国家标准(水源热泵设计标准).
国家标准《地源热泵系统工程技术规范》设计要点
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-loop ground-coupled heat pump system）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
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。
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。”
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
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；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；
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
1：2.36
33.10
34.25
35.21
35.86
36.40
上海
1：5.0
36.17
38.31
39.89
41.18
42.15
沈阳
1：1.28
27.99
28.11
28.19
28.19
28.18
齐齐哈尔
1：0.67
27.88
26.57
25.66
25.01
24.52
4.2 地下水系统
地下水系统是目前地源热泵系统应用最广的一种形式，据不完全统计目前国内地下水项
目已近300个。对于较大系统，地下水系统的投资远低于地埋管系统，这也是该系统得以广泛应用的主要原因。
（1）热源井设计必须保证持续出水量需求及长期可靠回灌
不得对地下水资源造成浪费和污染，是地下水系统应用的前提。地下水属于一种地质资源，如无可靠的回灌，不仅造成水资源的浪费，同时地下水大量开采还会引起的地面沉降、地裂缝、地面塌陷等地质问题。在国内的实际使用过程中，由于地质及成井工艺的问题，回灌堵塞问题时有发生。堵塞原因与热源井设计及施工工艺密切相关，为此《规范》明确要求“热源井的设计单位应具有水文地质勘察资质”；设计时热源井井口应严格封闭并采取减少空气侵入的措施也是保障可靠回灌的必要措施。2）水质处理
水质处理是地下水系统的另一关键。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）地下水流量控制
抽水泵功耗过高是目前地下水系统运行存在的普遍问题。在对国内部分地下水系统的调查时发现，大多地下水系统没有调节措施，长期定流量运行，只有少数系统采用了台数控制。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。
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。
北京市海淀区对水源热泵回灌下游水质跟踪检测三年多，未发现有污染和异常。欧洲、北美等地，已使用20～30年。只要严格控制凿井深度在浅表地层，严格禁止深入饮用水层以避免对饮用水的层间交叉污染，同时在设计、施工上严格把关，真正做到可靠回灌，地下水系统不会对地下水资源造成浪费和污染。
4.5 地源热泵系统优化
（1）辅助冷热源优化配置
带辅助冷热源的混合式系统，由于它可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。《规范》中规定“在技术经济合理时，可采用辅助热源或冷却源与地埋管换热器并用的调峰形式。”
对混合式系统的优化模拟分析，即以生命周期内费用最低为目标，对混合式系统运行能耗及投资情况进行模拟计算分析，优化配置辅助加热及散热设备，也是目前国际上广泛研究与分析的热点。
与地源热泵系统设计相关的软件有两大类，一类是埋管换热器设计软件，另一类就是能够提供方案优化分析、模拟系统能耗及经济分析的软件。许多软件均具备双重功能，如TRNSYS、GS2000等。
（2）优化确定地下水流量
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衡点，同时考虑部分负荷下两者的综合性能，计算不同工况下系统的综合性能系数，优化确定地下水流量。该项工作对有效降低地下水系统运行费用至关重要。