Research and Discussion on System Characteristics of Ground Source Heat Pump and Energy
Saving and Consumption Reduction Operation
徐伟 XU Wei
（神华包神铁路集团有限责任公司运输服务分公司，鄂尔多斯 017000）
（Shenhua Baoshen Railway Group Co.，Ltd. Transportation Service Branch，Ordos 017000，China）
摘要：在当前社会节能、环保形势的潮流推动下，随着地源热泵市场的不断发展，地源热泵系统因其高效、节能、经济、环保等优点，近几年来在我国得到了广泛的推广和应用。针对地源热泵的系统特性和运行情况进行反复研究，本文从多角度多方面客观分析了影响地源热泵系统能耗损失的主要因素，并从这些因素着手，深入探讨了地源热泵的设备特点以及如何提高系统效率、降低能量损耗和做好设备的运行维护等日常管理工作。
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.
关键词：地源热泵；系统特性；能耗损失；系统效率；运行维护
Key words: ground source heat pump；system characteristics；energy loss；system efficiency；operation and maintenance
中图分类号：TU833+.1 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2019）25-0076-02
0 引言
当前，我国建筑能耗已经占有全国总能耗的25%以上，国家倡导做好建筑节能工作就是要通过消耗较少的能源来促进经济的增长，这些在我国目前的可持续发展战略中是一项十分迫切的任务。
近几年里，我国的绿色建筑评价标准逐年上升，地源热泵空调系统与常规的供热系统相比较，是一种可再生的能源利用技术，具有高效节能、稳定可靠、无环境污染、维护费用低、使用寿命长等优点，是一种既可以制冷又可以供暖的新型的空调系统。目前可再生能源代替常规能源也是大势所趋，所以地源热泵作为一个常用的绿色建筑技术，其发展的前景是非常可观的。
1 地源热泵系统的优越性
地源热泵是利用浅层地能进行供热制冷的新型能源利用技术，它利用了地下土壤巨大的蓄热蓄冷能力，冬季地源把热量从地下土壤中转移到建筑物内，夏季再把地下的冷量转移到建筑物内。
目前，地源热泵机组普遍是一机多用的，它不仅能在冬季为居民供暖，夏季实现制冷，并且还能提供给居民全年的生活热水。从机组的出水温度来划分，可以分为低温热泵和高温热泵，热泵的出水温度可由制冷情况下的7度到制热情况下的98度，应用范围非常广泛。同时，因为地源热泵不受室外气温的影响，它被广泛应用在公共建筑、民用建筑、工业生产和食品业的采暖制冷等领域。随着地源热泵技术的不断发展与创新，它的应用范围也越来越广泛，高效节能的热泵设备市场需求量越来越大。
2 地源热泵的系统特性
对于地源热泵来说，在冬季，热泵机组蒸发器的吸热量是埋管内流体与土壤热量的总和；在夏季，热泵机组的冷凝器的放热量基本等于埋管内部的流体与土壤之间的热量交换，由此可以知道，地源热泵的运行特性跟地下埋管的传热特性是耦合的，地源热泵系统的运行特征主要是由热泵机组的冷凝器与蒸发器的压力所决定的，地下埋管的系统在运行中会受到机组的出口水温与循环介质等因素的影响，因此地埋管系统的温度稳定性是影响系统能耗的主要因素。
同时，地源系统是以消耗电能的方式，通过换热器来实现冷量和热量的转移，在这个夏季从房间获取的热量释放到浅层土壤中，冬季再将土壤中储存的热量提升到房间的大过程中，除了地埋管系统的温度稳定性外，换热器的热量传递、末端设备的损耗和日常操作不当等因素都会造成系统能量的不必要损耗。
3 适宜的土壤条件降耗
影响系统的性能和能量损耗的土壤条件非常多，例如：土壤的温度、密度、湿度等。一般卵石性的土壤具有导热性好的优点，但是由于施工开挖难度较大、产生费用较高，所有不宜采用。过于潮湿的土层会影响土壤的导热性。这是因为热泵机组在冬季运行的时候，与蒸发器侧连接的地埋盘管周围的土壤层可能会出现降温冻结的情况，使土壤层发生膨胀，导致管道与土壤的接触密度和传热系数增大；若热泵机组在冬季处于停机状态，会使地埋盘管周围的土壤冻土层发生融化，让土壤发生位移，造成土壤与盘管之间存在空隙，使土壤的导热系数大幅度下降。
因此，使用沙土回填的方法是地源热泵系统在运行中最适宜的土壤条件，沙土回填能有效弥补潮湿土壤传热较慢的缺点，从而达到了土壤层与地埋管换热效率好，传热速度快、能耗损失小的运行效果。
4 冷却塔辅助降耗
在对地源热泵的应用与研究的期间，我们逐渐发现，地源热泵使用的最佳区域的也就是冷热负荷相当的建筑所在地。但是，由于我国的地域比较广泛，地理环境与气候条件差距也比较大，所以一旦出现应用不当的情况，地源热泵的优势就不能得到很好的发挥，可能还会适得其反，不能达到节能的目的，反而可能会耗能过多。
由于我国南方的夏天非常闷热，所以空调就是一个必不可少的纳凉设施，但是在冬天南方地区又没那么冷，这样也就容易导致建筑物在夏季的冷负荷超过冬季的热负荷，所以在南方地区使用地热源泵的话，就容易让地热系统在夏天的时候向外排放的热量，远远超过冬天从土壤中取得的热量，长此以往，地埋管周围的土壤温度就会变得越来越高，导致机组的效率越来越低低，耗能越来越高。从经济效益的角度，如果冷负荷大于热负荷，在建筑内还是采用单一的土壤源热泵进行制冷制热的话，就需要加大地理埋管的配置，增加系统的出投资，影响系统的经济性。
所以为了平衡地热源泵，在各个地区的整体的运行效率与经济性，应该在夏热冬冷的地区，采用冷却塔来进行辅助冷却的方式来弥补地热源泵在不同地区应用上的缺陷。在夏季，采用冷却塔对地源热泵冷凝器进行辅助降温，使地源热泵系统可以按照冬季运行工况进行设计，既减少了地埋管的容量配置，又减少了初期的投资费用；而且通过冷却塔来减轻夏季向地埋管中释放的热量，有效降低了地埋侧的温度，不仅保证了机组的稳定运行，而且还机组的COP数值，进而提高了机组的运行效率。
5 换热器保养降耗
地源热泵机组在运行过程中对换热器的维护保养要求非常高，也是困扰我们多年的技术难题，解决好换热效率的问题，在检验设备能否正常达到节能降耗中起到关键的作用。以地埋管地源热泵为例，地埋管式地源热泵系统的冷冻水（和热水）、冷却水在循环使用过程中，设备换热器侧及冷却塔填料上形成了一层污垢及微生物。污垢及微生物会加速机组的腐蚀影响换热效率，并给地源热泵系统机组的安全运行带来危害，而这些问题的存在，会直接影响地源热泵系统的使用效果。为了提高系统的换热效率，防止或减少对机组部件腐蚀，除去这些污垢及微生物，是提高系统换热效率的关键。
对于水质不好的地区，需要每年定期对地源热泵机组换热系统、地藕侧系统、空调侧系统的管网先进行排污冲洗再添加化学药剂进行清洗，两种清洗方式相结合的全面清洗能够达到除垢灭菌、提高换热效率、增加制冷量，延长设备使用寿命的效果。
系统的清洗方法主要包括物理清洗和化学药液清洗两种，物理清洗针对污垢粘泥和水垢较轻的设备,化学清洗针对粘泥藻类附着严重，结垢严重的设备。化学清洗流程主要有机组运行状态下清洗和停机清洗两种方式，机组运行清洗主要是将清洗剂（粘泥剥离剂，预膜钝化剂，除垢剂，消泡剂等）按照稀释比例配比完成后，注入系统，利用系统循环泵进行循环清洗，这种清洗方式优点是机组可以不停机，不影响机组运行，需要专业人员时刻监测清洗质量防止过度清洗损坏设备配件等。停机清洗一般是针对换热器的清洗，尤其是冷凝器和蒸发器，冷凝器的清洗过程：关闭冷却水进出口阀门→排气口处添加除垢剂，粘泥剥离剂等一定比例的混合液浸泡2-5小时→拆开冷凝器前后端盖→清理冷凝器端盖、水室腔内结垢和锈蚀→用管路清洗机清洗传热铜管管路→清洗完后用清水冲洗，直到达到铜管内壁光洁无污垢的标准，然后盖好端盖。在对蒸发器清洗时一定区分好干式蒸发器，钎焊板式蒸发器还是满液式蒸发器，三者结构有很大区别，干式和钎焊板式只能化学药液清洗铜管外侧附着的粘泥水垢藻类等，不可使用管路清洗机，满液式则可以。清洗过程与冷凝器清洗类似，清洗中时刻检查水质和蒸发器的去垢去污情况，做好排污换水工作。清洗时应当打开蒸发器底部的排污阀门将杂质污泥排出，必要时拆下排污球阀，以增大排污口。清洗后，将排污阀门开至最大，排出污水，排净后再重新灌注清水。
6 室内末端设备降耗
末端设备的管理应该注意改善材料的保温与隔热性，提高门窗的密闭的性能，以此来提高材料的光学特性与热工性能，同时对门窗设备也要进行相应的改造，多利用双层或者多层玻璃，加强内外的遮阳的系统。另外，散热器前的过滤网如果出现堵塞的情况，则会严重的影响室内的热交换的效果，造成系统资源与能耗出现浪费的情况，如果太多的灰尘堵住网孔，这让气流的阻力变大，也会影响热交换的效果。
同时，对于冬季长期不用的房间，可将温度设定为防冻状态，通过变流量、变风速度、防冻运行模式的自动控制，保障房间末端设备能耗最低，且达到安全运行的目的。
7 控制管理系统降耗
地热源泵系统在操作管理上的节能降耗也不容忽视。在地源热泵系统中，空调泵与地源泵相关设备的节能运行的管理是非常重要的。热泵机组应该进行节能的管理，减少热泵机组工作的台数，以此来提高热泵机组使用的效率，同时还要根据环境的温度，合理调整热泵机组回水的设定温度。可以根据室外温度适当调整机组的回水温度，这样就可以降低机器整体的耗能，避免出现频繁启动主机的情况。在循环水泵运行的时候，应该严格的控制地源泵开启的数量，保证其与机组需要用的流量与热量指数相匹配，避免出现地埋管内流速度太低，导致换热率下降的情况。另外，在空调循环泵的系统中可以采用变频的方式，降低循环泵的耗电量。
8 结束语
综上所述，以往的能源供给的方式，已经不再适合目前环境发展的需求了，相比较，地源热泵的发展前景是非常不错的。但是，在地源热泵的科学管理上，需要从各个方面做起，尽量充分发掘出热泵系统的节能的特性，最大限度地发挥出地热泵节能环保的优势，为热泵系统整体运行的经济性、可靠性、环保性等提供有力的实践证明。
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