上海翱途流体科技有限公司 陈雷昕 张婷婷
摘 要：本文从气体和杂质两个着眼点出发，分析了空调系统中气体和污垢杂质的成因以及对热泵换热效率的影响，并提供了相应的解决办法。
关键词：效率；节能；排气；除污
0 引言
中国是世界上能源需求增长最快的国家，仅次于美国。我国建筑能耗目前已占到全社会一次能源消耗总量的30%左右，建筑能耗已经是必须引起高度重视的领域。与同等气候条件的西欧或北美等发达国家相比，建筑能耗要高2~3倍。因此，大力推进建筑节能改造是实现节能减排的重要举措之一。
地源热泵是一种利用浅层地热资源（地下水、土壤或地表水等）的既可供热又可制冷的高效节能空调系统，是一种高效利用可再生能源的建筑节能技术。
冷凝器、蒸发器是热泵的重要组成部分，其换热效率将会直接影响到热泵的热交换效率。本文将从气体和杂质两个着眼点出发，探讨一下空调系统中气体和杂质对热泵热效率的影响以及解决办法。
1 空气成分分析及其对热泵的危害
空气问题主要表现为两种形式：
一种是空气中的部分气体能够以游离状态或溶解状态存在于系统中，对系统内各种管路材质等造成腐蚀，常见于氧气。另一种是其在水中的溶解度超过其限制，在水中聚积后以气泡气团形式参与系统介质循环，常见于氮气。
空气按重量百分比来分，主要是由75.5%氮气、23.3%的氧气、1.3%氩气、0.046%~0.40%二氧化碳组成，此外还有0.01%左右的惰性气体。
其中氧气是铁质材料腐蚀的主要原因。实际测量显示（见图1）在铁质材料使用比例较高的系统中，几乎所有的氧含量测量值（也包括开式循环系统）都低于市政自来水的氧自然浓度的11mg/L,而理论控制的极限值应为0.1mg/L。可见氧气的化学性质非常活泼。在空调闭式循环系统中，由于腐蚀反应，氧气几乎完全消耗掉了。而在开放式的循环水系统中，因为腐蚀反应，使系统中氧含量降低成为不饱和状态，空气中的氧就会不断溶入水系统中以补充水中的溶解氧，因此系统腐蚀会不断加剧。空调系统中如果存在气体会对热泵本体、管网及各部位造成不同的腐蚀，特别是在疏松的污垢下、水渣聚积处、缝隙处以及应力不平衡点发生腐蚀，造成点蚀。对金属强度的损坏十分严重，是影响系统安全及寿命的重要因素，影响系统运行的安全稳定性。
图1 不同系统循环水中氧含量测量值
为了避免或减少氧气进入空调或暖通系统中，最好且最本质的做法就是采用封闭式循环系统，将系统循环水与大气完全隔绝。
氮气——作为空气的另一主要成分之一，与氧气相反，是化学性质很稳定的气体，不会因为腐蚀反应而消耗。在供热系统中氮气的聚集浓度最高可达50mg/L，这相当于市政自来水的氮气自然浓度的280%。故在此浓度下，氮气早已达到饱和溶解度，不能完全溶解在水中。系统管道中存在的大量这些气体随水流动时，因管道坡度、管壁粗糙度变化以及管路的复杂程度不断分散聚合，会引起气体两端压差发生变化，体积变大形成气团，这些气团不止会造成气堵、气塞、阻碍系统介质循环，引起循环中断，还会造成气鸣、引起水锤效应，加速系统设备、阀门等的磨损，严重者会引起管道爆裂。水泵内部有气体会引起水泵气蚀，导致损坏。
除了氮气以外，其余气体如惰性气体等对循环水系统的影响与氮气类似，只是其含量较之氮气要低得多，所以可以并称为氮气问题。
此外，由于空气的导热系数非常低（见表1），管道、热泵、热交换器、盘管内存在气体会使热交换器或系统局部区域不热，影响换热效率、增加能耗、降低空调或暖通系统运行的热经济性。
表1 不同材料的导热系数
2 相应的排气方法及措施
（1）在首次充水阶段，应考虑尽可能地使系统内的气液两相流保持在层状流或波状流而非段塞流或团状流，以便于使气体能够从管道内排空。可行的方法是在充水阶段时采取小流量充水，在充水后维持系统低流速运行一段时间，帮助排气。还可以选择特殊结构的微泡排气装置，利用内部的特殊的螺旋结构改变流经排气装置的流态，将进入装置内部的段塞流和团状流转变为层状流或波状流，使气体快速排出。
（2）采用密闭式循环系统，使循环水与大气完全隔绝，避免了因不断的复氧引起的系统设备、管路等各部件腐蚀不断加剧。
（3）在日常运行阶段，考虑到更多的是溶解在水中的气体，可采用真空排气装置。根据亨利定律中气体的溶解度与压力的关系，在真空环境下，气体的溶解度为零。真空排气装置可大幅减少系统中游离气体和溶解气体，目前在很多循环系统中大量使用。
（4）针对运行管理方面，应加强管理，尽量避免需要紧急停泵和关闭阀门的情况出现。加强对于定压设备的现场管理，避免气压罐氮气压力不足、罐内液位过低、甚至隔膜破裂的现象。
3 结垢对热泵换热效率的影响
垢分为水垢和污垢。水垢系指水中的难溶盐类经浓缩后浓度升高，超过其饱和度而析出的沉积物，如碳酸钙等。污垢系指水中的污泥、颗粒物、腐蚀铁锈产物、生物黏泥等，同样也会换热壁上沉积。污垢杂质主要是通过以下途径进入系统的：
（1）补充水中泥沙、颗粒杂质等；
（2）空气中的灰尘、沙土等；
（3）腐蚀产物；
（4）微生物新陈代谢产生的生物黏泥；
（5）化学作用，如采用含磷药剂可能会生成磷酸盐水垢。
因腐蚀产生的锈渣和微生物黏泥等很容易堵塞换热管，使机组运行效果下降，同时腐蚀的存在又使设备使用寿命大大降低。沉积于换热管壁的水垢会使热泵的换热效率降低，同时会使日常运行时的用电量增大。系统管路中的污垢杂质也会大大增加能源消耗。水垢的导热系数非常低（见表2）
表2 不同垢类组成的导热系数
4 相应的除污手段
（1）在热泵前端增加相应除污措施，可选择特殊结构的微米级除污装置，利用其内部特殊的螺旋结构改变流经除污装置的流态，将进入装置内部的段塞流和团状流转变为层状流或波状流，快速分离水中杂质，使杂质在除污装置底部沉积，不增加系统沿程阻力。最小可去除5μm颗粒杂质。
（2）在热泵前后加装自动在线胶球清洗除污装置，通过发球装置将胶球投放到循环系统中，胶球经过换热管，擦洗掉换热管内壁的污垢，而后在出口处通过收球装置进行回收，回到发球装置中。此为一次收发循环，通过装置程序可设定收发的频次，定期收发以保证换热管内壁清洁，使热泵始终处于很高的换热效率。
5 结语
空调系统中对气体和污垢杂质的去除对提高一次能源利用率，节约能源消耗，实现节能减排意义重大。
备注：本文收录于《建筑环境与能源》2017年2月刊总第2期。
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