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工程硕士学位论文地源热泵中央空调系统水量硬水质动态监测技术研究 摘要 本课题研究的主要内容为地热式中央空调水量及水质的监控，包括方法、建模、 仿真与相应设备的开发。建模仿真及设备开发包括以下两个部分内容：水量监控， 主要是负荷预估、流量测算及变流量控制；水质监控主要是水的导电率测量、p h 值测量。总体上遵循“理论研究和分析技术方案设计技术方案实验实 验运行研究问题总结和技术改进技术方案反复实验及修改技术方案 定型批量技术方案运行”的一个发展路线。 关键技术首先是对研究对象进行系统的理论建模和合理处理，进行整体系统负 荷特性分析与水量测控，然后进行匹配分析；同时开展地下水水质、温度、p h 值 对结垢影响等的相关机理研究，预测实施测量电导率、变频除垢与系统运行性能及 运行状况间的变化规律，为实施维护技术提供理论依据。 根据以上理论研究的结论对主要水量测控、水质处理积水进行的分析，包括参 数的选择、变频发生、水质实时测控、负荷估计和跟踪、清洗结垢与除菌等，制定 实施方案。 根据以上技术方案进行实际运行实验，验证方案的可行性，针对实际运行中出 现的问题和现象，及时分析总结改进，反复实验，直至取得理想效果，技术方案定 型。 关键词：地能热泵中央空调水量水质动态监控电导率 工程硕士学位论文 a b s t r a c t n l es u b j e c t so fs t u d ya r em o n i t o r i n go fq u a n t i l ya n dq 砌i t yo ft h eg e o t h e r m a lw a t e r ， i n c l u d i n gm e t h o d s ，m o d e l i n g a n ds i m u l a t i o nw i t ht h e a p p r o p r i a t ee q u i p m e n t d e v e l o p m e n t d e v e l o p m e n to fm o d e l i n ga n ds i m u l a t i o ne q u i p m e n ti sb e l o wt w o p a r t s ：o n ei sw a t e rm o n i t o r i n g m a i l l l vt op l a n n i n ga n dt h ef l o w o ft r a f f i cc o n t r o la n d c h a n g ec a l c u l a t e d o t h e ri sm o n i t o r i n go fw a t e rq 叫i 妙i ti sl a r g e l yw a t e re l e c t r i c i t y r a t e sp hv a l u em e a s u r ea n dm e a s u r i n ga n dc h a n g et oh e a te x c h a n g e rt h ew h o l eb a n d e l e c t r o m a g n e t i cp r o j e c td e v e l o p m e n ta n di n d u s t r i a l i z a t i o no fc , o u r s e ， r e s e a r c ha n d a n a l y s i so ft h et h e o r y t h et e c h n i c a lp r o g r a m m e so ft e c h n i c a lp r o g r a m m e sd e s i g n e d e x p e r i m e n t so nt h eq u e s t i o n - a r e no p e r a t i o no fs u m m i n gu pa n dt e c h n o l o g yt oi m p r o v e t h et e c h n i c a la n d a n dr e v i s et h ep r o g r a m m eo ft e c h n i c a lp r o g r a m m e so ft e c h n i c a l p r o g r a m m e so f t h ep h a s e s ”o ft h ed e v e l o p m e n to fal i n e k e yt e c h n o l o g yf o rt h ef i r s t i st h es y s t e mt h e o r yo nt h em o d e l i n ga n dr e a s o n a b l e i n c l u d i n gt h eq u a l i t ya n a l y s i s a n dt r a c k i n gc o n t r o l ，w a t e ra n dm a t c h i n g ，d e v e l o p i n g a n a l y t i c a lq u a l i t yo fu n d e r g r o u n dw a t e r , t e m p e r a t u r ea n dp hv a l u ea n di n f l u e n c eo nt h e r i g h tt ot h er e l e v a n ts t u d ya n di m p l e m e n t a t i o no fm e c h a n i s m st om e a s b r et h ee l e c t r i c a l c o n d u c t i v i t y , w i t ht h es y s t e mp e r f o r m a n c ea n do p e r a t i o no fl a wa n ds t a t ec h a n g e sf o rt h e m a i n t e n a n c et e c h n o l o g yo f f e rat h e o r e t i c a lb a s i s u n d e rt h ea b o v et h e o r yr e s e a r c hr e s u l t sa n dc o n c l u s i o n so ft h et r a c k i n gc o n t r o l ，w a t e r q u a l i t yo fw a t e rt od e a l 、) l ，i 吐lt h ea n a l y s i s ，i n c l u d i n gp a r a m e t e rs e l e c t i o n , w a t e rq u a l i t yo f r e a l - t i m et r a c k i n gc o n t r o l ，a n dt r a c k i n g ，c l e a n i n ga n df e l ta n di nf a c t , t h ef o r m u l a t i o no f p r o g r a m m e sa n dm e t h o d s u n d e rt h ea b o v et e c h n i c a ls o l u t i o n sf o rt h ee x p e r i m e n tv e r i f yt h ea c t u a lo p e r a t i o n , t h e f e a s i b i l i t y , t h ea c t u a lo p e r a t i n gp r o b l e m si na n dt i m e l ya n a l y s i sa n ds u m m a r yo f i m p r o v e m e n t , a n de x p e r i m e n t s ，t ot a k ee f f e c to ft e c h n o l o g ya n dt e c h n i c a ls o l u t i o n ss e t k e y w o r d s ：t h ec e n t r a la i r - c o n d i t i o n i n gs y s t e mo fg r o u n ds o u r c eh e a tp u m p ，w a t e r v o l u m e ，w a t e r q u a l i t y , c a l lo nm o t i o n , c o n d u c t i v i t y h 工程硕士学位论文地源热泵中央空调系统水量及水质动态监测技术研究 1 绪论 1 1 工程背景及研究意义 1 1 1 项目的提出 随着社会的飞速发展和人民生活水平的稳步提高，我国高层建筑及节能化大厦 大量涌现，中央空调系统在建筑中的应用得到了飞速发展，广泛应用于各种建筑的 同时，用户也逐渐对中央空调越来越了解，对其带来的能耗问题、运行维护问题等 引起更加密切的关注。国内外最新的研究结果表明，中央空调系统在建筑物动力节 能方面起到了极大的推动作用，为建筑节能提供了新的思路和崭新的技术，但其运 行能耗仍然有很大的下降空间，比如，按照系统运行负荷动态采集地下水，以及清 除水垢，因为水垢耗能约占整个中央空调系统2 0 左右。如何在满足建筑物负荷需 求的前提下，降低中央空调的能耗、降低运行维护费用是摆在我们面前的重要课题。 以地下水为热能载体的地源热泵中央空调系统，一直被业界公认为高效、节能、 绿色环保系统。目前，国内的中央空调系统可分为水系统、风系统和采用工质媒介 的多联机三类。本论文研究的对象是地源热泵中央空调，地热空调属于水系统中央 空调。地热空调系统能率高，是高品位能源动力系统。地热空调是开发利用浅层地 热能，将分散的、不能被直接利用的低品位热能提取出来，提升为有很高利用价值 的高品位能源。和其它的空调系统相比，地源热泵中央空调系统不仅具有高效节能 的优点，而且可以有效减少因过多的常规能源利用所造成的环境污染。 地源热泵是一种节能环保的优化空调能源系统，具备了中央空调合理使用能 源，较高的设备能效比，安装和运行成本低并且安全耐用等特点。同时，还具有传 统空调调节灵活、方便，利于管理和计费等特点。因此，从我国南部的广东到过渡 地区的江浙再到北方的河北和东北省份的采暖地区如北京、大连等城市的公共建筑 和住宅建筑上得到了广泛的应用。尤其是最近几年，地源热泵技术得到了迅速的发 展，其主要推动力是它对低品位热能的利用，例如：地下水、江河湖水、井水、污 水、矿井水及工业余热等均可作为做为热源，且具有热回收功能。 地热空调采能工程的开采目标为浅层地热能，需要以地下水作为传热载体【l l 。 为确保采能系统的长期、稳定运行，作为传热载体的地下水源必须具备一定的使用 条件。显然，适宜的地下水( 适宜的水温、水量、水质) 是这种空调系统应用的关 键。虽然蕴含了适合开采的地下水资源，但由于水质自由的一些特点，地下水的水 温都容易使空调系统的板结水垢、腐蚀、滋生细菌，以致水源热泵空调系统的推广 维护工作费时费钱。空调系统的节水、内部清洁、防腐蚀、防细菌的问题已越来越 l 绪论 工程硕士学位论文 突出。因此，在推广和应用地热空调时，水量与水质的监控是保护水源、维护系统 及延长使用时间的一个关键任务。 地源热泵中央空调水系统一般分为三部分，循环水系统、冷冻水系统和采暖水 系统。循环水大多为开放式，冷冻水与采暖水为封闭式；当前，高层建筑或封闭式 厂房车间的冷冻水与采暖水多为同一系统，在夏季走冷冻水，在冬季走采暖水。这 三套循环水系统各有特点，但都存在同一问题：结垢、腐蚀和生物粘泥，如果不进 行适当的处理，久而久之，势必会造成管道堵塞，腐蚀泄漏及传热效率大为下降等 一系列问题，影响整个地源热泵中央空调系统的正常工作。 通过对中央空调用水情况多年的观察和广泛的研究调查，综合起来看现在地 源热泵中央空调系统水对设备主要产生影响的因素分别为碱度、p h 值、c l 一、氧含 量等。地下水因地区不同而水质变化较大，在水的循环过程中，硬度和碱度是造成 结垢的主要诱因，而c l 、低p h 值、溶解氧是造成腐蚀的根源。在地下水中这两种 危害同时存在，只是由于水质不同，危害的主副性有所区别而已；相对腐蚀而言， n a + 、c 1 + 等腐蚀性离子的存在，又加重了设备的腐蚀。正如个别地源热泵中央空调 系统刚刚使用了一年就出现严重的腐蚀穿孔问题，由此可见，地源热泵中央空调水 质处理是何等的重要。 所以，为了保护地下水资源，确保水源热泵系统长期可靠运行，水源热泵系统 运行过程中一般采用水量与水质的监控措施。 1 1 2 研究意义 实施地热空调水量监控与水质处理可以实现： ( 1 ) 改善和提高地下水的利用效率 地下水资源是很宝贵的，抽取地下水再利用之后还需要回灌【2 】。如果不能根据 实际负荷需要利用地下水，不仅不能保护地下水，同时还将增加不必要的能耗。如 果根据季节与时刻负荷的不同，对水量进行监控，按需分配，不但能改善和提高地 下水的利用效率，还会降低能耗。 ( 2 ) 改善和提高地热中央空调的维护效率 目前，地热中央空调在运行一段时间之后，就需要停机清洗。由于长时间的堆 积，管内水垢甚至可以堵塞毛细管间空隙，用化学法工作量大，效果不明显。由于 平时运行系统内没有除菌措施，可能影响空气质量，此外由于水质问题还会腐蚀系 统管道。为此，采用电化学法基本上可以实现实时处理水质处理，解决了这些问题， 就能改善和提高地热中央空调的维护效率。 ( 3 ) 改善和提高地热中央空调的运行效率 地热中央空调的运行和维护是体的，边运行边维护、边维护边运行，这已经 2 工程硕士学位论文地源热泵中央空调系统水量及水质动态监测技术研究 是中央空调行业内人士所认可的一种先进的中央空调技术标准，目前大多数空调企 业( 特别是在中央空调领域) 都在积极研制开发这样的技术。可以看到，地热中央 空调本身的运行效率是很高的，并且可以预见，在完整的实时维护的技术保障下， 地热中央空调的运行效率会进一步提高。 水量监测与水质处理技术是其运行维护的关键技术，已经引起空调制冷业内人 士的广泛关注。合理的处理方法已是其长期有效运行的保证。从目前的实际情况看， 地下水处理技术现已成为本领域中的热门研究课题。地热空调应用于工程实际已有 多年的历史，然而，时常暴露出维护失效的问题，这已成为制约地热中央空调系统 应用的一个瓶颈。 总之，为确保空调系统的长期、稳定运行，地热中央空调有必要具备一定的自 动控制及自我维护的功能。通过处理水源获得适宜的地下水( 适宜的水温、水量、 水质) 是这种空调系统应用的关键。同时，在推广和应用地热空调时，首要任务是 保护地下水资源，出于对地下水资源保护的目的，考虑实用电化学法对水质进行处 理。从水量、水质的监测与控制方面降低能耗，实现地源热泵中央空调系统的节能 运行。 本文将通过数值模拟与试验相结合的办法，对地热热泵中央空调的水处理进行 研究，具有很好的总体经济性、优越的环保效应以及使用的经济和社会效益。 1 , 1 , 3 技术开发状况 ( 1 ) 地源热泵中央空调的水量监测和控制 地源热泵中央空调水系统的设计可以分成定流量系统和变流量系统。顾名思 义，在定流量系统中，水的流量是恒定的，整个系统的运行能耗一直处于设计的 最大极限值，不仅不能达到节能的目的，对整个系统的寿命也很不利。变流量系统 中的水流量随负荷变化而成比例变化，输送能耗随流量的增减而增减，有利于节能 【3 】。目前，本研究中的变流量系统流量调节方法有节流调节、台数调节、变速调节、 台数调节与变速调节相结合等，采用台数调节和变速调节相结合的方法，开发研制 可控水计量泵，这个方法优于单独的调节方法，能兼顾两者的优点，具有显著的节 能效果。 电磁驱动式计量也是本项研究突破传统做法的尝试，它可以通过内外两种方 式，调节泵的运行参数，以实现泵的流量调节功能。每个计量泵都配置出口多功能 阀，可以右下释放使系统的压力、防止出现管道的虹吸现象，同时具备背压功能和 帮助启动等多种功能于一体，在没有操作工监控时，同样可以保证正常计量与控制 运行。 ( 2 ) 地源热泵中央空调系统的水质监测和控制 3 1 绪论工程硕士学位论文 目前，我国对地下水的利用处于粗放式的管理初级阶段，存在很多处理不当的 问题，造成很多不可逆的浪费【4 】。本研究提出存在多种地下水处理的方法，通常情 况下，原水水质是水质处理的重要依据，首先采样，送实验室分析，然后根据分析 结果合理制定解决方案，以期实现减少甚至阻止冷冻机组和管道结垢以及生物粘泥 的产生，提高系统的运行效率。 目前，我国地源热泵中央空调空调水系统管理方式存在极大的差异，操作工人 的操作水平也各不相同，主机工作时对水质人为地进行采样、分析、制定水处理方 案存在很多弊端，很难达到及时准确，所以经常发生处理不当等问题，致使水系 统的浓缩倍数不能有效被控制在规定的区间，导致水处理效果不理想，使地下水遭 到浪费。它在我国地源热泵中央空调水系统处理中普遍存在，有的系统虽然进行了 处理，但系统仍然会大量结垢，生物粘泥严重的直接原因。 对于上面的问题，可以通过测量电导率、p h 值以及电磁除垢等技术手段，针 对用户不同的管理方式，运行模式和水系统的原水分析，以及所选择的地源热泵中 央空调主机型号等，科学地选择硬件控制装置，编写控制软件，真正使地源热泵中 央空调系统水处理处于理想的运行状态，使地源热泵这一节能技术得到普及，其水 处理系统实现自动化控制，从而达到节约地下水资源的目的。具体技术情况如下： 电导率控制： 1 ) 在水系统的管道上安装传感器，并发送水质电导信号，控制器开始进行运算 处理，并发出相应的指令指示系统进行排污处理。操作人员可按照系统运行的实际 情况进行参数调整，从而应对不同的运行工况。例如：用户的空调制冷系统在极端 天气或季节交替时均有很大的不同，系统的控制方式应采用时间比例式；而天气最 热的季节，系统控制方式采用排水比例式比较合适。电导率控制能够随时方便快速 地调整工艺参数。 2 ) 如果地源热泵中央空调水系统的电导率值超出系统设定值，系统会自动报警； 如果水循环系统不能正常工作，也就是系统流量异常，系统也会自动报警，指示操 作工人按照相应提示处理故障。 3 ) 水系统补充水量的多少也是由电导率控制，以便于操作工人准确核算排污量 的多少。 4 ) 为了防止循环泵内产生生物藻类等有害物质，杀菌灭藻剂的定期投放是必不 可少的，从而减少生物粘泥附着在冷凝器铜管内壁的机会，降低系统换热效率。故 而，通过电导控制实现对投放杀菌灭藻剂的加药泵的运行时间、周期以及药量的监 测，针对某些空调水系统的抗药性问题，研制开发的电导控制应该能够实现多种杀 菌剂同时投加，解决了抗药性的问题。 5 ) 采用物理方法实现水处理时，应用系统数字式的p h 值控制作为水系统水质 4 工程硕士学位论文地源热泵中央空调系统水量及水质动态监测技术研究 变化趋势的宏观调控措施。 6 ) 电磁除垢是其中一个重点，可以用于中央空调循环筒表面排污控制中。根据 中央空调运行中水容量确定定时取样还是连续取样。 本论文着重对水资源节能环保的研究与开发，对不同系统水处理自控，经过细 致的研究和不断的改进发展，采用针对性强，经济的方式，可以满足和符合最苛刻 的运行条件和要求。另外，为了使系统设计合理、经济、运行可靠、工艺设计和工 程方案尽量理想，在安装前提供循环水系统保有容积、循环水量、循环水系统压力 等有关参数，这样会对系统的安全准确运行起到积极作用。这些关键技术的使用决 定了本研究较高的整体水平。目前国内尚无类似产品，国际上也未发现相关的报导。 本研究是一种日趋完善的规模化热利用技术解决手段。 1 1 4 现有产业规模和市场形势以及国家产业技术政策 ( 1 ) 国家统计局中国经济景气检测中心发布的能源形势报告 国家统计局中国经济景气检测中心发布的能源形势报告透露，我国节能服务行 业规模已达6 0 亿元。 根据报告介绍，从2 0 0 3 年至2 0 0 7 年，我国节能行业增长率保持在4 0 左右， 行业规模从1 0 亿元增长道2 0 亿元左右。2 0 0 7 年增速明显加快，达到2 5 ，行业规 模也攀升至7 0 亿元。 报告指出，高能耗推动建筑节能快速增长。我国每年新建房屋面积2 0 亿平方 米中，9 0 以上是高能耗建筑，而既有的约4 0 0 亿平方米建筑中，只有4 采取了 能源效率措施，单位建筑面积采暖能耗为发达国家新建建筑的4 倍以上。 目前，我国建筑节能面积一般在2 5 万平方米以上，3 万平方米以下，综合节 能率在1 5 左右。但是与美国的综合节能率达到3 0 以上、节能面积3 万平方米以 上相比，仍有很大的发展潜力和空间。 中国经济景气检测中心副主任潘建成同志在一次能源会议上指出，目前，我国 正处于工业化快速发展的时期，能源消耗非常大，但也意味着节能产业的机会。节 能产业主要是指节能服务业，这一产业的发展目前集中在工业和建筑两个能源消耗 的大户。国家政策鼓励节能减排，行业规模潜力约有4 5 0 0 亿元，空调节能服务大 有可为。 ( 2 ) 国家产业技术政策 国家经济贸易委员会、财政部、科技部、国家税务总局，共同研究制定的国 家产业技术政策于2 0 0 9 年5 月正式发布。明确规定： 1 ) 其中对关于新能源的阐述：“新能源：要积极开发利用可再生能源，发展太 阳能利用、地热能利用、大功率风力发电、潮汐发电、生物质能发电技术。发展核 5 1 绪论 工程硕士学位论文 能技术，对先进压水堆、空间核电源、高性能燃料组建等于以重点攻关 2 ) 其中能源和环保的阐述：“能源与环保能源和环保是全球关注的两大领域。 要以发展新型、高效、清洁能源技术和石油替代技术为主要的发展方向，改造传统 能源利用技术，提高能源效率，降低排放污染。利用高新技术开发环保产业，变废 弃资源为再生资源，保护资源，保护生态。 3 ) 其中关于环保产业的阐述：“环保产业：大力发展清洁生产技术，节能与资 源综合利用技术，节水技术，生态环境保护技术，环境监测技术。重点发展2 0 0 m w 以上燃煤机组烟气脱硫技术，汽车尾气污染防治技术；城市污水、城市垃圾处理和 资源化技术，存和处置技术；废家电( 电脑) 回收处理及报废汽车拆解技术等。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 水处理技术发展沿革： 回顾历史，我国地源热泵中央空调的水处理系统已经走过了4 0 多年的风风雨 雨。准确地讲，由于我们国家所处的特殊的历史背景，以及经济条件和技术研究条 件的限制，导致我们在地源热泵中央空调水系统上并没有什么创新，而是一直跟在 国外同行的后面前行。我国的地源热泵中央空调始于上世纪7 0 年代，源自当时工 业发展的需要，首先发展了服务于纺织行业、印刷业以及精密仪器制造行业的工业 性空调。到了8 0 年代，由于建设政治性公共建筑的需要，才研发了大型氟罩昂冷 水机组，开创了我国舒适性和节能型空调的历史。改革开放后来9 0 年代旅游旅馆 建设的需要，2 0 0 0 年以后建设高档办公楼与商场的建设高潮，开辟了我国舒适性节 能型地源热泵中央空调大发展的新时期。 由于我国原来经济发展比较落后，加上工业基础薄弱，在上世纪7 0 年代末开始 的改革开放年代中，通过大量的引资招商，在一些大型民用空调工程建设过程中同 时引进了国外先进的技术，其具体表现为：不但主要设备是进口的，而且空调系统 方案也是由外国公司设计的。所以，在近3 0 多年我国所建设的民用舒适性空调工 程中，其所采用的技术方案与国外的技术进步，尤其是在中央空调水系统领域，主 要与美国的相关的技术发展紧密相关。 在地源熟泵中央空调水系统技术研究方面，为了适应空调负荷的变化，同时节 省输配能耗，从而确保冷水机组运行的稳定与安全，节省主机房占地面积，我国 跟随着美国在水处理技术方面也大致经历着相同的演变发展过程。上世纪6 0 年代 我国采用了开放式定转速一次泵系统，在7 0 年末到8 0 年代初采用了负荷侧采用三 通阀的定流量一次泵系统，在8 0 年代中经历着负荷侧采甩二通阀的定转速变流量 一次泵系统，在8 0 年代末至9 0 年代中经历了定流量一次泵台数控制的变流量二 6 工程硕士学位论文地源热泵中央空调系统水量及水质动态监测技术研究 次泵系统，在9 0 年代末至本世纪初在大、中型空调水系统中，广泛采用定流量一 次泵和变频控制的变流量二次泵系统。 表1 1 空调冷冻水系统演变表 年代系统种类优点主要问题 6 0 年代 开放式一次泵系统系统简单水泵的高差静压损失人，冷冻水易 受污染，蒸发器外表面易结垢。占 地面积大。 7 0 年代负荷侧采用三通阀的定 系统简单三通阀价贵、易堵。水泵不节能， 末至8 0流量一次泵系统输配电耗高。 年代初 8 0 年代定转速变流量一次泵系系统简单水泵不节能，输配电耗高。 中期统 8 0 年代定流鼍一次泵交流藿解决二次泵流过蒸发器的一次泵流量为定流 末至9 0二次泵系统节能量，在部分负荷时不节能。二次泵 年代初的台数控制实际上均告失败。系统 复杂，机房内需备有二组水泵，占 地面积大。 9 0 年代定流量一次泵变频控解决二次泵流过蒸发器一次泵流量为定流量， 末至本世制的变流量二次泵系统节能在部分负荷时不节能。系统复杂， 纪初机房内需各有二组水泵，占地面积 大。 1 2 2 水处理技术国内外发展现状： 水处理一直是国内外关注的问题。目前国内现状： ( 1 ) 不进行处理或采用简单地排污控制结垢或腐蚀； ( 2 ) 对补充的水进行软化来控制冷却水水质； ( 3 ) 冷却水系统增设静电水处理器防垢、除垢、杀菌和灭藻： ( 4 ) 在冷却水系统中投放药剂( 阻垢、缓蚀、杀菌、灭藻) 控制结垢、腐蚀 和微生物的繁殖。 7 l 绪论工程硕士学位论文 据统计，由于冷却水水质不合格而造成制冷系统性能下降甚至停机的也不鲜 见。 国外的研究现状： 国外空调水处理的研究已经有很长时间的发展历史，从1 9 7 3 年m e y e r 和t o d d 才建议回灌的能量可以被利用。接着的几年里，丹麦、法国、德国、荷兰、日本、 瑞士和美国的大量研究人员开始研究不同的空调水处理方案。美国a u b u m 大学在 阿拉巴马州的m o b i l e 进行了多次现场试验，取得了一定的实测数据旧。美国加州 大学的劳伦斯伯克利实验室( l a w r e n c eb e r k e l e yl a b o r a t o r y ，l b l ) 针对a u b u m 大 学现场试验建立了相应的有限差分模拟程序，并通过该程序对实验进行了模拟和分 析。清华大学的陈兆祥也建立有关承压含水层蓄冷数值模拟程序a s m p ，并根据a u b u m 大学的现场实测数据对程序进行了验证。1 9 7 8 年5 月，在美国能源部支持下，美、 法、德、日等1 3 个国家的专家建立了地下蓄热国际通讯联络组织，出版了 “a t e s n e w s l e t t e r ”( 地下含水层通报) ，现改为“s t e s n e w s l e t t e r ( 季节性通 报) 一。为了推动地下水资源的应用与发展，国际能源协会开展了a n n e x 8 ( i m p l e m e n t i n gu n d e r g r o u n d t h e 瑚a 1e n e r g ys t o r a g e ) 的相关工作，并分别于1 9 9 3 年1 0 月、1 9 9 4 年5 月和2 0 0 0 年1 1 月在德国斯图加特、瑞典乌普萨和日本东京召 开了三次专家会议。地下水处理研究的应用和发展以及遇到的问题，尤其是水质与 水量动态检测技术的探讨，为地下水源热泵技术的发展起到很好的借鉴和推动作 用。 在国外的研究小组早已发现，中央空调冷却水中含有大量的军团病菌，而且容 易以水雾、水珠等方式通过空气传播，危害不可忽视【7 】。目前，国外着重从使用“复 合水处理剂 与“离子棒静电水处理 来解决中央空调的水质问题。比如：澳大利 亚梅姆特克( m e m t e c ) 公司研制开发了蓝星系列水处理药剂，蓝星系列水处理药 剂由蓝星梅姆特克水处理技术有限公司生产。他们的产品品种多，应用广，其中 循环水系统的清洁剂、缓蚀阻垢剂、杀菌剂、预膜剂、分散剂等几十个品种行销全 世界。离子棒静电水处理利用高压静电的特性，以其操作简单、见效快、节能环保 等特点正逐渐用于空调水处理系统中。离子棒静电水处理器是由加拿大设计并正式 投入市场【引。离子棒在水处理应用实践中已成为防垢、除垢、缓蚀及杀菌灭藻不可 或缺的成员。 1 3 论文的结构安排 8 本论文的结构为绪论、本论、结论结构模式。 第l 章为绪论： 指出研究项目的意义和存在的问题，提出论点。 工程硕t z 学位论文地源热泵中央空调系统水量及水质动态监测技术研究 述。 第2 章技术要求及方案设计： 阐述本技术的总体设想。 第3 章系统硬件设计： 主要完成系统硬件方面的研究。 第4 章系统软件设计： 通过多种应用软件，编写控制器程序，实现系统的自动控制。 第2 章至第4 章为本论部分，通过大量研究数据，结合理论，围绕论点展开论 第5 章系统调试及实验结果： 为论文的结论部分，总结了1 - 4 章的内容，归纳概括研究的成果。 9 2 技术要求及方案设计 工程硕士学位论文 2 技术要求及方案设计 2 1 本研究的技术先进性论述 节能环保已经成了各种电器产品的光点，利用自然地下水的中央空调供冷 供热在环保节能这个大舞台上扮演了绝对的主角。作为政府大力扶持的产业， 企业节能降耗风潮给了中央空调行业一个极佳的市场机遇一j 。 虽然如此节能，在应用地下水源热泵更应该关注：地下水属于一种地质资 源，大量利用地下水源热泵技术，如无可靠的控制水量技术，会引起严重的后 果。地下水大量开采引起的地面沉降、地裂缝、地面塌陷等地质问题会日益显 著【l 们。为了节约地下水资源，采用地下水源热泵时，必须采取可靠的水量控制 手段，按照实际负荷开采使用是地下水源热泵应用的关键技术。我国目前实施 的水源热泵系统绝大多数是以井水作为冷热源。我国地域辽阔，东部地区成井 深度范围多以粉砂、中砂为主，西部地区有少量的硕石层，北部地区有少量火 山灰层，所以取水量容易满足工艺需求，而解决水质对设备的腐蚀处理则相当 复杂，而且具有一定的难度。个别工程项目发生了结垢堵塞、腐蚀的现象：还 有的工程项目因为维护不便且费用较高的顾虑导致建设方放弃了选择水源热 泵。因此，清洗和防腐蚀易于维护的地下水源热泵系统应成为地下水源热泵的 研究方向之一【l l 】。再者，对于地下水源热泵系统按负荷的水量控制与根据电导 率、p h 值的水质处理等引起的系统换热方面的研究还不够成熟，地下水源热泵 运行能耗特性( 水力、热力特性) 并不明显，对于掌握热泵的运行特性，乃至 工程成败大有意义。因此，研究地下水源热泵系统水量监测与水质处理，给出 工程设计值，也应成为地下水源热泵研究的一个重要方向。 本研究工作的目的就是解决地热中央空调水量监测与水质处理问题，实现 地热空调稳定运行。本技术的提出彻底解决了这一瓶颈问题，摆脱了停机维护 影响，从而实现全天候稳定供热，并且非常高的年均综合能效比和初级能源利 用率，且无环境影响，是规模化热利用的可靠及有效解决手段。 本产品主要用于宾馆、酒店、健身房、营业性洗浴场所、厂矿和学校集体 宿舍、居民住宅小区等的2 4 小时生活热水集中供应，以及食品、医药、轻纺、 化工等生产过程的产品预热或包装洗涤等热水供给。本产品的技术关键是彻底 解决了规模化热利用的两大制约瓶颈热源稳定性和经济性问题，使商业化 大规模利用产热成为可能。此外，本研究产品较市场上的普通热泵产品所能 适应的环境温度至少降低了1 2 ，大大拓展了环境地温适应能力和使用地域范 围限制。本研究产品采用了先进的模块化设计思路，可根据用户需求灵活扩展 1 0 工程硕七学位论文地源热泵中央空调系统水量及水质动态监测技术研究 容量，通过模块化组合能够适应5 - - 3 0 0 吨热水的工程规模，同时也便于企业大 规模低成本低组织生产。 本研究项目最主要的特点是将利用数值模拟和实验相结合，开发出了一种 模块化的工程型地源热泵中央空调系统产品，解决制约规模化利用地热中央空 调的瓶颈问题实时维护( 水量监测与水质处理) ，这项创新性技术使商业化 的地热中央空调广泛利用具有了广阔的发展前景。 在目前最具有发展潜力的民用建筑集中供热方面，相比与传统的家庭式热 水生产方式而言，本研究产品和技术的主要优点如下： 1 ) 折合到平均每户的投资减少，只相当于传统家庭热水器购置费的三 分之一； 2 ) 热水的生产成本减少，中央热水供应方式平均每吨热水生产成本大 大低于传统的家庭热水器生产热水的方式； 3 ) 节约了家庭的宝贵空间，无需在室内安装热水器，及引水管道、燃 气管道及大功率电缆； 4 ) 使用方便，中央热水供应方式能保证2 4 小时不间断供水，随时可以 使用，但传统家庭电热水器要等几个小时；有的则只有晚上才能使用； 5 ) 分户计量，收费合理，方便用户使用。 2 2 主要技术要求 2 2 1 地下水水质资料概述 工程勘察主要是中央空调最大水量、内部污垢及其对电能、热交换的影响， 以及结构分析【l2 1 。场地地质资料是进行地下水源热泵水质处理设计的依据。地 下水源热泵工程勘察对象主要是取水目的地的含水层及其周围地层地下水水 质，还包括热物理性质。通过场地工程勘察和区域水质资料，可以确定地下水 源热泵的水质处理多个设计参数。 工程场区的水文地质条件是决定能否采用地下水地源热泵系统的关键所在 【1 3 】，它直接关系到地下水的抽回灌水能力、地下水的处理方案、热源井的成 井工艺以及系统设计方案的确定。地源热泵系统工程技术规范( g b 5 0 3 6 6 2 0 0 5 ) 规定：在地下水地源热泵系统方案设计前，应根据系统对水量、 水温和水质的要求，对工程场区的水文地质条件进行勘察i l 4 。 以郑州地区为例，郑州地处华北平原西北边缘，地形特点是西北高、东南 低，东北、北、西三面环山，属典型暖温带半湿润大陆性季风气候i l 引。该地区 水系属河海流域，河网较发达，有大小河流1 0 0 余条，分属五大水系。该地区 2 技术要求及方案设计工程硕士学位论文 第四系地层结构具有典型的冲洪积扇和冲洪积平原特征，其大致规律为：厚度 自西向东逐渐增加，颗粒由粗变细，层次由少变多，地下水类型由潜水变为承 压水，含水层的富水性和渗透性逐渐降低，常年地下水温一般在1 4 , - , - , 1 6 左右， 根据地下水源热泵系统应用对水温地质条件的要求以及适应性，大致可分为三 个区。 1 区( 适应性较好区) 。该区的含水层的深有性能很强，地下水富水性好， 水质也较为优良，可以保证地下水源热泵系统较大的需水量，有利于实现地下 水的回灌，对水源热泵机组或换热器的腐蚀性较小，是地下水源热泵系统应用 适应性较好的区域1 1 6 | 。该区域的水文地质条件特征为：地层岩性主要为单层砂 卵砾石含水层和多层砂卵砾石含水层，西薄东厚，单井涌水量大于4 5 0 0 m 3 d 多 层砂卵砾石含水层可视为潜水和承压水的过渡带，有的含水层单层厚度不足 1 5 m ，累计厚度不足4 0 m ，单井涌水量大于2 8 0 0 m 3 d ，渗透系数2 0 0 3 0 0 m d 。 2 区( 适应性一般区) 。该区含水层的富水性和渗透性好，水质也不错，只 要系统的需水规模和水质处理适当，也比较适于采用地下水源热泵系统。该区 主要位于郑州郊区，水文地质条件特征为：潜水向承压水过渡，岩性主要为多 个砂砾石和少数砂层含水层。含水层单层厚度一般小于l o m ，单井涌水量大于 1 8 0 0 m 3 d ( 降深5 m ) ，渗透系数1 0 0 2 0 0 m d 。 3 区( 适应性较差区) 。由于该区含水层的富水性和渗透性较差，水质较差， 在该区域应用地下水地源热泵技术必须慎重，建议对系统的取水量不宜过大。 该区主要位于郑州近郊区东部，水文地质条件特征为：地层岩性主要为有多个 砂层和少数砂砾石层含水层，为承压水。含水层单层厚度一般小于l o m ，单井 涌水量小于1 5 0 0 m 3 d ( 降深5 m ) ，渗透系数小于l o o m d 。 显然，水文地质条件比较好的l 区，其含水层的富水性和渗透性以及单眼 井的抽回灌能力都优于3 区，是地下水地源热泵应用的主要区域。单眼热源井 的冷、热源供应能力高，不但可以降低施工难度以及打井成本，而且可以提高 热源井的使用寿命【1 7 】。 因此，对于拟采用地下水地源热泵系统的工程，必须重视工程厂区的水文 地质条件，尽量选择1 区或2 区这类水文地质条件的区域；还要重视对工程场 区常年水温、水质、水量速、水流向与含水层之间黏土层厚度的勘察，重视水 文分析，掌握水质中铁、钙镁离子、腐蚀气体等的含量，对水质达不到要求的， 要及时采取除铁、防结垢、防腐蚀等措施，同时，还要对周围其他邻居单位热 源井分布和使用情况作出充分的调查和研究，另外，水文地质勘查的实施单位 还必须掌握场区地下水的实际水迁移速度和流向等原始数据，这对地源热泵系 统井的合理设计以及季节性的换季轮换使用都能起到重要的作用【1 8 】。 1 2 工程硕士学位论文地源热泵中央空调系统水量及水质动态监测技术研究 表2 1 水质基准 冷却水系统冷水系统倾向 生 基准项目 循环水 腐成 循环水补充水( 2 0 以补充水 下) 蚀水 垢 p h 2 5 6 8 - 8 26 0 - 8 06 8 - 8 26 0 - 8 0 有有 电导率 2 5 8 0 0 以下 3 0 0 以下 4 0 0 以下3 0 0 以下有有 氯离子c l - ( m g c l 一几)2 0 0 以下5 0 以下2 0 0 以下5 0 以下有 硫酸根离子s 0 2 - 4 ( m g l )2 0 0 以下 5 0 以下 2 0 0 以下5 0 以下有 酸消耗量 p h 4 8 1 0 0 以下5 0 以下1 0 0 以下 5 0 以下有 ( m g c a c 0 3 l ) 全硬度( m g c a c 0 3 l )2 0 0 以下5 0 以下2 0 0 以下5 0 以下有 钙硬度( m g c a c 0 3 l )1 5 0 以下3 0 以下1 5 0 以下1 5 0 以下有 氧化硅( m g s i 0 2 l )5 0 以下3 0 以下3 0 以下3 0 以下有 2 2 2 空调水系统水质存在的问题 1 ) 结垢 地源热泵中央空调机组为了节能一般采用深井水，有些系统也采用自来水，不管 是井水还是自来水，都具有一定的硬度 1 9 】。如果是井水，硬度会更高。此外，有些地 区的水源来源于或经过石灰岩岩层，所以，水的硬度会比其他地区更高。水源热泵中 央空调水系统产生结垢的另一个原因是水温的动态变化，尤其是在负荷波动不稳定 的情况下，水温的变化会加速水垢的形成。水的硬度很高的地源热泵中央空调系统运 行一段时间之后，就会在冷凝器换热铜管中或水管中产生大量水垢，水垢主要是水中 的重碳酸钙发生如下反应所致。 c a ( h c 0 3 ) 2 1 3 2 技术要求及方案设计工程硕士学位论文 v c a c 0 3 + c 0 2 + h 2 0 为了阻止地源热泵中央空调水系统的结垢问题，目前很多工程采取电子处理方 法( 包括静电处理、电磁极化、高频电场磁化等) 【z 。可是，如果对于磁水器的安装 数量及安装位置设计的不够合理，就会对整个水系统产生严重腐蚀，它的负面作用远 远大于正面作用，对空调设备及水系统造成严重的危害。如郑州的一个2 8 层的高层 建筑的空调系统中，使用的全是进口中央空调，设计部门在水系统中设计并安装了大 约是几台电磁水处理器，系统运行中没有再采取其他水处理方法。空调设备仅运行了 一年多就发生了严重腐蚀f a 题。经水样化验，水中c u z + 离子浓度竟然高达 4 8 m g l ，f e 2 - i - 高达1 9 0 m g l 。 2 ) 腐蚀 地源热泵中央空调水系统发生的腐蚀一般属于电化学腐蚀，严重损害冷凝器或 管道内壁腐蚀的因素主要是水的各离子含量、p h 值、溶解氧等。 极：f e v f e “+ 2 e ， 阴极：1 2 0 2 + h 2 0 + 2 e v 2 0 h 阴阳两极反应所生成的f e ( o h ) 3 就是我们通常所说的铁锈，一般肉眼看见的铁 锈是f e 2 0 3 n h 2 0 ，又叫做含水氧化铁。如果地源热泵中央空调水系统中的冷凝器是 铜管，当水中存在有c u 2 + 时，即使其在水中的浓度很低，但它是阴极反应的去极化剂， 从而对腐蚀有显著的促进作用。 阳极：f e v f e 2 + + 2 e 阴极：c u 2 + + 2 e v c u 随着c u 2 + 浓度的增加，腐蚀反应也会加剧，最终导致铜管腐蚀穿孔。通常状态下， 缓蚀剂或钝化剂的加入，或者使用电磁处理，对程度较轻的腐蚀问题，可以起到有 效的缓解作用。 3 ) 污泥和藻类 因为冷却水温度适中，容易滋生大量的细菌、微生物及藻类等有害物质l z l j 。目 前，有些地源热泵中央空调机组工程实例中在冷却水泵入口前的立管上安装除污 器，除污器都是y 型过滤器。这种y 型过滤器，只能捕捉设备运行初期的水中垃圾， 阻止这些垃圾进入冷凝器，却不能在日常运行中捕捉细小水垢和锈垢，最终导致冷凝 器积垢、积泥和其他杂质等问题出现。此外，还有部分单位的中央空调水系统在最低 1 4 工程硕士学位论文地源热泵中央空调系统水量及水质动态监测技术研究 处根本没有安装快速排污阀，更有甚者，个别工程中还用封堵塞住了这些排污口，其 实这种做法是极其错误的，容易使制冷机组内积聚污泥和杂质等有害物质，严重影响 热交换效率。大凡采用电磁水处理的水系统，都必须要安装排污管道，进行连续不断 的排污处理，排污量可以控制在循环水量的o s 1 - - - 1 1 左右。开式循环空调水 系统，必须要设置过滤器，计算过滤器的过滤能力，应该根据当地大气的含尘量