《地源熱泵工程技術(shù)規(guī)范》介紹課件

1、國家標(biāo)準(zhǔn)地源熱泵系統(tǒng)工程技術(shù)規(guī)范GB50366-2005 設(shè)計要點解析中國建筑科學(xué)研究院空調(diào)所 馮曉梅 第1頁，共47頁。 介紹內(nèi)容規(guī)范編制背景規(guī)范適用范圍及術(shù)語地源熱泵系統(tǒng)的主要特點地源熱泵系統(tǒng)的設(shè)計要點結(jié)束語第2頁，共47頁。我國能源形勢發(fā)展的需要。能源和環(huán)境是影響國民經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵因素，能源供應(yīng)形勢直接關(guān)系到國家的安全和社會穩(wěn)定。 可再生能源在建筑中的應(yīng)用是建筑節(jié)能工作的重要組成部分。地源熱泵系統(tǒng)是可再生能源應(yīng)用的主要途徑之一，也是最利于與太陽能供熱系統(tǒng)相結(jié)合的系統(tǒng)形式。地源熱泵系統(tǒng)利用淺層地?zé)崮苜Y源進行供熱與空調(diào)，具有良好的節(jié)能與環(huán)境效益，近年來在國內(nèi)得到了日益廣泛的應(yīng)用。 1

2、規(guī)范編制背景第3頁，共47頁。但由于缺乏相應(yīng)規(guī)范的約束，地源熱泵系統(tǒng)的推廣呈現(xiàn)出很大盲目性，許多項目在沒有對當(dāng)?shù)刭Y源狀況進行充分評估的條件下就匆匆上馬 ，造成了地源熱泵系統(tǒng)工作不正常。為規(guī)范地源熱泵系統(tǒng)的設(shè)計、施工及驗收，確保地源熱泵系統(tǒng)安全可靠的運行，更好的發(fā)揮其節(jié)能效益，特制定本規(guī)范。 第4頁，共47頁。本規(guī)范適用于以巖土體、地下水、地表水為低溫?zé)嵩矗运蛱砑臃纼鰟┑乃芤簽閭鳠峤橘|(zhì)，采用蒸氣壓縮熱泵技術(shù)進行供熱、空調(diào)或加熱生活熱水的系統(tǒng)工程的設(shè)計、施工及驗收。 2 規(guī)范適用范圍及術(shù)語第5頁，共47頁。根據(jù)地?zé)崮芙粨Q系統(tǒng)形式的不同，地源熱泵系統(tǒng)分為地埋管地源熱泵系統(tǒng)、地下水地源熱泵系統(tǒng)和

3、地表水地源熱泵系統(tǒng)。只要是以巖土體、地下水或地表水為低溫?zé)嵩?，由水源熱泵機組、地?zé)崮芙粨Q系統(tǒng)、建筑物內(nèi)系統(tǒng)組成的供熱空調(diào)系統(tǒng)，統(tǒng)稱為地源熱泵系統(tǒng)。 地源熱泵系統(tǒng)的定義第6頁，共47頁。地埋管地源熱泵系統(tǒng)第7頁，共47頁。地下水地源熱泵系統(tǒng)第8頁，共47頁。 閉式地表水地源熱泵系統(tǒng)第9頁，共47頁。 開式地表水地源熱泵系統(tǒng) 第10頁，共47頁。 3 地源熱泵系統(tǒng)的設(shè)計特點地源熱泵系統(tǒng)受低位熱源條件的制約對地埋管系統(tǒng)，除了要有足夠的埋管區(qū)域，還要有比較適合的巖土體特性。對地下水系統(tǒng)，首先要有持續(xù)水源的保證，同時還要具備可靠的回灌能力。對地表水系統(tǒng)，應(yīng)根據(jù)水面用途，地表水深度、面積、地表水水質(zhì)、水位

4、、水溫情況綜合確定。第11頁，共47頁。設(shè)計相對復(fù)雜地?zé)崮芙粨Q系統(tǒng)計算過程復(fù)雜，通常需要借助專用軟件才能實現(xiàn)。地源熱泵系統(tǒng)設(shè)計應(yīng)考慮低位熱源長期運行的穩(wěn)定性。經(jīng)方案論證，當(dāng)技術(shù)經(jīng)濟合理時，可以采用輔助冷熱源與地源熱泵系統(tǒng)相結(jié)合的方式。第12頁，共47頁。地埋管換熱系統(tǒng)設(shè)計應(yīng)進行全年動態(tài)負(fù)荷計算，最小計算周期宜為1年。計算周期內(nèi)，地源熱泵系統(tǒng)總釋熱量宜與其總吸熱量相平衡。 以一棟總建筑面積為2100m2的小型辦公建筑為例，選取了四個具有代表性的地區(qū)：北京、上海、沈陽和齊齊哈爾，進行模擬分析。 4 地源熱泵系統(tǒng)設(shè)計要點4.1 地埋管地源熱泵系統(tǒng)4.1.1 負(fù)荷計算第13頁，共47頁。北京地區(qū)的地埋

5、管地源熱泵系統(tǒng)連續(xù)運行五年后，埋管換熱器進、出口的傳熱介質(zhì)溫度波動情況 第14頁，共47頁。巖土體的吸、釋熱量比例為1：2.36每年進入熱泵機組的傳熱介質(zhì)的最高/低溫度值 第15頁，共47頁。巖土體的吸、釋熱量比例為1：5.0 每年進入熱泵機組的傳熱介質(zhì)的最高/低溫度值 第16頁，共47頁。巖土體的吸、釋熱量比例為1：1.28每年進入熱泵機組的傳熱介質(zhì)的最高/低溫度值 第17頁，共47頁。巖土體的吸、釋熱量比例為1：0.67每年進入熱泵機組的傳熱介質(zhì)的最高/低溫度值 第18頁，共47頁。由上表可以看出，由于吸、釋熱量不平衡，造成巖土體溫度持續(xù)升高或降低，導(dǎo)致進入熱泵機組的傳熱介質(zhì)溫度變化很大，

6、該溫度的提高或降低，都會帶來水源熱泵機組性能系數(shù)的降低，因此地源熱泵系統(tǒng)總釋熱量宜與其總吸熱量相平衡。第19頁，共47頁。地埋管換熱器設(shè)計計算宜根據(jù)現(xiàn)場實測巖土體及回填料熱物性參數(shù)進行，豎直地埋管換熱器的設(shè)計也可按本規(guī)范附錄B的方法進行計算。巖土體熱物性可以通過現(xiàn)場測試，以擾動響應(yīng)方式模擬換熱情況。在擬埋管區(qū)域安裝同規(guī)格同深度的豎直埋管，通過水環(huán)路，將一定熱量（擾動）加給豎直埋管，記錄熱響應(yīng)數(shù)據(jù)。通過對這些數(shù)據(jù)的分析，獲得測試區(qū)域巖土體的導(dǎo)熱系數(shù)、擴散系數(shù)、溫度及單孔換熱量。4.1 地埋管地源熱泵系統(tǒng)4.1.2 地埋管換熱器設(shè)計第20頁，共47頁。巖土體熱物性測試：測試時間3648h;供熱量5

7、080W/m; 流量滿足供回水溫差1122；等待期：35d第21頁，共47頁。巖土體熱物性測試以擾動響應(yīng)方式模擬、計算換熱情況：第22頁，共47頁。測試儀器第23頁，共47頁。 地埋管換熱器設(shè)計由軟件完成一方面地下?lián)Q熱過程的復(fù)雜性，為盡可能節(jié)約埋管費用，需要對埋管數(shù)量作準(zhǔn)確計算。另一方面地埋管設(shè)計需要預(yù)測隨建筑負(fù)荷的變化地埋管換熱器逐時熱響應(yīng)情況及巖土體長期溫度變化情況。 4.1 地埋管地源熱泵系統(tǒng)4.1.3 設(shè)計軟件第24頁，共47頁。設(shè)計軟件應(yīng)具有以下功能：1能計算或輸入建筑物全年動態(tài)負(fù)荷；2能計算巖土體平均溫度及地表溫度波幅；3能模擬巖土體與換熱管間的熱傳遞及巖土體長期 熱效果；4能計算

8、巖土體、傳熱介質(zhì)及換熱管的熱物性；5能對所設(shè)計系統(tǒng)的地埋管換熱器的結(jié)構(gòu)進行模擬（如鉆孔直徑、換熱器類型、灌漿情況等）。 第25頁，共47頁。 目前常用地埋管地源熱泵系統(tǒng)地下?lián)Q熱器設(shè)計計算分析軟件主要有：瑞典隆德Lund大學(xué)開發(fā)的EED（Earth Energy Designer）程序；美國威斯康星Wisconsin-Madison大學(xué)Solar Energy 實驗室（SEL） 開發(fā)的TRNSYS程序；美國俄克拉荷馬州Oklahoma大學(xué)開發(fā)的GLHEPRO程序。除此之外國際上地源熱泵設(shè)計軟件還有LUND PROGRAMS、GLGS 、ECA、WFEA、GS2000、GEOCALC等等。這些軟件

9、基本都基于瑞典隆德大學(xué)g-Functions算法，并且得到試驗驗 證及廣泛采用。第26頁，共47頁。（1）熱源井設(shè)計必須保證持續(xù)出水量需 求及長期可靠回灌熱源井的設(shè)計單位應(yīng)具有水文地質(zhì)勘察資質(zhì) 采取減少空氣侵入的措施 熱源井井口應(yīng)嚴(yán)格封閉 4.2 地下水換熱系統(tǒng) 在實際工程中，由于地質(zhì)及成井工藝的問題，回灌堵塞現(xiàn)象時有發(fā)生，堵塞原因與熱源井設(shè)計及施工工藝密切相關(guān)。因此規(guī)定：第27頁，共47頁。（2）水質(zhì)處理4.2 地下水換熱系統(tǒng) 地下水水質(zhì)復(fù)雜，有害成分有：鐵、錳、鈣、鎂、二氧化碳、溶解氧、氯離子、酸堿度等。為保證系統(tǒng)正常運行，通常根據(jù)地下水的水質(zhì)不同，采用相應(yīng)的處理措施，主要包括除砂、除鐵等

10、。為了保證水源熱泵機組的正常運行，規(guī)范要求“地下水換熱系統(tǒng)應(yīng)根據(jù)水源水質(zhì)條件采用直接或間接系統(tǒng)?！钡?8頁，共47頁。（3）地下水流量控制4.2 地下水換熱系統(tǒng)抽水泵功耗過高是目前地下水系統(tǒng)運行存在的普遍問題。據(jù)相關(guān)資料介紹，在不良的設(shè)計中，井水泵的功耗可以占總能耗的25或更多，使系統(tǒng)整體性能系數(shù)降低。 根據(jù)負(fù)荷需求調(diào)節(jié)地下水流量，具有很大節(jié)能潛力。規(guī)范中也建議“水系統(tǒng)宜采用變流量設(shè)計”。常用抽水泵控制方法有：設(shè)置雙限溫度的雙位控制、變速控制和多井調(diào)節(jié)控制。在設(shè)計時應(yīng)根據(jù)抽水井?dāng)?shù)、系統(tǒng)形式和初投資綜合選用適合的控制方式。第29頁，共47頁。針對某典型建筑，利用Trnsys進行能耗模擬，結(jié)果如下

11、（定流量）第30頁，共47頁。針對典型建筑，利用Trnsys進行能耗模擬，結(jié)果如下 定流量與變流量對比第31頁，共47頁。大部分月份的節(jié)約電量都在一半以上，尤其是負(fù)荷較小的月份；水泵電耗由總電耗的34%降為19%，如果抽水井較淺，則這個比例可以控制在15%以內(nèi)。 由上圖可以看出第32頁，共47頁。設(shè)計前，應(yīng)對地表水地源熱泵系統(tǒng)長期運行時對水環(huán)境的影響進行評估；地表水換熱系統(tǒng)設(shè)計方案應(yīng)根據(jù)水面用途，地表水深度、面積，地表水水質(zhì)、水位、水溫情況綜合確定； 地表水換熱盤管的換熱量應(yīng)滿足地源熱泵系統(tǒng)最大吸熱量或釋熱量的需要；水系統(tǒng)宜采用變流量設(shè)計 ；當(dāng)?shù)乇硭w為海水時，與海水接觸的所有設(shè)備、部件及管道

12、防腐、防生物附著能力要求。 4.3 地表水換熱系統(tǒng)設(shè)計要點第33頁，共47頁。地表水換熱系統(tǒng)設(shè)計第34頁，共47頁。得熱量與散熱量第35頁，共47頁。地表水溫度變化第36頁，共47頁。閉式地表水換熱系統(tǒng)設(shè)計利用Trnsys 建模計算季節(jié)性換熱不平衡對水體長年溫度的影響。對地表水體進行10年運行期的換熱模擬： 每年地表水的溫度變化基本一致。 地表水體與外界環(huán)境換熱相對頻繁，受氣象條件的影響較大。一般均可以消除季節(jié)性的換熱不平衡的影響。 第37頁，共47頁。閉式地表水換熱系統(tǒng)設(shè)計利用Trnsys建模計算8個不同地區(qū)的地表水溫及其換熱能力 對4m處的水體分別采用廣州、上海、北京、濟南、武漢、長沙、成

13、都和西安等八個城市的氣象參數(shù)進行水溫變化模擬。分別整理出水體的最高、最低和平均溫度，以及冬、夏季推薦平均換熱負(fù)荷。 第38頁，共47頁。閉式地表水換熱系統(tǒng)布置第39頁，共47頁。閉式地表水換熱系統(tǒng)布置第40頁，共47頁。選用適宜地源熱泵系統(tǒng)的水源熱泵機組 對不同地源熱泵系統(tǒng)，相應(yīng)水源熱泵機組正常工作的冷（熱）源溫度范圍也是不同的。如下表所示： 4.4 建筑物內(nèi)系統(tǒng)設(shè)計要點第41頁，共47頁。水源熱泵機組及末端設(shè)備應(yīng)按實際運行參數(shù)選型 不同地區(qū)巖土體、地下水或地表水水溫差別較大，設(shè)計時應(yīng)按實際水溫參數(shù)進行設(shè)備選型。進入機組溫度不同，機組COP相差很大；末端設(shè)備選擇時應(yīng)適合水源熱泵機組供、回水溫度

14、的特點，保證地源熱泵系統(tǒng)的應(yīng)用效果，提高系統(tǒng)節(jié)能率。 4.4 建筑物內(nèi)系統(tǒng)設(shè)計要點第42頁，共47頁。輔助冷、熱源優(yōu)化配置 有效減少埋管數(shù)量或地下（表）水流量或地表水換熱盤管的數(shù)量；同時也是保障地埋管系統(tǒng)吸釋熱量平衡的主要手段，已成為地源熱泵系統(tǒng)應(yīng)用的主要形式。 4.5 地源熱泵系統(tǒng)優(yōu)化第43頁，共47頁。優(yōu)化確定地下水流量 地下水系統(tǒng)設(shè)計時應(yīng)以提高系統(tǒng)綜合性能系數(shù)為目標(biāo)，考慮抽水泵與水源熱泵機組能耗間的平衡，確定地下水的取水量。地下水流量增加，水源熱泵機組性能系數(shù)提高，但抽水泵能耗明顯增加；相反地下水流量較少，水源熱泵機組性能系數(shù)較低，但抽水泵能耗明顯減少，因此地下水系統(tǒng)設(shè)計應(yīng)在兩者之間尋找平衡點，同時考慮部分負(fù)荷下兩者的綜合性能，計算不同工況下系統(tǒng)的綜合性能系數(shù)，優(yōu)化確定地下水流量。4.5 地源熱泵系統(tǒng)優(yōu)化第44頁，共47頁。節(jié)能控制策略 地源熱泵系統(tǒng)宜采用變水量設(shè)計。地埋管系統(tǒng)應(yīng)根據(jù)負(fù)荷