地源热泵工程技术规范介绍

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1、国家标准国家标准地源热泵系统工程技术规范地源热泵系统工程技术规范GB50366-2005 设计要点解析设计要点解析中国建筑科学研究院空调所中国建筑科学研究院空调所 冯晓梅冯晓梅 介绍内容介绍内容u 规范规范编制背景编制背景u 规范规范适用范围及术语适用范围及术语u 地源热泵系统的主要特点地源热泵系统的主要特点u 地源热泵系统的设计要点地源热泵系统的设计要点u 结束语结束语l 我国能源形势发展的需要我国能源形势发展的需要。能源和环境是影响国民。能源和环境是影响国民经济可持续发展的关键因素，能源供应形势直接关经济可持续发展的关键因素，能源供应形势直接关系到国家的安全和社会稳定。系到国家的安全和社会

2、稳定。 l 可再生能源在建筑中的应用是建筑节能工作的重要可再生能源在建筑中的应用是建筑节能工作的重要组成部分。组成部分。地源热泵系统是可再生能源应用的主要地源热泵系统是可再生能源应用的主要途径之一途径之一，也是最利于与太阳能供热系统相结合的，也是最利于与太阳能供热系统相结合的系统形式。系统形式。l 地源热泵系统利用浅层地热能资源进行供热与空调，地源热泵系统利用浅层地热能资源进行供热与空调，具有具有良好的节能与环境效益良好的节能与环境效益，近年来在国内得到了，近年来在国内得到了日益广泛的应用。日益广泛的应用。 1 规范编制背景规范编制背景l 但由于缺乏相应规范的约束，地源热泵系统的推广但由于缺乏

3、相应规范的约束，地源热泵系统的推广呈现出很大盲目性，许多项目在没有对当地资源状呈现出很大盲目性，许多项目在没有对当地资源状况进行充分评估的条件下就匆匆上马况进行充分评估的条件下就匆匆上马 ，造成了地源，造成了地源热泵系统工作不正常。热泵系统工作不正常。l 为规范地源热泵系统的设计、施工及验收，确保地为规范地源热泵系统的设计、施工及验收，确保地源热泵系统安全可靠的运行，更好的发挥其节能效源热泵系统安全可靠的运行，更好的发挥其节能效益，特制定本规范。益，特制定本规范。 l本规范适用于以岩土体、地下水、地表水为低本规范适用于以岩土体、地下水、地表水为低温热源，以温热源，以水或添加防冻剂的水溶液为传热

4、介水或添加防冻剂的水溶液为传热介质质，采用，采用蒸气压缩蒸气压缩热泵技术进行供热、空调或热泵技术进行供热、空调或加热生活热水的系统工程的设计、施工及验收。加热生活热水的系统工程的设计、施工及验收。 2 规范规范适用范围及术语适用范围及术语l 根据根据地热能交换系统形式地热能交换系统形式的不同，地源热泵的不同，地源热泵系统分为系统分为地埋管地埋管地源热泵系统、地源热泵系统、地下水地下水地源地源热泵系统和热泵系统和地表水地表水地源热泵系统。地源热泵系统。l 只要是以岩土体、地下水或地表水为低温热只要是以岩土体、地下水或地表水为低温热源，由源，由水源热泵机组、地热能交换系统、建水源热泵机组、地热能交

5、换系统、建筑物内系统筑物内系统组成的供热空调系统，统称为地组成的供热空调系统，统称为地源热泵系统。源热泵系统。 地源热泵系统的定义地源热泵系统的定义地埋管地源热泵系统地埋管地源热泵系统地下水地源热泵系统地下水地源热泵系统 闭式地表水地源热泵系统闭式地表水地源热泵系统 开式地表水地源热泵系统开式地表水地源热泵系统 3 地源热泵系统的设计特点地源热泵系统的设计特点u 地源热泵系统受低位热源条件的制约地源热泵系统受低位热源条件的制约l对地埋管系统，除了要有足够的埋管区域，对地埋管系统，除了要有足够的埋管区域，还要有比较适合的还要有比较适合的岩土体岩土体特性。特性。l对地下水系统，首先要有持续水源的保

6、证，对地下水系统，首先要有持续水源的保证，同时还要具备可靠的同时还要具备可靠的回灌回灌能力。能力。l对地表水系统，应根据水面用途，地表水深对地表水系统，应根据水面用途，地表水深度、面积、地表水水质、水位、水温情况综度、面积、地表水水质、水位、水温情况综合确定。合确定。u 设计相对复杂设计相对复杂l地热能交换系统计算过程复杂，通常需要借助专地热能交换系统计算过程复杂，通常需要借助专用软件才能实现。用软件才能实现。l地源热泵系统设计应考虑低位热源长期运行的稳地源热泵系统设计应考虑低位热源长期运行的稳定性。定性。l经方案论证，当技术经济合理时，可以采用辅助经方案论证，当技术经济合理时，可以采用辅助冷

7、热源与地源热泵系统相结合的方式。冷热源与地源热泵系统相结合的方式。l地埋管换热系统设计应进行全年动态负荷计算，地埋管换热系统设计应进行全年动态负荷计算，最小计算周期宜为最小计算周期宜为1 1年。计算周期内，地源热泵系年。计算周期内，地源热泵系统总统总释热量宜与其总吸热量相平衡释热量宜与其总吸热量相平衡。 以一栋总建筑面积为以一栋总建筑面积为2100m2100m2 2的小型办公建筑为例，选取的小型办公建筑为例，选取了四个具有代表性的地区：北京、上海、沈阳和齐齐哈尔，了四个具有代表性的地区：北京、上海、沈阳和齐齐哈尔，进行模拟分析。进行模拟分析。 4 地源热泵系统设计要点地源热泵系统设计要点u 4

8、.1 4.1 地埋管地源热泵系统地埋管地源热泵系统n 4.1.1 4.1.1 负荷计算负荷计算北京地区的地埋管地源热泵系统连续运行五年后，埋管换热北京地区的地埋管地源热泵系统连续运行五年后，埋管换热器进、出口的传热介质温度波动情况器进、出口的传热介质温度波动情况 岩土体的吸、释热量比例为岩土体的吸、释热量比例为1 1：2.362.36每年进入热泵机组的传热介质的最高每年进入热泵机组的传热介质的最高/ /低温度值低温度值 无辅助设备的热泵系统连续运行5年的结果（北京） 运行时间（年） 1 2 3 4 5 年最高温度 （） 33.10 34.25 35.21 35.86 36.40 年最低温度 （

9、） 5.51 6.77 7.63 8.24 8.72 岩土体的吸、释热量比例为岩土体的吸、释热量比例为1 1：5.05.0 每年进入热泵机组的传热介质的最高每年进入热泵机组的传热介质的最高/ /低温度值低温度值 表1-2无辅助设备的热泵系统连续运行5年的结果（上海） 运行时间（年） 1 2 3 4 5 年最高温度 （） 36.17 38.31 39.89 41.18 42.15 年最低温度 （） 5.69 7.81 9.33 10.47 11.28 岩土体的吸、释热量比例为岩土体的吸、释热量比例为1 1：1.281.28每年进入热泵机组的传热介质的最高每年进入热泵机组的传热介质的最高/ /低温

10、度值低温度值 表1-3无辅助设备的热泵系统连续运行5年的结果（沈阳） 运行时间（年） 1 2 3 4 5 年最高温度 （） 27.99 28.11 28.19 28.19 28.18 年最低温度 （） 6.05 6.10 6.17 6.19 6.24 岩土体的吸、释热量比例为岩土体的吸、释热量比例为1 1：0.670.67每年进入热泵机组的传热介质的最高每年进入热泵机组的传热介质的最高/ /低温度值低温度值 表1-4无辅 助设 备的 热泵 系统连 续运 行5年的 结果 （齐齐 哈尔 ） 运行时 间（ 年） 1 2 3 4 5 年最高 温度 （ ） 27.88 26.57 25.66 25.01

11、 24.52 年最低 温度 （ ） 3.87 2.31 1.46 0.86 0.38 l由上表可以看出，由于吸、释热量不平衡，造成由上表可以看出，由于吸、释热量不平衡，造成岩土体温度持续升高或降低，导致进入热泵机组岩土体温度持续升高或降低，导致进入热泵机组的传热介质温度变化很大，该温度的提高或降低，的传热介质温度变化很大，该温度的提高或降低，都会带来水源热泵机组性能系数的降低，因此地都会带来水源热泵机组性能系数的降低，因此地源热泵系统总源热泵系统总释热量宜与其总吸热量相平衡释热量宜与其总吸热量相平衡。l地埋管换热器设计计算宜根据现场实测岩土体及回填料地埋管换热器设计计算宜根据现场实测岩土体及回

12、填料热物性参数进行，竖直地埋管换热器的设计也可按本规热物性参数进行，竖直地埋管换热器的设计也可按本规范附录范附录B B的方法进行计算。的方法进行计算。l岩土体热物性可以通过现场测试，以扰动响应方式模岩土体热物性可以通过现场测试，以扰动响应方式模拟换热情况。拟换热情况。l在拟埋管区域安装同规格同深度的竖直埋管，通过水环在拟埋管区域安装同规格同深度的竖直埋管，通过水环路，将一定热量（扰动）加给竖直埋管，记录热响应数路，将一定热量（扰动）加给竖直埋管，记录热响应数据。通过对这些数据的分析，获得测试区域岩土体的导据。通过对这些数据的分析，获得测试区域岩土体的导热系数、扩散系数、温度及单孔换热量。热系数

13、、扩散系数、温度及单孔换热量。u 4.1 4.1 地埋管地源热泵系统地埋管地源热泵系统n 4.1.2 4.1.2 地埋管换热器设计地埋管换热器设计l岩土体热物性测试：岩土体热物性测试：测试时间测试时间363648h;48h;供热量供热量505080W/m;80W/m; 流量满足供回水温差流量满足供回水温差11112222；等待期：等待期：3 35d5d岩土体热物性测试岩土体热物性测试以扰动响应方以扰动响应方式模拟、计算换热情况：式模拟、计算换热情况： 地埋管换热器设计由软件完成l 一方面地下换热过程的复杂性，为尽可能节约埋一方面地下换热过程的复杂性，为尽可能节约埋管费用，需要对埋管数量作准确计

14、算。管费用，需要对埋管数量作准确计算。l 另一方面地埋管设计需要预测随建筑负荷的变化另一方面地埋管设计需要预测随建筑负荷的变化地埋管换热器逐时热响应情况及岩土体长期温度地埋管换热器逐时热响应情况及岩土体长期温度变化情况。变化情况。 u 4.1 4.1 地埋管地源热泵系统地埋管地源热泵系统n 4.1.3 4.1.3 设计软件设计软件设计软件应具有以下功能：应具有以下功能：1 1 能计算或输入建筑物全年动态负荷；能计算或输入建筑物全年动态负荷；2 2 能计算岩土体平均温度及地表温度波幅；能计算岩土体平均温度及地表温度波幅；3 3 能模拟岩土体与换热管间的热传递及岩土体长期能模拟岩土体与换热管间的热

15、传递及岩土体长期 热效果；热效果；4 4 能计算岩土体、传热介质及换热管的热物性；能计算岩土体、传热介质及换热管的热物性；5 5 能对所设计系统的地埋管换热器的结构进行模拟能对所设计系统的地埋管换热器的结构进行模拟（如钻孔直径、换热器类型、灌浆情况等）。（如钻孔直径、换热器类型、灌浆情况等）。 l目前常用地埋管地源热泵系统地下换热器设计计算目前常用地埋管地源热泵系统地下换热器设计计算分析软件主要有：分析软件主要有：瑞典隆德瑞典隆德LundLund大学开发的大学开发的EEDEED（Earth Energy DesignerEarth Energy Designer）程序；）程序；美国威斯康星美国

16、威斯康星Wisconsin-MadisonWisconsin-Madison大学大学Solar Energy Solar Energy 实验室（实验室（SELSEL） 开发的开发的TRNSYSTRNSYS程序；程序；美国俄克拉荷马州美国俄克拉荷马州OklahomaOklahoma大学开发的大学开发的GLHEPROGLHEPRO程序。程序。除此之外国际上地源热泵设计软件还有除此之外国际上地源热泵设计软件还有LUND PROGRAMSLUND PROGRAMS、GLGS GLGS 、ECAECA、WFEAWFEA、GS2000GS2000、GEOCALCGEOCALC等等。等等。这些软件基本都基于

17、瑞典隆德大学这些软件基本都基于瑞典隆德大学g-Functionsg-Functions算法，并且得到试验验算法，并且得到试验验 证及广泛采用。证及广泛采用。（1 1）热源井设计必须保证持续出水量需）热源井设计必须保证持续出水量需 求及长期可靠回灌求及长期可靠回灌热源井的设计单位应具有水文地质勘察资质热源井的设计单位应具有水文地质勘察资质 采取减少空气侵入的措施采取减少空气侵入的措施 热源井井口应严格封闭热源井井口应严格封闭 u 4.2 4.2 地下水换热系统地下水换热系统 在实际工程中，由于地质及成井工艺的问题，回灌在实际工程中，由于地质及成井工艺的问题，回灌堵塞现象时有发生，堵塞原因与热源井

18、设计及施工工堵塞现象时有发生，堵塞原因与热源井设计及施工工艺密切相关。因此规定：艺密切相关。因此规定：（2 2）水质处理）水质处理u 4.2 4.2 地下水换热系统地下水换热系统 地下水水质复杂，有害成分有：地下水水质复杂，有害成分有：铁、锰、钙、镁、二铁、锰、钙、镁、二氧化碳、溶解氧、氯离子、酸碱度氧化碳、溶解氧、氯离子、酸碱度等。为保证系统正等。为保证系统正常运行，通常根据地下水的水质不同，采用相应的处常运行，通常根据地下水的水质不同，采用相应的处理措施，主要包括理措施，主要包括除砂、除铁除砂、除铁等。为了保证水源热泵等。为了保证水源热泵机组的正常运行，机组的正常运行，规范规范要求要求“地

19、下水换热系统应地下水换热系统应根据水源水质条件采用直接或间接系统。根据水源水质条件采用直接或间接系统。”（3 3）地下水流量控制）地下水流量控制u 4.2 4.2 地下水换热系统地下水换热系统l抽水泵功耗过高是目前地下水系统运行存在的普遍问题。抽水泵功耗过高是目前地下水系统运行存在的普遍问题。据相关资料介绍，在不良的设计中，井水泵的功耗可以占据相关资料介绍，在不良的设计中，井水泵的功耗可以占总能耗的总能耗的25或更多，使系统整体性能系数降低。或更多，使系统整体性能系数降低。 l根据负荷需求调节地下水流量，具有很大节能潜力。根据负荷需求调节地下水流量，具有很大节能潜力。规规范范中也建议中也建议“

20、水系统宜采用变流量设计水系统宜采用变流量设计”。常用抽水泵。常用抽水泵控制方法有：设置双限温度的双位控制、变速控制和多井控制方法有：设置双限温度的双位控制、变速控制和多井调节控制。在设计时应根据抽水井数、系统形式和初投资调节控制。在设计时应根据抽水井数、系统形式和初投资综合选用适合的控制方式。综合选用适合的控制方式。针对某典型建筑，利用针对某典型建筑，利用TrnsysTrnsys进行能耗模拟，结进行能耗模拟，结果如下（定流量）果如下（定流量）月份 小时 热泵制冷电耗 热泵采暖电耗 水泵电耗 合计耗电量 kWh kWh kWh kWh 1 744 0 13657 4613 18270 2 141

21、6 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 总总计计 8 87 76 60 0 1 14 46 62 26 6 4 48 83 35 52 2 3

22、 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 针对典型建筑，利用针对典型建筑，利用TrnsysTrnsys进行能耗模拟，结果如下进行能耗模拟，结果如下 定流量定流量与与变流量变流量对比对比l大部分月份的节约电量都在一半以上，尤其是大部分月份的节约电量都在一半以上，尤其是负荷较小的月份；负荷较小的月份；l水泵电耗由总电耗的水泵电耗由总电耗的34%34%降为降为19%19%，如果抽水井，如果抽水井较浅，则这个比例可以控制在较浅，则这个比例可以控制在15%15%以内。以内。 u 由上图可以看出由上图可以看出设

23、计前，应对地表水地源热泵系统长期运行时对水环境的设计前，应对地表水地源热泵系统长期运行时对水环境的影响进行评估；影响进行评估；地表水换热系统设计方案应根据水面用途，地表水深度、地表水换热系统设计方案应根据水面用途，地表水深度、面积，地表水水质、水位、水温情况综合确定；面积，地表水水质、水位、水温情况综合确定； 地表水换热盘管的换热量应满足地源热泵系统最大吸热量地表水换热盘管的换热量应满足地源热泵系统最大吸热量或释热量的需要；或释热量的需要；水系统宜采用变流量设计水系统宜采用变流量设计 ；当地表水体为海水时，与海水接触的所有设备、部件及管当地表水体为海水时，与海水接触的所有设备、部件及管道防腐、

24、防生物附着能力要求。道防腐、防生物附着能力要求。 u 4.3 4.3 地表水换热系统地表水换热系统设计要点设计要点u 地表水换热系统设计地表水换热系统设计u 得热量与散热量得热量与散热量u 地表水温度变化地表水温度变化u 闭式地表水换热系统设计闭式地表水换热系统设计利用利用TrnsysTrnsys 建模计算建模计算季节性换热不平衡对水体季节性换热不平衡对水体长年温度的影响。长年温度的影响。对地表水体进行对地表水体进行1010年运行期的年运行期的换热模拟：换热模拟：l 每年地表水的温度变化基本一致。每年地表水的温度变化基本一致。l 地表水体与外界环境换热相对频繁，受气象地表水体与外界环境换热相对

25、频繁，受气象条件的影响较大。一般均可以消除季节性的换热条件的影响较大。一般均可以消除季节性的换热不平衡的影响。不平衡的影响。 u 闭式地表水换热系统设计闭式地表水换热系统设计利用利用Trnsys建模计算建模计算8个个不同地区的地表水温及其换热能力不同地区的地表水温及其换热能力 对对4m4m处的水体分别采用广州、上海、北京、济南、武汉、长沙、成都处的水体分别采用广州、上海、北京、济南、武汉、长沙、成都和西安等八个城市的气象参数进行水温变化模拟。分别整理出水体的和西安等八个城市的气象参数进行水温变化模拟。分别整理出水体的最高、最低和平均温度，以及冬、夏季推荐平均换热负荷。最高、最低和平均温度，以及

26、冬、夏季推荐平均换热负荷。 广州 上海 北京 武汉 长沙 成都 西安 济南 贵阳 最高温度 28.37 29.59 26.63 29.40 29.57 26.44 26.07 27.42 23.79 最低温度 10.19 4.18 0.00 4.16 5.17 6.58 2.97 0.00 5.00 平均温度 20.94 15.97 12.63 16.53 16.96 16.38 14.10 14.01 15.44 冬季推荐平均换热负荷(W/m2) 220 75 75 100 130 45 96 夏季推荐平均换热负荷(W/m2) 430 370 515 380 370 525 545 475

27、660 u 闭式地表水换热系统布置闭式地表水换热系统布置u 闭式地表水换热系统布置闭式地表水换热系统布置选用适宜地源热泵系统的水源热泵机组选用适宜地源热泵系统的水源热泵机组 对不同地源热泵系统，相应水源热泵机组正常工作的冷对不同地源热泵系统，相应水源热泵机组正常工作的冷（热）源温度范围也是不同的。如下表所示：（热）源温度范围也是不同的。如下表所示： u 4.4 4.4 建筑物内系统建筑物内系统设计要点设计要点水源热泵机组及末端设备应按实际运行参数选型水源热泵机组及末端设备应按实际运行参数选型 不同地区岩土体、地下水或地表水水温差别较大，设计时不同地区岩土体、地下水或地表水水温差别较大，设计时应

28、按实际水温参数进行设备选型。进入机组温度不同，机应按实际水温参数进行设备选型。进入机组温度不同，机组组COPCOP相差很大；末端设备选择时应适合水源热泵机组供、相差很大；末端设备选择时应适合水源热泵机组供、回水温度的特点，保证地源热泵系统的应用效果，提高系回水温度的特点，保证地源热泵系统的应用效果，提高系统节能率。统节能率。 u 4.4 4.4 建筑物内系统建筑物内系统设计要点设计要点辅助冷、热源优化配置辅助冷、热源优化配置 l有效减少埋管数量或地下（表）水流量或地表水有效减少埋管数量或地下（表）水流量或地表水换热盘管的数量；同时也是保障地埋管系统吸释换热盘管的数量；同时也是保障地埋管系统吸释

29、热量平衡的主要手段，已成为地源热泵系统应用热量平衡的主要手段，已成为地源热泵系统应用的主要形式。的主要形式。 u 4.5 4.5 地源热泵系统优化地源热泵系统优化优化确定地下水流量优化确定地下水流量 l地下水系统设计时应以提高系统综合性能系数为目标，地下水系统设计时应以提高系统综合性能系数为目标，考虑抽水泵与水源热泵机组能耗间的平衡，确定地下水考虑抽水泵与水源热泵机组能耗间的平衡，确定地下水的取水量。地下水流量增加，水源热泵机组性能系数提的取水量。地下水流量增加，水源热泵机组性能系数提高，但抽水泵能耗明显增加；相反地下水流量较少，水高，但抽水泵能耗明显增加；相反地下水流量较少，水源热泵机组性能

30、系数较低，但抽水泵能耗明显减少，因源热泵机组性能系数较低，但抽水泵能耗明显减少，因此地下水系统设计应在两者之间寻找平衡点，同时考虑此地下水系统设计应在两者之间寻找平衡点，同时考虑部分负荷下两者的综合性能，计算不同工况下系统的综部分负荷下两者的综合性能，计算不同工况下系统的综合性能系数，优化确定地下水流量。合性能系数，优化确定地下水流量。u 4.5 4.5 地源热泵系统优化地源热泵系统优化节能控制策略节能控制策略 l地源热泵系统宜采用变水量设计。地源热泵系统宜采用变水量设计。l地埋管系统应根据负荷变化，配合变流量措施，地埋管系统应根据负荷变化，配合变流量措施，采用采用分区轮换间歇分区轮换间歇运行

31、的方式，使岩土体温度得运行的方式，使岩土体温度得到有效恢复，提高系统换热效率。到有效恢复，提高系统换热效率。u 4.5 4.5 地源热泵系统优化地源热泵系统优化l 本本规范规范的编制，对指导地源热泵系统的推广、的编制，对指导地源热泵系统的推广、应用，确保地源热泵系统安全可靠的运行，更好的应用，确保地源热泵系统安全可靠的运行，更好的发挥其节能效益具有重要的现实意义。发挥其节能效益具有重要的现实意义。l 地源热泵技术应用时间不长，受基础研究及实践经地源热泵技术应用时间不长，受基础研究及实践经验限制，有些内容只能引用国外文献。随着地源热验限制，有些内容只能引用国外文献。随着地源热泵技术不断发展，实践经验的不断丰富，本泵技术不断发展，实践经验的不断丰富，本规范规范将不断完善。将不断完善。 5 结束语结束语