热源塔热泵系统的产生与运用

摘要：热源塔热泵是湖南刘秋克同志根据我国南方特定气候条件而研发设计的，可实现空调制冷制热及生活热水的三联供，并解决了冬季换热易结霜问题，实现了节能减排。

关键词：刘秋克 热源塔 高温 高湿 合理的系统

一、热源塔热泵系统的产生

为了实践绿色、节能、环保、科技的理念，众多学者走在开发、创新的道路上，湖南的刘秋克就是这样一位暖通界的潮人。在空气源热泵、水源热泵和土壤源热泵之外，他缔造了热源塔热泵的理念。

热源塔的概念由湖南大学土木工程学院热源塔热泵研究中心的刘秋克教授于2003年提出，2004年进行环境数据实验，2005年开展设备研究，2006年进入设备产品开发，2008年第四代热源塔热泵在湖南吉首市金煌宾馆的运用中经受了五十年一遇冰冻期的考验，从而慢慢走向市场。

热源塔热泵是根据我国南方特定气候条件夏季“高温酷暑”、冬季“低温高湿”的设计，冬夏季皆能高效运行低热能热泵系统。该系统能在原有水冷机组只能在夏季使用的基础上，通过高效热源塔吸收低品位能，全年取消锅炉等辅助热源，实现冷暖空调及生活热水三联供，有效解决风冷热泵夏季制冷能耗高、冬季供热换热器易结霜的问题。该系统已经运行的案例有：桐庐大酒店、南通商务会所、普陀山大酒店等。

二、热源塔热泵系统工作原理

热源塔热泵制冷供热工艺原理如图1所示，夏季为负压蒸发水冷却制冷机，冬季为闭式-20℃低温宽带换热器，空气经多层宽带翅片换热器表面逆向流通，形成传热面与空气之间的显热与潜热的交换，获得低于环境温度2-3℃的溶液作为热源塔热泵的低品位可再生能源。

图1 闭式热源塔热泵工艺原理

三、热源塔热泵系统的特点

热源塔热泵系统中的“塔”与“泵”是整个系统与传统空调系统有所区别的关键。

闭式热源塔与普通冷却塔相比，区别在于热源塔中配置了特殊溶液，使得热源塔在冬季应用传热温差小的铜管宽带蒸发器内置溶液循环吸收低温高湿空气中的低温位潜热能，性能比传统风冷热泵蒸发器结霜温度低，在同样空气环境下，结霜几率下降。在结构上，热源塔由不锈钢构架、围护结构、喷淋装置、热交换部件等构成。夏季热源塔为开式负压冷却塔，采用变风量调节控制，可在“高温高湿”　的气候条件下实现负压蒸发，冷却水温度低于传统冷却塔，提高水冷却制冷机效率。

低热源热泵由外强化高效换热管构成小温差传热冷凝器，制冷能效比和供热性能比传统水地源热泵机组高25-30%。

四、热源塔热泵系统运行比较

依据刘秋克的研究初衷及热源塔产品在湖南的成功运行实例来看，热源塔热泵系在我国南方夏季“高温酷暑”、冬季“低温高湿”地区运用能够将其优势发挥得当，那么该系统在长三角地区运行如何，江苏省某设计院林总就南京一酒店做了可行性与节能效果分析。

工程概况：该酒店总建筑面积约5000平方米，设150个标准客房，满员客人为300人，有空调制冷、空调制热、生活热水供应需求。建设地点为南京（北纬32°00’东经118°48’），年平均温度15.5℃，冬季空调室外计算温度-4.1℃，冬季空调室外计算相对湿度76%，夏季空调室外计算干球温度34.8℃，夏季空调室外计算湿球温度28.1℃。

该分析报告一共准备了五种方案，分别为方案一能源塔+水蓄冷+水源热泵，方案二冷水机组+燃气锅炉，方案三水源热泵+电加热，方案冷热泵+电加热，方案五空气源热泵冷热水机组+热泵热水机组。作者分析统计了五种方案的全年总耗电量、制冷能效比、制热能效比、制热水能效比、年运行费用等，通过比较各方案数据可以看出：方案一在节能上有所突破，能源塔在冬季结露除霜问题上有了很好的解决，整个系统的总能效比（系统三用总输出能量/系统三用总消耗能量）为3.25，由于该系统增加使用一定数量的节能设备，其设备用电量也相应增加，使得该系统在一次性投资比较大；方案二的系统方式，由于生活热水均由燃气锅炉提供，而客房的热水供应量较大，其总能效比仅为1.44；方案三采用具有热回收功能的水源热泵冷热水机组加水箱辅助电加热器为冷热源，总能效比为3.33，但该系统增加水源部分设备，初投资增加；方案四采用具有热回收功能的风冷热泵冷热水机组加电锅炉，解决了夏季热水供应，提高了夏季空调能效比，但考虑到热水供应量大，其总能效比为3.19；方案五采用传统热泵设备和两套独立风冷热泵冷热水系统及热泵热水系统，机组设备技术成熟，管理方便，初投资低，但设备太熟多，占地面积大，其制冷能效比在4.6左右，热水系统能效比在3.2左右，总能效比为3.90。

从空调加热水供应综合节能和技术经济性角度比较，该项目最终采用了方案五。

五、设计中碰到的问题及解决

在平日的设计工作过程中，曾接触热源塔热泵系统的运用问题，即池州市同晖城市广场项目。工程概况：池州市同晖城市广场东区地上四层，地下两层，总建筑面积约139000㎡，集商场、影院、商铺、公寓、住宅等功能为一体。该项目位于安徽省池州市（北纬32°00’东经118°48’），冬季空调室外计算干球温度-2.23℃，冬季空调室外计算相对湿度78%，夏季空调室外计算干球温度35.43℃，夏季空调室外计算湿球温度27.4℃。

该项目主要为空调制冷制热的需求，无生活热水供应需求。工程原设计空调系统为冷水机组+冷却塔制冷、燃气热水机组制热，当工程建设一段时间后，甲方提出该项目是否可修改为热源塔热泵系统的问题，在与甲方沟通后，经过对热源塔热泵系统的学习研究，并结合本工程特点，有以下考虑：

1．生活热水需求对系统的影响

根据热源塔热泵系统在各地区的使用案例及设计院林总对南京酒店的节能经济分析比较可以看出，在空调制冷、空调制热、生活热水供应三合一的系统里，对热量的回收再利用才能做到有的放矢，从而最大化的达到节能的目的。而本工程只有对空调制冷制热的需求，无对生活热水的需求，因此在该工程中运用热源塔热泵系统并没有发挥到该系统的优势。

2．气象条件的影响

热源塔热泵系统中的主要设备热源塔主要在于利用空气中的潜热能，而空气中湿度越大潜热能的利用率越高，所以刘克秋最初也是选择了湿度较高的湖南地区作为研发地，例如湖南吉首市年平均温度16.6℃，冬季空调室外计算温度-0.6℃，冬季空调室外计算相对湿度79%，夏季空调室外计算干球温度34.8℃，夏季空调室外计算湿球温度27℃。该讨论项目位于安徽省池州市冬季空调室外计算干球温度-2.23℃，冬季空调室外计算相对湿度78%，夏季空调室外计算干球温度35.43℃，夏季空调室外计算湿球温度27.4℃，与吉首市的气象条件有一定的差距，热源塔热泵在该地区运用的节能与经济效益需得到更多实验分析、参数对比与更多成功案例的支持，因此，考虑空调系统运行的稳定性及业主利益，该项目不适合贸然选用热源塔热泵系统。

3．工程现状及经济性影响

本工程全套施工图纸已设计审核完毕，工程现场已实施建设若干工期，大部分区域均已出地面标高。此时调整空调冷热源方案，需考虑对工程建设及经济性的影响：（1）冷热源设备变更，设备荷载变化，对建筑结构有一定影响，若设备荷载变大，结构专业将做特殊处理，将产生土建工程的施工难度加大、工程量增加、工程造价增加、影响工程总体进度、增加建设成本等后果。（2）热源塔热泵系统与原设计的冷水机组+冷却塔+热水机组系统相比，一次性投资增加，后期维护成本增加，建设成本增加。

六、思考与总结

在国家节能减排的大战略下，热源塔热泵系统作为新型节能产品经历了种种考验已走向市场，该系统是根据我国南方特定的气候条件而产生的，实现了空调冷热及生活热水三联供，并改善了冬季换热结霜的问题，提高了能效比。

在空调系统的设计过程中，设计方案的选择是个重要的环节，因此除了对传统系统的熟练掌握运用外，对新型系统的关注与学习也十分必要，通过学习分析研究选择合理的系统形式，能保证系统运行的最佳效果并实现节能经济效益最大化，这将是设计工作的追求目标。

参考文献：

1.《以能源塔为冷热源的水源热泵、带水蓄能的空调、采暖、生活热水三用系统的可行性及其节能效果》林康利

2.《刘秋克：热源塔热泵发明者的人生戏剧》