冷凝器自動清洗技術在地源熱泵水系統中的特殊應用《六》
本文列舉分析了南方地源熱泵冷卻（蒸發）水系統可能出現的特殊問題，提出了相應的簡單實用的解決方案。對冷凝器自動清洗技術在地源熱泵系統中的擴展應用，保證地源熱泵系統的節能效益和設備安全，提供了重要的理論探討和實施數據。
羅碧玉1 程瑞端2 秋石3
1.深圳市新怡空調設備有限公司 2. 深圳職業技術學院
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）水系統可能出現的特殊問題，提出了相應的簡單實用的解決方案。對冷凝器自動清洗技術在地源熱泵系統中的擴展應用，保證地源熱泵系統的節能效益和設備安全，提供了重要的理論探討和實施數據。
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.
關鍵詞：地源熱泵，能效，節能減排，循環經濟，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℃，空調主機效率可提高3%，則地下水冷卻可提高空調機組效率36%，節能效率很可觀！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節能技術同時運用到同一臺主機中，無疑是節能設計上的超前大膽之作。在系統實際投入運行幾個月后，發現機組每開機10～15天就出現高壓報警，此時排氣壓力＞1900KPa，必須拆開冷凝器端蓋，拆開端蓋后發現冷凝器銅管內粘滿黃泥漿！見（圖片1, 2）嚴重影響到空調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，主機恢復到額定工況。更為嚴重的是三臺主機中有2臺蒸發器或冷凝器銅管先后發生破裂，泥污水進入制冷劑循環系統，造成嚴重事故！
這樣的系統不僅沒有收獲節能效益，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系統，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！查看一層大堂空調柜水系統，污泥堵塞也十分嚴重！經約10分鐘反沖排污，空調柜恢復了正常供冷。而且這類地源熱泵的地下水直接冷卻系統是無法用化學水處理方法解決連續大量的泥漿水的。能不能用海綿球自動清洗？如何使用海綿球自動清洗系統？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的設計、安裝和運行管理，使地源熱泵這個可再生能源技術能更科學更專業更理想地為人類服務。
1.地源熱泵系統水側的排氣問題十分重要！
一般水系統中有上下彎的部位應在最高點加裝手動、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常在設計或施工中被忽略了！這種“忽略”在地源熱泵水系統中具有極大的破壞性！
前面提到的地源熱泵空調機組有雙工況和三工況這種機組的制冷制熱轉換不是用四通閥對制冷劑回路內部轉換，而是通過手動或電動閥在水側進行外部轉換。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，蒸發器和冷凝器要交換位置，以致機房水管有數十處交叉上下彎，僅查地溫冷卻水的一個機組回路就串聯了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！排氣完成后空調機組工作恢復正常，冷凝器自動清洗系統的海綿球送回球恢復正常。
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沉淀或者過濾，就直接進入蒸發器或者冷凝器，就很容易粘附在銅管內壁，在銅管內形成泥漿層，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！整機電流相應上升！效率相應下降！如果這種現象是處于蒸發吸熱工況，就隨時可能導致蒸發器結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，導致自動清洗不能有效完成。有的地溫冷卻系統，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！導致了一系列的嚴重后果！
地源熱泵系統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）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）水一般設定工況是大溫差，小流量。其流量約為冷卻塔冷卻設計流量的三分之一～一半，進出水溫差是冷卻塔冷卻設計溫差的2倍，約8℃～10℃，這是已知工況。地源熱泵系統設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雜的，不可預見的因素比較多，影響了最終經過冷凝器（蒸發器）的水流量和壓力，并與設計參數偏離很遠。主要呈現流量變小，壓力偏低，不能滿足設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定。某酒店原設計三臺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計量比較接近。但運行了幾個月后再測流量，發生了很大的變化：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個井可以連續供水，供水量的差異也很大，此時已完全不能按原設計一機一井一泵對應控制供水冷卻或蒸發。
3.2原設計地下水泵的流量、揚程與后來實際運行工況有差異：該系統原設計水泵流量100m3/h，揚程35m。當時設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，經冷卻（蒸發）后仍回灌到-15～-20m深的地下水位。原設計只需考慮所有管路、管件和冷凝（蒸發）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定量回灌水而產生外溢，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。這就等于系統被提高了15m凈揚程！原設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），冷卻水流量與設計點相比，大幅下跌。經測試：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備的水阻壓降，流量計顯示流量接近設計流量；而關斷排水，加上后面負荷后，即經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]恢復過濾器工作可能會增加水阻0.3～0.5kg/cm2,我們設計增加了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！應嚴格按規范回灌，并周期調換供水井和回灌井的功能。
我們查閱過一些關于地源熱泵的相關資料，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，本系統設計選擇了3供6回灌的方案，但還是出現回灌外溢。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，不僅關系到地下水紋是否平衡，地質沉降變化的安全問題，而且某地區局部地下水只抽出不回灌，當然會越抽越少，這是否我們每測一次，都發現供水量在遞減的原因？同時我們還建議使用地下水應周期調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，導致既抽不出水來，也滲不進連續大量的回灌水。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，也不應放棄回灌而改為直排！而應該適當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，定期調換供水井和回灌井功能，疏通回灌井內毛細管，達到供水回灌的平衡。才是保證地下水熱源循環使用、安全使用的一個更科學、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，既保證蒸發器、冷凝器的節能安全，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）水回路及供回水工況的復雜性，往往供給冷凝器或者蒸發器的流量、壓力是多變的。所以盡管地源熱泵水系統的設計工況為大溫差、小流量，經現場實際測試，我們依然建議地下水泵及其系統的流量揚程應比理論數據大10～20%，這樣使用會更保險些。例如：地下水在進入冷凝器蒸發器之前的水壓≥1.5kg/cm2,冷凝器蒸發器進出水壓差≥1kg/cm2,經過冷凝器蒸發器的水流量≥0.38m3/h/RT，這樣即使地下水系統如前所述發生一些波動減少流量時，空調冷凝器、蒸發器和海綿球自動清洗系統還能維持安全運行。
4. 二次回路（冷熱水回路）及末端設備的水處理問題：
地源熱泵系統的地下水不是固定作用于冷凝器或蒸發器，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轉換，而是在水側管路用手動或者電動閥轉換，而末端供冷供熱共1個水回路。所以在冷熱水轉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，因為這種轉換每年都有二次，帶進泥污就不斷增加，改變了末端系統的導熱參數，嚴重時可直接堵塞風機盤管空調柜的分液頭或溫控電動閥，使空調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柜不制冷。經查水系統堵塞，經約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機，供冷恢復正常?？梢姸募巨D換時所帶入二次水系統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系統，如果用化學水處理方式，每年要4萬多元化學藥物和人工費。并放掉系統中數十噸水。隨后還會逐漸積淤結垢，熱阻逐漸增加，換熱效率逐漸下降，直到下次再做化學清洗處理。再放水數十噸。如果換成xy-ww三功能 物
理水處理系統，（見原理圖，圖6）可對二次水系統內的泥污連續有效過濾；定時或定壓排污；高效紫外殺菌腔可定時定量殺滅系統內的菌藻，減少菌藻對二次水系統的影響。特殊的電磁波除垢軟水，可以減少或除去水垢，使二次水系統變得清澈無菌無污垢。xy-ww物理水處理系統所帶來的效益：a、一年可省化學水處理工料費4萬多元。b、二次系統導熱系數的提高，熱損失的減小，省電≥10%，數量可算。c、二次水系統設備管路無化學腐蝕，使用壽命長，無化學污染排放，改善環保。d、減少污堵故障，減少因此而造成的維修保養工料費。
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℃單供冷水系統更容易在設備管壁上生水垢。所以這種系統更需要及時連續的過濾、排污、殺菌和除垢。而在這種系統中使用三功能物理水處理技術，是出于長期節能減排、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必須與空調主機聯鎖。
因為空調主機未開機前和停機后，冷卻水處于關閉靜止狀態，這時候如果海綿球進入了或者滯留在冷凝器內或者管道中，容易被管壁泥漿粘住或裹復，導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閉冷卻水電動閥。以利關機時海綿球已發出并未回收，可以用空調主機的停機信號指令自動清洗控制PLC立即收球，保證停機狀態海綿球都在回收器中，而不滯留在冷凝器內或管道中。所以自動清洗系統必須與空調主機聯鎖。
5.2 地下水與空調蒸發器（蓄冰工況）之間的板式熱交換器特別容易結淤污堵。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定時清洗保養。
在多個地下井泵的每臺泵都裝有一個止回閥。本系統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象：開其中一組井泵時，相應流量計顯示正流量，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閉不嚴所致？所以建議止回閥定期清洗保養，保持止回功能，減少不正?；厮畵p耗無用功。
5.4 潛污泵應設有便于定期提升清洗保養的設施與制度。
我們已知地源熱泵水系統因泥污，冷凝器或蒸發器、板換等在10天～15天就被迫洗刷一次，才能恢復工作。而長期浸泡在地下泥水中，并且所有的泥水從此經過的潛污泵，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。所以我們建議地熱系統的潛污泵井，在設計和安裝的時候，就應考慮便于升降潛污泵的設施，以利定期清洗保養潛污泵?；虺霈F供水量減少時可及時便捷提升檢查保養潛污泵。這對地下供水量的穩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論：
6.1地源熱泵因改變了冷卻（蒸發）源，利用地下熱能轉換可節能≥36%是肯定的。
6.2地源熱泵水系統可以使用海綿球自動清洗技術。是保證其節能效益和安全運行的手段。
6.3地源熱泵水系統需要解決幾個客觀存在的可以解決的技術問題：排氣、過濾、流量、壓力、運行管理和維修保養等。
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》A.M李特文著 高等教育出版社
2.《實用供熱空調設計手冊》（第二版）陸耀慶北京：中國建筑工業出版社 2008年
3.《采暖通風與空調調節設計規范》GB50019-2003 中國計劃出版社2003
4.《節能技術與市場》2008第二，三期。深圳市節能專家委員會 深圳市節能專家聯合會
5.《深圳市暖通空調制冷學術會論文集》2010年12月 深圳市制冷學會 深圳市土建筑學會暖通空調委員會
6.《地源熱泵系統設計與應用》 2007-1-1 馬最良、呂悅 主編 機械工業出版社
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本文列舉分析了南方地源熱泵冷卻（蒸發）水系統可能出現的特殊問題，提出了相應的簡單實用的解決方案。對冷凝器自動清洗技術在地源熱泵系統中的擴展應用，保證地源熱泵系統的節能效益和設備安全，提供了重要的理論探討和實施數據。
2022-10-31
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