地源热泵设计规范.docVIP

中华人民共和国国家标准地源热泵系统工程技术规范Technical code for ground-source heat pump systemGB50366-2005局部修订（征求意见稿）局部修订说明根据住房和城乡建设部关于印发“2008年工程建设标准规范制订、修订计划（第一批）”的通知（建标2008102号）文件的要求，于2008年6月至2008年12月，对地源热泵系统工程技术规范GB50366-2005进行局部修订。参编单位基本不变。地源热泵系统工程技术规范GB50366-2005自实施以来，对地源热泵空调技术在我国健康快速的发展和应用起到了很好的指导和规范作用。然而，随着地埋管地源热泵系统研究和应用的不断深入，如何正确获得岩土热物性参数，并用来指导地源热泵系统的设计，规范中并没有明确的规范和约束。因此，在实际的地埋管地源热泵系统的设计和应用中，存在有一定的盲目性和随意性：(1) 简单的按照每延米换热量来指导地埋管地源热泵系统的设计和应用，给地埋管地源热泵系统的长期稳定运行埋下了很多隐患；(2) 没有统一的规范对岩土热物性参数的测试方法和手段进行指导和约束，造成岩土热物性参数测试结果不一致，致使地埋管地源热泵系统在应用过程中存在一些争议。为了使地源热泵系统工程技术规范GB50366-2005更加完善合理，统一规范岩土热物性参数测试方法，正确指导地埋管地源热泵系统的设计和应用，本次修订增加补充了岩土热物性参数测试方法及相关内容，并在此基础上，对相关条文进行了修订。修订的条文如下：1) 在地源热泵系统工程技术规范GB50366-2005第二章“术语”及其相应的条文说明中，增加五条术语：2.0.25 岩土热响应试验2.0.26岩土热物性参数2.0.27岩土的初始温度2.0.28岩土柱状图2.0.29测试孔（槽）2) 在地源热泵系统工程技术规范GB50366-2005第三章“工程勘察”中第3.2节：地埋管换热系统勘察中，增加第3.2.3条和第3.2.4条；3) 在地源热泵系统工程技术规范GB50366-2005条文说明第三章“工程勘察”中，对第3.2.2条进行了修订；4) 在地源热泵系统工程技术规范GB50366-2005第四章“地埋管换热系统”中，增加第4.3.6条，将原4.3.6条及以后条文序号相应顺延；5) 在地源热泵系统工程技术规范GB50366-2005第四章“地埋管换热系统”中，对第4.3.13条及其相应的条文说明进行了修订；6) 在地源热泵系统工程技术规范GB50366-2005条文说明第四章“地埋管换热系统”中，对第4.3.14条中的公式（4）进行的修改。7) 在地源热泵系统工程技术规范GB50366-2005增加附录C：岩土热响应试验方法。2 术 语2.0.25 岩土热响应试验 rock-soil thermal response test通过测试仪器，对项目所在场区的测试孔（槽）进行一定时间的连续散热试验，获得项目场区岩土热物性参数及岩土的初始温度。2.0.26 岩土热物性参数 parameter of the rock-soil thermal properties是指不含回填材料在内的，地埋管换热器深度范围内，岩土的综合导热系数、综合比热容。【条文说明】由于岩土各层土质不同，导热系数、比热容也不相同；对于工程设计而言，最为关心的，是地埋管换热器深度范围内的综合岩土导热系数和综合比热容，这一参数更能反映地埋管换热系统的换热能力。2.0.27 岩土的初始温度initial temperature of the rock-soil【条文说明】岩土的初始温度是指在埋设地埋管换热器之前，岩土未受到外部因素干扰之前，岩土自身的温度。2.0.28 岩土柱状图rock-soil histogram通过现场钻孔勘测，并综合场区已知水文地质条件，绘制的岩土垂直分布图。【条文说明】由于地质结构的复杂性和差异性，需要通过实地勘测，绘制出柱状的岩层分布图，获取地下岩土不同深度的材料构成，以及地下水的情况。2.0.29 测试孔（槽）vertical(horizontal) testing exchanger按照测试要求和拟采用的成孔方案，将用于测试的竖直地埋管换热器称为测试孔，水平地埋管换热器称为测试槽。3 工程勘察3.2 地埋管换热系统勘察增加3.2.3条和3.2.4条：3.2.3 岩土热响应试验单位应取得国家计量认证；测试方法应符合附录C的规定。【条文说明】测试仪器所配置的计量仪表应具备计量法定管理单位的计量认可，如流量计、温度传感器等。现场测试符合附录C的规定。3.2.4对于利用地埋管地源热泵系统的建筑，当总的应用建筑面积在3000 m25000 m2，宜进行岩土热物性参数测试；当总的应用建筑面积大于等于5000 m2时，应进行热响应试验。3.2.2条文说明，其中：现场测试法：现场测试岩土体应在测试埋管状况稳定后进行。根据埋管深度或长度，测试一般应在测试埋管安装完毕72h后进行。对两个勘探孔（槽）及两个以上勘探孔（槽）的测试，其测试结果取算术平均值。更改后条文说明：现场测试岩土体应在测试埋管状况稳定后进行。在测试孔（槽）完成后，放置至少48h以上。对两个测试孔（槽）及两个以上测试孔（槽）的测试，其测试结果取算术平均值。通过对多个岩土热响应试验的考察，由于各个项目地质条件的差异性以及测试孔（槽）的深度不一，测试孔（槽）达到稳定时所需时间也不一致，将测试孔（槽）完成后放置的时间规定为至少48h以上。4 地埋管换热系统4.3 地埋管换热系统设计增加第4.3.6条，原4.3.6条及以后条文序号相应顺延：4.3.6 对应用面积在5000m2以上，或实施了岩土热响应试验的项目，应利用岩土热响应试验进行地埋管换热器的设计。且应符合以下要求：1) 夏季运行工况条件下，地埋管换热器侧出水高温度宜低于35；2) 冬季运行工况条件下，添加防冻剂的地埋管换热器侧进水温度宜高于2；不添加防冻剂的地埋管换热器侧进水温度宜高于4。【条文说明】利用岩土热响应试验进行地埋管换热器的设计，是将岩土热物性参数、岩土的初始温度和空调冷热负荷输入专业软件，在夏季工况和冬季工况运行条件下进行动态耦合计算，得出地埋管换热器侧的进出水温度，进行地埋管换热器的设计。原4.3.13条文及条文说明：地埋管换热系统应根据地质特征确定回填料配方，回填料的导热系数不应低于钻孔外或沟槽外岩土体的导热系数。【条文说明】保证地下埋管的导热效果，但对于地质情况多为岩石的区域，回填料导热系数可低于岩土体导热系数。修改后条文及条文说明：地埋管换热系统应根据地质特征确定回填料配方，回填料的导热系数不宜低于钻孔外或沟槽外岩土体的导热系数。【条文说明】保证地下埋管的导热效果，对含有地下水的，在保证不污染地下水的前提下，回填料可采用原浆回填；但对于地质情况多为岩石的区域，回填料导热系数可低于岩土体导热系数。原4.3.14条文说明：公式（4）为： （4）修改后的条文说明：公式（4）为： （4）附录C 岩土热响应试验方法C.1 一般规定C.1.1 通过钻孔勘察，绘制项目场区岩土柱状图。【条文说明】通过对岩土层分布、各层岩土土质以及地下水情况的掌握，为热泵系统的设计方案遴选提供依据。C.1.2 在岩土热响应试验之前，应对测试地点进行实地的勘察。确定测试孔（槽）的数量和测试方案。应用建筑面积大于等于10000 m2时，的数量不应小于2个。【条文说明】工程场地状况及浅层地热能资源条件是能否应用地源热泵系统的基础。地源热泵系统方案设计之前，应根据调查及勘查情况，选择测试孔（槽）的位置及测试孔（槽）的数量，确定钻孔、成孔工艺及测试方案。如果在打孔区域内，由于设计需要，存在有成孔方案或成孔工艺不同，应各选出一孔（槽）做为测试孔（槽）分别进行测试；此外，对于地埋管换热器埋设面积较大，或地埋管换热器埋设区域较为分散，或场区地质条件差异性大的情况，应根据设计和施工的要求划分区域，分别设置测试孔（槽），进行岩土热物性参数的测试。C.1.3 测试现场应提供稳定的电源，具备可靠的测试条件。【条文说明】测试现场应提供满足测试仪器所需的、稳定的电源。对于输入电压受外界影响有波动的，电压波动的偏差不应超过5；测试现场应为测试仪器提供有效的防雨、防雷电等安全防护措施。C.1.4 在对测试设备进行外部连接时，应遵循先接水后接电的原则；【条文说明】先连接水管和地埋管换热器等外部非用电的设备，在检查完外部设备连接无误后，最后再将动力电连接到测试仪器上，以保证施工人员和现场的安全。C.1.5 测试孔（槽）的施工应由具有相应资质的专业队伍承担。C.1.6 岩土热响应的测试过程应遵守国家和地方有关安全、劳动保护、防火、环境保护等方面的规定。C.2测试内容C.2.1 测试岩土的初始温度。【条文说明】随着岩土深度以及土质的不同，各个深度的岩土初始温度也会有所不同。待钻孔结束，钻孔内岩土温度恢复至岩土初始温度，可采用在钻孔或水平槽内不同深度分别埋设铂电阻或向注满水的测试孔内，插入铂电阻温度探头的方法获得岩土初始的温度分布。C.2.2 连续测试记录地埋管换热器的进出口循环水的温度、水流量以及试验过程中向地埋管换热器施加的加热功率。【条文说明】连续测试记录，是指在岩土热响应试验进行期间，每间隔一段时间，试验仪器自动读取并记录有关参数。C.3测试仪表精度要求C.3.1 对于采用定加热功率的测试仪器，在输入电压稳定的情况下，加热功率的测量误差不应大于1%。C.3.2 流量传感器测量误差不应大于1%。C.3.3 温度传感器应选择高精度铂电阻传感器，误差不应大于0.15。【条文说明】对测试仪器仪表的选择，在选择高精度等级的元器件同时，应选择抗干扰能力强，在长时间连续测量情况下仍能保证测量精度的元器件。C.3.4 各个测量仪表与数据采集系统相连接时，数据采集系统接收并转化输出的显示数据与测量仪表记录的数据间的偏差不应大于1%。C.4岩土热物性参数的测试方法C.4.1测试孔（槽）的深度应与实际的用孔（槽）相一致；C.4.2测试孔的回填宜采用原浆材料进行回填，测试槽的回填应采用细小、松散、均匀，且不含石块及土块的材料；【条文说明】对于采用水泥作为回填材料的，由于水泥在失水的过程中会出现缓慢的放热，因此对于使用水泥做回填材料的测试孔，测试孔应放置足够的时间（宜为十天），以保证测试孔内岩土温度恢复至与周围岩土初始温度一致；C.4.3在完成测试孔（槽）后，应放置至少48h以上，再进行岩土热响应试验；【条文说明】测试孔（槽）成孔完毕后，要求将测试孔（槽）放置一段时间（应至少大于48h），目的一是使回填料在钻孔内充分的沉淀密实，二是使钻孔内温度逐渐恢复至与周围岩土初始温度一致；C.4.4向测试孔（槽）施加加热功率稳定后，测试持续时间不宜少于48h；【条文说明】在试验过程中，如果要改变加热功率，则需要停止试验，待测试孔（槽）内温度恢复至与岩土的初始温度一致时，才能再进行岩土热响应试验。C.4.5有关试验数据读取和记录的时间间隔不应超过10分钟；C.4.6地埋管换热器内流速不应低于0.2m/s，地埋管换热器的出水温度宜高于岩土初始温度5以上。【条文说明】为有效测定项目所在地岩土热物性参数，应在测试开始前，对试验输入参数进行合理化设置：地埋管换热器内流速应能保证流体始终处于紊流状态，流速的大小可视管径、测试现场情况进行设定，但不应低于0.2 m/s；对于采用定加热功率，应使换热流体与岩土保持有一定的温差，地埋管换热器的出水温度宜高于岩土初始温度5以上； C.4.7记录加热功率、水温、流量等试验数据，计算导出岩土热物性参数。【条文说明】岩土热物性参数作为一种热物理性质，无论对其进行放热或是取热试验，其导热系数、比热容等热物理性质不会发生改变。因此本规范中统一采用向岩土施加一定加热功率的方式，来进行岩土热物性参数的测试。测试结果的分析方法（适用于竖直地埋管换热器）现有的主要的计算方法，是利用反算法推导出岩土热物性参数。其方法是：从计算机中取出试验测试结果，将其与软件模拟的结果进行对比，使得方差和取得最小值时，通过传热模型调整后的热物性参数即是所求结果。其中，为第时刻由模型计算出的埋管内流体的平均温度；为第时刻实际测量的埋管中流体的平均温度；为试验测量的数据的组数。也可将试验数据直接输入专业的地源热泵岩土热物性测试软件，通过计算分析得到当地岩土的热物性参数。地埋管换热器与周围岩土的换热可分为钻孔内传热过程和钻孔外传热过程。相比钻孔外，钻孔内的几何尺寸和热容量均很小，可以很快达到一个温度变化相对比较平稳的阶段，因此埋管与钻孔内的换热过程可近似为稳态换热过程。埋管中循环水温度沿流程不断变化，循环水平均温度可认为是埋管出入口水温的平均值。钻孔外可视为无限大空间，地下岩土的初始温度均匀，其传热过程可认为是柱面热源（钻孔壁）在无限大介质中的非稳态传热过程。在定加热功率的条件下：1. 钻孔内传热过程及热阻钻孔内两根埋管单位长度的热流密度分别为q1和q2，根据线性叠加原理有：(1)式中Tf1,Tf2 分别为两根埋管内流体温度，；Tb为钻孔壁温度，；R1和R2可以分别看作是两根管子独立存在时与钻孔壁之间的热阻，mK/W；而R12是两根管子之间的热阻，mK/W。在工程中可以近似认为两根管子是对称分布在钻孔内部的，其中心距为D，因此有：(2)(3)其中埋管管壁的导热热阻Rp和管壁与循环水对流换热热阻Rf分别为：(4)式(2)(4)中di为埋管内径，m；do为埋管外径，m；db为钻孔直径，m；lp为埋管管壁导热系数，W/(mK)；lb为钻孔回填材料导热系数，W/(mK)；ls为埋管周围岩土的导热系数，W/(mK)；h为循环水与管壁之间的表面传热系数，W/(m2K)。取为单位长度埋管释放的热流量，根据假设有：q1=q2=ql/2，Tf1=Tf2=Tf，则式(1)可表示为(5)由式(2)(5)可推得钻孔内传热热阻Rb为(6)2. 钻孔外传热过程及热阻根据前面的分析和假设，钻孔外传热可视为以钻孔壁为柱面热源的无限大介质中的非稳态热传导。其传热控制方程、初始条件和边界条件分别为, , (7), , (8), (9), , (10)式(7)(10)中cs为埋管周围岩土的平均比热容，J/(kg)；T为孔周围岩土温度，；Tff为无穷远处土壤温度，；s为岩土周围岩土的平均密度，kg/m3；为时间，s。由上述方程可求得t时刻钻孔周围土壤的温度分布。当时间较长（大于10h）时，钻孔壁温度简化为(11)式中是指数积分函数。为钻孔外岩土的导热热阻。由式(5)和(11)可以导出t时刻循环水平均温度，为(12)式(6)和(12)构成了完整的埋管内循环水与周围岩土的换热方程。式(12)有两个未知参数，周围岩土导热系数ls和容积比热容scs，利用该式可以求得上述两个未知参数。C.4.8岩土热响应试验的测试过程