

本文針對供暖季進行分析研究，因此僅考慮供暖季的冷熱源選型，選型為：1 小2 大共3 臺熱泵機組，其中小機組額定制冷、熱量分別為884.6kW、863.6kW，對應機組側、負荷側水泵的額定流量分別為200m3/h、160m3/h，對應熱源塔的額定功率為12kW；大機組額定制冷、熱量分別為1093.2kW、1073.4kW，對應機組側、負荷側水泵的額定流量分別為250m3/h、200m3/h，對應熱源塔的額定功率為14kW。

3 熱源塔冬季換熱性能分析

3.1 溶液進、出口溫度

如圖5 所示分別為成都、重慶、武漢的熱源塔溶液進、出口溫度。

圖5 成都、重慶、武漢市的熱源塔溶液進、出口溫度Fig.5 Solution inlet and outlet temperature of heat source tower in Chengdu,Chongqing and Wuhan

成都市熱源塔溶液進、出口溫度平均值為-2.40℃和1.56℃，重慶市熱源塔溶液進、出口溫度平均值為-3.22℃和0.60℃，武漢市熱源塔溶液進、出口溫度平均值為-4.59℃和-0.96℃。溶液在整個供暖季的最低和最高溫度出現在熱源塔的進口和出口處，成都市分別為-8.91℃和9.96℃，重慶市分別為-9.84℃和9.09℃，武漢市分別為-12.12℃和9.27℃。

結合室外空氣的露點溫度可以發現，熱源塔溶液進、出口溫度隨露點溫度而變化，且塔入口溫度低于塔出口溫度低于露點溫度。理想的塔出口溫度應無限接近露點溫度，若高于露點溫度，溶液就無法從空氣中獲取潛熱。

3.2 溶液進、出口溫度差與逼近度

逼近度定義為室外空氣的濕球溫度與溶液出口溫度的差值，如式（4）所示。如圖6 所示分別為成都、重慶、武漢的熱源塔溶液進、出口溫度差和逼近度。

圖6 成都、重慶、武漢市的熱源塔溶液進、出口溫度差和逼近度Fig.6 Temperature difference and approximation degree of solution inlet and outlet of heat source tower in Chengdu,Chongqing and Wuhan

其中，tout為溶液出口溫度，tw為室外空氣的濕球溫度，℃。

從圖6 中可以看出逼近度的波動幅度小于熱源塔溶液進、出口溫度差的波動幅度。成都、重慶、武漢的熱源塔溶液進、出口溫度差波動范圍在2.97～5.62℃、2.88～5.37℃、2.56～5.29℃，逼近度在3.62～4.50℃、3.54～4.43℃、4.09～4.84℃。當建筑負荷升高時，塔側換熱器的換熱量隨之增加，水流量不變時，熱源塔溶液進、出口溫度差就會增大，塔入口溫度和塔出口溫度都降低，逼近度升高。

3.3 換熱量與潛熱比

潛熱比ζ定義為潛熱換熱量占總換熱量的比例，如式（5）所示。如圖7 所示分別為成都、重慶、武漢的換熱量和潛熱比。

圖7 成都、重慶、武漢市的熱源塔顯熱換熱量、潛熱換熱量和潛熱比Fig.7 Sensible heat transfer,latent heat transfer and latent heat ratio of heat source tower in Chengdu,Chongqing and Wuhan

其中，Q2為潛熱換熱量，Q為總換熱量，kJ/kg。

從圖7 中可以看出換熱量和潛熱比的波動幅度都較大。成都市顯熱、潛熱換熱量和ζ范圍為321～1855kW、2～1105kW、0.3%～56%；重慶市顯熱、潛熱換熱量和ζ范圍為294～1616kW、48～1102kW、6%～56%；武漢市顯熱、潛熱換熱量和ζ范圍為308～2110kW、-39～1018kW、-3%～52%，其中潛熱換熱量為負值說明溶液邊界層的水蒸氣分壓力大于主流空氣中的水蒸氣分壓力，潛熱的傳遞方向為溶液到空氣。

結合室外空氣的含濕量可以發現，總體上潛熱換熱量隨著含濕量的升高而增大，為正相關，這是因為主體空氣中的水蒸氣分壓隨著含濕量的升高而增大，水蒸氣從空氣傳遞到溶液的能力提高，潛熱換熱量隨之增長。

3.4 機組COP 與系統COP

機組COP 和系統COP 的計算如式（6）和式（7）所示。

其中，qm,load為流體質量流量，kg/h；Cp,load為流體比熱，kJ/(kg ℃)；Δtload為流體進出口溫差，℃；ΣN為所有熱泵機組耗功率之和，ΣNAE為熱泵機組所有附屬設備耗功率之和，kW。

如圖8 所示分別為成都、重慶、武漢的機組COP 和系統COP 隨時間變化的關系。

圖8 成都、重慶、武漢市的機組COP 和系統COPFig.8 Unit COP and system COP in Chengdu,Chongqing and Wuhan

從圖8 中可以看出機組COP 整體大于系統COP。成都、重慶、武漢的機組COP 平均值為3.99、3.93、3.77，系統COP 平均值為3.33、3.26、3.20。

結合室外空氣的含濕量可以發現，總體上供暖季機組COP 隨著含濕量的升高而增大，這是因為空氣中含濕量增大，熱源塔從空氣中獲得的熱量增多，機組更好滿足建筑負荷的需求，機組COP 隨之增大。相比于武漢，成都、重慶的機組COP 更高，超過3.9，這是因為成都、重慶冬季室外空氣的含濕量更高，而系統COP 較為接近。

4 結論

作者分析了3 個城市不同氣象條件下的熱源塔溶液進、出口溫度，溶液進、出口溫度差與逼近度，換熱量與潛熱比等，得出以下結論：

（1）建筑負荷改變時，塔側換熱量也改變，在水流量不變時，溶液進、出口溫度差隨之改變。氣象參數改變也會引起進、出口溫度差改變。3 個城市的熱源塔溶液進、出口溫度差平均值均高于3.6℃，成都和重慶的逼近度平均值較小，在4.2℃以下，武漢較大，在4.5℃以上。

（2）在供暖季，機組COP 大體上隨著含濕量的升高而增大，這是由于含濕量升高，熱源塔從室外空氣中獲取的熱量增多，機組更能滿足負荷需求，因此機組COP 也增大。

（3）相比于武漢，成都和重慶在供暖季的室外空氣含濕量平均值更大，機組COP 和系統COP也更大，但凝水量也更大。可以看出熱源塔熱泵系統在成都、重慶這樣的冬季低溫高濕地區更適用，但需注意系統結凍問題。