制冷与供热系统用空气源换热塔结构改造研究

崔 煊，陈金花，高 明，刘婧楠，沈 艳，薛 梅，陈 浩，章立新

(1.上海理工大学能源与动力工程学院，上海市动力工程多相流动与传热重点实验室，上海 200093；2.烟台蓝德空调工业有限责任公司,山东 烟台 264003；3.上海同驰换热设备科技有限公司，上海 200433；4.浙江金菱制冷工程有限公司，诸暨 311802；5.华电电力科学研究院，浙江 杭州 310030.)

现有的热泵机组主要有水源热泵机组、地源热泵机组以及空气源热泵机组[1-3]，空气源塔式换热热泵/制冷系统是一种近年来新兴并引起广泛关注的节能系统[4]。该系统的末端设备是一个与空气直接换热的塔式换热设备。系统在夏季制冷工况运行时即为冷却塔，冷却塔中的工质为水，蒸发冷却；而在冬季制热工况下，塔内工质替换为氯化钙、乙二醇等冰点较低的载冷剂，载冷剂在塔内获取环境中可再生的空气热能[5]，即为吸热塔。因为目前各种标准中对该系统末端这种塔式换热设备没有明确的称呼，本文以下统称吸热塔。

吸热塔作为该系统的核心部件之一，是从冷却塔基础上改造而来，夏季作为向空气排热的冷却塔使用，冬季则作为热泵系统的低温热量来源，一塔两用，并且充分利用了原来冷却塔在冬季闲置的状态。张晨[6]等人对比分析了现有三种典型结构(普通开式、普通闭式及改进型闭式)吸热塔的型式、工作原理及应用性能进行了对比，发现开式塔虽然效率高，造价低，但存在溶液飘失，溶液稀释的问题；普通闭式结构虽然可以有效抑制冬季结霜问题，但换热效率低；改进型闭式结构则结合了上述优点，具有良好性能。李双磊[7]对开式横流塔和逆流塔做出详细比较，认为横流塔具有结构简单、方便拆卸、保养方便、对水质要求低以及噪声较低的优势，横流塔的缺点则是飘逸率高，用水量较大。对于制冷与供热系统用空气源换热塔来说由于其大多是以盐溶液为循环工质，所以不能使雨水通过风机口以及进风窗进入塔内以免稀释塔内溶液。

因此对于开式横流冷却塔向吸热塔改造的方向总体来说需要解决的问题是：要求工作介质不会飘移或飞溅到塔外，对环境造成影响；雨水不会流入塔内稀释溶液；工作介质不会腐蚀塔体。

1 吸热塔塔体改造

此次改造选用的是开式横流吸热塔，塔长2.4m，宽4.6m，高2.6m，工作介质为CaCl2溶液。改造后的塔体简图如图1所示。

经过改造后的吸热塔具有以下特点：

(1) 现有的吸热塔多为金属或半金属塔身，塔体的重量增加了安装难度，而此次对塔身的改造是将金属或者半金属的塔身改为全复合材料塔身，在吸热塔材料方面属于创新改造。塔身强度基本不改变，同时又减小了吸热塔塔体的重量，并起到防止盐溶液对塔体的腐蚀的作用。

(2) 在风机上部接装一个防雨水与降噪的风筒，能有效的防止雨水进入塔内，而且背对风筒的一侧噪声较小；

(3) 塔体外侧进风窗设计为百叶向下倾斜，可防止侧面雨水进入塔内；

(4) 紧挨外侧设计为一层防止溶液外溅的百叶窗；

(5) 在塔体内侧再加装一层防雨水的百叶窗，与外接风筒形成双层保障，降水量较小的地区可以根据需要拆除此层百叶窗；

(6) 在最底部循环溶液的集液槽上部加装了一个雨水收集槽，将雨水导出塔外；

(7) 改造之后的塔内大致风向如图1所示箭头，可以发现越是靠近填料内侧和上部，风量越小，所以水盆的底部设计有一个小的倾斜度，采用小孔布水，由于重力作用，这样可以使撒下的溶液流量从内侧到外侧越来越大，进而可与空气充分换热，提高塔的换热性能。

(8) 三层百叶窗均为整体构架，这样可使拆卸保养更为方便。

1.防雨降噪风机套筒;2.具有一定倾斜角的撒水盆;3.外层挡雨百叶窗;4.侧面防飘液百叶窗;5.内侧防雨水百叶窗;6.雨水收集槽;7.雨水出水口;8.填料图1 改进型开式横流吸热塔

2 实验研究

本实验是以烟台地区某办公楼中已经投入运行的空气源塔式热泵系统为基础，将其系统原有的普通横流开式吸热塔替换为本文所述的改进型开式横流塔进行测试。所测吸热塔实体如图2所示。

图2 所测吸热塔实物图

在吸热塔进出口分别布置有铂电阻来测量溶液进出口温度；温度测试所有铂电阻为Pt100，壳材为316L，精度等级为AA，测量范围-30 70℃；流量采用超声波流量计V法测量；风量采用手持式风速仪测试；噪声采用噪声测试仪并依照GB/T 7190.1-2008[7]所述方法进行测试。

3 实验结果分析

3.1 噪声分析

如表1所示，本文选取了三个典型位置进行对噪声的测试。测试流量与风机频率均按照系统正常运行的工况，分别为88t/h和40Hz。测试结果显示风筒背侧的噪声要比风筒出口侧小17dB，且根据国标测试的结果符合国家标准[8]。由此看出塔体结构稳定，且这种风筒形式能有效的降低风筒背侧的噪声，在实际工程中可根据现场情况摆放吸热塔位置，以减少噪声带来的影响。

表1 不同位置的噪声大小

3.2 溶液飘移分析

如图3所示，系统运行1年后，从铁板腐蚀程度可以看出改进型吸热塔中的溶液从进风窗外溅的程度较改造前明显降低。

图3 吸热塔进风窗下铁板腐蚀情况

3.3 塔内阻力与风量分析

在对图1所示中的三种不同百叶窗选择四种工况进行测试，通过每种工况风量的大小以来看出不同工况下塔内阻力情况。四种工况如图3所示，可以发现：在只有最外侧进风窗3，没有侧面防飘液百叶窗4和内侧防雨水百叶窗5的工况下的阻力最小风量最大，在4和5进风窗都有的工况下阻力最大，风量最小，两者风量差基本在10000～13000m3·s-1之间；4和5百叶窗只有其一的两个工况风量处于中间位置且风量差别不大。所以可以根据地区降水量的大小选择是否加装内层防雨水百叶窗。

图4 四种不同百叶窗工况下风量的对比

3.4 换热性能分析

由于是在实际投入运行的工程中进行测试，无法对环境参数以及系统用户侧负荷进行准确的控制变量，因此本文只能在长期的测试当中选取工况相近的两组数据进行比较。具体参数如表2所示，在系统满负荷运行，环境工况相似，风机频率相同，改进型吸热塔风量小于普通吸热塔情况下的两种吸热塔换量相差不大，改进型吸热塔的换热量甚至略高于普通型吸热塔。

表2 两种塔型换热量对比

4 结论

本文分析了制冷与供热系统用空气源换热塔所需的工艺特殊性，并根据其特点在开式横流冷却塔基础上进行了多方面的结构改造，同时还对实塔进行了测试。实验研究表明：

(1)全复合材料的塔体与塔身不仅拆卸安装方便，而且具有很好的防腐蚀作用。

(2)改造后的吸热塔噪声不仅符合国家标准，而且更能因地制宜将噪声污染进一步降低。

(3)改造后的吸热塔能有效的防止雨水进入塔内，并且很大程度上防止了进风窗两侧溶液的外溅，降低了对环境的影响。

(4)改造后的吸热塔在相同频率的风机运行下，虽然由于阻力增大，风量降低，但是换热性能相比普通吸热塔相差不大，甚至略高于后者。

[1] 工业锅炉清洁能源手册[M].上海:海科学技术出版社，2015:142-145.

[2] 李志浩,张永铨.空调冷热源系统的选择[J].暖通空调,1996,26(4):3-10.

[3] 常世钧,龚光彩.冷热源及建筑节能的现状和进展[J].建筑热能通风空调，2003(5):18-23.

[4] 徐政宇.夏热冬冷地区开式吸热塔热泵技术的供暖研究[D].长沙:湖南大学,2013.

[5] 王庆一.2015中国能源效率评析[J].中国能源,2017,39(6):43-47.

[6] 张 晨,杨洪海,吴建兵.三种典型结构热源塔的比较[J].制冷与空调,2009,9(6):81-83.

[7] 李双磊.数据中心用横流冷却塔与逆流冷却塔优缺点对比分析[J].低碳世界,2015,9(6):282-283.

[8] 全国纤维增强塑料标准化技术委员会.GB/T 7190.1 2008玻璃纤维增强塑料冷却塔 第1部分:中小型玻璃纤维增强塑料冷却塔[S].北京：中国标准出版社，2008.