地源熱泵系統特性及節能降耗運行的研究與探討

徐偉

摘要：在當前社會節能、環保形勢的潮流推動下，隨著地源熱泵市場的不斷發展，地源熱泵系統因其高效、節能、經濟、環保等優點，近幾年來在我國得到了廣泛的推廣和應用。針對地源熱泵的系統特性和運行情況進行反復研究，本文從多角度多方面客觀分析了影響地源熱泵系統能耗損失的主要因素，并從這些因素著手，深入探討了地源熱泵的設備特點以及如何提高系統效率、降低能量損耗和做好設備的運行維護等日常管理工作。

Abstract： With the current trend of social energy conservation and environmental protection， with the continuous development of the ground source heat pump market， the ground source heat pump system has been widely promoted and applied in China in recent years due to its advantages of high efficiency， energy saving， economy and environmental protection. Based on the repeated study of the system characteristics and operation of the ground source heat pump， this paper objectively analyzes the main factors affecting the energy loss of the ground source heat pump system from various angles， and deeply discusses the equipment characteristics of the ground source heat pump and how to improve system efficiency， reduce energy loss and do a good job in the daily management of equipment.

關鍵詞：地源熱泵;系統特性;能耗損失;系統效率;運行維護

Key words： ground source heat pump;system characteristics;energy loss;system efficiency;operation and maintenance

中圖分類號：TU833+.1? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1006-4311（2019）25-0076-02

0? 引言

當前，我國建筑能耗已經占有全國總能耗的25%以上，國家倡導做好建筑節能工作就是要通過消耗較少的能源來促進經濟的增長，這些在我國目前的可持續發展戰略中是一項十分迫切的任務。

近幾年里，我國的綠色建筑評價標準逐年上升，地源熱泵空調系統與常規的供熱系統相比較，是一種可再生的能源利用技術，具有高效節能、穩定可靠、無環境污染、維護費用低、使用壽命長等優點，是一種既可以制冷又可以供暖的新型的空調系統。目前可再生能源代替常規能源也是大勢所趨，所以地源熱泵作為一個常用的綠色建筑技術，其發展的前景是非常可觀的。

1? 地源熱泵系統的優越性

地源熱泵是利用淺層地能進行供熱制冷的新型能源利用技術，它利用了地下土壤巨大的蓄熱蓄冷能力，冬季地源把熱量從地下土壤中轉移到建筑物內，夏季再把地下的冷量轉移到建筑物內。

目前，地源熱泵機組普遍是一機多用的，它不僅能在冬季為居民供暖，夏季實現制冷，并且還能提供給居民全年的生活熱水。從機組的出水溫度來劃分，可以分為低溫熱泵和高溫熱泵，熱泵的出水溫度可由制冷情況下的7度到制熱情況下的98度，應用范圍非常廣泛。同時，因為地源熱泵不受室外氣溫的影響，它被廣泛應用在公共建筑、民用建筑、工業生產和食品業的采暖制冷等領域。隨著地源熱泵技術的不斷發展與創新，它的應用范圍也越來越廣泛，高效節能的熱泵設備市場需求量越來越大。

2? 地源熱泵的系統特性

對于地源熱泵來說，在冬季，熱泵機組蒸發器的吸熱量是埋管內流體與土壤熱量的總和;在夏季，熱泵機組的冷凝器的放熱量基本等于埋管內部的流體與土壤之間的熱量交換，由此可以知道，地源熱泵的運行特性跟地下埋管的傳熱特性是耦合的，地源熱泵系統的運行特征主要是由熱泵機組的冷凝器與蒸發器的壓力所決定的，地下埋管的系統在運行中會受到機組的出口水溫與循環介質等因素的影響，因此地埋管系統的溫度穩定性是影響系統能耗的主要因素。

同時，地源系統是以消耗電能的方式，通過換熱器來實現冷量和熱量的轉移，在這個夏季從房間獲取的熱量釋放到淺層土壤中，冬季再將土壤中儲存的熱量提升到房間的大過程中，除了地埋管系統的溫度穩定性外，換熱器的熱量傳遞、末端設備的損耗和日常操作不當等因素都會造成系統能量的不必要損耗。

3? 適宜的土壤條件降耗

影響系統的性能和能量損耗的土壤條件非常多，例如：土壤的溫度、密度、濕度等。一般卵石性的土壤具有導熱性好的優點，但是由于施工開挖難度較大、產生費用較高，所有不宜采用。過于潮濕的土層會影響土壤的導熱性。這是因為熱泵機組在冬季運行的時候，與蒸發器側連接的地埋盤管周圍的土壤層可能會出現降溫凍結的情況，使土壤層發生膨脹，導致管道與土壤的接觸密度和傳熱系數增大;若熱泵機組在冬季處于停機狀態，會使地埋盤管周圍的土壤凍土層發生融化，讓土壤發生位移，造成土壤與盤管之間存在空隙，使土壤的導熱系數大幅度下降。

因此，使用沙土回填的方法是地源熱泵系統在運行中最適宜的土壤條件，沙土回填能有效彌補潮濕土壤傳熱較慢的缺點，從而達到了土壤層與地埋管換熱效率好，傳熱速度快、能耗損失小的運行效果。

4? 冷卻塔輔助降耗

在對地源熱泵的應用與研究的期間，我們逐漸發現，地源熱泵使用的最佳區域的也就是冷熱負荷相當的建筑所在地。但是，由于我國的地域比較廣泛，地理環境與氣候條件差距也比較大，所以一旦出現應用不當的情況，地源熱泵的優勢就不能得到很好的發揮，可能還會適得其反，不能達到節能的目的，反而可能會耗能過多。

由于我國南方的夏天非常悶熱，所以空調就是一個必不可少的納涼設施，但是在冬天南方地區又沒那么冷，這樣也就容易導致建筑物在夏季的冷負荷超過冬季的熱負荷，所以在南方地區使用地熱源泵的話，就容易讓地熱系統在夏天的時候向外排放的熱量，遠遠超過冬天從土壤中取得的熱量，長此以往，地埋管周圍的土壤溫度就會變得越來越高，導致機組的效率越來越低低，耗能越來越高。從經濟效益的角度，如果冷負荷大于熱負荷，在建筑內還是采用單一的土壤源熱泵進行制冷制熱的話，就需要加大地理埋管的配置，增加系統的出投資，影響系統的經濟性。

所以為了平衡地熱源泵，在各個地區的整體的運行效率與經濟性，應該在夏熱冬冷的地區，采用冷卻塔來進行輔助冷卻的方式來彌補地熱源泵在不同地區應用上的缺陷。在夏季，采用冷卻塔對地源熱泵冷凝器進行輔助降溫，使地源熱泵系統可以按照冬季運行工況進行設計，既減少了地埋管的容量配置，又減少了初期的投資費用;而且通過冷卻塔來減輕夏季向地埋管中釋放的熱量，有效降低了地埋側的溫度，不僅保證了機組的穩定運行，而且還機組的COP數值，進而提高了機組的運行效率。

5? 換熱器保養降耗

地源熱泵機組在運行過程中對換熱器的維護保養要求非常高，也是困擾我們多年的技術難題，解決好換熱效率的問題，在檢驗設備能否正常達到節能降耗中起到關鍵的作用。以地埋管地源熱泵為例，地埋管式地源熱泵系統的冷凍水（和熱水）、冷卻水在循環使用過程中，設備換熱器側及冷卻塔填料上形成了一層污垢及微生物。污垢及微生物會加速機組的腐蝕影響換熱效率，并給地源熱泵系統機組的安全運行帶來危害，而這些問題的存在，會直接影響地源熱泵系統的使用效果。為了提高系統的換熱效率，防止或減少對機組部件腐蝕，除去這些污垢及微生物，是提高系統換熱效率的關鍵。

對于水質不好的地區，需要每年定期對地源熱泵機組換熱系統、地藕側系統、空調側系統的管網先進行排污沖洗再添加化學藥劑進行清洗，兩種清洗方式相結合的全面清洗能夠達到除垢滅菌、提高換熱效率、增加制冷量，延長設備使用壽命的效果。

系統的清洗方法主要包括物理清洗和化學藥液清洗兩種，物理清洗針對污垢粘泥和水垢較輕的設備，化學清洗針對粘泥藻類附著嚴重，結垢嚴重的設備。化學清洗流程主要有機組運行狀態下清洗和停機清洗兩種方式，機組運行清洗主要是將清洗劑（粘泥剝離劑，預膜鈍化劑，除垢劑，消泡劑等）按照稀釋比例配比完成后，注入系統，利用系統循環泵進行循環清洗，這種清洗方式優點是機組可以不停機，不影響機組運行，需要專業人員時刻監測清洗質量防止過度清洗損壞設備配件等。停機清洗一般是針對換熱器的清洗，尤其是冷凝器和蒸發器，冷凝器的清洗過程：關閉冷卻水進出口閥門→排氣口處添加除垢劑，粘泥剝離劑等一定比例的混合液浸泡2-5小時→拆開冷凝器前后端蓋→清理冷凝器端蓋、水室腔內結垢和銹蝕→用管路清洗機清洗傳熱銅管管路→清洗完后用清水沖洗，直到達到銅管內壁光潔無污垢的標準，然后蓋好端蓋。在對蒸發器清洗時一定區分好干式蒸發器，釬焊板式蒸發器還是滿液式蒸發器，三者結構有很大區別，干式和釬焊板式只能化學藥液清洗銅管外側附著的粘泥水垢藻類等，不可使用管路清洗機，滿液式則可以。清洗過程與冷凝器清洗類似，清洗中時刻檢查水質和蒸發器的去垢去污情況，做好排污換水工作。清洗時應當打開蒸發器底部的排污閥門將雜質污泥排出，必要時拆下排污球閥，以增大排污口。清洗后，將排污閥門開至最大，排出污水，排凈后再重新灌注清水。

6? 室內末端設備降耗

末端設備的管理應該注意改善材料的保溫與隔熱性，提高門窗的密閉的性能，以此來提高材料的光學特性與熱工性能，同時對門窗設備也要進行相應的改造，多利用雙層或者多層玻璃，加強內外的遮陽的系統。另外，散熱器前的過濾網如果出現堵塞的情況，則會嚴重的影響室內的熱交換的效果，造成系統資源與能耗出現浪費的情況，如果太多的灰塵堵住網孔，這讓氣流的阻力變大，也會影響熱交換的效果。

同時，對于冬季長期不用的房間，可將溫度設定為防凍狀態，通過變流量、變風速度、防凍運行模式的自動控制，保障房間末端設備能耗最低，且達到安全運行的目的。

7? 控制管理系統降耗

地熱源泵系統在操作管理上的節能降耗也不容忽視。在地源熱泵系統中，空調泵與地源泵相關設備的節能運行的管理是非常重要的。熱泵機組應該進行節能的管理，減少熱泵機組工作的臺數，以此來提高熱泵機組使用的效率，同時還要根據環境的溫度，合理調整熱泵機組回水的設定溫度。可以根據室外溫度適當調整機組的回水溫度，這樣就可以降低機器整體的耗能，避免出現頻繁啟動主機的情況。在循環水泵運行的時候，應該嚴格的控制地源泵開啟的數量，保證其與機組需要用的流量與熱量指數相匹配，避免出現地埋管內流速度太低，導致換熱率下降的情況。另外，在空調循環泵的系統中可以采用變頻的方式，降低循環泵的耗電量。

8? 結束語

綜上所述，以往的能源供給的方式，已經不再適合目前環境發展的需求了，相比較，地源熱泵的發展前景是非常不錯的。但是，在地源熱泵的科學管理上，需要從各個方面做起，盡量充分發掘出熱泵系統的節能的特性，最大限度地發揮出地熱泵節能環保的優勢，為熱泵系統整體運行的經濟性、可靠性、環保性等提供有力的實踐證明。

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