聚焦水汽能——液化空气中的水蒸气获取可再生能源

太阳照射到地球表面驱动水循环，蒸发海洋、湖泊、河流和大地的水份，形成了对流层空气中的水蒸气(也称为水汽)。水分子从液态到气态的蒸发过程吸收了大量太阳和地面辐射的热量，空气中的水汽因此蕴藏着超大规模而又取之不尽、用之不竭的太阳热能–水汽能。能否通过创新的技术，把这个白天黑夜都无处不在、规模巨大的能源资源开发出来，代替化石能源来制冷取暖，同时克服传统太阳能的区域性和间歇性问题?

在此领域，扬州辛普森中央空调制造有限公司的王志林和湖南秋克热源塔热泵科技工程有限公司的刘秋克以及长沙东尤工程设备有限公司的黄国和做了许多开拓性工作，在湖南的湘西、邵阳和娄底、江浙沪等地的项目上与各地经销商、安装公司、以及湖南大学合作进行全方位的系统研究。王志林的开式热源塔技术和刘秋克的闭式热源塔技术等早期技术研究可总结为第一、二代的开式热源塔热泵技术和第三、四代的闭式热源塔热泵技术。前四代技术都可以吸收空气温度变化释放的热量(即“显热”)和水蒸气相变释放的热量(即“潜热”)，再通过热泵技术将低品位的热能提升为高品位热能，替代化石能源燃烧放热，实现夏季制冷，冬季供暖，并常年提供生活热水。然而，早期技术对水汽冷凝变为液体过程中释放热量的数量、方法与规律缺乏深刻认识。在积累研发、生产和安装工程技术的经验基础上，中国建筑科学研究院和江苏辛普森新能源有限公司牵头，联合上述三家公司以及国家空调设备质量监督检验中心、湖南大学等单位编制了国家级的行业协会标准《热源塔热泵系统应用技术规程》，对此技术的应用进行了初步规范。但在初期实际工程案例中，开式热源塔热泵出现了很多问题，制热应用效果很不稳定，溶液添加数量过多、溶液浓缩成本高且浓缩量少，甚至还出现抗冻剂腐蚀管道设备和影响周边环境的问题;而闭式热源塔热泵面临成本高、操作复杂、低温高湿时结霜等问题。这些问题影响了热源塔热泵技术的成熟与规模化的推广。

湖南东尤节能有限公司(以下简称“湖南东尤”)的水汽能热泵对开式和闭式热源塔进行了创造性改良，并利用常温蒸发浓缩溶液的方式辅以自动化控制，解决了开式热源塔在水蒸气冷凝后稀释防冻液，因溶液浓度降低导致吸热效果差等运行稳定性问题。此项开式换热、主机闭式循环，冷凝水冷量回收、防冻液浓度控制简单的热泵空调系统获得国家发明专利，标志着该公司水汽能热泵的问世。同时，因其运行过程可吸附空气中大量的污染物并产生大量伴生的冷凝水，该技术的全面推广不仅可在取暖和制冷领域代替化石能源，还可改善空气质量，并且具有治理雾霾并为干旱地区提供淡水的研发潜力，应用前景非常广阔。

2017年2月25日，作为其“清洁能源技术评估与推广平台(简称TAD)”系列评估的第四个项目，北京国际能源专家俱乐部组织专家对湖南东尤的水汽能型热泵技术进行评估与推广。

本文根据当天研讨会所提供的材料，就水汽能的概念及储能潜力，水汽能热泵技术的发展过程、技术特点和实际案例作一简单介绍。

一、水汽能概念及潜力

空气中的水蒸气蕴含了大量的低品位热能，在低温高湿的气候环境下，湿空气中“潜热”含量较高。水分子相当于一个蓄热载体，蒸发过程会吸收热量，而凝结过程则会释放热量。水汽能热泵技术主要是获取水蒸气的潜热，同时通过多次热交换取得空气里的显热，但以潜热为主。

在当天的会议上，清华大学化工系谢新佑教授进行了估算：

1、在理想状况并不考虑其它能源消耗的情况下，在10度的温度条件下，1公斤水蒸气凝结成1公斤液体，可释放593千卡的热量，相当于85克标准煤所包含的热值。其低温情况的潜热比高温情况的潜热还要大：1公斤100度的水蒸气变成100度的水只能获得540千卡热量，而1公斤0度的水蒸气变成0度的水就可以放出596千卡。因此，大气层空气里面的水蒸气是一个规模巨大的能源储库。

2、生产淡水方面，假设在大气压下，在温度为36℃、相对湿度是20%的条件下，冷凝1立方米的空气到6度能够获得5.3克水。一台每分钟输气量为400立方米的冷凝泵，每天可生产超过3053公斤的冷凝水。而在温度为40度，相对湿度20%的沙漠进行冷却制水，这台泵每天就可以得到4.15吨淡水。

因此，水汽能热泵既可以从空中提取热量，又能够取水。

二、水汽能热泵的由来

2.1 热源塔热泵原理

在长江以南冬天低温高湿的气候条件下，传统的空气源热泵因窄翅片结构和设计的蒸发器传热温差大，会出现结霜低效率的现象，甚至造成压缩机损坏;同时需辅以高品位电热能及矿物燃料为辅助能源，使得能耗提高，效率降低。

针对上述问题，2002年，曾为南京家电研究所所长的王志林等人研究出了热源塔热泵系统(开式)，原理是将冷却塔改造，利用抗冻剂溶液的不结冰的特性吸收水蒸气的热量。王志林于2007年获得了国家知识产权局的热源塔的实用专利，是开式热源塔换热技术。 2008年，刘秋克申请并获得授权热源塔热泵发明专利，该技术的特点是利用闭式热源塔进行换热。刘秋克一共获得了《一种热源塔热泵》、《闭式热源塔》和《一种太阳能次生源热源塔热泵集成装置》三项发明专利，均为闭式热源塔技术。

技术原理上，热源塔热泵是低品位热源提升设备，利用低于冰点载体介质，通过输入少量高品位能源，实现小温差传热系统，有效的吸收空气中的潜热(水蒸气相变变化)和显热(温度变化)，无需锅炉或电热等辅助热源，对建筑物进行供热、制冷，以及提供热水，四季皆可用。在冬季，热源塔直接采集室外低品位能，利用低焓值循环溶液在换热层表面与焓值较高的湿冷空气充分接触，冷凝空气中的水分并获取所释放的热量，为水循环热泵空调提供热源。该热泵系统比传统空气源热泵结霜温度低，大大减少了结霜机率。在夏季，热源塔为冷源塔，是直接蒸发冷却设备。冷源塔利用高焓值循环水与低焓值空气充分接触，水的蒸发使得循环水温度降低，为水循环制冷空调提供了温度较低的冷源。

热源塔热泵系统主要由热源塔、压缩机、冷凝器、蒸发器、溶液膨胀罐、负荷泵、热源泵等设备组成，分为开式热源塔热泵和闭式热源塔热泵两类。开式热源塔热泵技术将低于湿球温度的防冻液，夏季为水，均匀喷洒在凹凸型波板换热填料层上，防冻溶液膜直接与空气接触换热。该应用存在冬季有溶液飘失、塔体易结露，水量风量无法调节、防冻液浓度控制困难等问题，需应用溶液浓度监测及浓缩装置，加药装置和补水装置，以及高效压缩系统设备等以提高运行效率。闭式热源塔热泵在开式塔的基础上，采用低温宽带换热器，空气经过多层宽带换热翅片在换热器表面逆向流通，形成热交换。防冻液或水在换热器管内循环流动，不与空气直接接触，冬季采用蓄热传热介质内循环间歇性融霜，夏季采用水外喷淋蒸发冷却强化换热。但该技术需要增加水量及风量，提高换热效果。

2.2 热源塔热泵技术所能解决的问题

解决结霜问题：传统空气源热泵霜堵源于湿空气与蒸发器存在较大传热温差，开式热源塔热泵利用特定防冻液与空气直接接触进行热交换，闭式热源塔热泵内置溶液利用小温差传热，相变过程中形成松散的雪花发热过程，雪花会随循环空气排除，减少结霜几率。

节约能源和资源：相比于普通中央空调(单冷机+锅炉)，热源塔热泵能耗更低;避免了传统空气源热泵频繁化霜的问题，无需电辅助加热设施;克服了地源热泵、水源热泵中央空调打井、管道铺设、城市中心地带没地方埋管以及土地资源和水资源缺乏的地域限制，与传统锅炉系统比占地面积小。

环保低碳：在制热过程中本身无任何直接燃烧化学反应，消耗电量间接有较低的碳排放;在运行过程中，环境空气所携带的灰尘、粉尘颗粒被吸附在液滴表面，沉积在设备内部，一定程度上对空气起到了净化作用;不会对水质、地下水压、地表水环境等造成影响，不需要勘探、采掘、运输过程。

安全：没有锅炉，没有煤气泄露或爆炸的危险。

经济方便：单位面积投资成本比地源热泵和水源热泵低，运行费用低，安装快捷。

高效、一机三用、全天候工作：COP可达到3.5~4.0(随室外气温变化和采用的不同冷凝温度而变化)，可利用一套设备同时供热、供冷和热水供应。在长江中下游以南地区冬季采暖夏季制冷效果达到设计要求。雨雪天气以及夜晚都可以工作。

运行维护简便，节省人力：如果结合自动化控制，每班只需一个人值班即可，而10万平方米以上小区燃煤锅炉房每班则需4个人。

2.3 水汽能热泵概念的诞生

2007年成立的“湖南东尤”(www.dongyougroup.com)前身是长沙东尤工程设备有限公司。该公司在2012年安装和调试冷水江政府行政大楼热源塔热泵系统的过程中，成功解决了防冻液吸收水蒸气冷凝水后稀释的问题，并为此专门申请并获得了《一种基于湿蒸发的冷浓缩系统》的发明专利。此外，该公司在已有开式热源塔热泵技术基础上做了许多改进，申请并获得了《一种全天候太阳能热泵空调系统》、《一种全天候太阳能水源热泵空调系统》、《一种应用全天候太阳能供热的空调系统改造方法及设备的》发明专利。

在此基础上，该公司董事长黄国和先生于2015年首次提出"水汽能"的概念，将空气中水蒸气所含的热量定义为“水汽能”，并在湖南省版权局申请获得了国家版权局的“水汽能”文字作品登记证书，并将其全天候太阳能热源塔热泵命名为水汽能型热源塔热泵，简称“水汽能热泵”。该公司之后又将热源塔命名为“水汽能提纯平台”，并于2017年1月20日获得了国家版权局的作品登记证书。

2017年公司再次更名为“湖南东尤水汽能产业发展有限公司”，并准备东尤集团公司的组建工作。

三、水汽能热泵空调技术介绍

水汽能热泵空调系统主要由水汽能收集器(水汽能提纯平台)、水汽能热泵机组、水汽能运输系统、水汽能利用系统构成，见下图。水汽能收集器放置于建筑的室外(屋顶或者裙房楼顶)，水汽能热泵机组放置在建筑地下机房内。

水汽能提纯平台外观与冷却塔相似，顶部安装风机，室外空气从外向内流过。在冬季供热工况下，防冻液从水汽能提纯平台上方通入，一方面使空气的温度进一步下降，另一方面，低温空气中的水蒸气遇冷凝结，释放出潜热，防冻液既吸收了空气温度下降的显热，也吸收了潜热，实现全热换热。

水汽能运输系统中的外循环水泵将外循环液在水汽能收集器与水汽能热泵之间来回循环(室外循环液在冬季为防冻液，在低温下不结冰，不板结，具有较好的流动性与热交换率，在夏季为普通的自来水)。同时，利用水汽能运输系统中的内循环水泵将内循环液在水汽能热泵与水汽能利用系统中的室内设备之间来回循环。

水汽能热泵在冬季，低温防冻液在水汽能收集器中吸收空气中水汽的显热与潜热，温度升高;温度升高后的防冻液在外循环水泵的作用下进入水汽能热泵，水汽能热泵工作后将热量品质提升、温度提高，将热量传递给内循环液，内循环液在内循环水泵的作用下流入水汽能利用系统设备，从而将热量传递到水汽能利用系统到用户。在夏季，内循环液在水汽能利用系统设备中将最终室内用户的热量提取出来，通过内循环水泵传递给水汽能热泵，水汽能热泵将这部分热量传递给外循环液，外循环液在外循环水泵的作用下进入水汽能提纯平台内，通过水汽能提纯平台将热量传递给空气。

其冬季工况详细工作原理，如下图：

1、在初级能量交换器中，低沸点的液态提升工质吸收水汽能中的热量后直接蒸发为气态，热量由一级水汽能运输系统从初级能量交换器中转移到了提升工质内，气态提升工质在膨胀压力下流动。

2、有部分液态提升工质未能完全汽化，故在初级能量交换器的末端设置有气液分离装置，将此部分未液化的提升工质储存起来，一方面防止液态提升工质进入压缩机造成压缩机的损伤，另一方面为系统容纳部分提升工质，稳定系统工作状态。

3、在流动压力下，气态提升工质进入高效低温初级压缩机内，提升工质进一步被压缩，压缩后的提升工质呈现为高温高压气态，在此状态下，提升工质不仅具有从初级能量交换器内吸收来的能量，同样也吸收了压缩机压缩过程中转变的能量，从而具有了高焓值、高能量，水汽能品质由此得到了提升。

4、气态提升工质被压缩后在压力作用下流入中级能量交换器，将其在初级能量交换器内和压缩机内所获得的能量传递给二级水汽能运输系统，自身冷凝为液态。二级水汽能运输系统内的运输介质在中级能量交换器中吸收了提升工质中的能量，介质温度上升从而提供给水汽能利用系统。

5、液态提升工质离开中级能量交换器后进入绝热膨胀节流装置，在此装置内液态提升工质进行等焓绝热膨胀，压力与温度下降后再次进入初级能量交换器中从而进行下一个能量提升循环。

四、水汽能热泵技术特点

据湖南东尤介绍，水汽能热泵基于热源塔热泵技术，采用开式换热，闭式循环，具有以下技术特性：

1、热源塔内工艺改进，采用水汽能收集器、消噪汽雾分离器，降低飘水率，并采用无缝拼接防渗漏办法。

2、采用基于湿蒸发的冷浓缩系统专利技术，应对开式热源塔防冻液浓度被稀释的问题，在规定条件下启动冷浓缩系统，将浓缩后的高浓度的溶液储存起来，按自动控制系统的检测适时将高浓度溶液注入热量输送系统。

3、防冻液溶质做了改进，从最初氯盐溶液、到添加了防腐阻垢增光剂的盐溶液、单纯的醇类物质，过渡到目前混合使用混合类醇类物质和添加了部分无机盐和碱类物质的水溶液，另外防冻液的喷洒也可有多种形式。

4、预防和减少热泵主机蒸发器的内铜管结垢，热泵空调系统冬天将蒸发器(夏天为冷凝器)内换热铜管连接加长到外面，以满液式换热方式换热。

5、运维简单，使用热泵节能自动控制和监控系统。

6、节约投资和运维成本，根据湖南东尤的数据估算，以四万平米公共建筑空调系统为例，水汽能热泵在投资和运维成本上明显优于电制冷主机+燃气锅炉的方案;与一体化燃气直燃机组相比，投资成本基本相当或略高，设计寿命稍短，但在运维费用上有优势，且仅靠电能驱动。

五、水汽能热泵技术优势

除继承了热源塔热泵技术的优点外，水汽能技术具有以下优势：

一、替代化石能源：释放空气中的水汽所储存的太阳能热量来代替化石能源燃烧，淘汰锅炉，减少化石能源的消耗，提高能源安全。

二、产生淡水：利用人工温差，具备制取水蒸汽转化而成的空中泉水的潜力。

三、缓解气候变化：通过利用水汽能，减少二氧化碳的排放，有助于应对气候变化。

四、治理雾霾：运营过程不仅不直接燃烧化石燃料，还可以液化水蒸气来减少雾霾形成条件，同时过滤和净化空气中的污染物。水汽能提纯平台在与空气中的水蒸汽进行热量交换的同时，将空气中的灰尘和颗粒都进行了过滤和净化，过滤PM2.5。

五、节能高效：根据湖南东尤的数据，水汽能热泵比普通的中央空调节能35%--60%，比常规油气锅炉或油气直燃机供空调和生活热水方式节能效果明显。比普通空气能热泵的效率更高，在低温工况结霜和低效方面有技术突破。

六、 经济： “水汽能”热泵避免了地源热泵、水源热泵中央空调打井、管道铺设。根据湖南东尤的数据，该技术投资成本比地源热泵和水源热泵低30%，且设备集中占地较小。

六、水汽能热泵的应用领域及案例

水汽能热泵目前已在湖南省试点，主要应用于暖通领域的公共建筑中央空调供热制冷，试点效果能够达到设计要求，完成冬季低温制热、夏季高温制冷、供应生活热水的任务。且该系统设备对土地和水源要求相比与水源和地源热泵小，安装方便，比较适合在城市使用。尤其以目前的技术，在低温高湿地区有一定的优势。现有和潜在的应用领域包括：

凡是需要取暖和制冷或供热水的公共建筑物：商城、酒店、学校、机场、车站、宾馆、医院、写字楼、集中取暖和空调的居民小区、博物馆、展览馆等;

分布式工业园区和独栋别墅空调系统;

海岛建筑物和大型船舶的空调和淡水供应等。

湖南省冷水江市行政大楼项目

建筑面积：总建筑面积35819.5平方米，建筑高度60.60米，为一类高层建筑。分为一栋主楼，两栋辅楼，地下1层为地下车库、设备用房，地上16层为办公、会议室及多媒体放映室等。夏季总制冷负荷3740kW，冬季空调热负荷3000kW，安装使用系数0.8来计算，系统所需总冷负荷3000kW，总热负荷2400kW。

中央空调：改造升级后现为水汽能热泵3台，额定制冷量1021kW/台，额定制热量827kW/台，水汽能提纯平台 3台。 2012年建成投用，主机运行情况良好，驱动电源约500kW，年制冷制热总耗电93万度。冬季出水45度左右、夏季7度左右，采用合同能源管理模式。

投运头三天的第三方检测数据显示，冬季下午室外温度4℃，湿度93%左右的气候条件下，系统的COP在2.8到4.47之间，冷温水出水温度为44℃-45℃(见下表)，平均制热COP值为3.5，达到规范要求和设计要求，在2014年雨雪天气正常供暖。经过湖南东尤对防冻液的溶质的调整，以及浓缩装置的加装和改良，2015年底将第二代的热源塔热泵地改装为第六代水汽能热泵系统，截至目前运行稳定。