地源熱泵系統(tǒng)工程技術(shù)規(guī)范介紹

中國建筑科學(xué)研究院空調(diào)所馮曉梅

介紹內(nèi)容我國能源形勢開展的需要。能源和環(huán)境是影響國民經(jīng)濟可持續(xù)開展的關(guān)鍵因素，能源供給形勢直接關(guān)系到國家的平安和社會穩(wěn)定。可再生能源在建筑中的應(yīng)用是建筑節(jié)能工作的重要組成局部。地源熱泵系統(tǒng)是可再生能源應(yīng)用的主要途徑之一，也是最利于與太陽能供熱系統(tǒng)相結(jié)合的系統(tǒng)形式。地源熱泵系統(tǒng)利用淺層地?zé)崮苜Y源進行供熱與空調(diào)，具有良好的節(jié)能與環(huán)境效益，近年來在國內(nèi)得到了日益廣泛的應(yīng)用。1標(biāo)準(zhǔn)編制背景但由于缺乏相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)的約束，地源熱泵系統(tǒng)的推廣呈現(xiàn)出很大盲目性，許多工程在沒有對當(dāng)?shù)刭Y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(tǒng)工作不正常。為標(biāo)準(zhǔn)地源熱泵系統(tǒng)的設(shè)計、施工及驗收，確保地源熱泵系統(tǒng)平安可靠的運行，更好的發(fā)揮其節(jié)能效益，特制定本標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)地?zé)崮芙粨Q系統(tǒng)形式的不同，地源熱泵系統(tǒng)分為地埋管地源熱泵系統(tǒng)、地下水地源熱泵系統(tǒng)和地表水地源熱泵系統(tǒng)。只要是以巖土體、地下水或地表水為低溫?zé)嵩?，由水源熱泵機組、地?zé)崮芙粨Q系統(tǒng)、建筑物內(nèi)系統(tǒng)組成的供熱空調(diào)系統(tǒng)，統(tǒng)稱為地源熱泵系統(tǒng)。

地源熱泵系統(tǒng)的定義地埋管地源熱泵系統(tǒng)地下水地源熱泵系統(tǒng)

閉式地表水地源熱泵系統(tǒng)

開式地表水地源熱泵系統(tǒng)

3地源熱泵系統(tǒng)的設(shè)計特點地源熱泵系統(tǒng)受低位熱源條件的制約對地埋管系統(tǒng)，除了要有足夠的埋管區(qū)域，還要有比較適合的巖土體特性。對地下水系統(tǒng)，首先要有持續(xù)水源的保證，同時還要具備可靠的回灌能力。對地表水系統(tǒng)，應(yīng)根據(jù)水面用途，地表水深度、面積、地表水水質(zhì)、水位、水溫情況綜合確定。設(shè)計相對復(fù)雜地埋管換熱系統(tǒng)設(shè)計應(yīng)進行全年動態(tài)負荷計算，最小計算周期宜為1年。計算周期內(nèi)，地源熱泵系統(tǒng)總釋熱量宜與其總吸熱量相平衡。

以一棟總建筑面積為2100m2的小型辦公建筑為例，選取了四個具有代表性的地區(qū)：北京、上海、沈陽和齊齊哈爾，進行模擬分析。

4地源熱泵系統(tǒng)設(shè)計要點4.1地埋管地源熱泵系統(tǒng)4.1.1負荷計算北京地區(qū)的地埋管地源熱泵系統(tǒng)連續(xù)運行五年后，埋管換熱器進、出口的傳熱介質(zhì)溫度波動情況

巖土體的吸、釋熱量比例為1：2.36

每年進入熱泵機組的傳熱介質(zhì)的最高/低溫度值

巖土體的吸、釋熱量比例為1：5.0

每年進入熱泵機組的傳熱介質(zhì)的最高/低溫度值

巖土體的吸、釋熱量比例為1：1.28

每年進入熱泵機組的傳熱介質(zhì)的最高/低溫度值

巖土體的吸、釋熱量比例為1：0.67

每年進入熱泵機組的傳熱介質(zhì)的最高/低溫度值

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(xù)升高或降低，導(dǎo)致進入熱泵機組的傳熱介質(zhì)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(shù)的降低，因此地源熱泵系統(tǒng)總釋熱量宜與其總吸熱量相平衡。地埋管換熱器設(shè)計計算宜根據(jù)現(xiàn)場實測巖土體及回填料熱物性參數(shù)進行，豎直地埋管換熱器的設(shè)計也可按本標(biāo)準(zhǔn)附錄B的方法進行計算。巖土體熱物性可以通過現(xiàn)場測試，以擾動－響應(yīng)方式模擬換熱情況。在擬埋管區(qū)域安裝同規(guī)格同深度的豎直埋管，通過水環(huán)路，將一定熱量〔擾動〕加給豎直埋管，記錄熱響應(yīng)數(shù)據(jù)。通過對這些數(shù)據(jù)的分析，獲得測試區(qū)域巖土體的導(dǎo)熱系數(shù)、擴散系數(shù)、溫度及單孔換熱量。4.1地埋管地源熱泵系統(tǒng)4.1.2地埋管換熱器設(shè)計巖土體熱物性測試：測試時間36～48h;供熱量50～80W/m;

流量滿足供回水溫差11～22℃；等待期：3～5d巖土體熱物性測試－以擾動－響應(yīng)方式模擬、計算換熱情況：測試儀器

地埋管換熱器設(shè)計由軟件完成一方面地下?lián)Q熱過程的復(fù)雜性，為盡可能節(jié)約埋管費用，需要對埋管數(shù)量作準(zhǔn)確計算。另一方面地埋管設(shè)計需要預(yù)測隨建筑負荷的變化地埋管換熱器逐時熱響應(yīng)情況及巖土體長期溫度變化情況。

4.1地埋管地源熱泵系統(tǒng)4.1.3設(shè)計軟件設(shè)計軟件應(yīng)具有以下功能：1

能計算或輸入建筑物全年動態(tài)負荷；2

能計算巖土體平均溫度及地表溫度波幅；3

能模擬巖土體與換熱管間的熱傳遞及巖土體長期熱效果；4

能計算巖土體、傳熱介質(zhì)及換熱管的熱物性；5

能對所設(shè)計系統(tǒng)的地埋管換熱器的結(jié)構(gòu)進行模擬〔如鉆孔直徑、換熱器類型、灌漿情況等〕。

目前常用地埋管地源熱泵系統(tǒng)地下?lián)Q熱器設(shè)計計算分析軟件主要有：瑞典隆德Lund大學(xué)開發(fā)的EED〔EarthEnergyDesigner〕程序；美國威斯康星Wisconsin-Madison大學(xué)SolarEnergy實驗室〔SEL〕開發(fā)的TRNSYS程序；美國俄克拉荷馬州Oklahoma大學(xué)開發(fā)的GLHEPRO程序。除此之外國際上地源熱泵設(shè)計軟件還有LUNDPROGRAMS、GLGS、ECA、WFEA、GS2000、GEOCALC等等。這些軟件根本都基于瑞典隆德大學(xué)g-Functions算法，并且得到試驗驗證及廣泛采用?！?〕熱源井設(shè)計必須保證持續(xù)出水量需

求及長期可靠回灌熱源井的設(shè)計單位應(yīng)具有水文地質(zhì)勘察資質(zhì)采取減少空氣侵入的措施熱源井井口應(yīng)嚴格封閉

4.2地下水換熱系統(tǒng)

在實際工程中，由于地質(zhì)及成井工藝的問題，回灌堵塞現(xiàn)象時有發(fā)生，堵塞原因與熱源井設(shè)計及施工工藝密切相關(guān)。因此規(guī)定：〔2〕水質(zhì)處理4.2地下水換熱系統(tǒng)地下水水質(zhì)復(fù)雜，有害成分有：鐵、錳、鈣、鎂、二氧化碳、溶解氧、氯離子、酸堿度等。為保證系統(tǒng)正常運行，通常根據(jù)地下水的水質(zhì)不同，采用相應(yīng)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，?標(biāo)準(zhǔn)?要求“地下水換熱系統(tǒng)應(yīng)根據(jù)水源水質(zhì)條件采用直接或間接系統(tǒng)。〞〔3〕地下水流量控制4.2地下水換熱系統(tǒng)針對某典型建筑，利用Trnsys進行能耗模擬，結(jié)果如下〔定流量〕針對典型建筑，利用Trnsys進行能耗模擬，結(jié)果如下－－定流量與變流量比照大局部月份的節(jié)約電量都在一半以上，尤其是負荷較小的月份；水泵電耗由總電耗的34%降為19%，如果抽水井較淺，那么這個比例可以控制在15%以內(nèi)。由上圖可以看出設(shè)計前，應(yīng)對地表水地源熱泵系統(tǒng)長期運行時對水環(huán)境的影響進行評估；地表水換熱系統(tǒng)設(shè)計方案應(yīng)根據(jù)水面用途，地表水深度、面積，地表水水質(zhì)、水位、水溫情況綜合確定；地表水換熱盤管的換熱量應(yīng)滿足地源熱泵系統(tǒng)最大吸熱量或釋熱量的需要；水系統(tǒng)宜采用變流量設(shè)計；當(dāng)?shù)乇硭w為海水時，與海水接觸的所有設(shè)備、部件及管道防腐、防生物附著能力要求。

4.3地表水換熱系統(tǒng)設(shè)計要點地表水換熱系統(tǒng)設(shè)計得熱量與散熱量地表水溫度變化閉式地表水換熱系統(tǒng)設(shè)計利用Trnsys建模計算季節(jié)性換熱不平衡對水體常年溫度的影響。對地表水體進行10年運行期的換熱模擬：每年地表水的溫度變化根本一致。地表水體與外界環(huán)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(jié)性的換熱不平衡的影響。閉式地表水換熱系統(tǒng)設(shè)計利用Trnsys建模計算8個不同地區(qū)的地表水溫及其換熱能力

對4m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(shù)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。

閉式地表水換熱系統(tǒng)布置閉式地表水換熱系統(tǒng)布置選用適宜地源熱泵系統(tǒng)的水源熱泵機組對不同地源熱泵系統(tǒng)，相應(yīng)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：

4.4建筑物內(nèi)系統(tǒng)設(shè)計要點水源熱泵機組及末端設(shè)備應(yīng)按實際運行參數(shù)選型不同地區(qū)巖土體、地下水或地表水水溫差異較大，設(shè)計時應(yīng)按實際水溫參數(shù)進行設(shè)備選型。進入機組溫度不同，機組COP相差很大；末端設(shè)備選擇時應(yīng)適合水源熱泵機組供、回水溫度的特點，保證地源熱泵系統(tǒng)的應(yīng)用效果，提高系統(tǒng)節(jié)能率。4.4建筑物內(nèi)系統(tǒng)設(shè)計要點輔助冷、熱源優(yōu)化配置有效減少埋管數(shù)量或地下〔表〕水流量或地表水換熱盤管的數(shù)量；同時也是保障地埋管系統(tǒng)吸釋熱量平衡的主要手段，已成為地源熱泵系統(tǒng)應(yīng)用的主要形式。4.5地源熱泵系統(tǒng)優(yōu)化優(yōu)化確定地下水流量地下水系統(tǒng)設(shè)計時應(yīng)以提高系統(tǒng)綜合性能系數(shù)為目標(biāo)，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(shù)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(shù)較低，但抽水泵能耗明顯減少，