羅碧玉1      程瑞端2    秋石3
1.深圳市新怡空調(diào)設(shè)備有限公司   2. 深圳職業(yè)技術(shù)學(xué)院
Luo Biyu1   Doctor Cheng Rui duan 2   Qiu shi 3
1.Shenzhen  xinyi  air－condition  equipment  co.ltd   
2. Shenzhen  professional  technics  college 

摘要：本文列舉分析了南方地源熱泵冷卻（蒸發(fā)）水系統(tǒng)可能出現(xiàn)的特殊問題，提出了相應(yīng)的簡單實用的解決方案。對冷凝器自動清洗技術(shù)在地源熱泵系統(tǒng)中的擴展應(yīng)用，保證地源熱泵系統(tǒng)的節(jié)能效益和設(shè)備安全，提供了重要的理論探討和實施數(shù)據(jù)。
Abstract: This document lists analysis of ground source heat pump cooling in the South (evaporation) special problems that may occur in water system, propose the appropriate simple and practical solutions. Condenser cleaning technology in extended application of ground source heat pump system to ensure energy-saving benefits of ground source heat pump systems and safety equipment, provided an important theoretical discussion and practice of data.
關(guān)鍵詞：地源熱泵，能效，節(jié)能減排，循環(huán)經(jīng)濟，再生能源。
Keywords: Ground-source heat pumps, energy efficiency, energy conservation and emission reduction, recycling economy and renewable energy.

 

在地源熱泵系統(tǒng)中，地下水的溫度通常是18～20℃，與一般冷卻塔回水溫度30～32℃相比，冷卻供水溫度降低約12℃，按冷凝溫度下降1℃，空調(diào)主機效率可提高3%，則地下水冷卻可提高空調(diào)機組效率36%，節(jié)能效率很可觀！這只是我們樂意見到、表面可見的一個方面。

在一些實際投入運行的地源熱泵系統(tǒng)中，我們見到了不能回避、不能繞過的另一面；江西南昌某五星酒店，設(shè)計采用了三臺350RT麥克維爾螺桿式水冷冷熱水機組。其中2臺為3工況：供冷供熱、蓄冰、熱水回收。1臺2工況：供冷供熱、熱水回收。是把地源熱泵、蓄冰和熱回收三種空調(diào)節(jié)能技術(shù)同時運用到同一臺主機中，無疑是節(jié)能設(shè)計上的超前大膽之作。在系統(tǒng)實際投入運行幾個月后，發(fā)現(xiàn)機組每開機10～15天就出現(xiàn)高壓報警，此時排氣壓力＞1900KPa，必須拆開冷凝器端蓋，拆開端蓋后發(fā)現(xiàn)冷凝器銅管內(nèi)粘滿黃泥漿！見（圖片1, 2）嚴重影響到空調(diào)機組的制冷制熱能效。每10～15天就只能拆端蓋人工捅刷清洗。洗刷后主機排氣壓力下降到1100KPa，電流回落到額定值，主機恢復(fù)到額定工況。更為嚴重的是三臺主機中有2臺蒸發(fā)器或冷凝器銅管先后發(fā)生破裂，泥污水進入制冷劑循環(huán)系統(tǒng)，造成嚴重事故！
 

 

這樣的系統(tǒng)不僅沒有收獲節(jié)能效益，反而使運行管理十分麻煩勞累，而且不安全！我們還考 
 

 

察了江西南昌某報社兩臺地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)，存  在相似情況：7～10天就必須拆開端蓋通炮一次，否則高壓報警！查看一層大堂空調(diào)柜水系統(tǒng)，污泥堵塞也十分嚴重！經(jīng)約10分鐘反沖排污，空調(diào)柜恢復(fù)了正常供冷。而且這類地源熱泵的地下水直接冷卻系統(tǒng)是無法用化學(xué)水處理方法解決連續(xù)大量的泥漿水的。能不能用海綿球自動清洗？如何使用海綿球自動清洗系統(tǒng)？還要解決哪些問題？我們作了初步的嘗試和探索，已成功解決了一些特殊問題。并愿提供給同行共同探討和分析，以便完善地源熱泵技術(shù)的設(shè)計、安裝和運行管理，使地源熱泵這個可再生能源技術(shù)能更科學(xué)更專業(yè)更理想地為人類服務(wù)。
    1.地源熱泵系統(tǒng)水側(cè)的排氣問題十分重要！

一般水系統(tǒng)中有上下彎的部位應(yīng)在最高點加裝手動、自動排氣閥，是為了減少氣堵的常見措施。而這看似平常的東西卻經(jīng)常在設(shè)計或施工中被忽略了！這種“忽略”在地源熱泵水系統(tǒng)中具有極大的破壞性！
前面提到的地源熱泵空調(diào)機組有雙工況和三工況這種機組的制冷制熱轉(zhuǎn)換不是用四通閥對制冷劑回路內(nèi)部轉(zhuǎn)換，而是通過手動或電動閥在水側(cè)進行外部轉(zhuǎn)換。機房里有冷水管、 熱水管、乙二醇水管、熱回收水管和地溫水管縱橫交錯，冬季供熱、夏季供冷，蒸發(fā)器和冷凝器要交換位置，以致機房水管有數(shù)十處交叉上下彎，僅查地溫冷卻水的一個機組回路就串聯(lián)了7個交叉上下彎，其中進冷凝器之前有4個上下彎，出冷凝器到回灌井前有3個上下彎（見圖3）。而原設(shè)計和安裝共裝了幾個自動和手動排氣閥。大部分上下存氣
      

 

彎部位未裝排氣閥！使冷凝器內(nèi)上部約有的銅管長期沒有水浸泡或者流過，這部分銅管近似“干燒”。減少了冷卻水流量，減少了冷凝器銅管的有效換熱面積，是導(dǎo)致冷凝溫度上升，排氣壓力上升，整機效率下降的重要原因！我們在其中2個主機的冷卻水回路加裝了自動和手動排氣閥，確認了上下彎部位存有較多空氣，  有的排氣時間很長！排氣完成后空調(diào)機組工作恢復(fù)正常，冷凝器自動清洗系統(tǒng)的海綿球送回球恢復(fù)正常。

2.地下渾濁粘稠泥水的過濾不宜“省略”！

長江中下游的地下水中含有較多的粘稠黃泥漿，這些含黃泥的水如果不經(jīng)沉淀或者過濾，就直接進入蒸發(fā)器或者冷凝器，就很容易粘附在銅管內(nèi)壁，在銅管內(nèi)形成泥漿層，增加了熱阻，降低了換熱效率。隨著泥漿層逐漸積厚，銅管內(nèi)過水截面逐漸減小，直至部分銅管被粘泥完全堵塞或者半堵塞。此狀況下，冷凝溫度迅速上升！排氣壓力迅速上升！整機電流相應(yīng)上升！效率相應(yīng)下降！如果這種現(xiàn)象是處于蒸發(fā)吸熱工況，就隨時可能導(dǎo)致蒸發(fā)器結(jié)冰而脹破銅管的嚴重事故！

泥漿水的粘度增大，也會增加海綿球送回球的阻力，海綿球容易被粘在銅管中或冷卻出水管彎頭處，并且不能完全回球，導(dǎo)致自動清洗不能有效完成。有的地溫冷卻系統(tǒng)，本來安裝了1臺排污過濾器，但因過濾器增加了水阻，壓降增大，經(jīng)過過濾器后水壓變低，流量減小，就干脆把過濾器旁路不用！而獲得相應(yīng)的流量和壓力。實際是地下水供水壓力偏低，過濾器的選型直徑偏小，水阻偏大，才是導(dǎo)致冷卻水流量偏小、壓力偏低的根本原因。安裝方和用戶卻選擇了不用過濾器這個顧此失彼的方案！導(dǎo)致了一系列的嚴重后果！
地源熱泵系統(tǒng)中的地下水有大量粘稠黃泥，過濾器不能“省略”！
    3.地溫水直接作冷卻（蒸發(fā)）水的流量、壓力，對海綿球自動清洗送回球動能的影響。

地源熱泵的冷卻（蒸發(fā)）水一般設(shè)定工況是大溫差，小流量。其流量約為冷卻塔冷卻設(shè)計流量的三分之一～一半，進出水溫差是冷卻塔冷卻設(shè)計溫差的2倍，約8℃～10℃，這是已知工況。地源熱泵系統(tǒng)設(shè)計的深井泵流量揚程選型是按已知工況選定的。而實際投入運行的情況是很復(fù)雜的，不可預(yù)見的因素比較多，影響了最終經(jīng)過冷凝器（蒸發(fā)器）的水流量和壓力，并與設(shè)計參數(shù)偏離很遠。主要呈現(xiàn)流量變小，壓力偏低，不能滿足設(shè)計工況和安全運行要求。歸納分析情況如下：

3.1 地下水的供水量不穩(wěn)定。某酒店原設(shè)計三臺350RT地源熱泵螺桿機共用9個地下供水回灌井。每個井設(shè)計供水量100m3/H，并采用1井供水2井回灌，即3供6回灌的方式。開始運行時地下水供水量與設(shè)計量比較接近。但運行了幾個月后再測流量，發(fā)生了很大的變化：9個井中有2個井長期不能供水被封閉，剩下7個井中有4個井已不能連續(xù)供水。即開泵時有水，量也不小，但開泵大約5～10分鐘就沒水了。只有3個井可以連續(xù)供水，供水量的差異也很大，此時已完全不能按原設(shè)計一機一井一泵對應(yīng)控制供水冷卻或蒸發(fā)。

3.2原設(shè)計地下水泵的流量、揚程與后來實際運行工況有差異：該系統(tǒng)原設(shè)計水泵流量100m3/h，揚程35m。當(dāng)時設(shè)定工況揚程是考慮從地下-15～-20m深的地下水位，抽到負一層機房，經(jīng)冷卻（蒸發(fā)）后仍回灌到-15～-20m深的地下水位。原設(shè)計只需考慮所有管路、管件和冷凝（蒸發(fā)）器的水阻形成的壓降，凈揚程=0m。而運行后因為有的回灌井不能按設(shè)定量回灌水而產(chǎn)生外溢，為了避免外溢，安裝方和用戶把原定回灌水改為直排到市政排水管。這就等于系統(tǒng)被提高了15m凈揚程！原設(shè)計水泵揚程并沒有考慮這個增加的15m凈揚程。工作點從原設(shè)計流量揚程曲線的中間點滑到揚程最高流量最小的上限點。（見流量揚程曲線圖4），冷卻水流量與設(shè)計點相比，大幅下跌。經(jīng)測試：在負一層機房的集水器直接排水，即減去后面的管路和冷凝器等設(shè)備的水阻壓降，流量計顯示流量接近設(shè)計流量；而關(guān)斷排水，加上后面負荷后，即經(jīng)過冷凝器從市政管排出，流量減少約，說明此時地下泵已工作在流量揚程
        

 

曲線的揚程上限流量最小點?？紤]恢復(fù)過濾器工作可能會增加水阻0.3～0.5kg/cm2,我們設(shè)計增加了3臺加壓泵，管道泵揚程H=19m，流量=90m3/h，功率P=7.5kw。（見圖5）串聯(lián)在集水器與冷凝器之間。流量和壓力滿足了冷凝器的冷卻需求，也改善了海綿球自動清洗中送回球必須的動能（水流速度）。
 

 

3.3 大量取用地下水能源而不回灌，弊端很多、很大！應(yīng)嚴格按規(guī)范回灌，并周期調(diào)換供水井和回灌井的功能。                      

我們查閱過一些關(guān)于地源熱泵的相關(guān)資料，地下水回灌難是共同的問題。所以打井就要考慮 1井供水2井回灌的比例。套用這個原則，本系統(tǒng)設(shè)計選擇了3供6回灌的方案，但還是出現(xiàn)回灌外溢。為了避免外溢的麻煩，于是干脆直排市政水管！這是否竭澤而漁？我們分析：地下水的回灌，不僅關(guān)系到地下水紋是否平衡，地質(zhì)沉降變化的安全問題，而且某地區(qū)局部地下水只抽出不回灌，當(dāng)然會越抽越少，這是否我們每測一次，都發(fā)現(xiàn)供水量在遞減的原因？同時我們還建議使用地下水應(yīng)周期調(diào)換供水井和回灌井的功能，這樣可以減少只回灌不供水的那部分井因積淤而堵塞毛細管，導(dǎo)致既抽不出水來，也滲不進連續(xù)大量的回灌水。所以我們認為，即使2個回灌井也不能完整滲進1個供水井的回灌水量，也不應(yīng)放棄回灌而改為直排！而應(yīng)該適當(dāng)再加大回灌井的面積容積，增加回灌井的毛細管過水截面和滲水能力，定期調(diào)換供水井和回灌井功能，疏通回灌井內(nèi)毛細管，達到供水回灌的平衡。才是保證地下水熱源循環(huán)使用、安全使用的一個更科學(xué)、更長久、更理性的使用方法。

3.4合理掌握地下水流量和壓力，既保證蒸發(fā)器、冷凝器的節(jié)能安全，又提供了海綿球自動清洗所必須的動能（水流速度）。

因為地下供水量的波動性，地源熱泵冷卻（蒸發(fā)）水回路及供回水工況的復(fù)雜性，往往供給冷凝器或者蒸發(fā)器的流量、壓力是多變的。所以盡管地源熱泵水系統(tǒng)的設(shè)計工況為大溫差、小流量，經(jīng)現(xiàn)場實際測試，我們依然建議地下水泵及其系統(tǒng)的流量揚程應(yīng)比理論數(shù)據(jù)大10～20%，這樣使用會更保險些。例如：地下水在進入冷凝器蒸發(fā)器之前的水壓≥1.5kg/cm2,冷凝器蒸發(fā)器進出水壓差≥1kg/cm2,經(jīng)過冷凝器蒸發(fā)器的水流量≥0.38m3/h/RT，這樣即使地下水系統(tǒng)如前所述發(fā)生一些波動減少流量時，空調(diào)冷凝器、蒸發(fā)器和海綿球自動清洗系統(tǒng)還能維持安全運行。

4. 二次回路（冷熱水回路）及末端設(shè)備的水處理問題：

地源熱泵系統(tǒng)的地下水不是固定作用于冷凝器或蒸發(fā)器，而是夏季制冷時，它提供給冷凝器冷卻水；冬季采暖時，它提供給蒸發(fā)器作吸熱水。本案中地源熱泵主機不是用四通閥對制冷劑系統(tǒng)轉(zhuǎn)換，而是在水側(cè)管路用手動或者電動閥轉(zhuǎn)換，而末端供冷供熱共1個水回路。所以在冷熱水轉(zhuǎn)換的過程中同時把地下水中的粘稠泥污一并帶入了末端冷熱水系統(tǒng)，因為這種轉(zhuǎn)換每年都有二次，帶進泥污就不斷增加，改變了末端系統(tǒng)的導(dǎo)熱參數(shù)，嚴重時可直接堵塞風(fēng)機盤管空調(diào)柜的分液頭或溫控電動閥，使空調(diào)機因冷熱水阻斷而不制冷或不供熱。江西南昌某報社一層大堂空調(diào)柜不制冷。經(jīng)查水系統(tǒng)堵塞，經(jīng)約10分鐘反沖，沖出大量黑色泥污等物，反沖水清澈后再開空調(diào)機，供冷恢復(fù)正常?？梢姸募巨D(zhuǎn)換時所帶入二次水系統(tǒng)的泥污對末端換熱性能影響之大。這是一個閉合的冷熱水循環(huán)系統(tǒng)，如果用化學(xué)水處理方式，每年要4萬多元化學(xué)藥物和人工費。并放掉系統(tǒng)中數(shù)十噸水。隨后還會逐漸積淤結(jié)垢，熱阻逐漸增加，換熱效率逐漸下降，直到下次再做化學(xué)清洗處理。再放水?dāng)?shù)十噸。如果換成xy-ww三功能 物
 

 

理水處理系統(tǒng)，（見原理圖，圖6）可對二次水系統(tǒng)內(nèi)的泥污連續(xù)有效過濾；定時或定壓排污；高效紫外殺菌腔可定時定量殺滅系統(tǒng)內(nèi)的菌藻，減少菌藻對二次水系統(tǒng)的影響。特殊的電磁波除垢軟水，可以減少或除去水垢，使二次水系統(tǒng)變得清澈無菌無污垢。xy-ww物理水處理系統(tǒng)所帶來的效益：a、一年可省化學(xué)水處理工料費4萬多元。b、二次系統(tǒng)導(dǎo)熱系數(shù)的提高，熱損失的減小，省電≥10%，數(shù)量可算。c、二次水系統(tǒng)設(shè)備管路無化學(xué)腐蝕，使用壽命長，無化學(xué)污染排放，改善環(huán)保。d、減少污堵故障，減少因此而造成的維修保養(yǎng)工料費。
地源熱泵二次冷熱水回路的特征是：a、一年二次冷熱水交換帶入了泥污水。b、冬季水溫45℃～55℃的供熱水容易滋生菌藻，菌藻泥污可增加熱阻。c、45℃～55℃的供熱水較7℃～12℃單供冷水系統(tǒng)更容易在設(shè)備管壁上生水垢。所以這種系統(tǒng)更需要及時連續(xù)的過濾、排污、殺菌和除垢。而在這種系統(tǒng)中使用三功能物理水處理技術(shù)，是出于長期節(jié)能減排、一勞永逸的理性考慮。

5. 其他問題

5.1冷凝器自動清洗系統(tǒng)必須與空調(diào)主機聯(lián)鎖。

因為空調(diào)主機未開機前和停機后，冷卻水處于關(guān)閉靜止?fàn)顟B(tài)，這時候如果海綿球進入了或者滯留在冷凝器內(nèi)或者管道中，容易被管壁泥漿粘住或裹復(fù)，導(dǎo)致無法回球影響清洗效果。為此我們要求在主機停機2分鐘后再停水泵或關(guān)閉冷卻水電動閥。以利關(guān)機時海綿球已發(fā)出并未回收，可以用空調(diào)主機的停機信號指令自動清洗控制PLC立即收球，保證停機狀態(tài)海綿球都在回收器中，而不滯留在冷凝器內(nèi)或管道中。所以自動清洗系統(tǒng)必須與空調(diào)主機聯(lián)鎖。

5.2 地下水與空調(diào)蒸發(fā)器（蓄冰工況）之間的板式熱交換器特別容易結(jié)淤污堵。而清洗起來比較麻煩，工作量大。我們建議作 一個小改造，加裝幾個手動正反沖排污閥（見圖7），可有效排除淤泥粘土。   
  

 

5.3多回路的潛污泵中的止回閥應(yīng)定時清洗保養(yǎng)。

在多個地下井泵的每臺泵都裝有一個止回閥。本系統(tǒng)9臺泵井，每三臺合并為一個組，通過一個流量計再進入集水器，我們在抽查水流量時看到一種反?，F(xiàn)象：開其中一組井泵時，相應(yīng)流量計顯示正流量，而未開泵的另一組流量計有的呈顯負流量，說明未開泵一組有個別止回閥已不止回，是否因泥污等物卡住后止回關(guān)閉不嚴所致？所以建議止回閥定期清洗保養(yǎng)，保持止回功能，減少不正常回水損耗無用功。

5.4 潛污泵應(yīng)設(shè)有便于定期提升清洗保養(yǎng)的設(shè)施與制度。               

我們已知地源熱泵水系統(tǒng)因泥污，冷凝器或蒸發(fā)器、板換等在10天～15天就被迫洗刷一次，才能恢復(fù)工作。而長期浸泡在地下泥水中，并且所有的泥水從此經(jīng)過的潛污泵，是否遭遇黃泥的粘覆堵塞或減小流量？看來不必檢查，可想而知。所以我們建議地?zé)嵯到y(tǒng)的潛污泵井，在設(shè)計和安裝的時候，就應(yīng)考慮便于升降潛污泵的設(shè)施，以利定期清洗保養(yǎng)潛污泵?；虺霈F(xiàn)供水量減少時可及時便捷提升檢查保養(yǎng)潛污泵。這對地下供水量的穩(wěn)定性和潛污泵的使用壽命也是積極有益的。

6. 綜上所述可以得出結(jié)論：

6.1地源熱泵因改變了冷卻（蒸發(fā)）源，利用地下熱能轉(zhuǎn)換可節(jié)能≥36%是肯定的。

6.2地源熱泵水系統(tǒng)可以使用海綿球自動清洗技術(shù)。是保證其節(jié)能效益和安全運行的手段。

6.3地源熱泵水系統(tǒng)需要解決幾個客觀存在的可以解決的技術(shù)問題：排氣、過濾、流量、壓力、運行管理和維修保養(yǎng)等。

6.4地源熱泵+海綿球自動清洗+物理水處理=雪中送炭+如虎添翼。

參考文獻

1.《工程熱力學(xué)》A.M李特文著      高等教育出版社

2.《實用供熱空調(diào)設(shè)計手冊》（第二版）陸耀慶北京：中國建筑工業(yè)出版社  2008年

3.《采暖通風(fēng)與空調(diào)調(diào)節(jié)設(shè)計規(guī)范》GB50019-2003  中國計劃出版社2003

4.《節(jié)能技術(shù)與市場》2008第二，三期。深圳市節(jié)能專家委員會 深圳市節(jié)能專家聯(lián)合會

5.《深圳市暖通空調(diào)制冷學(xué)術(shù)會論文集》2010年12月 深圳市制冷學(xué)會 深圳市土建筑學(xué)會暖通空調(diào)委員會

6.《地源熱泵系統(tǒng)設(shè)計與應(yīng)用》 2007-1-1    馬最良、呂悅 主編      機械工業(yè)出版社