国家标准《地源热泵系统工程技术规范》
[ 2011-6-28 ]
GB50366-2005设计要点解析
中国建筑科学研究院空气调节研究所 邹瑜 徐伟 冯小梅
摘要：本文针对不同地源热泵系统的特点，结合《规范》条文，对地源热泵系统设计特点、方法及要点进行了深入分析，为地源热泵系统的设计提供指导。
关键词：地源热泵系统、设计要点、系统优化
1 前言
实施可持续发展能源战略已成为新时期我国能源发展的基本方针，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。
由于地源热泵系统的特殊性，其设计方法是其关键与难点，也是业内人士普遍关注的问题，同时也是国外热点课题，在新颁布的《规范》中首次对其设计方法提出了具体要求。为了加深对规范条文的理解，本文对其部分要点内容进行解析。
2 《规范》的适用范围及地源热泵系统的定义
2.1 《规范》的适用范围
该《规范》适用于以岩土体、地下水、地表水为低温热源，以水或添加防冻剂的水溶液为传热介质，采用蒸气压缩热泵技术进行供热、空调或加热生活热水的系统工程的设计、施工及验收。它包括以下两方面的含义：
（1）“以水或添加防冻剂的水溶液为传热介质”，意旨不适用于直接膨胀热泵系统，即直接将蒸发器或冷凝器埋入地下的一种热泵系统。该系统目前在北美地区别墅或小型商用建筑中应用，它优点是成孔直径小，效率高，也可避免使用防冻剂；但制冷剂泄漏危险性较大，仅适于小规模应用。
（2）“采用蒸气压缩热泵技术进行……” 意旨不包括吸收式热泵。
2.2 地源热泵系统的定义
地源热泵系统根据地热能交换系统形式的不同，分为地埋管地源热泵系统（简称地埋管系统）、地下水地源热泵系统（简称地下水系统）和地表水地源热泵系统（简称地表水系统）。其中地埋管地源热泵系统，也称地耦合系统（closed-loop ground-coupled heat pump system）或土壤源地源热泵系统，考虑实际应用中人们的称呼习惯，同时便于理解，本规范定义为地埋管地源热泵系统。地表水系统中的地表水是一个广义概念，包括河流、湖泊、海水、中水或达到国家排放标准的污水、废水等。只要是以岩土体、地下水或地表水为低温热源，由水源热泵机组、地热能交换系统、建筑物内系统组成的供热空调系统，统称为地源热泵系统。
3 地源热泵系统的设计特点
（1）地源热泵系统受低位热源条件的制约
l 对地埋管系统，除了要有足够埋管区域，还要有比较适合的岩土体特性。坚硬的岩土体将增加施工难度及初投资，而松软岩土体的地质变形对地埋管换热器也会产生不利影响。为此，工程勘察完成后，应对地埋管换热系统实施的可行性及经济性进行评估。
l 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回灌能力。《规范》中强制规定“地下水换热系统应根据水文地质勘察资料进行设计，并必须采取可靠回灌措施，确保置换冷量或热量后的地下水全部回灌到同一含水层，不得对地下水资源造成浪费及污染。系统投入运行后，应对抽水量、回灌量及其水质进行监测。”
l 对地表水系统，设计前应对地表水系统运行对水环境的影响进行评估；地表水换热系统设计方案应根据水面用途，地表水深度、面积，地表水水质、水位、水温情况综合确定。
（2）地源热泵系统受低位热源的影响很大
低位热源的不定因素非常多，不同的地区、不同的气象条件，甚至同一地区，不同区域，低位热源也会有很大差异，这些因素都会对地源热泵系统设计带来影响。如地埋管系统，岩土体热物性对地埋管换热器的换热效果有很大影响，单位管长换热能力差别可达3倍或更多。
（3）设计相对复杂
l 低位热源换热系统是地源热泵系统特有的内容，也是地源热泵系统设计的关键和难点。地下换热过程是一个复杂的非稳态过程，影响因素众多，计算过程复杂，通常需要借助专用软件才能实现；
l 地源热泵系统设计应考虑低位热源长期运行的稳定性。方案设计时应对若干年后岩土体的温度变化；地下水水量、温度的变化，地表水体温度的变化进行预测，根据预测结果确定应采用的系统方案；
l 地源热泵系统与常规系统相比，增加了低位热源换热部分的投资，且投资比例较高，为了提高地源热泵系统的综合效益，或由于受客观条件限制，低位热源不能满足供热或供冷要求时，通常采用混合式地源热泵系统，即采用辅助冷热源与地源热泵系统相结合的方式。确定辅助冷热源的过程，也就是方案优化的过程，无形中提高了方案设计的难度。
4 地源热泵系统设计要点
4.1 地埋管系统
由于地埋管系统通过埋管换热方式将浅层地热能资源加以利用，避免了对地下水资源的依赖，近年来得到了越来越广泛的应用。但地埋管系统的设计方法一直没有明确规定，通常设计院将地埋管换热设计交给专业工程公司完成。除少数有一定技术实力的公司，引进了国外软件，可作一些分析外，通常专业公司只是根据设计负荷，按经验估算确定埋管数量及埋深，对动态负荷的影响缺乏分析，对长期运行效果没有预测，造成地埋管区域岩土体温度持续升高或降低，从而影响地埋管换热器的换热性能，降低地埋管换热系统的运行效率。
因此，保证地埋管系统长期稳定运行是地埋管换热系统设计的首要问题，在保证需求的条件下，地埋管换热系统设计应尽可能降低初投资及运行费用。
地埋管系统是否能够可靠运行取决于埋管区域岩土体温度是否能长期稳定。
以一栋总建筑面积为
表1－1 地埋管换热器出口传热介质夏季最高温度（℃）变化
|
地区 |
吸、释热量比例 |
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
|
北京 |
1：2.36 |
33.10 |
34.25 |
35.21 |
35.86 |
36.40 |
|
上海 |
1：5.0 |
36.17 |
38.31 |
39.89 |
41.18 |
42.15 |
|
沈阳 |
1：1.28 |
27.99 |
28.11 |
28.19 |
28.19 |
28.18 |
|
齐齐哈尔 |
1：0.67 |
27.88 |
26.57 |
25.66 |
25.01 |
24.52 |
注：表中数据引自中国建筑科学研究院研究报告《地埋管地源热泵系统优化设计分析》
表1－2 地埋管换热器出口传热介质冬季最低温度（℃）变化
|
地区 |
吸、释热量比例 |
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
|
北京 |
1：2.36 |
5.51 |
6.77 |
7.63 |
8.24 |
8.72 |
|
上海 |
1：5.0 |
5.69 |
7.81 |
9.33 |
10.47 |
11.28 |
|
沈阳 |
1：1.28 |
6.05 |
6.10 |
6.17 |
6.19 |
6.24 |
|
齐齐哈尔 |
1：0.67 |
3.87 |
2.31 |
1.46 |
0.86 |
0.38 |
注：表中数据引自中国建筑科学研究院研究报告《地埋管地源热泵系统优化设计分析》
由表1－1、表1－2可见，由于吸、释热量不平衡，造成岩土体温度的持续升高或降低，导致进入水源热泵机组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，不仅影响地源热泵系统的供冷供热效果，也降低了地源热泵系统的整体节能性。为此《规范》明确规定，“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1年。计算周期内，地源热泵系统总释热量宜与其总吸热量相平衡。”
地埋管换热器设计是地埋管系统设计特有的内容和核心。由于地埋管换热器换热效果不仅受岩土体导热性能及地下水流动情况等地质条件的影响，同时建筑物全年动态负荷、岩土体温度的变化、地埋管管材、地埋管形式及传热介质特性等因素都会影响地埋管换热器的换热效果。
地埋管换热器有两种主要形式，即竖直地埋管换热器（以下简称竖直埋管）和水平地埋管换热器（以下简称水平埋管）。由于水平埋管占地面积较大，目前应用以竖直埋管居多。
l 岩土体热物性的确定
岩土体热物性的确定是竖直埋管设计的关键。《规范》中规定“地埋管换热器设计计算宜根据现场实测岩土体及回填料热物性参数进行”。岩土体热物性可以通过现场测试，以扰动－响应方式获得，即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、扩散系数及温度。分析方法主要有3种，即线源理论、柱源理论及数值算法。实际应用中，如有可能，应尽量采用两种以上的方法同时分析，以提高分析的可靠性。
目前测试设备有两种，一种是小型便携式，一种是大型车载系统，后者可以提供较大能量加热系统，最新设备还可以提供冷冻水测试冬季运行工况，具有更好精度及可靠性。
l 竖直埋管地下传热计算
地下传热模型基本是建立在线源理论或柱源理论基础上。1954年Ingersoll 和Zobel提出将柱源传热方程作为计算埋管换热器的合适方法，1985年Kavanaugh考虑U型排列和逐时热流变化对该方法进行了改进。
实际工程设计中很少使用这种乏味的计算，20世纪80年代人们更倾向于根据经验进行设计。80年代末，瑞典开发出一套计算结果可靠且使用简单的软件，其数值模型采用的是Eskilson（1987）提出的方法，该方法结合解析与数值模拟技术，确定钻孔周围的温度分布，在一定初始及边界条件下，对同一土质内单一钻孔建立瞬时有限差分方程，进行二维数值计算获得单孔周围的温度分布。通过对单孔温度场的附加，得到整个埋管区域相应的温度情况。为便于计算，将埋管区域的温度响应转换成一系列无因次温度响应系数，这些系数被称为g-functions。通过g-functions可以计算一个时间步长的阶梯热输入引起的埋管温度的变化，有了g-functions，任意释热源或吸热源影响都可转化成一系列阶梯热脉冲进行计算。1999年Yavuzturk和Spitler对Eskilson的g-functions进行了改进，使该方法适用于短时间热脉冲。
1984年Kavanaugh使用圆柱形源项处理，利用稳态方法和有效热阻方法近似模拟逐时吸热与释热变化过程。《规范》中附录B，采用类似方法，给出了竖直地埋管换热器的设计计算方法，供设计选用。
l 水平埋管由于占地问题，大多城市住宅或公建均很难采用。由于应用较少，国内外对其换热机理研究也很少，目前主要是根据经验数值进行估算。2003年ASHRAE手册给出了一些推荐数据，供设计选用。主流地埋管设计软件基本上均包括水平埋管的计算。
通常地埋管设计计算是由软件完成的。一方面是因为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算；另一方面地埋管设计需要预测随建筑负荷的变化埋管换热器逐时热响应情况及岩土体长期温度变换情况。加拿大国家标准（CAN/CSA-C448.1）中对地埋管系统设计软件明确提出了以下要求：
1 能计算或输入建筑物全年动态负荷；
2 能计算当地岩土体平均温度及地表温度波幅；
3 能模拟岩土体与换热管间的热传递及岩土体长期储热效果；
4 能计算岩土体、传热介质及换热管的热物性；
5 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）。
为此，《规范》中规定“地埋管设计宜采用专用软件进行。”
判断软件复杂程度的标准有两个：一是在满足埋管换热器设计要求的前提下，用户输入最少，计算时间最短；二是要求能模拟预测随建筑负荷变化，埋管换热器逐时热响应情况。
目前，在国际上比较认可的有建立在g-functions算法基础上瑞典隆德Lund大学开发的EED程序，美国威斯康星Wisconsin-Madison大学Solar Energy 实验室（SEL）开发的TRNSYS程序，美国俄克拉荷马州Oklahoma大学开发的GLHEPRO程序。此外还有加拿大NRC开发的GS2000，以及建立在利用稳态方法和有效热阻方法近似模拟基础上的软件GchpCalc等。
4.2 地下水系统
地下水系统是目前地源热泵系统应用最广的一种形式，据不完全统计目前国内地下水项目已近300个。对于较大系统，地下水系统的投资远低于地埋管系统，这也是该系统得以广泛应用的主要原因。
（1） 热源井设计必须保证持续出水量需求及长期可靠回灌
不得对地下水资源造成浪费和污染，是地下水系统应用的前提。地下水属于一种地质资源，如无可靠的回灌，不仅造成水资源的浪费，同时地下水大量开采还会引起的地面沉降、地裂缝、地面塌陷等地质问题。在国内的实际使用过程中，由于地质及成井工艺的问题，回灌堵塞问题时有发生。堵塞原因与热源井设计及施工工艺密切相关，为此《规范》明确要求“热源井的设计单位应具有水文地质勘察资质”；设计时热源井井口应严格封闭并采取减少空气侵入的措施也是保障可靠回灌的必要措施。
（2） 水质处理
水质处理是地下水系统的另一关键。地下水水质复杂，有害成分有：铁、锰、钙、镁、二氧化碳、溶解氧、氯离子、酸碱度等。为保证系统正常运行，通常根据地下水的水质不同，采用相应的处理措施，主要包括除砂、除铁等。为了保证水源热泵机组的正常运行，《规范》要求“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。”
（3） 地下水流量控制
抽水泵功耗过高是目前地下水系统运行存在的普遍问题。在对国内部分地下水系统的调查时发现，大多地下水系统没有调节措施，长期定流量运行，只有少数系统采用了台数控制。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25％或更多，使系统整体性能系数降低。
根据负荷需求调节地下水流量，具有很大节能潜力。《规范》中也建议“水系统宜采用变流量设计”。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。
北京市海淀区对水源热泵回灌下游水质跟踪检测三年多，未发现有污染和异常。欧洲、北美等地，已使用20～30年。只要严格控制凿井深度在浅表地层，严格禁止深入饮用水层以避免对饮用水的层间交叉污染，同时在设计、施工上严格把关，真正做到可靠回灌，地下水系统不会对地下水资源造成浪费和污染。
4.3 地表水系统
地表水系统分开式和闭式两种，开式系统类似于地下水系统，闭式系统类似于地埋管系统。但是地表水体的热特性与地下水或地埋管系统有很大不同。
与地埋管系统相比，地表水系统的优势是没有钻孔或挖掘费用，投资相对低；缺点是设在公共水体中的换热管有被损害的危险，而且如果水体小或浅，水体温度随空气温度变化较大。
（1） 设计前应评估系统运行对水环境的影响
预测地表水系统长期运行对水体温度的影响，避免对水体生态环境产生影响。确定换热盘管敷设位置及方式时，应考虑对行船等水面用途的影响。
（2） 掌握地表水的水温动态变化规律是闭式系统设计的前提。地表水体的热传导主要有三种形式，一是太阳辐射热，二是与周围空气间的对流换热，三是与岩土体间的热传导。由于很难获得水体温度的实测数据，通常水体温度是根据室外空气温度，通过软件模拟计算获得。
（3） 与地埋管系统一样，闭式地表水系统设计也是借助软件进行。
（4） 利用TRNSYS建立地表水换热模型，模拟冬夏吸释热量不平衡时水体温度的变化。对地表水体进行10年运行期的换热模拟发现每年的温度变化基本一致。说明地表水体与外界环境换热量相对较大，一般可以消除冬夏吸释热量不平衡对水体温度的影响。
（5） 与地下水系统相类似，地表水系统同样面临水质处理的问题。就海水源系统来说，该问题更加突出。我国滨临渤海、黄海、东海、南海，有着很长的海岸线，海水作为热容量****的水体，理应成为地表水系统的****低位热源。但海水对设备的腐蚀性成为海水源热泵发展的一个瓶颈。为此《规范》中特别对海水源系统作了如下规定“当地表水体为海水时，与海水接触的所有设备、部件及管道应具有防腐、防生物附着的能力；与海水连通的所有设备、部件及管道应具有过滤、清理的功能。”
4.4 建筑物内系统
（1） 选用适宜地源热泵系统的水源热泵机组
国家现行标准《水源热泵机组》GB/T19409中，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，如表2所示，设计时应正确选用。
表2 水源热泵机组正常工作的冷（热）源温度范围
|
系统形式 |
正常工作的冷（热）源温度范围 | |
|
水环热泵系统 |
20～ |
15～ |
|
地下水热泵系统 |
10～ |
10～ |
|
地埋管热泵系统 |
10～ |
－5～25℃（制热） |
（2） 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，设计时应按实际水温参数进行设备选型。进入机组温度不同，机组COP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，提高系统节能率。
4.5 地源热泵系统优化
（1） 辅助冷热源优化配置
带辅助冷热源的混合式系统，由于它可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。《规范》中规定“在技术经济合理时，可采用辅助热源或冷却源与地埋管换热器并用的调峰形式。”
对混合式系统的优化模拟分析，即以生命周期内费用最低为目标，对混合式系统运行能耗及投资情况进行模拟计算分析，优化配置辅助加热及散热设备，也是目前国际上广泛研究与分析的热点。
与地源热泵系统设计相关的软件有两大类，一类是埋管换热器设计软件，另一类就是能够提供方案优化分析、模拟系统能耗及经济分析的软件。许多软件均具备双重功能，如TRNSYS、GS2000等。
（2） 优化确定地下水流量
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。该项工作对有效降低地下水系统运行费用至关重要。
（3） 节能控制策略
l 地源热泵系统宜采用变水量设计
针对典型建筑模型，利用TRNSYS建立地下水能耗模拟模型，对定流量运行能耗进行模拟，模拟结果如表3所示：
|
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 |
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 |
|
总计 |
8760 |
14626 |
48352 |
31955 |
94933 |
|
百分比 |
15 |
51 |
34 |
100 | |
表3 定流量运行能耗模拟结果
注：表中数据引自中国建筑科学研究院研究报告《地下(表)水地源热泵系统优化模拟分析》
由表3可见，水泵电耗占全年总耗电量的34％。如果水泵流量根据负荷需求进行变频控制，理论模拟结果为：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；所有水泵电耗由总电耗的34%降为19%。
可见采取变流量措施具有明显节能效益。
l 地埋管系统应根据负荷变化，配合变流量措施，采用分区轮换间歇运行的方式，使岩土体温度得到有效恢复，提高系统换热效率。
5 结束语
地源热泵技术应用时间不长，我国在设计方法上的研究还很不够，受基础研究及实践经验限制，有些内容只能引用国外文献。随着地源热泵技术不断发展，实践经验的不断丰富，地源热泵系统应用技术也会不断完善。