CN110360769B - 一种具有相变能源塔的热泵系统及其换热方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及空调换热领域，一种具有相变能源塔的热泵系统，包括相变能源塔和制冷剂循环封闭回路；相变能源塔，包括塔体；所述塔体内部设有换热管，以及采用相变介质作为流体的喷淋系统；所述喷淋系统包括设置在换热管上方且喷淋方向朝向换热管的喷淋器，以及设置在换热管下方用于承接相变介质的储液池；所述储液池与喷淋器通过管路相通，喷淋器喷出的相变介质在换气管表面以部分蒸发或冷凝的方式与换气管内部的制冷剂进行热交换。该热泵系统中的相变能源塔以相变介质作为载冷剂使用，制冷剂通过封闭循环回路进行输送，从而在制冷剂循环封闭回路中采用相变热换方案，提升换热效果，降低系统运行成本。

Description

一种具有相变能源塔的热泵系统及其换热方法

技术领域

本发明涉及空调换热领域，尤其涉及一种具有相变能源塔的热泵系统及其换热方法。

背景技术

随着中国经济的高速增长，能源的消耗量越来越大，大量化石燃料的破坏了生态环境，温室效应越来越严重。当前我国建筑用能量十分巨大，目前建筑能耗占我国全社会终端能耗的比例约为27.5％。且随着城镇化的发展，建筑能耗将快速增加，城市化的发展给我国建筑用能的能源供应造成了较大压力。空调耗能是建筑占建筑能耗的30％左右，提高空调系统的效率对于节能减排具有重大意义。

在我国夏热冬冷地区，由于冬季该区域没有集中供暖，建筑大多采用电或带辅热的空气源热泵以及燃油、燃气锅炉等方式供暖，存在高品位能源消耗较大、一次能源利用率低、存在污染等问题。同时，由于夏热冬冷地区冬季室外空气“低温高湿”的特点，使得目前在此区域内使用较多的空气源热泵系统室外换热器难以维持在干工况运行，空气里的水蒸气凝结在翅片表面，发生结霜后系统各项性能系数大大降低，甚至不能工作。针对此地区气候特点，结合空气源热泵及水冷机组用冷却塔的优点，为解决室外换热器结霜问题，同时利用冬季湿空气显热及水蒸气相变潜热，开发发展出了一套种热源塔热泵的新型热泵系统。热源塔在夏季用作冷却塔向环境排放热量，冬季用作热源塔利用低温防冻溶液吸取空气中的热量。该设备具有冬夏季双高效的特点，一塔两用提高了设备利用率，既节能又环保。

热源塔热泵解决了传统水冷冷水机组加锅炉系统中冷却塔冬季闲置和锅炉污染的缺点，也避免了像空气源热泵的结霜问题，其造价及维护费用远低于水地源热泵系统。但是由于冬夏季运行工况的不同，夏季热源塔的散热主要靠潜热，而冬季热源塔换热量中显热占比很大，潜热占比很小，冬季热源塔的换热效率低于夏季，所以一般都按照冬季工况来设计热源塔，导致设计出的热源塔体积较大。热源塔较大的体积会增加热源塔的造价，而且容易出现场地受限的问题。同时，在不同的室外条件下建筑负荷不同，目前热源塔热泵主要用于长江中下游地区，在冬季气温更低的地区，热源塔的优势并不明显。这是因为建筑负荷和热源塔取热量是相互矛盾的，室外气温低的时建筑热负荷很大，但此时热源塔从室外空气中取热已经变得很困难。在这种工况下要从室外环境中取得更多的热量就必须要降低热源塔中循环溶液的温度，增大温差以吸取更多热量。随着溶液温度的降低，将会导致蒸发温度下降和系统能效的降低。因此热源塔对冬季室外环境温度有一定的限制，环境温度过低时同样体积的热源塔取热量将会衰减，很有可能满足不了建筑所需热量。所以目前热源塔的适用地区主要为长江中下游地区，在较为寒冷的地区热源塔使用受限。

因此，如何提高热源塔在低环境温度下的取热量和降低热源塔的体积，提高热源塔的适用范围和效率，解决热源塔的占地面积大问题成为本领域技术人员迫切需要解决的技术难题。

如公开号为“CN109798615A”的中国发明专利公开文本中记载一种基于相变微胶囊溶液的横流型热源塔，属于制冷空调技术领域。该热源塔体与冷却塔流液管路相连；热源塔体外侧壁设有进风口；热源塔体内设有换热腔，进风口与换热腔相连通；热源塔体的换热腔中心为贯穿热源塔体上、下部的中心通孔腔；换热腔内填充从空气中吸取热量的PVC填料，PVC 填料为相变微胶囊溶液；其换热腔的顶部与却塔流液进液管路相连通；热源塔体的底端与冷却塔流液出液管路相连通；液体从进液管路进入换热腔内的填料部，并从热源塔体底端的出液管路回流至冷却塔内。本发明中相变微胶囊溶液在下落过程中相变材料会发生相变，因此其比热容较大，溶液吸热后温度将保持不变或者变化幅度很小。上述技术方案已表明，目前在热源塔中已经运用相变换热，关于相变换热，常压下水的汽化潜热是水比热容的500多倍，水的凝固潜热是水比热容的近80倍，所以利用相变可以极大地提高换热量，减小换热媒介的循环量。但其方案的不足之处在于，其方案的喷淋系统中所采用的微胶囊溶液作为循环介质，并采用微胶囊溶液在填料中与空气充分进行热质交换以后，此时相变微胶囊溶液会发生相变。虽然与普通溶液相比，相变微胶囊溶液是一种集储热与强化传热特性于一体的新型工质，但这类微胶囊溶液运用至热泵系统中存在安全隐患。并且，该在先申请的方案中，相变微胶囊溶液采用喷淋的开放式换热方式，与将该微胶囊溶液运用至热泵系统回路中存在一定问题，如开放式换热带来的杂质和尘埃问题等，且开放式热源塔的运行费用较高。

如公告号为“CN207439195U”的中国实用新型专利中记载一种采用相变方式与空气换热的热源塔，包括塔架和热壁换热器，塔架的上部设置有轴流风扇；热壁换热器包括空气换热组件和不冻液流体换热组件，空气换热组件设置在塔架内，空气换热组件包括上连通管、下连通管、第一换热壁和加热装置，上连通管和下连通管通过第一换热壁连通，空气换热组件的下连通管上连接有加热装置；不冻液流体换热组件包括不冻液换热容器、第二换热壁，第二换热壁的两端分别连接在上连通管和下连通管上，第二换热壁和与第二换热壁连接的上连通管以及下连通管均设置在不冻液换热容器内；不冻液换热容器的一端设置为不冻液的进液口、另一端设置为不冻液的出液口。本实用新型的热源塔能够低能耗的、低成本的并且及时的化霜。在夏季实现制冷功能时，该方案的热源塔可作为凉水塔来使用，这个时候喷淋循环泵开始工作，而在冬季时喷淋循环泵是不需要工作的，这个与现行的封闭式热源塔完全不一样。在制冷时通过喷淋头向空气换热组件喷淋水，在第一换热壁的表面形成水膜，在高负压作用下，吸收第一换热壁内相变流体(制冷剂)的潜热后自己便蒸发，使得相变流体冷凝成液体。变成液体的相变流体，经过下连通管流至不冻液流体换热组件内的第二换热壁去吸收不冻液潜热后自己得以蒸发，蒸发后的相变流体又经上连通管流至空气换热组件内与其外侧的空气和水膜换热。上述方案中，不冻液冷却后最终温度低于常规开式热源塔(冷却塔)，该闭式相变远距离换热热源塔可以使传热永远没有开式冷却塔生物粘泥热阻影响，以上因素使得闭式热源塔热泵系统运行费用远低于开式热源塔热泵系统和冷却塔制冷系统。但其方案中，是将制冷剂选用为相变流体，且该方案在冬季时喷淋循环泵是不需要工作的。

授权公告号为“CN103438613B”的中国发明专利公告文本中记载复式一体化热源塔热泵装置，授权公告号为“CN105698352B”的中国发明专利公告文本中记载一种利用太阳能实现溶液再生的冬夏双高效热源塔及换热方法。上述两篇专利文本中均记载了通过喷淋系统与换热器管内的制冷剂换热的方案，但其方案并没有与相变换热进行结合。

发明内容

为了解决上述问题，本发明的第一目的在于提供一种具有相变能源塔的热泵系统，该热泵系统中的相变能源塔以相变介质作为载冷剂使用，制冷剂通过封闭循环回路进行输送，从而在制冷剂循环封闭回路中采用相变热换方案，提升换热效果，降低系统运行成本。

本发明的第二目的在于提供该热泵系统的换热方法。

为了实现上述的目的，本发明采用了以下的技术方案：

一种具有相变能源塔的热泵系统，包括相变能源塔和制冷剂循环封闭回路；相变能源塔，包括塔体；所述塔体内部设有换热管，以及采用相变介质作为流体的喷淋系统；所述换热管连接于制冷剂循环封闭回路中，制冷剂循环封闭回路还包括换热器，制冷剂在所述换热器内与所述相变能源塔的换热管内的换热方向相反；所述喷淋系统包括设置在换热管上方且喷淋方向朝向换热管的喷淋器，以及设置在换热管下方用于承接相变介质的储液池；所述储液池与喷淋器通过管路相通，喷淋器喷出的相变介质在换气管表面以部分蒸发或冷凝的方式与换气管内部的制冷剂进行热交换。

本发明采用上述技术方案，该技术方案涉及一种具有相变能源塔的热泵系统，该相变能源塔中喷淋系统内所采用的是相变介质，喷淋系统所喷淋的相变介质能够附着于换热管表面形成水膜或薄冰，并以部分蒸发或冷凝的方式与换热管内部的制冷剂进行热交换，常压下水的汽化潜热是水比热容的500多倍，水的凝固潜热是水比热容的近80倍，所以利用相变可以极大地提高换热量。相比于公开号为“CN109798615A”的专利文本记载方案，本方案并没有将相变介质作为热泵循环系统内的介质使用，仅以相变介质作为载冷剂使用，制冷剂通过封闭循环回路进行输送，从而在制冷剂循环封闭回路中采用相变热换方案，提升换热效果，降低系统运行成本。公开号为“CN207439195U”的中国实用新型专利方案，其方案是将制冷剂选用为相变流体，相变流体的质量不多，加热温度上升块，可为制热争取更多的时间；但本方案是以相变介质作为载冷剂使用，与其存在本质区别。

作为优选，所述换热管的一端为进出液端，另一端为进出气端；制冷剂循环封闭回路还包括压缩机、节流装置和油分离器，所述压缩机、油分离器、换热管的进出气端、换热管的进出液端、节流装置、换热器的进液端、换热器的进出气端、压缩机之间依次连接构成第一换热回路；所述压缩机、油分离器、换热器的进出气端、换热器的出液端、节流装置、换热管的进出液端、换热管的进出气端、压缩机之间依次连接构成第二换热回路。该实施方案具体是提供该相变能源塔装入的热泵系统的具体实施方案。

作为优选，所述塔体的下端部上设有进风口，塔体的顶部设有出风口，塔体内设有促进气流由进风口至出风口的风机。该技术方案中，换热管内部的制冷剂能够与塔体内部的空气进行热交换(可单独使用空气换热，此时不开启喷淋系统)，而上述进风口、出风口和风机的设置能够促进内部空气流通，提升换热效率。

作为优选，所述换热管下方与进风口之间的塔体内部设有填料，所述填料能够使空气与相变介质二次换热；所述风机处于塔体的进风口上，风机与换热管之间的塔体内部设有除沫器。

作为优选，所述换热管为螺旋型盘管，螺旋型盘管中的轴向相邻两层盘管单元之间交错设置；所述螺旋型盘管的进出液端上设有分配器，分配器与换热管的每个进出液端均相连，进出液管上设置有单向阀，流向与分配器相反。上述方案中，采用螺旋型盘管的目的在于管内介质的压降；一般来说，管内压降一般由两部分组成，即沿程阻力和局部阻力，而局部阻力系数通常会是沿程阻力系数的数倍。传统的多流程管排布置方式，介质在管内流动时，流程改变时，方向需要改变180度，这样每次变向就会增加一次局部阻力，总的压降就会增大，而螺旋形管基本都是沿程阻力，局部阻力可以忽略，这样可以降低管内介质总的压降。进一步地，所采用轴向相邻两层盘管单元之间交错设置，即在上下两层盘管单元错位设置，如下层盘管单元的盘管是处于上层盘管单元的两根盘管之间的。是因为，传统的排管排列是直排的，即上下排管对齐，水从上方喷淋到管列上，由于管列间的间隙，有些水无法喷淋到管子上造成喷淋不充分，另外下方的风也有部分从管列间短路，造成风与管子换热不充分。本方案所采用的交错排列，上层盘管单元的盘管上的介质、流体会顺着管表面滴落至下层盘管单元的盘管上，故所有的水都会喷淋到管子上面，这样喷淋充分，另外，底部上来的风不会短路，而且风经过交错的管子产生扰流，加强了风侧的换热效果。另外，上述分配器的作用在于采用分配器，分配更均匀，换热系数更高。

作为优选，所述塔体内至少设有用于测量盘管表面温度的第一温度传感器，以及用于测量储液池内的相变介质温度的第二温度传感器，以及用于检测进风口空气温度的第三温度传感器。上述第一温度传感器、第二温度传感器和第三温度传感器所提供的检测数据是对于本方案的热源塔运行监控。

作为优选，所述储液池内设有辅热装置，用以在环境温度特别低时辅助加热。

一种相变能源塔的热泵系统的换热方法，当制冷剂循环封闭回路中的制冷剂流经换热器管内时，所述喷淋系统将储液池内的相变介质通过喷淋器喷洒到换热管表面，并以部分蒸发或冷凝的方式与换气管内部的制冷剂进行热交换；以使所述换热管内的制冷剂液化或气化。

作为优选，包括夏季模式和冬季模式；

夏季模式：制冷剂气体经压缩机压缩后进入油分离器进行油分，然后制冷剂气体进入相变能源塔的换热管的进出气端；喷淋系统运行，将相变介质通过喷淋器喷洒到换热管表面，相变介质在换热管表面形成水膜，并通过部分蒸发的方法吸收热量，换气管内部的制冷剂释放热量而液化；液化的制冷剂经节流装置节流后进入换热器蒸发成气体，然后流向压缩机，完成第一回路循环；

冬季模式：制冷剂气体经压缩机压缩后进入油分离器进行油分，然后进入换热管内冷凝呈液体，制冷剂液体经节流装置被节流后，进入换热管的进出液端，制冷剂液体温度低于相变介质的凝固温度；所述喷淋系统运行，将相变介质通过喷淋器喷洒到换热管表面，相变介质在所述换热管表面形成薄冰，并通过部分冷凝的方式释放热量，换气管内部的制冷剂吸收热量而气化，最后经由换热管的进出气端排出；制冷剂气体排出后流向压缩机，完成第二回路循环。

作为优选，在冬季模式中；

设定单位时间T，并通过监控溶液温度和盘管表面温度的差值变化；当盘管表面的温度和对应溶液的冰点差值缩小到设定值时，增大喷淋系统的流量，将盘管表面的薄冰冲刷进行进入储液池融化成液体；当盘管表面的温度和对应溶液的冰点差值缩小到设定值时，喷淋系统的流量回调正常。

作为优选，在冬季模式中；

储液池内设置在线溶液比重计，当盘管表面开始产生冰浆后，溶液槽内也会积累一定的冰浆；当溶液比重大于设定值时，增大喷淋系统的流量，将盘管表面的薄冰冲刷进行进入储液池融化成液体；当溶液比重小于设定值时，喷淋系统的流量回调正常。

上述两种方案的区别主要在于通过检测数据的不同，控制喷淋系统的流量，通过喷淋系统的流量增大方式将盘管表面的薄冰冲刷进入储液池中，为两套并列的实施方案，采用其中一种即可。

综合上述所有结构，该相变能源塔存在如下优点：

1.采用螺旋盘管，上下交错排列，管内制冷剂阻力更小，管外喷淋换热更充分，总传热系数更高；

2.换热盘管没有翅片，避免了长期运行导致的腐蚀及结垢问题，运行免维护；

3.夏季作为蒸发冷通过水蒸发潜热吸收热量，冬季作为热源塔吸收水冷凝甚至结冰潜热，充分利用不同季节水相变潜热，换热器效率更高；

4.作为热源塔时，制冷剂进口采用分配器，分配更均匀，换热更高，夏季作为蒸发冷时，通过单向阀旁通分配器；

5.填料位于盘管下方，空气与溶液二次换热，热交换充分；

6.制冷剂直接进入热源塔与溶液热交换，减少中间换热温差，系统效率更高；

7.与传统风冷机组相比，冬季盘管不会结霜，提高运行效率，不会影响用户使用；

8.根据季节环境变化及使用情况多种模式切换，更节能；

9.采用闭式结构，极少飘水，减少水耗。

附图说明

图1为本发明创造涉及的相变能源塔示意图。

图2为具有相变能源塔的热泵系统在夏季模式运行示意图。

图3为具有相变能源塔的热泵系统在冬季模式运行示意图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

实施例1：

如图1～3中所示的一种具有相变能源塔的热泵系统，包括相变能源塔1和制冷剂循环封闭回路；制冷剂循环封闭回路包括安装在相变能源塔1内的换热管11，换热管11的一端为进出液端，另一端为进出气端。制冷剂循环封闭回路还包括换热器21、压缩机22、节流装置 23和油分离器24。所述压缩机22、油分离器24、换热管11的进出气端、换热管11的进出液端、节流装置23、换热器21的进液端、换热器21的进出气端、压缩机22之间依次连接构成第一换热回路，即为夏季换热回路。所述压缩机22、油分离器24、换热器21的进出气端、换热器21的出液端、节流装置23、换热管11的进出液端、换热管11的进出气端、压缩机22之间依次连接构成第二换热回路，即为冬季换热回路。具体如图1中所示，换热器 21采用壳管换热器21，优选为降膜换热器21；所述制冷剂循环封闭回路还包括一个四通阀 25、一个储液罐26和四个单向阀27，如图中所示，四通阀25的四个端部分别连接于油分离器24的输出端、换热管11的进出气端、换热器21的进出气端和压缩机22的输入端。换热器21的出液端和换热管11的进出液端分别与储液罐26的输入端通过管路连接，且每条管路上均设有一单向阀27；储液罐26的输出端通过管路分别与换热管11的进出液端、换热器21 的进液端连接，且每条管路上均设有一单向阀27。

所述相变能源塔1，包括塔体12。所述塔体12内部设有用于封闭输送制冷剂的换热管 11，以及采用相变介质作为流体的喷淋系统。所述喷淋系统包括设置在换热管11上方且喷淋方向朝向换热管11的喷淋器13，以及设置在换热管11下方用于承接相变介质的储液池14。所述储液池14与喷淋器13通过管路相通，管路上设有溶液泵15对相变介质由储液池14输送至喷淋器13提供动力，储液池14上设有液位计16和补液通道17，在液位计16监测到储液池14内的相变介质低于设定高度时，通过补液通道17补入相变介质。另外，所述储液池14内设有辅热装置，用以在环境温度特别低时辅助加热，防止相变介质在储液池14内凝固。在具体的一种实施方案中，所述辅热装置为去过热换热器3，如图中所示，去过热换热器3 处于储液池14内；在热泵运行时，压缩机排气管经过热源塔溶液槽，一方面去过热，提高热泵系统效率，另一方面，加热溶液槽，提高溶液温度，提高热源塔效率和融冰速度。

所述换热管11为螺旋型盘管，螺旋型盘管中的轴向相邻两层盘管单元之间交错设置。所述螺旋型盘管的一端为进出液端，另一端为进出气端。所述螺旋型盘管的进出液端上设有分配器18，分配器18与换热管11的每个进出液端均相连。上述方案中，采用螺旋型盘管的目的在于管内介质的压降。一般来说，管内压降一般由两部分组成，即沿程阻力和局部阻力，而局部阻力系数通常会是沿程阻力系数的数倍。传统的多流程管排布置方式，介质在管内流动时，流程改变时，方向需要改变180度，这样每次变向就会增加一次局部阻力，总的压降就会增大，而螺旋形管基本都是沿程阻力，局部阻力可以忽略，这样可以降低管内介质总的压降。进一步地，所采用轴向相邻两层盘管单元之间交错设置，即在上下两层盘管单元错位设置，如下层盘管单元的盘管是处于上层盘管单元的两根盘管之间的。是因为，传统的排管排列是直排的，即上下排管对齐，水从上方喷淋到管列上，由于管列间的间隙，有些水无法喷淋到管子上造成喷淋不充分，另外下方的风也有部分从管列间短路，造成风与管子换热不充分。本方案所采用的交错排列，上层盘管单元的盘管上的介质、流体会顺着管表面滴落至下层盘管单元的盘管上，故所有的水都会喷淋到管子上面，这样喷淋充分，另外，底部上来的风不会短路，而且风经过交错的管子产生扰流，加强了风侧的换热效果。另外，上述分配器18的作用在于采用分配器18，分配更均匀，换热系数更高。

所述塔体12的下端部上设有进风口，进风口上设有进风格栅19，塔体12的顶部设有出风口，塔体12内设有促进气流由进风口至出风口的风机10。该技术方案中，换热管11内部的制冷剂能够与塔体12内部的空气进行热交换，而上述进风口、出风口和风机10的设置能够促进内部空气流通，提升换热效率。在进一步的优选方案中，所述换热管11下方与进风口之间的塔体12内部设有填料101，所述填料101能够使空气与相变介质二次换热。所述风机 10处于塔体12的进风口上，风机10与换热管11之间的塔体12内部设有除沫器102。在上述方案的基础上，填料101处于换热管11下方，有利于促进空气与溶液二次换热，热交换充分。

上述方案中，所述塔体12内至少设有用于测量盘管表面温度的第一温度传感器，以及用于测量储液池14内的相变介质温度的第二温度传感器，以及用于检测进风口空气温度的第三温度传感器。上述第一温度传感器、第二温度传感器和第三温度传感器所提供的检测数据是对于本方案的热源塔运行监控，即通过检测相变介质温度，换热器21盘管温度和进风温度，判断环境温度作及使用负荷。换热管11内部的制冷剂与塔体12内部空气换热，以及喷淋器 13的相变介质换热可根据环境温度作及使用负荷做出不同模式的调整，包括但不限于如下模式：

一、当环境温度比较低时如过度季节甚至环境温度低于室内温度，但室内仍需制冷时：此时系统可以切换到自然冷却模式，压缩机22不开，根据冷凝温度热源塔风机10有开和不开两种模式。

二、当夏季环境温度较低时:根据冷凝温度热源塔风机10有开和不开两种模式，当热源塔风机10开启时，根据冷凝温度溶液泵15也有开和不开两种模式。

三、当夏季环境温度较高时；热源塔风机10最强档运行，根据冷凝温度溶液泵15额定频率和增频运行模式用以提高系统效率。

四、当冬季环境温度很低时；热源塔风机10最强档运行，可以有冰浆相变换热模式以及辅助加热模式。

五、当冬季环境温度较低时；热源塔风机10运行，可以有水蒸气凝结相变换热模式和冰浆相变换热模式。

六、当冬季环境温度较高时；根据蒸发温度热源塔风机10有开和不开两种模式，当热源塔风机10开启时，溶液泵15有开和不开两种模式。

上述方案中，所述喷淋器13喷出的相变介质在换气管表面以部分蒸发或冷凝的方式与换气管内部的制冷剂进行热交换。本方案所采用的相变介质可以是醇类溶液如乙二醇或丙二醇或盐类溶液如氯化钠混合溶液，该溶液的浓度可根据最低运行环境温度进行调配以改变冰点，从而适用于相变能源塔所在地区的自然环境。该技术方案涉及一种相变能源塔1，该相变能源塔1中喷淋系统内所采用的是相变介质，喷淋系统所喷淋的相变介质能够附着于换热管11 表面形成水膜或薄冰，并以部分蒸发或冷凝的方式与换热管11内部的制冷剂进行热交换，常压下水的汽化潜热是水比热容的500多倍，水的凝固潜热是水比热容的近80倍，所以利用相变可以极大地提高换热量。相比于公开号为“CN109798615A”的专利文本记载方案，该方案并没有将相变介质作为热泵循环系统内的介质使用，仅以相变介质作为载冷剂使用，制冷剂通过封闭循环回路进行输送，从而在封闭式能源塔中采用相变热换方案，提升换热效果，降低系统运行成本。公开号为“CN207439195U”的中国实用新型专利方案，其方案是将制冷剂选用为相变流体，相变流体的质量不多，加热温度上升块，可为制热争取更多的时间。但本方案是以相变介质作为载冷剂使用，与其存在本质区别。

综合上述所有结构，该相变能源塔1存在如下优点：

1.采用螺旋盘管，上下交错排列，管内制冷剂阻力更小，管外喷淋换热更充分，总传热系数更高。

2.换热盘管没有翅片，避免了长期运行导致的腐蚀及结垢问题，运行免维护；

3.夏季作为蒸发冷通过水蒸发潜热吸收热量，冬季作为热源塔吸收水冷凝甚至结冰潜热，充分利用不同季节水相变潜热，换热器21效率更高。

4.作为热源塔时，制冷剂进口采用分配器18，分配更均匀，换热更高，夏季作为蒸发冷时，通过单向阀27旁通分配器18。

5.填料101位于盘管下方，空气与溶液二次换热，热交换充分。

6.制冷剂直接进入热源塔与溶液热交换，减少中间换热温差，系统效率更高。

7.与传统风冷机组相比，冬季盘管不会结霜，提高运行效率，不会影响用户使用。

8.根据季节环境变化及使用情况多种模式切换，更节能。

9.采用闭式结构，极少飘水，减少水耗。

实施例2：

本实施例是基于实施例1中的具有相变能源塔1的热泵系统而采用的换热方法，因此本实施例采用上述实施例1中的热泵系统予以实施。具体地，本实施例涉及一种具有相变能源塔1的热泵系统的换热方法，当制冷剂循环封闭回路中的制冷剂流经换热器21管内时，所述喷淋系统将储液池14内的相变介质通过喷淋器13喷洒到换热管11表面，并以部分蒸发或冷凝的方式与换气管内部的制冷剂进行热交换；以使所述换热管11内的制冷剂液化或气化。

上述换热方法包括夏季模式和冬季模式。

夏季模式(如图2所示)：制冷剂气体经压缩机22压缩后进入油分离器24进行油分，然后制冷剂气体进入相变能源塔1的换热管11的进出气端；喷淋系统运行，将相变介质通过喷淋器 13喷洒到换热管11表面，相变介质在换热管11表面形成水膜，并通过部分蒸发的方法吸收热量，换气管内部的制冷剂释放热量而液化；液化的制冷剂经节流装置23节流后进入换热器 21蒸发成气体，然后流向压缩机22，完成第一回路循环；

冬季模式(如图3所示)：制冷剂气体经压缩机22压缩后进入油分离器24进行油分，然后进入换热管11内冷凝呈液体，制冷剂液体经节流装置23被节流后，进入换热管11的进出液端，制冷剂液体温度低于相变介质的凝固温度；所述喷淋系统运行，将相变介质通过喷淋器13喷洒到换热管11表面，相变介质在所述换热管11表面形成薄冰，并通过部分冷凝的方式释放热量，换气管内部的制冷剂吸收热量而气化，最后经由换热管11的进出气端排出；制冷剂气体排出后流向压缩机22，完成第二回路循环。

相比于目前现有的能源塔换热方案中，本方案与现有技术的最主要差别在于冬季相变换热，冬季换热螺旋盘管作为蒸发器，两相制冷剂通过分配器18进入盘感，冷媒介质可以均匀分配，这样一方面提高换热效率，另一方面盘管表面换热均匀也利于相变换热的控制。冬季相变有两个方式，两种方式可以同时发生。第一种方式是空气中的水蒸汽由于空气温度的降低而凝结成水，放出热量与空气和盘管换热，如前所述，由于水的凝结潜热是水比热容的几百倍，所以通过水的凝结相变换热可以极大地提高热源塔换热效率，减少循环风量。另一种方式，是让循环溶液部分冰浆化，水凝固成冰放出热量，可以短时间内极大地提高换热量和换热效率。

对于采用冰浆化循环溶液相变介质的具体控制方法有两种设想：一种是通过温度，对于一定浓度的溶液对应一个冰点温度T冰，当盘管内冷媒介质温度低于这个冰点温度时，就有可能让溶液结冰，通过测量盘管表面的温度T管，当T管<＝T冰-0.5℃(此温度值可调节设置)时，监控盘管内冷媒介质温度和盘管换热热量，如果盘管内冷媒温度有短暂即时上升同时盘管换热量明显变大，此时说明溶液已经开始在盘管表面结冰，设定一个时间T，然后对这个时间T进行积分控制，通过监控溶液温度和盘管表面温度的差值变化，当积分值累计到设定值如360℃*秒，增大溶液泵15频率，用大水量冲刷盘管表面的冰浆，同时因为增大流量，改善了溶液与盘管和空气的换热，冷媒介质和空气温度均会有所提高，因为将冲刷下来的冰浆融化成溶液重新进入溶液槽，当盘管表面的温度和对应溶液的冰点差值缩小到一个设定值时，溶液泵15降为正常运行频率，从而完成一个冰浆相变换热循环。

另一种控制方法是，在溶液槽内设置一个在线溶液比重计，当盘管表面开始产生冰浆后，溶液槽内也会积累一定的冰浆，此时溶液比重发生变化，通过监控这个比重变化值比如当比重增加值超过5％，此值可设定，调节溶液泵的频率，当比重恢复正常时比如比重值变化小于 2％，此值可设定，溶液泵频率降为正常。

上述两种方案的区别主要在于通过检测数据的不同，控制喷淋系统的流量，通过喷淋系统的流量增大方式将盘管表面的薄冰冲刷进入储液池14中，为两套并列的实施方案，采用其中一种即可。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (11)

1.一种具有相变能源塔的热泵系统，包括相变能源塔(1)和制冷剂循环封闭回路；其特征在于：相变能源塔(1)，包括塔体(12)；所述塔体(12)内部设有换热管(11)，以及采用相变介质作为流体的喷淋系统；所述换热管(11)连接于制冷剂循环封闭回路中，制冷剂循环封闭回路还包括换热器(21)，制冷剂在所述换热器(21)内与所述相变能源塔的换热管(11)内的换热方向相反；所述喷淋系统包括设置在换热管(11)上方且喷淋方向朝向换热管(11)的喷淋器(13)，以及设置在换热管(11)下方用于承接相变介质的储液池(14)；所述储液池(14)与喷淋器(13)通过管路相通，喷淋器(13)喷出的相变介质在换热管表面以部分蒸发或冷凝的方式与换热管内部的制冷剂进行热交换；

夏季模式下，喷淋系统运行将相变介质通过喷淋器(13)喷洒到换热管(11)表面，相变介质在换热管(11)表面形成水膜，并通过部分蒸发的方法吸收热量，换热管内部的制冷剂释放热量而液化；

冬季模式下，所述喷淋系统运行将相变介质通过喷淋器喷洒到换热管表面，相变介质在所述换热管表面形成薄冰，并通过部分冷凝的方式释放热量，换热管内部的制冷剂吸收热量而汽化。

2.根据权利要求1所述的一种具有相变能源塔的热泵系统，其特征在于：所述换热管(11)的一端为进出液端，另一端为进出气端；制冷剂循环封闭回路还包括压缩机(22)、节流装置(23)和油分离器(24)，所述压缩机(22)、油分离器(24)、换热管(11)的进出气端、换热管(11)的进出液端、节流装置(23)、换热器(21)的进液端、换热器(21)的进出气端、压缩机(22)之间依次连接构成第一换热回路；所述压缩机(22)、油分离器(24)、换热器(21)的进出气端、换热器(21)的出液端、节流装置(23)、换热管(11)的进出液端、换热管(11)的进出气端、压缩机(22)之间依次连接构成第二换热回路。

3.根据权利要求1或2所述的一种具有相变能源塔的热泵系统，其特征在于：所述塔体(12)的下端部上设有进风口，塔体(12)的顶部设有出风口，塔体(12)内设有促进气流由进风口至出风口的风机(10)。

4.根据权利要求3所述的一种具有相变能源塔的热泵系统，其特征在于：所述换热管(11)下方与进风口之间的塔体(12)内部设有填料(101)，所述填料(101)能够使空气与相变介质二次换热；所述风机(10)处于塔体(12)的进风口上，风机(10)与换热管(11)之间的塔体(12)内部设有除沫器(102)。

5.根据权利要求1或2所述的一种具有相变能源塔的热泵系统，其特征在于：所述换热管(11)为螺旋型盘管，螺旋型盘管中的轴向相邻两层盘管单元之间交错设置；所述螺旋型盘管的进出液端上设有分配器(18)，分配器(18)与换热管(11)的每个进出液端均相连，进出液管上设置有单向阀，流向与分配器(18)相反。

6.根据权利要求1或2所述的一种具有相变能源塔的热泵系统，其特征在于：所述塔体(12)内至少设有用于测量盘管表面温度的第一温度传感器，以及用于测量储液池(14)内的相变介质温度的第二温度传感器，以及用于检测进风口空气温度的第三温度传感器。

7.根据权利要求1或2所述的一种具有相变能源塔的热泵系统，其特征在于：所述储液池(14)内设有辅热装置，用以在环境温度特别低时辅助加热。

8.一种相变能源塔的热泵系统的换热方法，采用权利要求1~7中任一项所述的热泵系统；其特征在于：当制冷剂循环封闭回路中的制冷剂流经换热管（11）内时，所述喷淋系统将储液池(14)内的相变介质通过喷淋器(13)喷洒到换热管(11)表面，并以部分蒸发或冷凝的方式与换热管内部的制冷剂进行热交换；以使所述换热管(11)内的制冷剂液化或气化。

9.根据权利要求8所述的一种相变能源塔的热泵系统的换热方法，其特征在于：包括夏季模式和冬季模式；

夏季模式：制冷剂气体经压缩机(22)压缩后进入油分离器(24)进行油分，然后制冷剂气体进入相变能源塔的换热管(11)的进出气端；喷淋系统运行，将相变介质通过喷淋器(13)喷洒到换热管(11)表面，相变介质在换热管(11)表面形成水膜，并通过部分蒸发的方法吸收热量，换热管内部的制冷剂释放热量而液化；液化的制冷剂经节流装置(23)节流后进入换热器(21)蒸发成气体，然后流向压缩机(22)，完成第一回路循环；

冬季模式：制冷剂气体经压缩机(22)压缩后进入油分离器(24)进行油分，然后进入换热器（21）内冷凝呈液体，制冷剂液体经节流装置(23)被节流后，进入换热管(11)的进出液端，制冷剂液体温度低于相变介质的凝固温度；所述喷淋系统运行，将相变介质通过喷淋器(13)喷洒到换热管(11)表面，相变介质在所述换热管(11)表面形成薄冰，并通过部分冷凝的方式释放热量，换热管内部的制冷剂吸收热量而气化，最后经由换热管(11)的进出气端排出；制冷剂气体排出后流向压缩机(22)，完成第二回路循环。

10.根据权利要求8所述的一种相变能源塔的热泵系统的换热方法，其特征在于：在冬季模式中；

设定单位时间T，并通过监控溶液温度和盘管表面温度的差值变化；当盘管表面的温度和对应溶液的冰点差值缩小到设定值时，增大喷淋系统的流量，将盘管表面的薄冰冲刷进行进入储液池(14)融化成液体；当盘管表面的温度和对应溶液的冰点差值缩小到设定值时，喷淋系统的流量回调正常。

11.根据权利要求8所述的一种相变能源塔的热泵系统的换热方法，其特征在于：在冬季模式中；

储液池(14)内设置在线溶液比重计，当盘管表面开始产生冰浆后，溶液槽内也会积累一定的冰浆；当溶液比重大于设定值时，增大喷淋系统的流量，将盘管表面的薄冰冲刷进行进入储液池(14)融化成液体；当溶液比重小于设定值时，喷淋系统的流量回调正常。