395 热源塔热泵

背景

常规的空气源热泵中，热泵工质通过蒸发器从环境空气中直接吸热，空气放热过程中空气中的水蒸气会在蒸发器表面结霜，霜层到一定厚度时需要消耗一定能量进行除霜；结霜问题对常规空气源热泵的流程、能耗、控制、可靠性等都带来很多挑战。

热源塔热泵是通过引入防冻液来解决结霜问题的一种空气源热泵技术。

原理

热源塔热泵的基本思路是用防冻液与空气直接接触来吸收空气中热能，再由防冻液把热能传递给热泵工质，如下图。

根据防冻液与环境空气的接触情况，热泵塔通常分为开式热源塔和闭式热源塔（还有兼有二者特点的混合式热源塔）。

开式热泵塔

开式热源塔中防冻液在填料、翅片等表面形成液膜或液滴，环境空气流过液膜或液滴表面并从空气中吸热（包括空气的显热和空气中水蒸气的潜热）。

开式热源塔的特点是结构简单，投资低，但空气与防冻液接触时可能带走少量防冻液微滴，造成防冻液损耗和环境污染，且空气中水蒸气进入防冻液相对较多，防冻液的浓缩再生负荷较大。

闭式热源塔

闭式热源塔的防冻液分两部分（两部分防冻液可相同，也可不同），一部分防冻液在空气换热器、泵、热泵蒸发器构成的封闭单元内循环流动，防冻液通过空气换热器吸收环境空气热能，再通过热泵蒸发器把热能转移给热泵工质；另一部分防冻液用于冲洗空气换热器表面可能形成的霜层；

闭式热源塔结构较开式复杂，投资也相对高，但闭式热源塔中的循环防冻液不与环境接触，没有损失，浓度也没有变化，不需要再生处理；冲洗霜层的防冻液的损失很少，冲霜时会因水分进入防冻液导致其浓度变低需要再生，但进入的水分量远低于开式热源塔，通常也低于常规空气源热泵蒸发器外的结霜量。

发展分析

与常规空气源热泵相比，热源塔热泵多了一个热源塔（含防冻液等），其热泵蒸发器可采用板式、壳管式等型式，总体投资通常高于常规空气源热泵。

热源塔热泵的制热系数可与常规空气源热泵相近，防冻液再生能耗可低于常规空气热泵的融霜能耗。

热源塔热泵的技术关键有如下几方面：

传热温差。环境空气与防冻液的传热温差、防冻液与热泵工质的传热温差均应小于3℃。

防冻液。理想的防冻液应无腐蚀，安全无害，再生方便，中低浓度时即有较低的冰点，黏度小，价格低等，目前有多种可选的防冻液（请参见下一篇）。

防冻液再生技术。常用的再生方法如相变分离法、非相变分离法等；相变分离法又可分热法和冷法，热法如沸腾汽化法、表面汽化法（空气携带法、膜蒸馏法等）等，冷法如冷冻结冰或结晶分离法等；非相变分离法如电渗析法、基于微观筛分等机理的膜法（如微滤、超滤、纳滤、反渗透法等）。

在优选防冻液时，需要同时考虑相应的再生方法。

防冻液低损耗设计。包括开式热源塔液膜与空气热质交换过程中液膜和空气流场优化、闭式热源塔换热器表面冲霜过程优化等，通过合理的设计，努力实现防冻液低损耗甚至无损耗。

应用

热源塔热泵技术较适于中大规模的空气源热泵机组，尤其在环境空气较潮湿、温度0℃左右时，具有较好的应用优势。