地源热泵系统工程技术规范介绍

中国建筑科学研究院空调所冯晓梅

介绍内容我国能源形势开展的需要。能源和环境是影响国民经济可持续开展的关键因素，能源供给形势直接关系到国家的平安和社会稳定。可再生能源在建筑中的应用是建筑节能工作的重要组成局部。地源热泵系统是可再生能源应用的主要途径之一，也是最利于与太阳能供热系统相结合的系统形式。地源热泵系统利用浅层地热能资源进行供热与空调，具有良好的节能与环境效益，近年来在国内得到了日益广泛的应用。1标准编制背景但由于缺乏相应标准的约束，地源热泵系统的推广呈现出很大盲目性，许多工程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，造成了地源热泵系统工作不正常。为标准地源热泵系统的设计、施工及验收，确保地源热泵系统平安可靠的运行，更好的发挥其节能效益，特制定本标准。根据地热能交换系统形式的不同，地源热泵系统分为地埋管地源热泵系统、地下水地源热泵系统和地表水地源热泵系统。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。

地源热泵系统的定义地埋管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

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受低位热源条件的制约对地埋管系统，除了要有足够的埋管区域，还要有比较适合的岩土体特性。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。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、水温情况综合确定。设计相对复杂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。

以一栋总建筑面积为2100m2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，进行模拟分析。

4地源热泵系统设计要点4.1地埋管地源热泵系统4.1.1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1：2.36

每年进入热泵机组的传热介质的最高/低温度值

岩土体的吸、释热量比例为1：5.0

每年进入热泵机组的传热介质的最高/低温度值

岩土体的吸、释热量比例为1：1.28

每年进入热泵机组的传热介质的最高/低温度值

岩土体的吸、释热量比例为1：0.67

每年进入热泵机组的传热介质的最高/低温度值

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。地埋管换热器设计计算宜根据现场实测岩土体及回填料热物性参数进行，竖直地埋管换热器的设计也可按本标准附录B的方法进行计算。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。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、温度及单孔换热量。4.1地埋管地源热泵系统4.1.2地埋管换热器设计岩土体热物性测试：测试时间36～48h;供热量50～80W/m;

流量满足供回水温差11～22℃；等待期：3～5d岩土体热物性测试－以扰动－响应方式模拟、计算换热情况：测试仪器

地埋管换热器设计由软件完成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算。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变化情况。

4.1地埋管地源热泵系统4.1.3设计软件设计软件应具有以下功能：1

能计算或输入建筑物全年动态负荷；2

能计算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〕。

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：瑞典隆德Lund大学开发的EED〔EarthEnergyDesigner〕程序；美国威斯康星Wisconsin-Madison大学SolarEnergy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。除此之外国际上地源热泵设计软件还有LUNDPROGRAMS、GLGS、ECA、WFEA、GS2000、GEOCALC等等。这些软件根本都基于瑞典隆德大学g-Functions算法，并且得到试验验证及广泛采用。〔1〕热源井设计必须保证持续出水量需

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采取减少空气侵入的措施热源井井口应严格封闭

4.2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：〔2〕水质处理4.2地下水换热系统地下水水质复杂，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，?标准?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4.2地下水换热系统针对某典型建筑，利用Trnsys进行能耗模拟，结果如下〔定流量〕针对典型建筑，利用Trnsys进行能耗模拟，结果如下－－定流量与变流量比照大局部月份的节约电量都在一半以上，尤其是负荷较小的月份；水泵电耗由总电耗的34%降为19%，如果抽水井较浅，那么这个比例可以控制在15%以内。由上图可以看出设计前，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；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；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；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、部件及管道防腐、防生物附着能力要求。

4.3地表水换热系统设计要点地表水换热系统设计得热量与散热量地表水温度变化闭式地表水换热系统设计利用Trnsys建模计算季节性换热不平衡对水体常年温度的影响。对地表水体进行10年运行期的换热模拟：每年地表水的温度变化根本一致。地表水体与外界环境换热相对频繁，受气象条件的影响较大。一般均可以消除季节性的换热不平衡的影响。闭式地表水换热系统设计利用Trnsys建模计算8个不同地区的地表水温及其换热能力

对4m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。分别整理出水体的最高、最低和平均温度，以及冬、夏季推荐平均换热负荷。

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：

4.4建筑物内系统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不同地区岩土体、地下水或地表水水温差异较大，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。4.4建筑物内系统设计要点辅助冷、热源优化配置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。4.5地源热泵系统优化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，