《地源热泵系统工程技术规范》设计要点解析

《地源热泵系统工程技术规范》设计要点解析作者：admin2010年05月12日来源：网络字体：（大中小）点击：3130国家标准《地源热泵系统工程技术规范》GB50366-2005设计要点解析中国建筑科学研究院空气调节研究所邹瑜徐伟冯小梅摘要：本文针对不同地源热泵系统的特点，结合《规范》条文，对地源热泵系统设计特点、方法及要点进行了深入分析，为地源热泵系统的设计提供指导。关键词：地源热泵系统、设计要点、系统优化1前言实施可持续发展能源战略已成为新时期我国能源发展的基本方针，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。2006年1月1日《可再生能源法》正式实施，地源热泵系统作为可再生能源应用的主要途径之一，同时也是最利于与太阳能供热系统相结合的系统形式，近年来在国内得到了日益广泛的应用。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，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，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，由中国建筑科学研究院主编，会同13个单位共同编制了《地源热泵系统工程技术规范》（以下简称规范）。该规范现已颁布，并于2006年1月1日起实施。由于地源热泵系统的特殊性，其设计方法是其关键与难点，也是业内人士普遍关注的问题，同时也是国外热点课题，在新颁布的《规范》中首次对其设计方法提出了具体要求。为了加深对规范条文的理解，本文对其部分要点内容进行解析。2《规范》的适用范围及地源热泵系统的定义2.1《规范》的适用范围该《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。它包括以下两方面的含义：（1）“以水或添加防冻剂的水溶液为传热介质”，意旨不适用于直接膨胀热泵系统，即直接将蒸发器或冷凝器埋入地下的一种热泵系统。该系统目前在北美地区别墅或小型商用建筑中应用，它优点是成孔直径小，效率高，也可避免使用防冻剂；但制冷剂泄漏危险性较大，仅适于小规模应用。（2）“采用蒸气压缩热泵技术进行……”意旨不包括吸收式热泵。2.2地源热泵系统的定义地源热泵系统根据地热能交换系统形式的不同，分为地埋管地源热泵系统（简称地埋管系统）、地下水地源热泵系统（简称地下水系统）和地表水地源热泵系统（简称地表水系统）。其中地埋管地源热泵系统，也称地耦合系统（closed-loopground-coupledheatpumpsystem）或土壤源地源热泵系统，考虑实际应用中人们的称呼习惯，同时便于理解，本规范定义为地埋管地源热泵系统。地表水系统中的地表水是一个广义概念，包括河流、湖泊、海水、中水或达到国家排放标准的污水、废水等。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。3地源热泵系统的设计特点（1）地源热泵系统受低位热源条件的制约a、对地埋管系统，除了要有足够埋管区域，还要有比较适合的岩土体特性。坚硬的岩土体将增加施工难度及初投资，而松软岩土体的地质变形对地埋管换热器也会产生不利影响。为此，工程勘察完成后，应对地埋管换热系统实施的可行性及经济性进行评估。b、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。《规范》中强制规定“地下水换热系统应根据水文地质勘察资料进行设计，并必须采取可靠回灌措施，确保置换冷量或热量后的地下水全部回灌到同一含水层，不得对地下水资源造成浪费及污染。系统投入运行后，应对抽水量、回灌量及其水质进行监测。”c、对地表水系统，设计前应对地表水系统运行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。（2）地源热泵系统受低位热源的影响很大低位热源的不定因素非常多，不同的地区、不同的气象条件，甚至同一地区，不同区域，低位热源也会有很大差异，这些因素都会对地源热泵系统设计带来影响。如地埋管系统，岩土体热物性对地埋管换热器的换热效果有很大影响，单位管长换热能力差别可达3倍或更多。（3）设计相对复杂a、低位热源换热系统是地源热泵系统特有的内容，也是地源热泵系统设计的关键和难点。地下换热过程是一个复杂的非稳态过程，影响因素众多，计算过程复杂，通常需要借助专用软件才能实现；b、地源热泵系统设计应考虑低位热源长期运行的稳定性。方案设计时应对若干年后岩土体的温度变化；地下水水量、温度的变化，地表水体温度的变化进行预测，根据预测结果确定应采用的系统方案；c、地源热泵系统与常规系统相比，增加了低位热源换热部分的投资，且投资比例较高，为了提高地源热泵系统的综合效益，或由于受客观条件限制，低位热源不能满足供热或供冷要求时，通常采用混合式地源热泵系统，即采用辅助冷热源与地源热泵系统相结合的方式。确定辅助冷热源的过程，也就是方案优化的过程，无形中提高了方案设计的难度。4地源热泵系统设计要点4.1地埋管系统由于地埋管系统通过埋管换热方式将浅层地热能资源加以利用，避免了对地下水资源的依赖，近年来得到了越来越广泛的应用。但地埋管系统的设计方法一直没有明确规定，通常设计院将地埋管换热设计交给专业工程公司完成。除少数有一定技术实力的公司，引进了国外软件，可作一些分析外，通常专业公司只是根据设计负荷，按经验估算确定埋管数量及埋深，对动态负荷的影响缺乏分析，对长期运行效果没有预测，造成地埋管区域岩土体温度持续升高或降低，从而影响地埋管换热器的换热性能，降低地埋管换热系统的运行效率。因此，保证地埋管系统长期稳定运行是地埋管换热系统设计的首要问题，在保证需求的条件下，地埋管换热系统设计应尽可能降低初投资及运行费用。4.1.1负荷计算地埋管系统是否能够可靠运行取决于埋管区域岩土体温度是否能长期稳定。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，利用TRNSYS模拟地源热泵系统连续运行五年后，地埋管换热器出口即水源热泵机组进口的传热介质温度波动情况，见表1－1，表1－2。表1－1地埋管换热器出口传热介质夏季最高温度（℃）变化地区吸、释热量比例12345北京1：2.3633.1034.2535.2135.8636.40上海1：5.036.1738.3139.8941.1842.15沈阳1：1.2827.9928.1128.1928.1928.18齐齐哈尔1：0.6727.8826.5725.6625.0124.52注：表中数据引自中国建筑科学研究院研究报告《地埋管地源热泵系统优化设计分析》表1－2地埋管换热器出口传热介质冬季最低温度（℃）变化地区吸、释热量比例12345北京1：2.365.516.777.638.248.72上海1：5.05.697.819.3310.4711.28沈阳1：1.286.056.106.176.196.24齐齐哈尔1：0.673.872.311.460.860.38注：表中数据引自中国建筑科学研究院研究报告《地埋管地源热泵系统优化设计分析》由表1－1、表1－2可见，由于吸、释热量不平衡，造成岩土体温度的持续升高或降低，导致进入水源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，不仅影响地源热泵系统的供冷供热效果，也降低了地源热泵系统的整体节能性。为此《规范》明确规定，“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。”4.1.2地埋管换热器设计地埋管换热器设计是地埋管系统设计特有的内容和核心。由于地埋管换热器换热效果不仅受岩土体导热性能及地下水流动情况等地质条件的影响，同时建筑物全年动态负荷、岩土体温度的变化、地埋管管材、地埋管形式及传热介质特性等因素都会影响地埋管换热器的换热效果。地埋管换热器有两种主要形式，即竖直地埋管换热器（以下简称竖直埋管）和水平地埋管换热器（以下简称水平埋管）。由于水平埋管占地面积较大，目前应用以竖直埋管居多。岩土体热物性的确定岩土体热物性的确定是竖直埋管设计的关键。《规范》中规定“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”。岩土体热物性可以通过现场测试，以扰动－响应方式获得，即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、扩散系数及温度。分析方法主要有3种，即线源理论、柱源理论及数值算法。实际应用中，如有可能，应尽量采用两种以上的方法同时分析，以提高分析的可靠性。岩土体热物性测试装置如图1所示：岩土体热物性测试要求测试时间为36～48h，供热量应为50～80W/m，流量应满足供回水温差11～22℃的需要，被测竖直埋管安装完成后，根据导热系数不同，需要3～5d的等待期，此外对测量精度等也有具体要求。【1】目前测试设备有两种，一种是小型便携式，一种是大型车载系统，后者可以提供较大能量加热系统，最新设备还可以提供冷冻水测试冬季运行工况，具有更好精度及可靠性。竖直埋管地下传热计算地下传热模型基本是建立在线源理论或柱源理论基础上。1954年Ingersoll和Zobel提出将柱源传热方程作为计算埋管换热器的合适方法，1985年Kavanaugh考虑U型排列和逐时热流变化对该方法进行了改进。实际工程设计中很少使用这种乏味的计算，20世纪80年代人们更倾向于根据经验进行设计。80年代末，瑞典开发出一套计算结果可靠且使用简单的软件，其数值模型采用的是Eskilson（1987）提出的方法，该方法结合解析与数值模拟技术，确定钻孔周围的温度分布，在一定初始及边界条件下，对同一土质内单一钻孔建立瞬时有限差分方程，进行二维数值计算获得单孔周围的温度分布。通过对单孔温度场的附加，得到整个埋管区域相应的温度情况。为便于计算，将埋管区域的温度响应转换成一系列无因次温度响应系数，这些系数被称为g-functions。通过g-functions可以计算一个时间步长的阶梯热输入引起的埋管温度的变化，有了g-functions，任意释热源或吸热源影响都可转化成一系列阶梯热脉冲进行计算。1999年Yavuzturk和Spitler对Eskilson的g-functions进行了改进，使该方法适用于短时间热脉冲。1984年Kavanaugh使用圆柱形源项处理，利用稳态方法和有效热阻方法近似模拟逐时吸热与释热变化过程。《规范》中附录B，采用类似方法，给出了竖直地埋管换热器的设计计算方法，供设计选用。注：水平埋管由于占地问题，大多城市住宅或公建均很难采用。由于应用较少，国内外对其换热机理研究也很少，目前主要是根据经验数值进行估算。2003年ASHRAE手册给出了一些推荐数据，供设计选用。主流地埋管设计软件基本上均包括水平埋管的计算。4.1.3设计软件通常地埋管设计计算是由软件完成的。一方面是因为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埋管换热器逐时热响应情况及岩土体长期温度变换情况。加拿大国家标准（CAN/CSA-C448.1）中对地埋管系统设计软件明确提出了以下要求：a、能计算或输入建筑物全年动态负荷；b、能计算当地岩土体平均温度及地表温度波幅；c、能模拟岩土体与换热管间的热传递及岩土体长期储热效果；d、能计算岩土体、传热介质及换热管的热物性；e、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）。为此，《规范》中规定“地埋管设计宜采用专用软件进行。”判断软件复杂程度的标准有两个：一是在满足埋管换热器设计要求的前提下，用户输入最少，计算时间最短；二是要求能模拟预测随建筑负荷变化，埋管换热器逐时热响应情况