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定压补水机组表水源热泵若干常见问题分析
责任编辑:水处理设备-表水源热泵若干常见问题分析 人气:34287 发表时间:2017/04/25

表水源热泵若干常见问题分析

1 前言

    随着人民生活水平的不断提高,建筑能耗总量也逐年上升,其中用于空调系统的能耗在总的建筑能耗中所占的比例很高。在一些高档公共建筑的全年能耗中,大约50%~60%消耗于空调制冷与采暖系统[1]。空调系统节能,意义重大。

地源热泵以其节能和环保的优点越来越受到人们的关注。根据ASHRAE的分类方法[2],地源热泵可以分为土壤耦合热泵、地下水源热泵和地表水源热泵三类。在我国,土壤耦合热泵和地下水源热泵有了较为广泛和深入的研究,并且已经有了成功的应用。相比之下,地表水源热泵相关的研究和应用还很少。

    如果建筑物附近有合适的地表水源,那么地表水源热泵系统是较好的选择。我国地域辽阔,地表水资源丰富,尤其是南方地区,存在大量的江河湖泊。这些自然条件为地表水源热泵的推广使用提供了方便。


2 地表水源热泵的形式和特点

    地表水体作为热泵系统的热源和热汇,通常有两种形式[3]:开式和闭式。闭式系统就是在地表水体中设置换热盘管,用管道与热泵的蒸发器或冷凝器连接成回路,充以媒介水,在水泵的驱动下循环;开式系统中,从水源的底部抽水,送入换热器与循环介质换热,如果冬季水温比较高,也可以将水直接送到机组的换热器,经过换热的水重新排放到水体中。地表水源热泵所具有的优点使其不断的向前发展,又因为所具有的缺点使其在使用中受到诸多的限制。从表1中可以看出,水源问题是限制地表水源热泵推广使用的主要障碍。如果水源问题解决好,势必会促进地表水源热泵的推广应用。下面就分析一下地表水源热泵应用中水源引起的常见问题。

表1:地表水源热泵系统的优点和缺点

优点 缺点

1 和空气相比,热源热汇的温度较为可靠

2 能效比较高

3 适中的运行费用

4 和空气源热泵相比,不需要除霜

5 可能不需要辅助加热 1 使用受到地理条件的限制

2 系统容易腐蚀、结垢或堵塞

3 闭式系统的盘管易受损坏

4 初投资比较高

5 水泵需要消耗一定的能量

 

3 常见问题及其分析

3.1 进水温度过低,机组保护停机。

    地表水水温随着季节和地理环境的不同而变化。夏季,地表水水底水温一般不超过32℃,制冷没有问题。冬季,特别是北方地区,地表水温度很低,甚至结冰。这种温度很低的水源进入系统换热后温度进一步降低,如果换热温差过大,就会出现冰冻堵塞或者胀裂管道的危险,从而影响整个系统的运行。为了防止这种故障的发生,热泵系统一般都会设置进水温度保护装置。当水温低于设定值时,机组保护停机,水温恢复到设定值以上时,机组重新开机。如果水温反复变化,机组就会出现频繁的开停机,严重的影响了机组的寿命。

    保护停机或频繁的开停机影响了建筑物的空调效果,这种情况下一般采取加辅助热源的方式保证系统正常运行。辅助热源有锅炉、电加热和太阳能等。锅炉辅助热量较多,但投资较大;电加热启动速度快,但能源利用效率较低;太阳能是绿色环保的辅助热源,但是受天气的影响很大,见效相对也慢一些。在实际使用中,辅助热源的选择要根据具体情况慎重考虑,以保证系统的经济高效运行。

3.2 水质不好,引起结垢、腐蚀或产生生物污泥。

    如果进入系统的地表水不作任何的处理,很有可能产生污垢、锈蚀、及由于微生物不断繁殖而产生生物粘泥这三大普遍存在的问题。由此造成管道堵塞,能耗增加,主机的正常运行受到影响,制冷效果降低,设备使用寿命缩短等,并且对周围环境产生不同程度的影响。

3.2.1 结垢

    结垢过程就是污垢沉积物在管道表面上的形成过程。常见的结垢物有钙盐、镁盐和硅化物等。引起结垢的原因通常有以下几个方面。(1)水的混浊度大,悬浮于水中的固体微粒因重力作用而沉积;(2)管道和换热器本身表面起化学反应,其产物作为污垢而附于表面上;(3)管道内的水流动速度太小,一般来说,在不考虑其他因素的影响下,水流速度越小,结垢趋势越大。(4)钙在酸性、中性、弱碱性介质中的溶解度随温度升高而减小,而CO32-的浓度随温度的升高而增大,所以随着温度的升高碳酸钙结垢就越厉害。(5)如果水中含有铁离子,这些离子在碱性条件下易形成Fe(OH)3、Fe2O3晶体,一旦有这些晶体生成,其他盐类晶体就很容易以其为晶种,吸附在其表面,快速聚集,使结垢程度加大,温度越高,垢形成的越多。(6)二氧化碳溶于水存在如下电离平衡式:

H2O+CO2→H++HCO3-→CO32-+2H+           (1)

OH-+H+→H2O                         (2)

Ca2++OH-+HCO3-→CaCO3+H2O          (3)

Ca2++CO32-→CaCO3                               (4)

在酸性环境中,H+浓度较大,结垢不易发生。在碱性环境中,(1)式的发生使(2)式电离平衡向右进行,CO32-和HCO3-的浓度增加,(3)(4)两平衡式向右反应,产生CaCO3沉淀,从而加重了结垢的程度。Mg2+和OH-结合生成的Mg(OH)2溶解度比CaCO3小,

更易沉淀结垢。

3.2.2 腐蚀

    金属产生腐蚀的主要原因有化学腐蚀和电化学腐蚀两种,地表水源热泵系统的腐蚀主要是由溶解氧和Cl-引起的电化学腐蚀。在阳极极化条件下,介质中的Cl-可使金属发生孔蚀,而且随着Cl-浓度的增加,孔蚀电位下降,使孔蚀容易发生,尔后又使孔蚀加速;溶解氧的还原是腐蚀微电池阴极上的主要反应。以铁为例说明溶解氧和Cl-的腐蚀机理:

贫氧区:

Fe→Fe2++2e-

Fe2++4Cl-→[FeCl4]2-

[FeCl4]2-+2H2O→Fe(OH)2+2H++4Cl-

2H++2e-→H2

富氧区:

Fe→Fe2++2e-

O2+2H2O+4e-→4OH-

Fe2++2OH-→Fe(OH)2

4Fe(OH)2+O2+2H2O→4Fe(OH)3

2Fe(OH)3→Fe2O3+3H2O

3.2.3 生物污泥

    自然水体中常见的有害微生物主要有藻类、细菌和真菌。它们的生成主要是由于水体的温度和pH值恰好适合微生物的生长。而且水体中有它们生长所需的营养源,如有机物、碳酸盐、硝酸盐、磷酸盐等,加上自然水体常年有阳光照耀,给微生物的生长提供了良好的条件。许多细菌都具有粘性细胞壁和形成菌角团的能力,能将悬浮水中的无机物、腐蚀产物、灰砂淤泥等粘结在一起,形成淤泥沉淀物,附着在管壁上,且越积越厚。微生物沉淀不仅增大传热热阻,还会影响冷却水的流通性,使传热系数进一步降低。

3.2.4 水质处理

(1)化学处理法。一般是加入不同作用的水处理药剂:缓蚀剂、阻垢剂和杀菌灭藻剂。化学处理方法一般需要专业人员管理,运行成本较高,对环境有一定的污染。

(2)静电处理法。利用静电作用使水产生一些自由电子,附着于管壁,防止管壁金属失去电子而被氧化;同时溶解氧得到活化,具有一定的防腐和杀菌灭藻作用,但防垢效果不理想,电极要求较高且要定期进行清洗。

(3)磁化处理法。磁化水形成的水垢较为疏松,附着力弱,容易冲洗;同时强力的磁场作用,微生物的分子结构会变化失去活性,可以抑制生物污泥的产生。但磁场强度随时间逐步减弱或消失,水处理效果也相应的越来越差。

(4)离子交换法。利用离子交换剂取代水中的钙镁离子,使水软化达到防垢作用。但没有防腐杀菌灭藻效果,对环境也有一定的影响。

(5)高频电子法。利用发生器产生的高频电信号,使水的物理结构发生变化,激活了一些自由电子,同时高频磁场使水中的溶解氧成为了惰性氧,抑制了铁锈的产生并切断了微生

物的氧来源,达到了防腐阻垢,杀菌灭藻的作用。

在实际工程应用中,对水质要进行分析,根据不同的水质选择合适的水处理方法。除了水处理以外,还可以针对不同的水质选择不同的管材,提高管道中的水流速度等方法来阻止结垢、腐蚀和生物污泥三大危害的发生。

3.3 水处理不当,引发二次污染。

    自然水体一般都含有各种各样的杂质,这些水源在进入热泵系统前要进行处理。目前空调水处理很多用投放磷系化合物的方法,在运行过程中,如果出现泄露、不经处理排放,含磷物质就会进入自然水体,磷本身就是富营养物质,它能使水中的植物迅速生长并消耗掉水中的氧,导致水中动物因缺氧而死亡。

    现在空调中常用的防冻液主要由乙二醇和水配兑构成,如果操作管理不当,就会进入自然水体,给环境和空气造成污染,进入人体就容易使人体内酸碱平衡失调,对肾产生破坏。二次污染对环境的影响不容忽视,在空调水处理时,要尽量避免使用化学方法。即使使用化学方法,排放物也要经过处理达到排放标准才能排放。

3.4 取水温差过大,破坏生态环境。

    水温是影响水生物生长繁殖和分布的重要环境原因,在适宜的温度范围内,生物的生长速度与温度成正比的,超过适宜的温度范围时,生物的行为活动以及生长繁殖都将受到抑制,甚至死亡。夏季,取水温差过大,即超过35℃时,水中浮游生物的种类和数量减少,群落的物种多样性也会降低[4];冬季,取水温差过大会出现较低的温度,不仅影响了水中的生物种类,还有可能冻坏空调水管。

3.5 安装管理不当,损坏换热盘管。

    地表水源热泵闭式系统主要的换热装置是浸在水中的换热盘管。这些换热盘管如果放置在公共水域中,很容易遭到人为的破坏,导致盘管变形或破裂。如果水域中水流速度过大,也会导致盘管变形或破裂。换热盘管变形会影响换热效果,导致机组出力不足。如果破裂,闭环系统中的防冻液就会泄漏出来,不仅影响了系统的正常运行,还会造成环境污染。

    因此,工程实际使用中可以在放置盘管的地方设置警示牌,并且把换热盘管放置在流速适当的地方,从而削减水流速过大带来的负面影响。

3.6 取水、排水口位置不当,机组运行效率降低。

    热泵系统在制冷工况时,冷热源温度越低热泵效率越高;制热工况时,冷热源温度越高热泵效率越高。制冷时,经过换热的水再次排放到水体中,如果取水口和排水口设置位置不当,排出的水还没有经过充分的自然冷却又从取水口进入系统,无疑降低了热泵的效率。制热工况亦然。

    通常情况下,取排水口的布置原则是上游深层取水,下游浅层排水;在池塘水体中,取水口和排水口之间还要有一定的距离,保证排水再次进入取水口之前温度能最大限度的恢复。当然,最好的方法是用CFD软件对系统工况进行模拟,选择最佳的取水和排水口位置。

4 结束语

    地表水源热泵作为地源热泵的一种形式,实际使用远没有土壤源耦合热泵和地下水源

热泵成熟。要推广地表水源热泵系统,解决水源引起的相关问题势在必行,而水源的问题主要集中在水温和水质两个方面。

    水温方面,机组的自保护功能限制了进水温度,温度较低的情况下先通过其他方法提高温度后进入机组;取水温差不宜过大,防止破坏生态环境;排水口的位置要选择得当,避免“水短路”的情况发生。

    水质方面,结垢、腐蚀和生物污泥是三大主要问题。水源的水质不同,引起三大问题的严重程度也不同。对于水质不好的水源,在进入系统前要进行处理,以减少结垢、腐蚀和生物污泥的危害,同时要注意处理的方法,防止产生二次污染。




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