徐偉

摘要：在當(dāng)前社會節(jié)能、環(huán)保形勢的潮流推動下，隨著地源熱泵市場的不斷發(fā)展，地源熱泵系統(tǒng)因其高效、節(jié)能、經(jīng)濟(jì)、環(huán)保等優(yōu)點，近幾年來在我國得到了廣泛的推廣和應(yīng)用。針對地源熱泵的系統(tǒng)特性和運行情況進(jìn)行反復(fù)研究，本文從多角度多方面客觀分析了影響地源熱泵系統(tǒng)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(shè)備特點以及如何提高系統(tǒng)效率、降低能量損耗和做好設(shè)備的運行維護(hù)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(guān)鍵詞：地源熱泵;系統(tǒng)特性;能耗損失;系統(tǒng)效率;運行維護(hù)

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

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

0? 引言

當(dāng)前，我國建筑能耗已經(jīng)占有全國總能耗的25%以上，國家倡導(dǎo)做好建筑節(jié)能工作就是要通過消耗較少的能源來促進(jìn)經(jīng)濟(jì)的增長，這些在我國目前的可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略中是一項十分迫切的任務(wù)。

近幾年里，我國的綠色建筑評價標(biāo)準(zhǔn)逐年上升，地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)與常規(guī)的供熱系統(tǒng)相比較，是一種可再生的能源利用技術(shù)，具有高效節(jié)能、穩(wěn)定可靠、無環(huán)境污染、維護(hù)費用低、使用壽命長等優(yōu)點，是一種既可以制冷又可以供暖的新型的空調(diào)系統(tǒng)。目前可再生能源代替常規(guī)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(shù)，其發(fā)展的前景是非常可觀的。

1? 地源熱泵系統(tǒng)的優(yōu)越性

地源熱泵是利用淺層地能進(jìn)行供熱制冷的新型能源利用技術(shù)，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(zhuǎn)移到建筑物內(nèi)，夏季再把地下的冷量轉(zhuǎn)移到建筑物內(nèi)。

目前，地源熱泵機(jī)組普遍是一機(jī)多用的，它不僅能在冬季為居民供暖，夏季實現(xiàn)制冷，并且還能提供給居民全年的生活熱水。從機(jī)組的出水溫度來劃分，可以分為低溫?zé)岜煤透邷責(zé)岜茫瑹岜玫某鏊疁囟瓤捎芍评淝闆r下的7度到制熱情況下的98度，應(yīng)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(yīng)用在公共建筑、民用建筑、工業(yè)生產(chǎn)和食品業(yè)的采暖制冷等領(lǐng)域。隨著地源熱泵技術(shù)的不斷發(fā)展與創(chuàng)新，它的應(yīng)用范圍也越來越廣泛，高效節(jié)能的熱泵設(shè)備市場需求量越來越大。

2? 地源熱泵的系統(tǒng)特性

對于地源熱泵來說，在冬季，熱泵機(jī)組蒸發(fā)器的吸熱量是埋管內(nèi)流體與土壤熱量的總和;在夏季，熱泵機(jī)組的冷凝器的放熱量基本等于埋管內(nèi)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(tǒng)的運行特征主要是由熱泵機(jī)組的冷凝器與蒸發(fā)器的壓力所決定的，地下埋管的系統(tǒng)在運行中會受到機(jī)組的出口水溫與循環(huán)介質(zhì)等因素的影響，因此地埋管系統(tǒng)的溫度穩(wěn)定性是影響系統(tǒng)能耗的主要因素。

同時，地源系統(tǒng)是以消耗電能的方式，通過換熱器來實現(xiàn)冷量和熱量的轉(zhuǎn)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(tǒng)的溫度穩(wěn)定性外，換熱器的熱量傳遞、末端設(shè)備的損耗和日常操作不當(dāng)?shù)纫蛩囟紩斐上到y(tǒng)能量的不必要損耗。

3? 適宜的土壤條件降耗

影響系統(tǒng)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(dǎo)熱性好的優(yōu)點，但是由于施工開挖難度較大、產(chǎn)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(dǎo)熱性。這是因為熱泵機(jī)組在冬季運行的時候，與蒸發(fā)器側(cè)連接的地埋盤管周圍的土壤層可能會出現(xiàn)降溫凍結(jié)的情況，使土壤層發(fā)生膨脹，導(dǎo)致管道與土壤的接觸密度和傳熱系數(shù)增大;若熱泵機(jī)組在冬季處于停機(jī)狀態(tài)，會使地埋盤管周圍的土壤凍土層發(fā)生融化，讓土壤發(fā)生位移，造成土壤與盤管之間存在空隙，使土壤的導(dǎo)熱系數(shù)大幅度下降。

因此，使用沙土回填的方法是地源熱泵系統(tǒng)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(dá)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(yīng)用與研究的期間，我們逐漸發(fā)現(xiàn)，地源熱泵使用的最佳區(qū)域的也就是冷熱負(fù)荷相當(dāng)?shù)慕ㄖ诘亍５?，由于我國的地域比較廣泛，地理環(huán)境與氣候條件差距也比較大，所以一旦出現(xiàn)應(yīng)用不當(dāng)?shù)那闆r，地源熱泵的優(yōu)勢就不能得到很好的發(fā)揮，可能還會適得其反，不能達(dá)到節(jié)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(diào)就是一個必不可少的納涼設(shè)施，但是在冬天南方地區(qū)又沒那么冷，這樣也就容易導(dǎo)致建筑物在夏季的冷負(fù)荷超過冬季的熱負(fù)荷，所以在南方地區(qū)使用地?zé)嵩幢玫脑?，就容易讓地?zé)嵯到y(tǒng)在夏天的時候向外排放的熱量，遠(yuǎn)遠(yuǎn)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(dǎo)致機(jī)組的效率越來越低低，耗能越來越高。從經(jīng)濟(jì)效益的角度，如果冷負(fù)荷大于熱負(fù)荷，在建筑內(nèi)還是采用單一的土壤源熱泵進(jìn)行制冷制熱的話，就需要加大地理埋管的配置，增加系統(tǒng)的出投資，影響系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性。

所以為了平衡地?zé)嵩幢茫诟鱾€地區(qū)的整體的運行效率與經(jīng)濟(jì)性，應(yīng)該在夏熱冬冷的地區(qū)，采用冷卻塔來進(jìn)行輔助冷卻的方式來彌補地?zé)嵩幢迷诓煌貐^(qū)應(yīng)用上的缺陷。在夏季，采用冷卻塔對地源熱泵冷凝器進(jìn)行輔助降溫，使地源熱泵系統(tǒng)可以按照冬季運行工況進(jìn)行設(shè)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(cè)的溫度，不僅保證了機(jī)組的穩(wěn)定運行，而且還機(jī)組的COP數(shù)值，進(jìn)而提高了機(jī)組的運行效率。

5? 換熱器保養(yǎng)降耗

地源熱泵機(jī)組在運行過程中對換熱器的維護(hù)保養(yǎng)要求非常高，也是困擾我們多年的技術(shù)難題，解決好換熱效率的問題，在檢驗設(shè)備能否正常達(dá)到節(jié)能降耗中起到關(guān)鍵的作用。以地埋管地源熱泵為例，地埋管式地源熱泵系統(tǒng)的冷凍水（和熱水）、冷卻水在循環(huán)使用過程中，設(shè)備換熱器側(cè)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(jī)組的腐蝕影響換熱效率，并給地源熱泵系統(tǒng)機(jī)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(tǒng)的使用效果。為了提高系統(tǒng)的換熱效率，防止或減少對機(jī)組部件腐蝕，除去這些污垢及微生物，是提高系統(tǒng)換熱效率的關(guān)鍵。

對于水質(zhì)不好的地區(qū)，需要每年定期對地源熱泵機(jī)組換熱系統(tǒng)、地藕側(cè)系統(tǒng)、空調(diào)側(cè)系統(tǒng)的管網(wǎng)先進(jìn)行排污沖洗再添加化學(xué)藥劑進(jìn)行清洗，兩種清洗方式相結(jié)合的全面清洗能夠達(dá)到除垢滅菌、提高換熱效率、增加制冷量，延長設(shè)備使用壽命的效果。

系統(tǒng)的清洗方法主要包括物理清洗和化學(xué)藥液清洗兩種，物理清洗針對污垢粘泥和水垢較輕的設(shè)備，化學(xué)清洗針對粘泥藻類附著嚴(yán)重，結(jié)垢嚴(yán)重的設(shè)備。化學(xué)清洗流程主要有機(jī)組運行狀態(tài)下清洗和停機(jī)清洗兩種方式，機(jī)組運行清洗主要是將清洗劑（粘泥剝離劑，預(yù)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(tǒng)，利用系統(tǒng)循環(huán)泵進(jìn)行循環(huán)清洗，這種清洗方式優(yōu)點是機(jī)組可以不停機(jī)，不影響機(jī)組運行，需要專業(yè)人員時刻監(jiān)測清洗質(zhì)量防止過度清洗損壞設(shè)備配件等。停機(jī)清洗一般是針對換熱器的清洗，尤其是冷凝器和蒸發(fā)器，冷凝器的清洗過程：關(guān)閉冷卻水進(jìn)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(nèi)結(jié)垢和銹蝕→用管路清洗機(jī)清洗傳熱銅管管路→清洗完后用清水沖洗，直到達(dá)到銅管內(nèi)壁光潔無污垢的標(biāo)準(zhǔn)，然后蓋好端蓋。在對蒸發(fā)器清洗時一定區(qū)分好干式蒸發(fā)器，釬焊板式蒸發(fā)器還是滿液式蒸發(fā)器，三者結(jié)構(gòu)有很大區(qū)別，干式和釬焊板式只能化學(xué)藥液清洗銅管外側(cè)附著的粘泥水垢藻類等，不可使用管路清洗機(jī)，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(zhì)和蒸發(fā)器的去垢去污情況，做好排污換水工作。清洗時應(yīng)當(dāng)打開蒸發(fā)器底部的排污閥門將雜質(zhì)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(nèi)末端設(shè)備降耗

末端設(shè)備的管理應(yīng)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(xué)特性與熱工性能，同時對門窗設(shè)備也要進(jìn)行相應(yīng)的改造，多利用雙層或者多層玻璃，加強(qiáng)內(nèi)外的遮陽的系統(tǒng)。另外，散熱器前的過濾網(wǎng)如果出現(xiàn)堵塞的情況，則會嚴(yán)重的影響室內(nèi)的熱交換的效果，造成系統(tǒng)資源與能耗出現(xiàn)浪費的情況，如果太多的灰塵堵住網(wǎng)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(shè)定為防凍狀態(tài)，通過變流量、變風(fēng)速度、防凍運行模式的自動控制，保障房間末端設(shè)備能耗最低，且達(dá)到安全運行的目的。

7? 控制管理系統(tǒng)降耗

地?zé)嵩幢孟到y(tǒng)在操作管理上的節(jié)能降耗也不容忽視。在地源熱泵系統(tǒng)中，空調(diào)泵與地源泵相關(guān)設(shè)備的節(jié)能運行的管理是非常重要的。熱泵機(jī)組應(yīng)該進(jìn)行節(jié)能的管理，減少熱泵機(jī)組工作的臺數(shù)，以此來提高熱泵機(jī)組使用的效率，同時還要根據(jù)環(huán)境的溫度，合理調(diào)整熱泵機(jī)組回水的設(shè)定溫度?？梢愿鶕?jù)室外溫度適當(dāng)調(diào)整機(jī)組的回水溫度，這樣就可以降低機(jī)器整體的耗能，避免出現(xiàn)頻繁啟動主機(jī)的情況。在循環(huán)水泵運行的時候，應(yīng)該嚴(yán)格的控制地源泵開啟的數(shù)量，保證其與機(jī)組需要用的流量與熱量指數(shù)相匹配，避免出現(xiàn)地埋管內(nèi)流速度太低，導(dǎo)致?lián)Q熱率下降的情況。另外，在空調(diào)循環(huán)泵的系統(tǒng)中可以采用變頻的方式，降低循環(huán)泵的耗電量。

8? 結(jié)束語

綜上所述，以往的能源供給的方式，已經(jīng)不再適合目前環(huán)境發(fā)展的需求了，相比較，地源熱泵的發(fā)展前景是非常不錯的。但是，在地源熱泵的科學(xué)管理上，需要從各個方面做起，盡量充分發(fā)掘出熱泵系統(tǒng)的節(jié)能的特性，最大限度地發(fā)揮出地?zé)岜霉?jié)能環(huán)保的優(yōu)勢，為熱泵系統(tǒng)整體運行的經(jīng)濟(jì)性、可靠性、環(huán)保性等提供有力的實踐證明。

參考文獻(xiàn)：

[1]胡強(qiáng).簡析地源熱泵在暖通空調(diào)設(shè)計中的應(yīng)用[J].低碳世界，2017（25）：198-199.

[2]彭嬌嬌.暖通空調(diào)設(shè)計中地源熱泵的應(yīng)用研究[J].中國房地產(chǎn)業(yè)，2017（28）：98.

[3]袁敏.暖通空調(diào)設(shè)計中地源熱泵的應(yīng)用分析[J].建筑工程技術(shù)與設(shè)計，2017（13）：5182.

[4]張旻.地源熱泵技術(shù)在變電站冷卻降溫方案中的運用研究[J].價值工程，2017，36（33）：123-124.