【培训教材】国家标准《地源热泵系统工程技术规范》GB50366-2005设计要点解析

1、国家标准国家标准地源热泵系统工程技术规范地源热泵系统工程技术规范GB50366-2005 设计要点解析设计要点解析 介绍内容介绍内容u规范编制背景u规范适用范围及术语u地源热泵系统的主要特点u地源热泵系统的设计要点u结束语l 我国能源形势发展的需要。能源和环境是影响国民经济可持续发展的关键因素，能源供应形势直接关系到国家的安全和社会稳定。 l 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。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。l 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。

2、1 规范编制背景规范编制背景l 但由于缺乏相应规范的约束，地源热泵系统的推广呈现出很大盲目性，许多项目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。l 为规范地源热泵系统的设计、施工及验收，确保地源热泵系统安全可靠的运行，更好的发挥其节能效益，特制定本规范。 l本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。 2 规范规范适用范围及术语适用范围及术语l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

3、源热泵系统。l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源热泵系统的定义地埋管地源热泵系统地埋管地源热泵系统地下水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闭式地表水地源热泵系统 开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的设计特点u地源热泵系统受低位热源条件的制约l对地埋管系统，除了要有足够的埋管区域，还要有比较适合的岩土体特性。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。l对地表水系统，应根据水面用途，地表水

4、深度、面积、地表水水质、水位、水温情况综合确定。u设计相对复杂l地热能交换系统计算过程复杂，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。l经方案论证，当技术经济合理时，可以采用辅助冷热源与地源热泵系统相结合的方式。l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地源热泵系统设计要点u4.1 地埋管地源热泵系统n4.1.1 负荷计算北京地区的地

5、埋管地源热泵系统连续运行五年后，埋管换热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、释热量比例为岩土体的吸、释热量比例为1 1：2.362.36每年进入热泵机组的传热介质的最高每年进入热泵机组的传热介质的最高/ /低温度值低温度值 无辅助设备的热泵系统连续运行5年的结果（北京） 运行时间（年） 1 2 3 4 5 年最高温度 （） 33.10 34.25 35.21 35.86 36.40 年最低温度 （） 5.51 6.77 7.63 8.24 8.72 岩土体的吸、释热量比例为岩土体的吸、释热量比例为1

6、1： 每年进入热泵机组的传热介质的最高每年进入热泵机组的传热介质的最高/ /低温度值低温度值 表1-2无辅助设备的热泵系统连续运行5年的结果（上海） 运行时间（年） 1 2 3 4 5 年最高温度 （） 36.17 38.31 39.89 41.18 42.15 年最低温度 （） 5.69 7.81 9.33 10.47 11.28 岩土体的吸、释热量比例为岩土体的吸、释热量比例为1 1：1.281.28每年进入热泵机组的传热介质的最高每年进入热泵机组的传热介质的最高/ /低温度值低温度值 表1-3无辅助设备的热泵系统连续运行5年的结果（沈阳） 运行时间（年） 1 2 3 4 5 年最高温度

7、（） 27.99 28.11 28.19 28.19 28.18 年最低温度 （） 6.05 6.10 6.17 6.19 6.24 岩土体的吸、释热量比例为岩土体的吸、释热量比例为1 1：0.670.67每年进入热泵机组的传热介质的最高每年进入热泵机组的传热介质的最高/ /低温度值低温度值 表1-4无辅 助设 备的 热泵 系统连 续运 行5年的 结果 （齐齐 哈尔 ） 运行时 间（ 年） 1 2 3 4 5 年最高 温度 （ ） 27.88 26.57 25.66 25.01 24.52 年最低 温度 （ ） 3.87 2.31 1.46 0.86 0.38 l由上表可以看出，由于吸、释热量

8、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。l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规范附录B的方法进行计算。l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。l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。u4.1 地埋管地源热泵系统n4.1.2 地埋管换热器设

9、计l岩土体热物性测试：测试时间3648h;供热量5080W/m; 流量满足供回水温差1122；等待期：35d岩土体热物性测试岩土体热物性测试以扰动响应方以扰动响应方式模拟、计算换热情况：式模拟、计算换热情况： 地埋管换热器设计由软件完成l 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。l 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。 u4.1 地埋管地源热泵系统n4.1.3 设计软件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

10、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）。 l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（Earth Energy Designer）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。除此之外国际上地源热泵设计软件还有LUND PROGRAMS、GLGS 、ECA、WFEA、GS2000、GEO

11、CALC等等。这些软件基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 1）热源井设计必须保证持续出水量需）热源井设计必须保证持续出水量需 求及长期可靠回灌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 u4.2 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 2）水质处理）水质处理u4.2 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

12、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 3）地下水流量控制）地下水流量控制u4.2 地下水换热系统l抽水泵功耗过高是目前地下水系统运行存在的普遍问题。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。 l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。针对某典型建筑，

13、利用Trnsys进行能耗模拟，结果如下（定流量）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

14、8016 0 6667 4464 11131 12 8760 0 12416 4613 17029 总总计计 8 87 76 60 0 1 14 46 62 26 6 4 48 83 35 52 2 3 31 19 95 55 5 9 94 49 93 33 3 百百分分比比 1 15 5 5 51 1 3 34 4 1 10 00 0 针对典型建筑，利用Trnsys进行能耗模拟，结果如下 定流量与变流量对比l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；l水泵电耗由总电耗的34%降为19%，如果抽水井较浅，则这个比例可以控制在15%以内。 u由上图可以看出设计前，应对地表水地源热泵

15、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。 u4.3 地表水换热系统设计要点u 地表水换热系统设计u 得热量与散热量u 地表水温度变化u闭式地表水换热系统设计利用利用Trnsys Trnsys 建模计算建模计算季节性换热不平衡对水体季节性换热不平衡对水体长年温度的影响。长年温度的影响。对地表水体进行对地表水体进行1010年运行期的年运行期

16、的换热模拟：换热模拟：l 每年地表水的温度变化基本一致。每年地表水的温度变化基本一致。l 地表水体与外界环境换热相对频繁，受气象条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。平衡的影响。 u 闭式地表水换热系统设计利用利用Trnsys建模计算建模计算8个个不同地区的地表水温及其换热能力不同地区的地表水温及其换热能力 对对4m4m处的水体分别采用广州、上海、北京、济南、武汉、长沙、成都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。分别整理出水体的和西安

17、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。最高、最低和平均温度，以及冬、夏季推荐平均换热负荷。 广州 上海 北京 武汉 长沙 成都 西安 济南 贵阳 最高温度 28.37 29.59 26.63 29.40 29.57 26.44 26.07 27.42 23.79 最低温度 10.19 4.18 0.00 4.16 5.17 6.58 2.97 0.00 5.00 平均温度 20.94 15.97 12.63 16.53 16.96 16.38 14.10 14.01 15.44 冬季推荐平均换热负荷(W/m2) 220 75

18、75 100 130 45 96 夏季推荐平均换热负荷(W/m2) 430 370 515 380 370 525 545 475 660 u 闭式地表水换热系统布置u 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： u4.4 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。 u4.4 建筑物内系统设计要点辅助冷、热源优化配置 l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。 u4.5 地源热泵系统优化优化确定地下水流量 l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