技术规范标准_地埋管地源热泵系统工程技术规范宣贯培训

地埋管地源热泵系统工程技术规范 宣贯培训 北京市地质矿产勘查开发局北京节能环保中心北京市地质勘察技术院中国地质调查局浅层地温能研究与推广中心 2016年3月 北京源深节能技术有限责任公司北京华源热力管网有限公司中国环境科学研究院 北京市地方标准 培训内容 编制地方标准的背景介绍地埋管地源热泵系统工程技术规范主要内容介绍 编制地方标准的背景介绍 北京市具备采用浅层地温能的优越气候 地质条件 作为我国地源热泵系统应用最早的城市之一 近年来 在市场需求推动和政府的重视支持下 应用的比重越来越大 本市地源热泵发展方向以地埋管地源热泵系统为主 项目的实施虽然已有国家标准 但国家标准的规定对于北京市的具体情况针对性不强 使其指导作用大打折扣 编制地方标准的背景介绍 北京市现有地源热泵项目的调查结果显示 很多地埋管地源热泵项目存在着各种各样的问题 其前期勘查工作的质量 能源开发方式 系统设计质量 运行维护方式等都制约着系统的使用效果 同时也关系到系统对周围乃至区域地质环境的影响 有必要制定更加适于北京市的地埋管地源热泵系统工程地方标准 在市发改委的组织下 由市地勘局 节能环保中心 市勘技院等单位经过调研 专题研究 反复论证后编制了该标准 编制原则 技术先进 安全适用 经济合理 与国家标准紧密衔接 规范主要内容 前言1范围2规范性引用文件3术语和定义4基本要求5勘查与评估6系统设计7系统施工8系统监测9调试与验收 附录A 规范性附录 岩土热响应试验附录B 资料性附录 地埋管外径及壁厚附录C 资料性附录 岩土体热物性参数 本标准适用于以地下岩土体为低温热源 以水为传热介质 采用热泵技术进行供热 空调或加热生活热水的系统工程前期勘查与评估 设计 施工 验收及系统监测 说明 相比国标等其他标准 本标准对浅层地温能资源勘查评估 包括现场热响应测试 换热系统设计与施工 调试和验收等工作都做了更加详细的规定 同时增加了监测系统建设的内容 未对建筑物内系统的设计与施工做详细规定 该工作依照相关标准执行 1 范围 本章列出了本文未做详细规定的工作内容应遵照执行的相关标准 前期勘查与评估中的钎探技术标准参照GB50202的相关规定执行 建筑物内系统的设计与施工依照GB50015建筑给水排水设计规范 GB50243通风与空调工程施工质量验收规范 GB50274制冷设备 空气分离设备安装工程施工及验收规范 GB50366地源热泵系统工程技术规范 GB50736民用建筑供暖通风与空气调节设计规范 DB11 687公共建筑节能设计标准的规定执行 地埋管换热器设计计算依照DZ T0225浅层地热能勘查评价规范的规定执行 2 规范性引用文件 本章列出了文中涉及的有必要做出解释的专业术语及其定义 大部分与国标重复的术语沿用了其定义 但对某些确有含义变化的术语定义做了符合本文内容的修改 增加了新增内容涉及的术语及定义 3 术语和定义 3 2地埋管换热系统groundheatexchangersystem传热介质通过竖直或水平地埋管换热器与岩土体 地下水进行热交换的地温能交换系统 又称土壤热交换系统 说明 参照国标 增加了 地下水 因为地埋管换热器与地下岩土体中赋存的地下水的换热是不容忽视的 3 4传热介质heat transferfluid地源热泵系统中 通过地埋管换热器与岩土体 地下水进行热交换的不低于GB T14848中规定的III类地下水质量标准的水 说明 为防止地埋管泄露污染地下水体 本标准规定传热介质仅可用水 水质不低于适于饮用的III类地下水质量标准 且水中不得加注乙二醇等对环境产生危害的添加剂 3 术语和定义 3 10岩土热响应试验rock soilthermalresponsetest通过测试仪器 对项目所在场区的勘查测试孔进行一定时间的连续换热试验 获得项目场区岩土体的初始平均温度 岩土体综合热物性及岩土体换热能力等参数 说明 参照国标 增加了 岩土体换热能力 因为稳定工况测试可直接获得岩土体换热能力 单孔换热量或延米换热量 用于地埋管换热器的设计计算 3 术语和定义 3 12埋设温度传感器法Embeddingtemperaturesensormethod在竖直地埋管换热器不同深度埋设温度传感器 通过实时监测温度传感器的监测数值 确定不同深度岩土体温度的方法 3 13无功循环法Reactivecirculationmethod不向地埋管换热器内循环水加载冷 热量 利用循环水与岩土体达到热平衡时的温度 分析岩土体初始平均温度的方法 3 14水温平衡法watertemperaturebalancemethod地埋管换热器安装完成后在管内充满水 静置至少48h后管内的水与岩土体达到热平衡 通过水泵循环将管内的水泵出 同时监测水温的变化 通过管内水的温度分析岩土体温度的方法 3 术语和定义 3 15稳定热流测试steadyheatflowtest向地埋管换热器循环介质提供稳定的热量或冷量 记录地埋管换热器进 出水温度的响应情况 计算岩土体综合热物性参数或换热能力的测试方法 3 16稳定工况测试steadyworkingconditiontest建立稳定的地埋管换热器夏季或冬季运行工况 记录地埋管换热器进 出水温度的响应情况 计算岩土体综合热物性参数或换热能力的测试方法 3 术语和定义 3 19换热监测孔heatexchangemonitoringhole通过在换热孔内下入温度传感器 用于监测地埋管换热器换热过程中其周边地层温度变化的换热孔 3 20换热影响监测孔heatexchangeeffectmonitoringhole通过在钻孔内下入温度传感器 用于监测换热孔温度变化影响范围的钻孔 一般布设于换热孔周边5m距离内 3 21常温监测孔initialtemperaturemonitoringhole通过在钻孔内下入温度传感器 用于监测不同季节地层原始温度的钻孔 一般布设在换热孔布设区域边缘10m距离外 3 术语和定义 本章对地埋管地源热泵系统实施的基本要求做了规定 包括工程实施前的工作 勘查 设计 施工的资质要求以及与其他相关标准的关系 4 基本要求 4 2地埋管地源热泵项目场地浅层地温能勘查 系统设计与施工均应由具有相应资质的单位完成 说明 地埋管地源热泵项目场地浅层地温能勘查 地埋管换热系统施工需相应地质勘查资质 系统的设计需相应的设计资质 建筑物内系统安装需相应的安装资质 由具有相应资质的专业施工单位完成 保证工作质量 本章对前期勘查阶段的工程场地状况调查和地埋管换热系统勘查工作的勘查内容 勘查要求以及评估报告内容都做了更加详细 严格的规定 5 勘查与评估 5 1 1地埋管地源热泵系统工程方案确定前 应进行工程场地状况调查和项目场地浅层地温能勘查 说明 工程场地状况和浅层地温能资源条件是能否应用地源热泵系统的基础 5 1 4项目场地浅层地温能勘查后 勘查单位应编写浅层地温能地质条件评估报告并提出建议 说明 编写浅层地温能地质条件评估报告是勘查工作的一部分 报告中应有项目适宜性 开发利用方案的建议 5 3 2勘查要求 b 勘查工作量的布置 按表1确定 5 勘查与评估 说明 b 工程负荷越大 所需的布设场地越大 产生地层和换热能力变化的可能性就越大 因此探槽或勘查孔的数量要随工程负荷的增大而增加 且尽量分散布置 使勘查结果可以代表整个布设区域 国标和其他相关文件中多以建筑面积作为勘查 设计的划分限值 本标准认为参照部标以负荷值为限值更加合理 但部标中的250kW的负荷值或以国标中的5000m2的建筑面积进行计算所得值均较实际情况有些偏小 本标准根据市国土局提出的10000m2的建筑面积限值和节能建筑推荐负荷指标的最小值55W m2计算得到550kW负荷限值 5 勘查与评估 5 3 3b 开展岩土热响应试验 获得项目场区岩土体初始平均温度 岩土体综合热物性及岩土体换热能力等参数 说明 由于岩土样品实验室测定法存在取样局限性 运输保存困难 测试结果误差大等问题 因此本标准明确规定勘查测试孔应进行现场热响应试验 同时对获得的参数补充了 岩土体换热能力 因为稳定工况测试可直接获得岩土体换热能力 单孔换热量或延米换热量 用于地埋管换热器的设计计算 5 勘查与评估 本章重点对地埋管管材与传热介质的要求 地埋管换热系统设计的要求 对传热介质的规定更加严格 对地埋管的深度 间距 系统温度 流量 埋设方式有了新的规定 同时对水平地埋管换热器的要求做了细化明确规定了必须设计监测系统 6 系统设计 6 1 2换热系统的设计应以浅层地温能地质条件评估报告为依据 在经济技术合理时 宜采用辅助热源或冷源的调峰方式 说明 当工程负荷较大时 若单独采用地源热泵系统承担全部建筑负荷 则需要很大的换热器布设区域和很高的初投资 使项目的安全性和经济性下降 因此在经济技术合理的情况下加入其他的冷热源形式同时承担峰值负荷 可以减少初投资 提高系统安全性 6 系统设计 6 1 3地埋管地源热泵系统应设监测系统 并应符合第8章的规定 说明 即使是小规模的地埋管地源热泵系统 也应设地质环境影响监测孔和热源侧总管温度监测 配备必须的数据存储设备后 形成监测系统 较大规模的地源热泵系统监测内容更加全面 6 系统设计 6 2 2a 地埋管应采用化学稳定性好 耐腐蚀 导热系数大 流动阻力小的塑料管材及管件 宜采用聚乙烯管 PE100 或聚丁烯管 PB 禁止使用再生塑料管材 管件与管材应为相同材料 说明 聚乙烯 PE 和聚丁烯 PB 管柔韧性好 强度高 重量轻 耐腐蚀 造价低 而PVC 聚氯乙烯 管的导热性和可塑性差 因此在地源热泵系统中不推荐使用PVC管 再生塑料的质量难以保证 易出现杂质 不均的缺陷 所以禁止使用 管件与管材使用相同材质为了防止不同的材质因性能不同熔接时达不到强度要求 6 系统设计 6 2 4竖直地埋管换热器的U型弯管接头 宜选用定型的U型弯头成品件 不应采用煨制弯头或焊接弯头 说明 U型弯管接头是系统中内外压力均最大的部位 煨制弯头受到挤压易形成死弯造成堵塞 焊接弯头的焊接质量易出问题 因此宜采用定型成品件 6 系统设计 6 2 5地埋管换热系统的传热介质应使用不低于GB T14848中规定的III类地下水质量标准的水 水中不应加注乙二醇等对环境产生危害的添加剂 说明 根据相关标准 地下水质量分为五类 其中I III类地下水适用于生活饮用 同时水中禁止加注乙二醇等对环境产生危害的添加剂 即使泄露 也不会污染地下水体 6 系统设计 6 3 2当地埋管地源热泵项目可利用埋设换热孔场地不足时 经技术 经济 安全分析后可以采用建筑物下埋设换热孔 说明 已有大量成功经验证明在保证安全性和经济性的情况下该方法是可行的 确实有很多项目 尤其是一些大型项目 适合做地源热泵系统 但布孔场地有限 建筑物下埋孔 很好的解决了这一问题 大大促进了浅层地温能的开发利用 6 系统设计 6 3 3地埋管换热器进 出水温度应符合下列规定 a 夏季工况 地埋管换热器侧出水温度宜低于30 b 冬季工况 地埋管换热器侧进水温度宜高于4 6 系统设计 说明 条文中对冬夏运行期间地埋管换热器进出口温度的规定 是出于对地源热泵系统节能性的考虑 同时保证热泵机组的安全运行 在夏季 如果地埋管换热器出口温度高于30 则超出地源热泵系统的最佳运行工况较大 无法充分体现地源热泵系统的节能性 且北方的岩土体初始温度较低 地埋管换热器出口温度高于30 说明热源侧换热能力不足 地层温升较大 冬季温度限值参照国标 6 3 6地埋管换热器内循环介质流态应保持紊流 单U型流速不宜小于0 4m s 双U型流速不宜小于0 2m s 水平环路集管坡度宜为0 002 说明 确保系统及时排气和加强换热 地埋管换热器内循环介质的雷诺数应该大于2300以确保紊流 雷诺数的计算公式如下 式中 Re 管内流体的雷诺数 管内流体的密度 kg m3 V 管内流体的流速 m s dj 管道内径 m 管内流体的动力粘度 N s m2 6 系统设计 水的密度为1000kg m3 管道内径0 026m 水的动力粘度随温度升高而降低 5 时的动力粘度为1 5 10 3N s m2 经计算保持紊流流态水的最低流速为0 13m s 即流速大于0 13m s即为紊流 国标中规定地埋管内循环介质流速单U型不宜小于0 6m s 双U型不宜小于0 4m s 则计算单孔流量分别为1 14m3 h和1 52m3 h 实际工程设计时单孔流量一般为1 0 1 5m3 h 可以看出国标要求偏高 而且本标准规定换热系统宜采用变流量设计 若流速按照国标的要求 则流量已没有变化的空间 本标准规定地埋管内循环介质流速单U型不宜小于0 4m s 双U型不宜小于0 2m s 单孔流量分别为0 76m3 h 既满足紊流流态的要求 又有变频泵变流量的空间 认为更加合理 6 系统设计 6 3 7竖直地埋管换热器埋管深度和间距应根据浅层地温能地质条件评估报告确定 深度宜为40m 150m 且同一环路内钻孔孔深应相同 孔径不宜小于0 11m 间距不宜小于4m 说明 换热孔深度的确定应综合考虑场地条件 钻孔施工经济性以及换热效果 深度过浅则换热孔大部分深度处于变温层换热效果不佳 深度过深则安全性降低 且换热效率下降 因此本标准规定40m 150m为宜 同一环路内钻孔孔深若不相同 则各孔阻力不同 使流量分配不均 甚至个别换热孔被短路掉 大大影响总换热量 大量研究表明4m间距不会产生换热干扰 小于4m则钻孔过程安全性下降 6 系统设计 6 3 12环路集管和环路支管均应采用同程布置 每对供 回水环路支管连接的地埋管换热器数量宜相等且宜低于20眼 环路集管和支管供 回水管的间距应不小于0 6m 深度应在冻土层以下至少0 6m 距地面不宜小于1 5m 说明 同程布置保证各换热孔水量平衡 防止个别出现换热孔短路现象 保证最大换热量 支管连接地埋管少于20眼 一是可以避免支路过长造成压力损失过大 二是出现某个地埋管漏水关掉整条支路时减少损失 环路集管和支管供 回水管距离过近会产生热短路 6 系统设计 6 3 14地埋管换热系统应设泄漏报警及自动充水系统 需要防冻的地区 应设防冻保护装置 说明 当发生泄漏时应先报警后自动充水 即自动充水系统不能掩盖泄漏的存在 当发现泄漏时必须采取措施止漏 不能依赖自动充水系统长期运行 6 系统设计 6 3 16地埋管换热系统宜采用变流量设计 但地埋管内循环介质流速不应低于最低流速限值 说明 地埋管换热系统根据建筑负荷变化进行流量调节 可以节省运行电耗 但应达到紊流流态且满足机组运行流量要求 6 系统设计 本章对系统施工的各个环节做了补充和更加详细的规定 包括钻孔方式的选择 钻孔施工过程控制 地埋管换热器安装 回填灌浆方式 水平管道安装的要求等 7 系统施工 7 2 4换热孔钻孔方法应根据地质条件选择 a 第四系细颗粒地层宜采用回转钻进 b 第四系粗颗粒地层宜采用回转钻进或冲击钻进 c 基岩地层宜采用潜孔锤钻进 d 若基岩地层上覆第四系地层 则钻进第四系地层时应采用跟管钻进 但跟管深度不宜大于40m 说明 根据实际工程经验 考虑钻具能力 施工进度及经济性总结得到 其中跟管钻进深度不宜过深 过深则钢制套管无法拔出 投资将大幅度增加 在第四系地下水丰富的地区也影响换热效果 7 2 5竖直地埋管钻孔施工应遵循以下要求 c 实际钻孔孔深宜大于设计孔深1m 2m e 潜孔锤钻进成孔后下管前 采用压缩空气或清水进行清孔 孔底沉碴不大于0 5m f 钻孔孔位偏差不应大于0 1m 钻孔的垂直偏差不应大于1 0 钻孔终孔孔径不应小于设计孔径 7 系统施工 说明 c 考虑钻孔孔内未清除干净的沉渣及孔内水上浮力影响 实际钻孔孔深宜大于设计孔深1 2m 确保换热器下至设计深度 e 确保换热器下至设计深度 f 本标准规定换热孔间距最小为4m 孔深最大为150m 按以上参数设计并考虑最不利情况 两孔相向偏差且均为最大限值 则孔底相距为0 8m 可认为是安全的 钻孔的垂直偏差可通过钻机的垂直偏差和钻机稳定性来控制 7 2 7竖直地埋管回填灌浆应遵循以下要求 b 回填料宜采用膨润土和细砂 或水泥 的混合浆 不应使用原状土回填 当地埋管换热器设在密实或坚硬的岩土体中时 宜采用水泥基料灌浆回填 c 灌浆材料应搅拌均匀后方可使用 灌浆应密实 无空腔 地下水位较高时 可采用孔口灌浆或孔底灌浆 地下水位较低时 应采用孔底灌浆 d 采用孔口灌浆时 注浆过程应缓慢 并注意观察竖直埋管周围回填物的沉降情况 必要时需采用多次灌浆回填 确认稳定后方可结束该工序 e 采用孔底灌浆时 灌浆管和U型管一起下入孔中 灌浆管内径不小于20mm 灌浆管底端宜设防堵堵头 且灌浆时应能够将其冲开 灌浆管下入深度以距U型端头0 3m 0 5m为宜 灌浆设备选用专用注浆泵 7 系统施工 说明 b 原状土是不同层位岩土的混合 原状土回填会使深层地下水受到污染 c 当地下水位较低时 采用孔口灌浆容易在地下水位以上产生搭桥现象堵塞回填料 使回填过程过早结束 留有大面积空腔 d 采用孔口灌浆时 若注浆速度过快 容易产生搭桥现象 另外 孔口灌浆很难一次密实 一次灌浆结束一段时间后还会出现沉淀现象 出现孔口空腔 此时需继续灌浆 直至密实 e 注浆管管径过小容易堵塞 注浆管距孔底一段距离 为了防止注浆过程中泥浆将管口淹没 造成注浆困难 7 系统施工 7 2 8d 地埋管系统水平集管与地埋管换热器的连接 当管径小于等于D63时 宜采用电熔套筒连接 当管径大于D63时 宜采用热熔对接方式 如需采用金属件丝扣连接时 必须在连接件外作防腐处理 并设置维护检查井 说明 电熔连接比热熔连接质量保证度高 但投资也较高 兼顾安全性和经济性 管径较小时壁厚较薄 缩颈易堵 须采用电熔连接 管径较大时壁厚也增厚 且不会因为缩颈而堵塞 宜采用热熔连接 7 系统施工 本章为新增章节 包括 监测内容机房监测地质环境影响监测数据中心建设规定了监测系统包含的内容及要求 列明了监测系统建设的技术要点 8 系统监测 8 1 2冷 热负荷在550kW 含 以上的地埋管地源热泵工程 监测系统应包含下列内容 a 用户侧典型房间的温度 b 机房内监测内容 c 地质环境影响监测内容 说明 较大规模地源热泵系统监测数据应满足浅层地温能开发利用对地下温度场影响 节能减排效果 系统能耗的评价需求 同时对系统运行的效果 合理性 经济性 安全性能过全面的掌握 8 系统监测 8 1 3对地质环境影响监测要求 地质环境影响监测孔数量不少于换热孔数量的1 说明 即使是小规模的地埋管地源热泵系统 也至少应设地质环境影响监测孔和热源侧总管温度监测 较大规模的地源热泵系统监测内容更加全面 为全面反映整个布孔区域的温度变化情况 监测孔数量应随换热孔数量增加而增加 且布设位置应具有代表性 实际工程中换热孔一般分区布设 每区孔数不宜大于300眼 要想对布孔区域中心及外围全面监测 则至少需要3眼监测孔 若单个区域布孔数量增加 则布孔面积也相应增大 也应增加监测孔数量 因此本标准规定地质环境影响监测孔数量不应少于换热孔数量的1 8 系统监测 8 1 6地埋管地源热泵监测系统应设置能源管理平台 进行监测数据的显示和存储 说明 数据中心应有监测数据的显示 存储和导出功能 为提高工作效率 使工作人员在办公地点即可及时了解现场运行情况 提取监测数据 宜安装数据远程传输系统 8 系统监测 8 2 1b 当传感器为后期安装且管道不可开孔时 可采用贴片式温度传感器 安装时应先将测温点管道表面打磨干净 涂抹导热介质 再将贴片式温度传感器贴在管道表面 并用胶布或扎带等缠绕牢固 外部应做保温 说明 贴片式温度传感器的安装工艺对测量准确性影响很大 因此必须严格按照标准执行 8 系统监测 8 2 2b 当流量计为后期安装且不能破坏原管道时 可采用超声波流量计 安装时应将探头安装点管道外壁打磨干净 涂抹传导介质 再将监测探头贴在管道安装点上 用胶布或扎带等缠绕固定 说明 超声波流量计的安装工艺对测量准确性影响很大 因此必须严格按照标准执行 8 系统监测 8 3 1温度传感器应符合下列要求 a 传感器探头加装钢制护套 护套内充实导热介质 护套直径与线径匹配 接口处做防水处理 b 电缆线采用铠装屏蔽电缆或高强度护套屏蔽电缆 护套层应具防腐性能 传感器应至少为三线制 单芯线径应至少为0 5mm2 8 系统监测 说明 a 钢制护套防止探头划伤 护套内充实导热介质 增加测温灵敏度和准确度 温度传感器长期埋于地下 浸泡在地下水中 若制作工艺不佳 很容易受到地下水的侵入而损坏 因此护套与线缆接口处须有高质量的防水性能 b 屏蔽层可阻隔其他信号的干扰 温度传感器探头至机房数据中心距离一般都较长 若线径过细则影响信号强度 增加线阻 降低稳定性和准确性 8 3 3换热监测孔的位置 应包含布孔区域的中心和边缘 换热影响监测孔的位置应包含布孔区域内部和外围 另外 监测孔布置也应考虑地下水流动方向 说明 换热监测孔的位置 可选择具有代表性的换热孔 如布孔区域的中心或边缘等 换热影响监测孔布置位置可以是布孔区域中心 也可以是外围 也可以是两孔连线或多孔中心等等 目的是监测换热孔换热对周围地层温度的影响 8 系统监测 8 3 5传感器安装时 宜将温度传感器按照设计埋深全部或分组固定 探头和线缆均应固定牢固 接线端做深度标识 将温度传感器下入监测孔后回填 说明 温度传感器的埋设方式有三种 分别为单独埋设 地埋管外埋设和地埋管内埋设 其中前两种方式传感器不可更换 第三种则可以更换故障传感器 延长监测孔的使用寿命 8 系统监测 本章对系统检验 调试 验收的过程及要求做了详细的规定 其中重点对水压试验的要求做了较大的修改 9 调试与验收 9 2 4水压试验应符合以下规定 a 水压试验步骤 1 竖直地埋管换热器插入钻孔前 应做第一次水压试验 试验压力不应小于1 2MPa 水平地埋管换热器放入沟槽前 应做第一次水压试验 试验压力不应小于1 2MPa 2 第二次水压试验 试验压力不应小于0 6MPa 3 第三次水压试验 试验压力不应小于0 6MPa 4 第四次水压试验 试验压力不应小于0 6MPa b 若换热孔为无地下水的干孔 则水压试验中系统最低点的压力不应大于管材的最大抗压能力 9 调试与验收 说明 参照实际工程经验 a 第一次水压试验的目的是为了检验管材的质量和性能 因此试验压力较大 接近管材的最大承压能力 之后的试验压力均以工作压力为基础 工作压力是指热源侧循环泵出水口的压力 实际工程中该压力一般不大于0 4MPa 试验压力为工作压力的1 5倍 即为0 6MPa 管道保压时存在排气的过程 同时塑料管道有一定的膨胀性 因此保压过