1、地源熱泵系統工程技術規范 設計要點解析地源熱泵系統工程技術規范設計要點解析作者：admin2010年05月12日來源：網絡 字體：（大 中小） 點擊：3130國家標準地源熱泵系統工程技術規范GB50366-2005設計要點解析中國建筑科學研究院空氣調節研究所鄒瑜徐偉馮小梅摘要：本文針對不同地源熱泵系統的特點， 結合 規范條文，對地源熱泵系統設計特點、方法及要點進行了深入分析，為地源熱泵系統的設計 提供指導。關鍵詞：地源熱泵系統、設計要點、系統優化1 前言實施可持續發展能源戰略已成為新時 期我國能源發展的基本方針，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。2006 年1月1日可再生

2、能源法正式實施，地源熱泵系統作為可再生能源應用的主要途徑之一， 同 時也是最利于與太陽能供熱系統相結合的系統 形式，近年來在國內得到了日益廣泛的應用。 地 源熱泵系統利用淺層地熱能資源進行供熱與空 調，具有良好的節能與環境效益，但由于缺乏相 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況進行充 分評估的條件下就匆匆上馬，造成了地源熱泵系 統工作不正常，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益，由中國建筑科學研究院 主編，會同13個單位共同編制了地源熱泵系 統工程技術規范（以下簡稱規范）。該規范現 已頒布，并

3、于2006年1月1日起實施。由于地源熱泵系統的特殊性，其設計方 法是其關鍵與難點，也是業內人士普遍關注的問 題，同時也是國外熱點課題，在新頒布的規范 中首次對其設計方法提出了具體要求。為了加深 對規范條文的理解，本文對其部分要點內容進行 解析。2規范的適用范圍及地源熱泵系統的定義1.1 規范的適用范圍該規范適用于以巖土體、地下水、 地表水為低溫熱源，以水或添加防凍劑的水溶液 為傳熱介質，采用蒸氣壓縮熱泵技術進行供熱、 空調或加熱生活熱水的系統工程的設計、施工及 驗收。它包括以下兩方面的含義：（1） “以水或添加防凍劑的水溶液為傳熱介質”， 意旨不適用于直接膨脹熱泵系統，即直接將蒸發 器或冷凝器

4、埋入地下的一種熱泵系統。該系統目 前在北美地區別墅或小型商用建筑中應用，它優 點是成孔直徑小，效率高，也可避免使用防凍劑； 但制冷劑泄漏危險性較大，僅適于小規模應用。（2） “采用蒸氣壓縮熱泵技術進行”意旨不包括吸收式熱泵。1.2 地源熱泵系統的定義地源熱泵系統根據地熱能交換系統形式 的不同，分為地埋管地源熱泵系統（簡稱地埋管 系統）、地下水地源熱泵系統（簡稱地下水系統） 和地表水地源熱泵系統（簡稱地表水系統）。其 中地埋管地源熱泵系統，也稱地耦合系統(closed-loop ground-coupled heat pumpsystem)或土壤源地源熱泵系統，考慮實際應用 中人們的稱呼習慣，同

5、時便于理解，本規范定義 為地埋管地源熱泵系統。地表水系統中的地表水 是一個廣義概念，包括河流、湖泊、海水、中水 或達到國家排放標準的污水、 廢水等。只要是以 巖土體、地下水或地表水為低溫熱源，由水源熱 泵機組、地熱能交換系統、建筑物內系統組成的 供熱空調系統，統稱為地源熱泵系統。3 地源熱泵系統的設計特點(1)地源熱泵系統受低位熱源條件的制約a、對地埋管系統，除了要有足夠埋管區 域，還要有比較適合的巖土體特性。 堅硬的巖土 體將增加施工難度及初投資，而松軟巖土體的地 質變形對地埋管換熱器也會產生不利影響。為 此，工程勘察完成后，應對地埋管換熱系統實施 的可行性及經濟性進行評估。b、對地下水系統

6、，首先要有持續水源的 保證，同時還要具備可靠的回灌能力。規范 中強制規定“地下水換熱系統應根據水文地質勘察資料進行設計，并必須采取可靠回灌措施，確 保置換冷量或熱量后的地下水全部回灌到同一 含水層，不得對地下水資源造成浪費及污染。系 統投入運行后，應對抽水量、回灌量及其水質進 行監測。”c、對地表水系統，設計前應對地表水系 統運行對水環境的影響進行評估；地表水換熱系 統設計方案應根據水面用途，地表水深度、面積, 地表水水質、水位、水溫情況綜合確定。(2)地源熱泵系統受低位熱源的影響很大低位熱源的不定因素非常多，不同的地 區、不同的氣象條件，甚至同一地區，不同區域， 低位熱源也會有很大差異，這些

7、因素都會對地源 熱泵系統設計帶來影響。如地埋管系統，巖土體 熱物性對地埋管換熱器的換熱效果有很大影響， 單位管長換熱能力差別可達3倍或更多。(3)設計相對復雜a、低位熱源換熱系統是地源熱泵系統特 有的內容，也是地源熱泵系統設計的關鍵和難 點。地下換熱過程是一個復雜的非穩態過程， 影響因素眾多，計算過程復雜，通常需要借助專用 軟件才能實現；b、地源熱泵系統設計應考慮低位熱源長 期運行的穩定性。方案設計時應對若干年后巖土 體的溫度變化；地下水水量、溫度的變化，地表 水體溫度的變化進行預測，根據預測結果確定應 采用的系統方案；c、地源熱泵系統與常規系統相比，增加 了低位熱源換熱部分的投資，且投資比例

8、較高， 為了提高地源熱泵系統的綜合效益，或由于受客 觀條件限制，低位熱源不能滿足供熱或供冷要求 時，通常采用混合式地源熱泵系統，即采用輔助 冷熱源與地源熱泵系統相結合的方式。確定輔助 冷熱源的過程，也就是方案優化的過程，無形中 提高了方案設計的難度。4 地源熱泵系統設計要點4.1 地埋管系統由于地埋管系統通過埋管換熱方式將淺 層地熱能資源加以利用，避免了對地下水資源的 依賴，近年來得到了越來越廣泛的應用。 但地埋 管系統的設計方法一直沒有明確規定，通常設計 院將地埋管換熱設計交給專業工程公司完成。除 少數有一定技術實力的公司，引進了國外軟件， 可作一些分析外，通常專業公司只是根據設計負 荷，按

9、經驗估算確定埋管數量及埋深， 對動態負 荷的影響缺乏分析，對長期運行效果沒有預測， 造成地埋管區域巖土體溫度持續升高或降低，從 而影響地埋管換熱器的換熱性能，降低地埋管換 熱系統的運行效率。因此，保證地埋管系統長期穩定運行是 地埋管換熱系統設計的首要問題，在保證需求的 條件下，地埋管換熱系統設計應盡可能降低初投 資及運行費用。4.1.1 負荷計算地埋管系統是否能夠可靠運行取決于埋 管區域巖土體溫度是否能長期穩定。以一棟總建筑面積為2100m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，利用 TRNSYS（擬地源 熱泵系統連續運行五年后，地埋管換熱器出口即水源熱

10、泵機組進口的傳熱介質溫度波動情況， 見表1- 2 地埋管換熱器出口傳熱介質冬季最低溫度（C）變化地區吸、釋熱量比例北京1:2.365.516.777.638.248.72上海沈陽1:5.01:1.285.697.819.3310.4711.286.056.106.176.196.24齊齊哈1:爾 0.673.872.311.460.860.38注：表中數據引自中國建筑科學研究院研究報告 地埋管地源熱泵系統優化設計分析由表1 1、表1 2可見，由于吸、釋 熱量不平衡，造成巖土體溫度的持續升高或降 低，導致進入水源熱泵機組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

11、的降低，不僅影響地源熱泵系統的 供冷供熱效果，也降低了地源熱泵系統的整體節 能性。為此規范明確規定，“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1年。計算周期內，地源熱泵系統總釋熱量 宜與其總吸熱量相平衡。”4.1.2 地埋管換熱器設計地埋管換熱器設計是地埋管系統設計特 有的內容和核心。由于地埋管換熱器換熱效果不 僅受巖土體導熱性能及地下水流動情況等地質 條件的影響，同時建筑物全年動態負荷、巖土體 溫度的變化、地埋管管材、地埋管形式及傳熱介 質特性等因素都會影響地埋管換熱器的換熱效 果。地埋管換熱器有兩種主要形式，即豎直 地埋管換熱器（以下簡稱豎直埋管）和水平地埋 管換熱器（

12、以下簡稱水平埋管）。由于水平埋管 占地面積較大，目前應用以豎直埋管居多。巖土體熱物性的確定巖土體熱物性的確定是豎直埋管設計的 關鍵。規范中規定“地埋管換熱器設計計算 宜根據現場實測巖土體及回填料熱物性參數進 行”。巖土體熱物性可以通過現場測試，以擾動 響應方式獲得，即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、擴散系數及溫度。分析方法主要有 3種，即 線源理論、柱源理論及數值算法。實際應用中， 如有可能，應盡量采用兩種以上的方法同時分 析，以提高分析的可靠性。巖土體熱物性測試裝置如

13、圖1所示：巖土 體熱物性測試要求測試時間為 3648h,供熱量 應為5080W/m流量應滿足供回水溫差11 22 c的需要，被測豎直埋管安裝完成后，根據導 熱系數不同，需要35d的等待期，此外對測量 精度等也有具體要求。目前測試設備有兩種，一種是小型便攜式， 一種是大型車載系統，后者可以提供較大能量加 熱系統，最新設備還可以提供冷凍水測試冬季運 行工況，具有更好精度及可靠性。豎直埋管地下傳熱計算地下傳熱模型基本是建立在線源理論或 柱源理論基礎上。1954年Ingersoll 和Zobel 提出將柱源傳熱方程作為計算埋管換熱器的合 適方法，1985年Kavanaugh考慮U型排列和逐 時熱流變化

14、對該方法進行了改進。實際工程設計中很少使用這種乏味的計 算，20世紀80年代人們更傾向于根據經驗進行 設計。80年代末，瑞典開發出一套計算結果可 靠且使用簡單的軟件，其數值模型采用的是 Eskilson (1987)提出的方法，該方法結合解析 與數值模擬技術，確定鉆孔周圍的溫度分布，在 一定初始及邊界條件下，對同一土質內單一鉆孔 建立瞬時有限差分方程，進行二維數值計算獲得 單孔周圍的溫度分布。通過對單孔溫度場的附 加，得到整個埋管區域相應的溫度情況。 為便于 計算，將埋管區域的溫度響應轉換成一系列無因次溫度響應系數）這些系數被稱為g-functions 通過g-functions 可以計算一個

15、時間步長的階 梯熱輸入引起的埋管溫度的變化，有了 g-functions ，任意釋熱源或吸熱源影響都可轉 化成一系列階梯熱脈沖進行計算。1999年 Yavuzturk 和 Spitler 對 Eskilson 的 g-functions 進行了改進，使該方法適用于短時 間熱脈沖。1984年Kavanaugh使用圓柱形源項處 理，利用穩態方法和有效熱阻方法近似模擬逐時 吸熱與釋熱變化過程。規范中附錄 B,采用 類似方法，給出了豎直地埋管換熱器的設計計算 方法，供設計選用。注：水平埋管由于占地問題，大多城市 住宅或公建均很難采用。由于應用較少，國內外 對其換熱機理研究也很少，目前主要是根據經驗 數

16、值進行估算。2003年ASHRAE冊給出了一些 推薦數據，供設計選用。主流地埋管設計軟件基 本上均包括水平埋管的計算。4.1.3 設計軟件通常地埋管設計計算是由軟件完成的。 一 方面是因為地下換熱過程的復雜性，為盡可能節 約埋管費用，需要對埋管數量作準確計算；另一 方面地埋管設計需要預測隨建筑負荷的變化埋 管換熱器逐時熱響應情況及巖土體長期溫度變 換情況。加拿大國家標準（CAN/CSA-C448.D中 對地埋管系統設計軟件明確提出了以下要求：a、能計算或輸入建筑物全年動態負荷；b、能計算當地巖土體平均溫度及地表溫 度波幅；c、能模擬巖土體與換熱管間的熱傳遞及 巖土體長期儲熱效果；d、能計算巖土

17、體、傳熱介質及換熱管的 熱物性；e、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）。為此，規范中規定“地埋管設計宜采用專用軟件進行判斷軟件復雜程度的標準有兩個：一是 在滿足埋管換熱器設計要求的前提下，用戶輸入 最少，計算時間最短；二是要求能模擬預測隨建 筑負荷變化，埋管換熱器逐時熱響應情況。目前，在國際上比較認可的有建立在 g-functions 算法基礎上瑞典隆德Lund大學開 發的EE陽序，美國威斯康星 Wisconsin-Madison 大學 Solar Energy 實驗室 (SELL開發的TRNSY程序，美國俄克拉荷馬州 Oklahoma大學開

18、發的GLHEPRO序。此外還有 加拿大NRO發的GS2000以及建立在利用穩 態方法和有效熱阻方法近似模擬基礎上的軟件 GchpCalc 等。4.2 地下水系統地下水系統是目前地源熱泵系統應用最 廣的一種形式，據不完全統計目前國內地下水項 目已近300個。對于較大系統，地下水系統的投 資遠低于地埋管系統，這也是該系統得以廣泛應 用的主要原因。熱源井設計必須保證持續出水量需求及 長期可靠回灌不得對地下水資源造成浪費和污染，是 地下水系統應用的前提。地下水屬于一種地質資 源，如無可靠的回灌，不僅造成水資源的浪費， 同時地下水大量開采還會引起的地面沉降、地裂 縫、地面塌陷等地質問題。在國內的實際使用

19、過 程中，由于地質及成井工藝的問題，回灌堵塞問 題時有發生。堵塞原因與熱源井設計及施工工藝 密切相關，為此規范明確要求“熱源井的設 計單位應具有水文地質勘察資質”；設計時熱源 井井口應嚴格封閉并采取減少空氣侵入的措施 也是保障可靠回灌的必要措施。水質處理水質處理是地下水系統的另一關鍵。地 下水水質復雜，有害成分有：鐵、鎰、鈣、鎂、 二氧化碳、溶解氧、氯離子、酸堿度等。為保證 系統正常運行，通常根據地下水的水質不同，采 用相應的處理措施，主要包括除砂、除鐵等。為 了保證水源熱泵機組的正常運行，規范要求“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。”地下水流量控制抽水泵功耗過高是目前地下

20、水系統運行 存在的普遍問題。在對國內部分地下水系統的調 查時發現，大多地下水系統沒有調節措施，長期 定流量運行，只有少數系統采用了臺數控制。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25%或更多，使系統整體性能 系數降低。根據負荷需求調節地下水流量，具有很 大節能潛力。規范中也建議“水系統宜采用 變流量設計”。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。北京市海淀區對水源熱泵回灌下游水質 跟蹤檢測三年多，未發現有污染和異常。歐洲、 北美等地，已使用2030年。只要嚴格控制鑿 井深

21、度在淺表地層，嚴格禁止深入飲用水層以避免對飲用水的層間交叉污染，同時在設計、施工 上嚴格把關，真正做到可靠回灌，地下水系統不 會對地下水資源造成浪費和污染。4.3 地表水系統地表水系統分開式和閉式兩種，開式系 統類似于地下水系統，閉式系統類似于地埋管系 統。但是地表水體的熱特性與地下水或地埋管系 統有很大不同。與地埋管系統相比，地表水系統的優勢 是沒有鉆孔或挖掘費用，投資相對低；缺點是設 在公共水體中的換熱管有被損害的危險， 而且如 果水體小或淺，水體溫度隨空氣溫度變化較大。設計前應評估系統運行對水環境的影響a、預測地表水系統長期運行對水體溫度 的影響，避免對水體生態環境產生影響。 確定換 熱

22、盤管敷設位置及方式時，應考慮對行船等水面 用途的影響。b、掌握地表水的水溫動態變化規律是閉 式系統設計的前提。地表水體的熱傳導主要有三 種形式，一是太陽輻射熱，二是與周圍空氣間的 對流換熱，三是與巖土體間的熱傳導。由于很難 獲得水體溫度的實測數據，通常水體溫度是根據 室外空氣溫度，通過軟件模擬計算獲得。c、與地埋管系統一樣，閉式地表水系統 設計也是借助軟件進行。d、利用TRNSY健立地表水換熱模型， 模擬冬夏吸釋熱量不平衡時水體溫度的變化。對 地表水體進行10年運行期的換熱模擬發現每年 的溫度變化基本一致。說明地表水體與外界環境 換熱量相對較大，一般可以消除冬夏吸釋熱量不 平衡對水體溫度的影響

23、。e、與地下水系統相類似，地表水系統同 樣面臨水質處理的問題。就海水源系統來說，該 問題更加突出。我國濱臨渤海、黃海、東海、南 海，有著很長的海岸線，海水作為熱容量最大的 水體，理應成為地表水系統的首選低位熱源。但 海水對設備的腐蝕性成為海水源熱泵發展的一 個瓶頸。為此規范中特別對海水源系統作了 如下規定“當地表水體為海水時，與海水接觸的 所有設備、部件及管道應具有防腐、防生物附著的能力；與海水連通的所有設備、部件及管道應 具有過濾、清理的功能。”選用適宜地源熱泵系統的水源熱泵機組 國家現行標準水源熱泵機組GB/T19409中，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

24、也是不 同的，如表2所示，設計時應正確選用。表2水源熱泵機組正常工作的冷（熱）源溫度 范圍系統形式 正常工作的冷（熱）源溫度范圍水環熱泵系統2040c （制冷）地下水熱泵系統1025c （制冷）地埋管熱泵系 1040c （制統冷）1530c （制執）八、/1025c （制執）八、/525c （制執）八、/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，設計時應按實際水溫參數進行設備 選型。進入機組溫度不同，機組 CORK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 系統節能率。4.5地源熱泵系統優化輔

25、助冷熱源優化配置帶輔助冷熱源的混合式系統，由于它可 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 熱量平衡的主要手段，已成為地源熱泵系統應用 的主要形式。規范中規定“在技術經濟合理 時，可采用輔助熱源或冷卻源與地埋管換熱器并 用的調峰形式。”對混合式系統的優化模擬分析，即以生 命周期內費用最低為目標，對混合式系統運行能 耗及投資情況進行模擬計算分析，優化配置輔助 加熱及散熱設備，也是目前國際上廣泛研究與分 析的熱點。與地源熱泵系統設計相關的軟件有兩大 類，一類是埋管換熱器設計軟件，另一類就是能 夠提供方案優化分析、模擬系統能耗及經濟分析 的軟件。許多軟件均具備雙重功能，如 TRNSYS GS200埠優化確定地下水流量地下水系統設計時應以提高系統綜合性 能系數為目標，考慮抽水泵與水源熱泵機組能耗 間的平衡，確定地下水的取水量。地下水流量增 加，水源熱泵機組性能系數提高，但抽水泵能耗 明顯增加；相反地下水流量較少，水源熱泵機組 性能系數較低，但抽水泵能耗明顯減少，因此地 下水系統設計應在兩者之間