1、國家標準國家標準地源熱泵系統工程技術規范地源熱泵系統工程技術規范GB50366-2005 設計要點解析設計要點解析中國建筑科學研究院空調所中國建筑科學研究院空調所 馮曉梅馮曉梅 l 介紹內容介紹內容u 規范規范編制背景編制背景u 規范規范適用范圍及術語適用范圍及術語u 地源熱泵系統的主要特點地源熱泵系統的主要特點u 地源熱泵系統的設計要點地源熱泵系統的設計要點u 結束語結束語l 我國能源形勢發展的需要我國能源形勢發展的需要。能源和環境是影響國民。能源和環境是影響國民經濟可持續發展的關鍵因素，能源供應形勢直接關經濟可持續發展的關鍵因素，能源供應形勢直接關系到國家的安全和社會穩定。系到國家的安全和

2、社會穩定。 l 可再生能源在建筑中的應用是建筑節能工作的重要可再生能源在建筑中的應用是建筑節能工作的重要組成部分。組成部分。地源熱泵系統是可再生能源應用的主要地源熱泵系統是可再生能源應用的主要途徑之一途徑之一，也是最利于與太陽能供熱系統相結合的，也是最利于與太陽能供熱系統相結合的系統形式。系統形式。l 地源熱泵系統利用淺層地熱能資源進行供熱與空調，地源熱泵系統利用淺層地熱能資源進行供熱與空調，具有具有良好的節能與環境效益良好的節能與環境效益，近年來在國內得到了，近年來在國內得到了日益廣泛的應用。日益廣泛的應用。l 1 規范編制背景規范編制背景l 但由于缺乏相應規范的約束，地源熱泵系統的推廣但由

3、于缺乏相應規范的約束，地源熱泵系統的推廣呈現出很大盲目性，許多項目在沒有對當地資源狀呈現出很大盲目性，許多項目在沒有對當地資源狀況進行充分評估的條件下就匆匆上馬況進行充分評估的條件下就匆匆上馬 ，造成了地源，造成了地源熱泵系統工作不正常。熱泵系統工作不正常。l 為規范地源熱泵系統的設計、施工及驗收，確保地為規范地源熱泵系統的設計、施工及驗收，確保地源熱泵系統安全可靠的運行，更好的發揮其節能效源熱泵系統安全可靠的運行，更好的發揮其節能效益，特制定本規范。益，特制定本規范。 l本規范適用于以巖土體、地下水、地表水為低本規范適用于以巖土體、地下水、地表水為低溫熱源，以溫熱源，以水或添加防凍劑的水溶液

4、為傳熱介水或添加防凍劑的水溶液為傳熱介質質，采用，采用蒸氣壓縮蒸氣壓縮熱泵技術進行供熱、空調或熱泵技術進行供熱、空調或加熱生活熱水的系統工程的設計、施工及驗收。加熱生活熱水的系統工程的設計、施工及驗收。l 2 規范規范適用范圍及術語適用范圍及術語l 根據根據地熱能交換系統形式地熱能交換系統形式的不同，地源熱泵的不同，地源熱泵系統分為系統分為地埋管地埋管地源熱泵系統、地源熱泵系統、地下水地下水地源地源熱泵系統和熱泵系統和地表水地表水地源熱泵系統。地源熱泵系統。l 只要是以巖土體、地下水或地表水為低溫熱只要是以巖土體、地下水或地表水為低溫熱源，由源，由水源熱泵機組、地熱能交換系統、建水源熱泵機組、

5、地熱能交換系統、建筑物內系統筑物內系統組成的供熱空調系統，統稱為地組成的供熱空調系統，統稱為地源熱泵系統。源熱泵系統。 l 地源熱泵系統的定義地源熱泵系統的定義地埋管地源熱泵系統地埋管地源熱泵系統地下水地源熱泵系統地下水地源熱泵系統 閉式地表水地源熱泵系統閉式地表水地源熱泵系統 開式地表水地源熱泵系統開式地表水地源熱泵系統 l 3 地源熱泵系統的設計特點地源熱泵系統的設計特點u 地源熱泵系統受低位熱源條件的制約地源熱泵系統受低位熱源條件的制約l對地埋管系統，除了要有足夠的埋管區域，對地埋管系統，除了要有足夠的埋管區域，還要有比較適合的還要有比較適合的巖土體巖土體特性。特性。l對地下水系統，首先

6、要有持續水源的保證，對地下水系統，首先要有持續水源的保證，同時還要具備可靠的同時還要具備可靠的回灌回灌能力。能力。l對地表水系統，應根據水面用途，地表水深對地表水系統，應根據水面用途，地表水深度、面積、地表水水質、水位、水溫情況綜度、面積、地表水水質、水位、水溫情況綜合確定。合確定。u 設計相對復雜設計相對復雜l地熱能交換系統計算過程復雜，通常需要借助專地熱能交換系統計算過程復雜，通常需要借助專用軟件才能實現。用軟件才能實現。l地源熱泵系統設計應考慮低位熱源長期運行的穩地源熱泵系統設計應考慮低位熱源長期運行的穩定性。定性。l經方案論證，當技術經濟合理時，可以采用輔助經方案論證，當技術經濟合理時

7、，可以采用輔助冷熱源與地源熱泵系統相結合的方式。冷熱源與地源熱泵系統相結合的方式。l地埋管換熱系統設計應進行全年動態負荷計算，地埋管換熱系統設計應進行全年動態負荷計算，最小計算周期宜為最小計算周期宜為1 1年。計算周期內，地源熱泵系年。計算周期內，地源熱泵系統總統總釋熱量宜與其總吸熱量相平衡釋熱量宜與其總吸熱量相平衡。 以一棟總建筑面積為以一棟總建筑面積為2100m2100m2 2的小型辦公建筑為例，選取的小型辦公建筑為例，選取了四個具有代表性的地區：北京、上海、沈陽和齊齊哈爾，了四個具有代表性的地區：北京、上海、沈陽和齊齊哈爾，進行模擬分析。進行模擬分析。 l 4 地源熱泵系統設計要點地源熱

8、泵系統設計要點u 4.1 4.1 地埋管地源熱泵系統地埋管地源熱泵系統n 4.1.1 4.1.1 負荷計算負荷計算北京地區的地埋管地源熱泵系統連續運行五年后，埋管換熱北京地區的地埋管地源熱泵系統連續運行五年后，埋管換熱器進、出口的傳熱介質溫度波動情況器進、出口的傳熱介質溫度波動情況 巖土體的吸、釋熱量比例為巖土體的吸、釋熱量比例為1 1：2.362.36每年進入熱泵機組的傳熱介質的最高每年進入熱泵機組的傳熱介質的最高/ /低溫度值低溫度值 無輔助設備的熱泵系統連續運行5年的結果（北京） 運行時間（年） 1 2 3 4 5 年最高溫度 （） 33.10 34.25 35.21 35.86 36.

9、40 年最低溫度 （） 5.51 6.77 7.63 8.24 8.72 巖土體的吸、釋熱量比例為巖土體的吸、釋熱量比例為1 1：5.05.0 每年進入熱泵機組的傳熱介質的最高每年進入熱泵機組的傳熱介質的最高/ /低溫度值低溫度值 表1-2無輔助設備的熱泵系統連續運行5年的結果（上海） 運行時間（年） 1 2 3 4 5 年最高溫度 （） 36.17 38.31 39.89 41.18 42.15 年最低溫度 （） 5.69 7.81 9.33 10.47 11.28 巖土體的吸、釋熱量比例為巖土體的吸、釋熱量比例為1 1：1.281.28每年進入熱泵機組的傳熱介質的最高每年進入熱泵機組的傳熱

10、介質的最高/ /低溫度值低溫度值 表1-3無輔助設備的熱泵系統連續運行5年的結果（沈陽） 運行時間（年） 1 2 3 4 5 年最高溫度 （） 27.99 28.11 28.19 28.19 28.18 年最低溫度 （） 6.05 6.10 6.17 6.19 6.24 巖土體的吸、釋熱量比例為巖土體的吸、釋熱量比例為1 1：0.670.67每年進入熱泵機組的傳熱介質的最高每年進入熱泵機組的傳熱介質的最高/ /低溫度值低溫度值 表1-4無輔 助設 備的 熱泵 系統連 續運 行5年的 結果 （齊齊 哈爾 ） 運行時 間（ 年） 1 2 3 4 5 年最高 溫度 （ ） 27.88 26.57 2

11、5.66 25.01 24.52 年最低 溫度 （ ） 3.87 2.31 1.46 0.86 0.38 l由上表可以看出，由于吸、釋熱量不平衡，造成由上表可以看出，由于吸、釋熱量不平衡，造成巖土體溫度持續升高或降低，導致進入熱泵機組巖土體溫度持續升高或降低，導致進入熱泵機組的傳熱介質溫度變化很大，該溫度的提高或降低，的傳熱介質溫度變化很大，該溫度的提高或降低，都會帶來水源熱泵機組性能系數的降低，因此地都會帶來水源熱泵機組性能系數的降低，因此地源熱泵系統總源熱泵系統總釋熱量宜與其總吸熱量相平衡釋熱量宜與其總吸熱量相平衡。l地埋管換熱器設計計算宜根據現場實測巖土體及回填料地埋管換熱器設計計算宜根

12、據現場實測巖土體及回填料熱物性參數進行，豎直地埋管換熱器的設計也可按本規熱物性參數進行，豎直地埋管換熱器的設計也可按本規范附錄范附錄B B的方法進行計算。的方法進行計算。l巖土體熱物性可以通過現場測試，以擾動響應方式模巖土體熱物性可以通過現場測試，以擾動響應方式模擬換熱情況。擬換熱情況。l在擬埋管區域安裝同規格同深度的豎直埋管，通過水環在擬埋管區域安裝同規格同深度的豎直埋管，通過水環路，將一定熱量（擾動）加給豎直埋管，記錄熱響應數路，將一定熱量（擾動）加給豎直埋管，記錄熱響應數據。通過對這些數據的分析，獲得測試區域巖土體的導據。通過對這些數據的分析，獲得測試區域巖土體的導熱系數、擴散系數、溫度

13、及單孔換熱量。熱系數、擴散系數、溫度及單孔換熱量。u 4.1 4.1 地埋管地源熱泵系統地埋管地源熱泵系統n 4.1.2 4.1.2 地埋管換熱器設計地埋管換熱器設計l巖土體熱物性測試：巖土體熱物性測試：測試時間測試時間363648h;48h;供熱量供熱量505080W/m;80W/m; 流量滿足供回水溫差流量滿足供回水溫差11112222；等待期：等待期：3 35d5d巖土體熱物性測試巖土體熱物性測試以擾動響應方以擾動響應方式模擬、計算換熱情況：式模擬、計算換熱情況： 地埋管換熱器設計由軟件完成l 一方面地下換熱過程的復雜性，為盡可能節約埋一方面地下換熱過程的復雜性，為盡可能節約埋管費用，需

14、要對埋管數量作準確計算。管費用，需要對埋管數量作準確計算。l 另一方面地埋管設計需要預測隨建筑負荷的變化另一方面地埋管設計需要預測隨建筑負荷的變化地埋管換熱器逐時熱響應情況及巖土體長期溫度地埋管換熱器逐時熱響應情況及巖土體長期溫度變化情況。變化情況。 u 4.1 4.1 地埋管地源熱泵系統地埋管地源熱泵系統n 4.1.3 4.1.3 設計軟件設計軟件設計軟件應具有以下功能：應具有以下功能：1 1 能計算或輸入建筑物全年動態負荷；能計算或輸入建筑物全年動態負荷；2 2 能計算巖土體平均溫度及地表溫度波幅；能計算巖土體平均溫度及地表溫度波幅；3 3 能模擬巖土體與換熱管間的熱傳遞及巖土體長期能模擬

15、巖土體與換熱管間的熱傳遞及巖土體長期 熱效果；熱效果；4 4 能計算巖土體、傳熱介質及換熱管的熱物性；能計算巖土體、傳熱介質及換熱管的熱物性；5 5 能對所設計系統的地埋管換熱器的結構進行模擬能對所設計系統的地埋管換熱器的結構進行模擬（如鉆孔直徑、換熱器類型、灌漿情況等）。（如鉆孔直徑、換熱器類型、灌漿情況等）。 l目前常用地埋管地源熱泵系統地下換熱器設計計算目前常用地埋管地源熱泵系統地下換熱器設計計算分析軟件主要有：分析軟件主要有：瑞典隆德瑞典隆德LundLund大學開發的大學開發的EEDEED（Earth Energy DesignerEarth Energy Designer）程序；）程

16、序；美國威斯康星美國威斯康星Wisconsin-MadisonWisconsin-Madison大學大學Solar Energy Solar Energy 實驗室（實驗室（SELSEL） 開發的開發的TRNSYSTRNSYS程序；程序；美國俄克拉荷馬州美國俄克拉荷馬州OklahomaOklahoma大學開發的大學開發的GLHEPROGLHEPRO程序。程序。除此之外國際上地源熱泵設計軟件還有除此之外國際上地源熱泵設計軟件還有LUND PROGRAMSLUND PROGRAMS、GLGS GLGS 、ECAECA、WFEAWFEA、GS2000GS2000、GEOCALCGEOCALC等等。等等

17、。這些軟件基本都基于瑞典隆德大學這些軟件基本都基于瑞典隆德大學g-Functionsg-Functions算法，并且得到試驗驗算法，并且得到試驗驗 證及廣泛采用。證及廣泛采用。（1 1）熱源井設計必須保證持續出水量需）熱源井設計必須保證持續出水量需 求及長期可靠回灌求及長期可靠回灌熱源井的設計單位應具有水文地質勘察資質熱源井的設計單位應具有水文地質勘察資質 采取減少空氣侵入的措施采取減少空氣侵入的措施 熱源井井口應嚴格封閉熱源井井口應嚴格封閉 u 4.2 4.2 地下水換熱系統地下水換熱系統 在實際工程中，由于地質及成井工藝的問題，回灌在實際工程中，由于地質及成井工藝的問題，回灌堵塞現象時有發

18、生，堵塞原因與熱源井設計及施工工堵塞現象時有發生，堵塞原因與熱源井設計及施工工藝密切相關。因此規定：藝密切相關。因此規定：（2 2）水質處理）水質處理u 4.2 4.2 地下水換熱系統地下水換熱系統 地下水水質復雜，有害成分有：地下水水質復雜，有害成分有：鐵、錳、鈣、鎂、二鐵、錳、鈣、鎂、二氧化碳、溶解氧、氯離子、酸堿度氧化碳、溶解氧、氯離子、酸堿度等。為保證系統正等。為保證系統正常運行，通常根據地下水的水質不同，采用相應的處常運行，通常根據地下水的水質不同，采用相應的處理措施，主要包括理措施，主要包括除砂、除鐵除砂、除鐵等。為了保證水源熱泵等。為了保證水源熱泵機組的正常運行，機組的正常運行，

19、規范規范要求要求“地下水換熱系統應地下水換熱系統應根據水源水質條件采用直接或間接系統。根據水源水質條件采用直接或間接系統。”（3 3）地下水流量控制）地下水流量控制u 4.2 4.2 地下水換熱系統地下水換熱系統l抽水泵功耗過高是目前地下水系統運行存在的普遍問題。抽水泵功耗過高是目前地下水系統運行存在的普遍問題。據相關資料介紹，在不良的設計中，井水泵的功耗可以占據相關資料介紹，在不良的設計中，井水泵的功耗可以占總能耗的總能耗的25或更多，使系統整體性能系數降低。或更多，使系統整體性能系數降低。 l根據負荷需求調節地下水流量，具有很大節能潛力。根據負荷需求調節地下水流量，具有很大節能潛力。規規范

20、范中也建議中也建議“水系統宜采用變流量設計水系統宜采用變流量設計”。常用抽水泵。常用抽水泵控制方法有：設置雙限溫度的雙位控制、變速控制和多井控制方法有：設置雙限溫度的雙位控制、變速控制和多井調節控制。在設計時應根據抽水井數、系統形式和初投資調節控制。在設計時應根據抽水井數、系統形式和初投資綜合選用適合的控制方式。綜合選用適合的控制方式。針對某典型建筑，利用針對某典型建筑，利用TrnsysTrnsys進行能耗模擬，結進行能耗模擬，結果如下（定流量）果如下（定流量）月份 小時 熱泵制冷電耗 熱泵采暖電耗 水泵電耗 合計耗電量 kWh kWh kWh kWh 1 744 0 13657 4613 1

21、8270 2 1416 0 10332 4166 14499 3 2160 0 5280 4613 9892 4 2880 0 0 0 0 5 3624 2393 0 1922 4315 6 4344 3308 0 1860 5168 7 5088 3602 0 1922 5524 8 5832 3398 0 1922 5320 9 6552 1926 0 1860 3786 10 7296 0 0 0 0 11 8016 0 6667 4464 11131 12 8760 0 12416 4613 17029 總總計計 8 87 76 60 0 1 14 46 62 26 6 4 48 83

22、 35 52 2 3 31 19 95 55 5 9 94 49 93 33 3 百百分分比比 1 15 5 5 51 1 3 34 4 1 10 00 0 針對典型建筑，利用針對典型建筑，利用TrnsysTrnsys進行能耗模擬，結果如下進行能耗模擬，結果如下 定流量定流量與與變流量變流量對比對比l大部分月份的節約電量都在一半以上，尤其是大部分月份的節約電量都在一半以上，尤其是負荷較小的月份；負荷較小的月份；l水泵電耗由總電耗的水泵電耗由總電耗的34%34%降為降為19%19%，如果抽水井，如果抽水井較淺，則這個比例可以控制在較淺，則這個比例可以控制在15%15%以內。以內。 u 由上圖可以

23、看出由上圖可以看出設計前，應對地表水地源熱泵系統長期運行時對水環境的設計前，應對地表水地源熱泵系統長期運行時對水環境的影響進行評估；影響進行評估；地表水換熱系統設計方案應根據水面用途，地表水深度、地表水換熱系統設計方案應根據水面用途，地表水深度、面積，地表水水質、水位、水溫情況綜合確定；面積，地表水水質、水位、水溫情況綜合確定； 地表水換熱盤管的換熱量應滿足地源熱泵系統最大吸熱量地表水換熱盤管的換熱量應滿足地源熱泵系統最大吸熱量或釋熱量的需要；或釋熱量的需要；水系統宜采用變流量設計水系統宜采用變流量設計 ；當地表水體為海水時，與海水接觸的所有設備、部件及管當地表水體為海水時，與海水接觸的所有設

24、備、部件及管道防腐、防生物附著能力要求。道防腐、防生物附著能力要求。 u 4.3 4.3 地表水換熱系統地表水換熱系統設計要點設計要點u 地表水換熱系統設計地表水換熱系統設計u 得熱量與散熱量得熱量與散熱量u 地表水溫度變化地表水溫度變化u 閉式地表水換熱系統設計閉式地表水換熱系統設計利用利用Trnsys Trnsys 建模計算建模計算季節性換熱不平衡對水體季節性換熱不平衡對水體長年溫度的影響。長年溫度的影響。對地表水體進行對地表水體進行1010年運行期的年運行期的換熱模擬：換熱模擬：l 每年地表水的溫度變化基本一致。每年地表水的溫度變化基本一致。l 地表水體與外界環境換熱相對頻繁，受氣象地表

25、水體與外界環境換熱相對頻繁，受氣象條件的影響較大。一般均可以消除季節性的換熱條件的影響較大。一般均可以消除季節性的換熱不平衡的影響。不平衡的影響。 u 閉式地表水換熱系統設計閉式地表水換熱系統設計利用利用Trnsys建模計算建模計算8個個不同地區的地表水溫及其換熱能力不同地區的地表水溫及其換熱能力 對對4m4m處的水體分別采用廣州、上海、北京、濟南、武漢、長沙、成都處的水體分別采用廣州、上海、北京、濟南、武漢、長沙、成都和西安等八個城市的氣象參數進行水溫變化模擬。分別整理出水體的和西安等八個城市的氣象參數進行水溫變化模擬。分別整理出水體的最高、最低和平均溫度，以及冬、夏季推薦平均換熱負荷。最高

26、、最低和平均溫度，以及冬、夏季推薦平均換熱負荷。 廣州 上海 北京 武漢 長沙 成都 西安 濟南 貴陽 最高溫度 28.37 29.59 26.63 29.40 29.57 26.44 26.07 27.42 23.79 最低溫度 10.19 4.18 0.00 4.16 5.17 6.58 2.97 0.00 5.00 平均溫度 20.94 15.97 12.63 16.53 16.96 16.38 14.10 14.01 15.44 冬季推薦平均換熱負荷(W/m2) 220 75 75 100 130 45 96 夏季推薦平均換熱負荷(W/m2) 430 370 515 380 370 5

27、25 545 475 660 u 閉式地表水換熱系統布置閉式地表水換熱系統布置u 閉式地表水換熱系統布置閉式地表水換熱系統布置選用適宜地源熱泵系統的水源熱泵機組選用適宜地源熱泵系統的水源熱泵機組 對不同地源熱泵系統，相應水源熱泵機組正常工作的冷對不同地源熱泵系統，相應水源熱泵機組正常工作的冷（熱）源溫度范圍也是不同的。如下表所示：（熱）源溫度范圍也是不同的。如下表所示： u 4.4 4.4 建筑物內系統建筑物內系統設計要點設計要點水源熱泵機組及末端設備應按實際運行參數選型水源熱泵機組及末端設備應按實際運行參數選型 不同地區巖土體、地下水或地表水水溫差別較大，設計時不同地區巖土體、地下水或地表水

28、水溫差別較大，設計時應按實際水溫參數進行設備選型。進入機組溫度不同，機應按實際水溫參數進行設備選型。進入機組溫度不同，機組組COPCOP相差很大；末端設備選擇時應適合水源熱泵機組供、相差很大；末端設備選擇時應適合水源熱泵機組供、回水溫度的特點，保證地源熱泵系統的應用效果，提高系回水溫度的特點，保證地源熱泵系統的應用效果，提高系統節能率。統節能率。 u 4.4 4.4 建筑物內系統建筑物內系統設計要點設計要點輔助冷、熱源優化配置輔助冷、熱源優化配置 l有效減少埋管數量或地下（表）水流量或地表水有效減少埋管數量或地下（表）水流量或地表水換熱盤管的數量；同時也是保障地埋管系統吸釋換熱盤管的數量；同時也是保障地埋管系統吸釋熱量平衡的主要手段，已成為地源熱泵系