上海翱途流體科技有限公司      陳雷昕   張婷婷

摘   要：本文從氣體和雜質兩個著眼點出發，分析了空調系統中氣體和污垢雜質的成因以及對熱泵換熱效率的影響，并提供了相應的解決辦法。

關鍵詞：效率；節能；排氣；除污

       0   引言

       中國是世界上能源需求增長最快的國家，僅次于美國。我國建筑能耗目前已占到全社會一次能源消耗總量的30%左右，建筑能耗已經是必須引起高度重視的領域。與同等氣候條件的西歐或北美等發達國家相比，建筑能耗要高2~3倍。因此，大力推進建筑節能改造是實現節能減排的重要舉措之一。

       地源熱泵是一種利用淺層地熱資源（地下水、土壤或地表水等）的既可供熱又可制冷的高效節能空調系統，是一種高效利用可再生能源的建筑節能技術。
冷凝器、蒸發器是熱泵的重要組成部分，其換熱效率將會直接影響到熱泵的熱交換效率。本文將從氣體和雜質兩個著眼點出發，探討一下空調系統中氣體和雜質對熱泵熱效率的影響以及解決辦法。

       1   空氣成分分析及其對熱泵的危害

       空氣問題主要表現為兩種形式：

       一種是空氣中的部分氣體能夠以游離狀態或溶解狀態存在于系統中，對系統內各種管路材質等造成腐蝕，常見于氧氣。另一種是其在水中的溶解度超過其限制，在水中聚積后以氣泡氣團形式參與系統介質循環，常見于氮氣。
空氣按重量百分比來分，主要是由75.5%氮氣、23.3%的氧氣、1.3%氬氣、0.046%~0.40%二氧化碳組成，此外還有0.01%左右的惰性氣體。

       其中氧氣是鐵質材料腐蝕的主要原因。實際測量顯示（見圖1）在鐵質材料使用比例較高的系統中，幾乎所有的氧含量測量值（也包括開式循環系統）都低于市政自來水的氧自然濃度的11mg/L,而理論控制的極限值應為0.1mg/L。可見氧氣的化學性質非常活潑。在空調閉式循環系統中，由于腐蝕反應，氧氣幾乎完全消耗掉了。而在開放式的循環水系統中，因為腐蝕反應，使系統中氧含量降低成為不飽和狀態，空氣中的氧就會不斷溶入水系統中以補充水中的溶解氧，因此系統腐蝕會不斷加劇。空調系統中如果存在氣體會對熱泵本體、管網及各部位造成不同的腐蝕，特別是在疏松的污垢下、水渣聚積處、縫隙處以及應力不平衡點發生腐蝕，造成點蝕。對金屬強度的損壞十分嚴重，是影響系統安全及壽命的重要因素，影響系統運行的安全穩定性。

圖1   不同系統循環水中氧含量測量值

       為了避免或減少氧氣進入空調或暖通系統中，最好且最本質的做法就是采用封閉式循環系統，將系統循環水與大氣完全隔絕。

       氮氣——作為空氣的另一主要成分之一，與氧氣相反，是化學性質很穩定的氣體，不會因為腐蝕反應而消耗。在供熱系統中氮氣的聚集濃度最高可達50mg/L，這相當于市政自來水的氮氣自然濃度的280%。故在此濃度下，氮氣早已達到飽和溶解度，不能完全溶解在水中。系統管道中存在的大量這些氣體隨水流動時，因管道坡度、管壁粗糙度變化以及管路的復雜程度不斷分散聚合，會引起氣體兩端壓差發生變化，體積變大形成氣團，這些氣團不止會造成氣堵、氣塞、阻礙系統介質循環，引起循環中斷，還會造成氣鳴、引起水錘效應，加速系統設備、閥門等的磨損，嚴重者會引起管道爆裂。水泵內部有氣體會引起水泵氣蝕，導致損壞。

       除了氮氣以外，其余氣體如惰性氣體等對循環水系統的影響與氮氣類似，只是其含量較之氮氣要低得多，所以可以并稱為氮氣問題。

       此外，由于空氣的導熱系數非常低（見表1），管道、熱泵、熱交換器、盤管內存在氣體會使熱交換器或系統局部區域不熱，影響換熱效率、增加能耗、降低空調或暖通系統運行的熱經濟性。

表1  不同材料的導熱系數

       2   相應的排氣方法及措施

     （1）在首次充水階段，應考慮盡可能地使系統內的氣液兩相流保持在層狀流或波狀流而非段塞流或團狀流，以便于使氣體能夠從管道內排空。可行的方法是在充水階段時采取小流量充水，在充水后維持系統低流速運行一段時間，幫助排氣。還可以選擇特殊結構的微泡排氣裝置，利用內部的特殊的螺旋結構改變流經排氣裝置的流態，將進入裝置內部的段塞流和團狀流轉變為層狀流或波狀流，使氣體快速排出。

     （2）采用密閉式循環系統，使循環水與大氣完全隔絕，避免了因不斷的復氧引起的系統設備、管路等各部件腐蝕不斷加劇。

     （3）在日常運行階段，考慮到更多的是溶解在水中的氣體，可采用真空排氣裝置。根據亨利定律中氣體的溶解度與壓力的關系，在真空環境下，氣體的溶解度為零。真空排氣裝置可大幅減少系統中游離氣體和溶解氣體，目前在很多循環系統中大量使用。

     （4）針對運行管理方面，應加強管理，盡量避免需要緊急停泵和關閉閥門的情況出現。加強對于定壓設備的現場管理，避免氣壓罐氮氣壓力不足、罐內液位過低、甚至隔膜破裂的現象。

       3   結垢對熱泵換熱效率的影響

       垢分為水垢和污垢。水垢系指水中的難溶鹽類經濃縮后濃度升高，超過其飽和度而析出的沉積物，如碳酸鈣等。污垢系指水中的污泥、顆粒物、腐蝕鐵銹產物、生物黏泥等，同樣也會換熱壁上沉積。污垢雜質主要是通過以下途徑進入系統的：

     （1）補充水中泥沙、顆粒雜質等；

     （2）空氣中的灰塵、沙土等；

     （3）腐蝕產物；

     （4）微生物新陳代謝產生的生物黏泥；

     （5）化學作用，如采用含磷藥劑可能會生成磷酸鹽水垢。

       因腐蝕產生的銹渣和微生物黏泥等很容易堵塞換熱管，使機組運行效果下降，同時腐蝕的存在又使設備使用壽命大大降低。沉積于換熱管壁的水垢會使熱泵的換熱效率降低，同時會使日常運行時的用電量增大。系統管路中的污垢雜質也會大大增加能源消耗。水垢的導熱系數非常低（見表2）

表2   不同垢類組成的導熱系數

       4   相應的除污手段

     （1）在熱泵前端增加相應除污措施，可選擇特殊結構的微米級除污裝置，利用其內部特殊的螺旋結構改變流經除污裝置的流態，將進入裝置內部的段塞流和團狀流轉變為層狀流或波狀流，快速分離水中雜質，使雜質在除污裝置底部沉積，不增加系統沿程阻力。最小可去除5μm顆粒雜質。

     （2）在熱泵前后加裝自動在線膠球清洗除污裝置，通過發球裝置將膠球投放到循環系統中，膠球經過換熱管，擦洗掉換熱管內壁的污垢，而后在出口處通過收球裝置進行回收，回到發球裝置中。此為一次收發循環，通過裝置程序可設定收發的頻次，定期收發以保證換熱管內壁清潔，使熱泵始終處于很高的換熱效率。

       5   結語

       空調系統中對氣體和污垢雜質的去除對提高一次能源利用率，節約能源消耗，實現節能減排意義重大。

備注：本文收錄于《建筑環境與能源》2017年2月刊總第2期。
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