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(jì)要點(diǎn)解析

中國建筑科學(xué)研究院空氣調(diào)節(jié)研究所  鄒瑜 徐偉 馮小梅

摘要：本文針對不同地源熱泵系統(tǒng)的特點(diǎn)，結(jié)合《規(guī)范》條文，對地源熱泵系統(tǒng)設(shè)計(jì)特點(diǎn)、方法及要點(diǎn)進(jìn)行了深入分析，為地源熱泵系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)。

關(guān)鍵詞：地源熱泵系統(tǒng)、設(shè)計(jì)要點(diǎn)、系統(tǒng)優(yōu)化

1  前言

    實(shí)施可持續(xù)發(fā)展能源戰(zhàn)略已成為新時(shí)期我國能源發(fā)展的基本方針，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。2006年1月1日《可再生能源法》正式實(shí)施，地源熱泵系統(tǒng)作為可再生能源應(yīng)用的主要途徑之一，同時(shí)也是最利于與太陽能供熱系統(tǒng)相結(jié)合的系統(tǒng)形式，近年來在國內(nèi)得到了日益廣泛的應(yīng)用。地源熱泵系統(tǒng)利用淺層地?zé)崮苜Y源進(jìn)行供熱與空調(diào)，具有良好的節(jié)能與環(huán)境效益，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(xiàng)目在沒有對當(dāng)?shù)刭Y源狀況進(jìn)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(jì)、施工及驗(yàn)收，確保地源熱泵系統(tǒng)安全可靠的運(yùn)行，更好的發(fā)揮其節(jié)能效益，由中國建筑科學(xué)研究院主編，會同13個(gè)單位共同編制了《地源熱泵系統(tǒng)工程技術(shù)規(guī)范》（以下簡稱規(guī)范）。該規(guī)范現(xiàn)已頒布，并于2006年1月1日起實(shí)施。

    由于地源熱泵系統(tǒng)的特殊性，其設(shè)計(jì)方法是其關(guān)鍵與難點(diǎn)，也是業(yè)內(nèi)人士普遍關(guān)注的問題，同時(shí)也是國外熱點(diǎn)課題，在新頒布的《規(guī)范》中首次對其設(shè)計(jì)方法提出了具體要求。為了加深對規(guī)范條文的理解，本文對其部分要點(diǎn)內(nèi)容進(jìn)行解析。

2 《規(guī)范》的適用范圍及地源熱泵系統(tǒng)的定義

2.1 《規(guī)范》的適用范圍

    該《規(guī)范》適用于以巖土體、地下水、地表水為低溫?zé)嵩?，以水或添加防凍劑的水溶液為傳熱介質(zhì)，采用蒸氣壓縮熱泵技術(shù)進(jìn)行供熱、空調(diào)或加熱生活熱水的系統(tǒng)工程的設(shè)計(jì)、施工及驗(yàn)收。它包括以下兩方面的含義：

    （1）“以水或添加防凍劑的水溶液為傳熱介質(zhì)”，意旨不適用于直接膨脹熱泵系統(tǒng)，即直接將蒸發(fā)器或冷凝器埋入地下的一種熱泵系統(tǒng)。該系統(tǒng)目前在北美地區(qū)別墅或小型商用建筑中應(yīng)用，它優(yōu)點(diǎn)是成孔直徑小，效率高，也可避免使用防凍劑；但制冷劑泄漏危險(xiǎn)性較大，僅適于小規(guī)模應(yīng)用。

    （2）“采用蒸氣壓縮熱泵技術(shù)進(jìn)行……” 意旨不包括吸收式熱泵。

2.2 地源熱泵系統(tǒng)的定義

    地源熱泵系統(tǒng)根據(jù)地?zé)崮芙粨Q系統(tǒng)形式的不同，分為地埋管地源熱泵系統(tǒng)（簡稱地埋管系統(tǒng)）、地下水地源熱泵系統(tǒng)（簡稱地下水系統(tǒng)）和地表水地源熱泵系統(tǒng)（簡稱地表水系統(tǒng)）。其中地埋管地源熱泵系統(tǒng)，也稱地耦合系統(tǒng)（closed-loop ground-coupled heat pump system）或土壤源地源熱泵系統(tǒng)，考慮實(shí)際應(yīng)用中人們的稱呼習(xí)慣，同時(shí)便于理解，本規(guī)范定義為地埋管地源熱泵系統(tǒng)。地表水系統(tǒng)中的地表水是一個(gè)廣義概念，包括河流、湖泊、海水、中水或達(dá)到國家排放標(biāo)準(zhǔn)的污水、廢水等。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(jī)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)。

3  地源熱泵系統(tǒng)的設(shè)計(jì)特點(diǎn)

    （1）地源熱泵系統(tǒng)受低位熱源條件的制約

    a、對地埋管系統(tǒng)，除了要有足夠埋管區(qū)域，還要有比較適合的巖土體特性。堅(jiān)硬的巖土體將增加施工難度及初投資，而松軟巖土體的地質(zhì)變形對地埋管換熱器也會產(chǎn)生不利影響。為此，工程勘察完成后，應(yīng)對地埋管換熱系統(tǒng)實(shí)施的可行性及經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行評估。

    b、對地下水系統(tǒng)，首先要有持續(xù)水源的保證，同時(shí)還要具備可靠的回灌能力?！兑?guī)范》中強(qiáng)制規(guī)定“地下水換熱系統(tǒng)應(yīng)根據(jù)水文地質(zhì)勘察資料進(jìn)行設(shè)計(jì)，并必須采取可靠回灌措施，確保置換冷量或熱量后的地下水全部回灌到同一含水層，不得對地下水資源造成浪費(fèi)及污染。系統(tǒng)投入運(yùn)行后，應(yīng)對抽水量、回灌量及其水質(zhì)進(jìn)行監(jiān)測。”

    c、對地表水系統(tǒng)，設(shè)計(jì)前應(yīng)對地表水系統(tǒng)運(yùn)行對水環(huán)境的影響進(jìn)行評估；地表水換熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)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。

    （2）地源熱泵系統(tǒng)受低位熱源的影響很大

    低位熱源的不定因素非常多，不同的地區(qū)、不同的氣象條件，甚至同一地區(qū)，不同區(qū)域，低位熱源也會有很大差異，這些因素都會對地源熱泵系統(tǒng)設(shè)計(jì)帶來影響。如地埋管系統(tǒng)，巖土體熱物性對地埋管換熱器的換熱效果有很大影響，單位管長換熱能力差別可達(dá)3倍或更多。

    （3）設(shè)計(jì)相對復(fù)雜

    a、低位熱源換熱系統(tǒng)是地源熱泵系統(tǒng)特有的內(nèi)容，也是地源熱泵系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵和難點(diǎn)。地下?lián)Q熱過程是一個(gè)復(fù)雜的非穩(wěn)態(tài)過程，影響因素眾多，計(jì)算過程復(fù)雜，通常需要借助專用軟件才能實(shí)現(xiàn)；

    b、地源熱泵系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)考慮低位熱源長期運(yùn)行的穩(wěn)定性。方案設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)對若干年后巖土體的溫度變化；地下水水量、溫度的變化，地表水體溫度的變化進(jìn)行預(yù)測，根據(jù)預(yù)測結(jié)果確定應(yīng)采用的系統(tǒng)方案；

    c、地源熱泵系統(tǒng)與常規(guī)系統(tǒng)相比，增加了低位熱源換熱部分的投資，且投資比例較高，為了提高地源熱泵系統(tǒng)的綜合效益，或由于受客觀條件限制，低位熱源不能滿足供熱或供冷要求時(shí)，通常采用混合式地源熱泵系統(tǒng)，即采用輔助冷熱源與地源熱泵系統(tǒng)相結(jié)合的方式。確定輔助冷熱源的過程，也就是方案優(yōu)化的過程，無形中提高了方案設(shè)計(jì)的難度。

4  地源熱泵系統(tǒng)設(shè)計(jì)要點(diǎn)

4.1 地埋管系統(tǒng)

    由于地埋管系統(tǒng)通過埋管換熱方式將淺層地?zé)崮苜Y源加以利用，避免了對地下水資源的依賴，近年來得到了越來越廣泛的應(yīng)用。但地埋管系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法一直沒有明確規(guī)定，通常設(shè)計(jì)院將地埋管換熱設(shè)計(jì)交給專業(yè)工程公司完成。除少數(shù)有一定技術(shù)實(shí)力的公司，引進(jìn)了國外軟件，可作一些分析外，通常專業(yè)公司只是根據(jù)設(shè)計(jì)負(fù)荷，按經(jīng)驗(yàn)估算確定埋管數(shù)量及埋深，對動態(tài)負(fù)荷的影響缺乏分析，對長期運(yùn)行效果沒有預(yù)測，造成地埋管區(qū)域巖土體溫度持續(xù)升高或降低，從而影響地埋管換熱器的換熱性能，降低地埋管換熱系統(tǒng)的運(yùn)行效率。

    因此，保證地埋管系統(tǒng)長期穩(wěn)定運(yùn)行是地埋管換熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)的首要問題，在保證需求的條件下，地埋管換熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)盡可能降低初投資及運(yùn)行費(fèi)用。

4.1.1 負(fù)荷計(jì)算

    地埋管系統(tǒng)是否能夠可靠運(yùn)行取決于埋管區(qū)域巖土體溫度是否能長期穩(wěn)定。

    以一棟總建筑面積為2100m²的小型辦公建筑為例，選取了四個(gè)具有代表性的地區(qū)：北京、上海、沈陽和齊齊哈爾，利用TRNSYS模擬地源熱泵系統(tǒng)連續(xù)運(yùn)行五年后，地埋管換熱器出口即水源熱泵機(jī)組進(jìn)口的傳熱介質(zhì)溫度波動情況，見表1－1，表1－2。

表1－1  地埋管換熱器出口傳熱介質(zhì)夏季最高溫度（℃）變化

注：表中數(shù)據(jù)引自中國建筑科學(xué)研究院研究報(bào)告《地埋管地源熱泵系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)分析》

表1－2  地埋管換熱器出口傳熱介質(zhì)冬季最低溫度（℃）變化

注：表中數(shù)據(jù)引自中國建筑科學(xué)研究院研究報(bào)告《地埋管地源熱泵系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)分析》

    由表1－1、表1－2可見，由于吸、釋熱量不平衡，造成巖土體溫度的持續(xù)升高或降低，導(dǎo)致進(jìn)入水源熱泵機(jī)組的傳熱介質(zhì)溫度變化很大，該溫度的提高或降低，都會帶來水源熱泵機(jī)組性能系數(shù)的降低，不僅影響地源熱泵系統(tǒng)的供冷供熱效果，也降低了地源熱泵系統(tǒng)的整體節(jié)能性。為此《規(guī)范》明確規(guī)定，“地埋管換熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)進(jìn)行全年動態(tài)負(fù)荷計(jì)算，最小計(jì)算周期宜為1年。計(jì)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。”

4.1.2地埋管換熱器設(shè)計(jì)

    地埋管換熱器設(shè)計(jì)是地埋管系統(tǒng)設(shè)計(jì)特有的內(nèi)容和核心。由于地埋管換熱器換熱效果不僅受巖土體導(dǎo)熱性能及地下水流動情況等地質(zhì)條件的影響，同時(shí)建筑物全年動態(tài)負(fù)荷、巖土體溫度的變化、地埋管管材、地埋管形式及傳熱介質(zhì)特性等因素都會影響地埋管換熱器的換熱效果。

    地埋管換熱器有兩種主要形式，即豎直地埋管換熱器（以下簡稱豎直埋管）和水平地埋管換熱器（以下簡稱水平埋管）。由于水平埋管占地面積較大，目前應(yīng)用以豎直埋管居多。

    巖土體熱物性的確定

    巖土體熱物性的確定是豎直埋管設(shè)計(jì)的關(guān)鍵?！兑?guī)范》中規(guī)定“地埋管換熱器設(shè)計(jì)計(jì)算宜根據(jù)現(xiàn)場實(shí)測巖土體及回填料熱物性參數(shù)進(jìn)行”。巖土體熱物性可以通過現(xiàn)場測試，以擾動－響應(yīng)方式獲得，即在擬埋管區(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(kuò)散系數(shù)及溫度。分析方法主要有3種，即線源理論、柱源理論及數(shù)值算法。實(shí)際應(yīng)用中，如有可能，應(yīng)盡量采用兩種以上的方法同時(shí)分析，以提高分析的可靠性。

   巖土體熱物性測試裝置如圖1所示：巖土體熱物性測試要求測試時(shí)間為36～48h，供熱量應(yīng)為50～80W/m，流量應(yīng)滿足供回水溫差11～22℃的需要，被測豎直埋管安裝完成后，根據(jù)導(dǎo)熱系數(shù)不同，需要3～5d的等待期，此外對測量精度等也有具體要求。^【1】

   目前測試設(shè)備有兩種，一種是小型便攜式，一種是大型車載系統(tǒng)，后者可以提供較大能量加熱系統(tǒng)，最新設(shè)備還可以提供冷凍水測試冬季運(yùn)行工況，具有更好精度及可靠性。

    豎直埋管地下傳熱計(jì)算

   地下傳熱模型基本是建立在線源理論或柱源理論基礎(chǔ)上。1954年Ingersoll 和Zobel提出將柱源傳熱方程作為計(jì)算埋管換熱器的合適方法，1985年Kavanaugh考慮U型排列和逐時(shí)熱流變化對該方法進(jìn)行了改進(jìn)。

    實(shí)際工程設(shè)計(jì)中很少使用這種乏味的計(jì)算，20世紀(jì)80年代人們更傾向于根據(jù)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行設(shè)計(jì)。80年代末，瑞典開發(fā)出一套計(jì)算結(jié)果可靠且使用簡單的軟件，其數(shù)值模型采用的是Eskilson（1987）提出的方法，該方法結(jié)合解析與數(shù)值模擬技術(shù)，確定鉆孔周圍的溫度分布，在一定初始及邊界條件下，對同一土質(zhì)內(nèi)單一鉆孔建立瞬時(shí)有限差分方程，進(jìn)行二維數(shù)值計(jì)算獲得單孔周圍的溫度分布。通過對單孔溫度場的附加，得到整個(gè)埋管區(qū)域相應(yīng)的溫度情況。為便于計(jì)算，將埋管區(qū)域的溫度響應(yīng)轉(zhuǎn)換成一系列無因次溫度響應(yīng)系數(shù)，這些系數(shù)被稱為g-functions。通過g-functions可以計(jì)算一個(gè)時(shí)間步長的階梯熱輸入引起的埋管溫度的變化，有了g-functions，任意釋熱源或吸熱源影響都可轉(zhuǎn)化成一系列階梯熱脈沖進(jìn)行計(jì)算。1999年Yavuzturk和Spitler對Eskilson的g-functions進(jìn)行了改進(jìn)，使該方法適用于短時(shí)間熱脈沖。

    1984年Kavanaugh使用圓柱形源項(xiàng)處理，利用穩(wěn)態(tài)方法和有效熱阻方法近似模擬逐時(shí)吸熱與釋熱變化過程?！兑?guī)范》中附錄B，采用類似方法，給出了豎直地埋管換熱器的設(shè)計(jì)計(jì)算方法，供設(shè)計(jì)選用。

    注：水平埋管由于占地問題，大多城市住宅或公建均很難采用。由于應(yīng)用較少，國內(nèi)外對其換熱機(jī)理研究也很少，目前主要是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)數(shù)值進(jìn)行估算。2003年ASHRAE手冊給出了一些推薦數(shù)據(jù)，供設(shè)計(jì)選用。主流地埋管設(shè)計(jì)軟件基本上均包括水平埋管的計(jì)算。

4.1.3 設(shè)計(jì)軟件

    通常地埋管設(shè)計(jì)計(jì)算是由軟件完成的。一方面是因?yàn)榈叵聯(lián)Q熱過程的復(fù)雜性，為盡可能節(jié)約埋管費(fèi)用，需要對埋管數(shù)量作準(zhǔn)確計(jì)算；另一方面地埋管設(shè)計(jì)需要預(yù)測隨建筑負(fù)荷的變化埋管換熱器逐時(shí)熱響應(yīng)情況及巖土體長期溫度變換情況。加拿大國家標(biāo)準(zhǔn)（CAN/CSA-C448.1）中對地埋管系統(tǒng)設(shè)計(jì)軟件明確提出了以下要求：

    a、能計(jì)算或輸入建筑物全年動態(tài)負(fù)荷；

    b、能計(jì)算當(dāng)?shù)貛r土體平均溫度及地表溫度波幅；

    c、能模擬巖土體與換熱管間的熱傳遞及巖土體長期儲熱效果；

    d、能計(jì)算巖土體、傳熱介質(zhì)及換熱管的熱物性；

    e、能對所設(shè)計(jì)系統(tǒng)的地埋管換熱器的結(jié)構(gòu)進(jìn)行模擬，（如鉆孔直徑、換熱器類型、灌漿情況等）。

    為此，《規(guī)范》中規(guī)定“地埋管設(shè)計(jì)宜采用專用軟件進(jìn)行。”

    判斷軟件復(fù)雜程度的標(biāo)準(zhǔn)有兩個(gè)：一是在滿足埋管換熱器設(shè)計(jì)要求的前提下，用戶輸入最少，計(jì)算時(shí)間最短；二是要求能模擬預(yù)測隨建筑負(fù)荷變化，埋管換熱器逐時(shí)熱響應(yīng)情況。

    目前，在國際上比較認(rèn)可的有建立在g-functions算法基礎(chǔ)上瑞典隆德Lund大學(xué)開發(fā)的EED程序，美國威斯康星Wisconsin-Madison大學(xué)Solar Energy 實(shí)驗(yàn)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。此外還有加拿大NRC開發(fā)的GS2000，以及建立在利用穩(wěn)態(tài)方法和有效熱阻方法近似模擬基礎(chǔ)上的軟件GchpCalc等。

4.2 地下水系統(tǒng)

    地下水系統(tǒng)是目前地源熱泵系統(tǒng)應(yīng)用最廣的一種形式，據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)目前國內(nèi)地下水項(xiàng)目已近300個(gè)。對于較大系統(tǒng)，地下水系統(tǒng)的投資遠(yuǎn)低于地埋管系統(tǒng)，這也是該系統(tǒng)得以廣泛應(yīng)用的主要原因。

    熱源井設(shè)計(jì)必須保證持續(xù)出水量需求及長期可靠回灌

    不得對地下水資源造成浪費(fèi)和污染，是地下水系統(tǒng)應(yīng)用的前提。地下水屬于一種地質(zhì)資源，如無可靠的回灌，不僅造成水資源的浪費(fèi)，同時(shí)地下水大量開采還會引起的地面沉降、地裂縫、地面塌陷等地質(zhì)問題。在國內(nèi)的實(shí)際使用過程中，由于地質(zhì)及成井工藝的問題，回灌堵塞問題時(shí)有發(fā)生。堵塞原因與熱源井設(shè)計(jì)及施工工藝密切相關(guān)，為此《規(guī)范》明確要求“熱源井的設(shè)計(jì)單位應(yīng)具有水文地質(zhì)勘察資質(zhì)”；設(shè)計(jì)時(shí)熱源井井口應(yīng)嚴(yán)格封閉并采取減少空氣侵入的措施也是保障可靠回灌的必要措施。

    水質(zhì)處理

    水質(zhì)處理是地下水系統(tǒng)的另一關(guān)鍵。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(yùn)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。為了保證水源熱泵機(jī)組的正常運(yùn)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)。”

    地下水流量控制

    抽水泵功耗過高是目前地下水系統(tǒng)運(yùn)行存在的普遍問題。在對國內(nèi)部分地下水系統(tǒng)的調(diào)查時(shí)發(fā)現(xiàn)，大多地下水系統(tǒng)沒有調(diào)節(jié)措施，長期定流量運(yùn)行，只有少數(shù)系統(tǒng)采用了臺數(shù)控制。據(jù)相關(guān)資料介紹，在不良的設(shè)計(jì)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?！兑?guī)范》中也建議“水系統(tǒng)宜采用變流量設(shè)計(jì)”。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(jì)時(shí)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。

    北京市海淀區(qū)對水源熱泵回灌下游水質(zhì)跟蹤檢測三年多，未發(fā)現(xiàn)有污染和異常。歐洲、北美等地，已使用20～30年。只要嚴(yán)格控制鑿井深度在淺表地層，嚴(yán)格禁止深入飲用水層以避免對飲用水的層間交叉污染，同時(shí)在設(shè)計(jì)、施工上嚴(yán)格把關(guān)，真正做到可靠回灌，地下水系統(tǒng)不會對地下水資源造成浪費(fèi)和污染。

4.3 地表水系統(tǒng)

    地表水系統(tǒng)分開式和閉式兩種，開式系統(tǒng)類似于地下水系統(tǒng)，閉式系統(tǒng)類似于地埋管系統(tǒng)。但是地表水體的熱特性與地下水或地埋管系統(tǒng)有很大不同。

    與地埋管系統(tǒng)相比，地表水系統(tǒng)的優(yōu)勢是沒有鉆孔或挖掘費(fèi)用，投資相對低；缺點(diǎn)是設(shè)在公共水體中的換熱管有被損害的危險(xiǎn)，而且如果水體小或淺，水體溫度隨空氣溫度變化較大。

    設(shè)計(jì)前應(yīng)評估系統(tǒng)運(yùn)行對水環(huán)境的影響

   a、 預(yù)測地表水系統(tǒng)長期運(yùn)行對水體溫度的影響，避免對水體生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生影響。確定換熱盤管敷設(shè)位置及方式時(shí)，應(yīng)考慮對行船等水面用途的影響。

    b、掌握地表水的水溫動態(tài)變化規(guī)律是閉式系統(tǒng)設(shè)計(jì)的前提。地表水體的熱傳導(dǎo)主要有三種形式，一是太陽輻射熱，二是與周圍空氣間的對流換熱，三是與巖土體間的熱傳導(dǎo)。由于很難獲得水體溫度的實(shí)測數(shù)據(jù)，通常水體溫度是根據(jù)室外空氣溫度，通過軟件模擬計(jì)算獲得。

    c、與地埋管系統(tǒng)一樣，閉式地表水系統(tǒng)設(shè)計(jì)也是借助軟件進(jìn)行。

    d、利用TRNSYS建立地表水換熱模型，模擬冬夏吸釋熱量不平衡時(shí)水體溫度的變化。對地表水體進(jìn)行10年運(yùn)行期的換熱模擬發(fā)現(xiàn)每年的溫度變化基本一致。說明地表水體與外界環(huán)境換熱量相對較大，一般可以消除冬夏吸釋熱量不平衡對水體溫度的影響。

    e、與地下水系統(tǒng)相類似，地表水系統(tǒng)同樣面臨水質(zhì)處理的問題。就海水源系統(tǒng)來說，該問題更加突出。我國濱臨渤海、黃海、東海、南海，有著很長的海岸線，海水作為熱容量最大的水體，理應(yīng)成為地表水系統(tǒng)的首選低位熱源。但海水對設(shè)備的腐蝕性成為海水源熱泵發(fā)展的一個(gè)瓶頸。為此《規(guī)范》中特別對海水源系統(tǒng)作了如下規(guī)定“當(dāng)?shù)乇硭w為海水時(shí)，與海水接觸的所有設(shè)備、部件及管道應(yīng)具有防腐、防生物附著的能力；與海水連通的所有設(shè)備、部件及管道應(yīng)具有過濾、清理的功能。”

4.4 建筑物內(nèi)系統(tǒng)

    選用適宜地源熱泵系統(tǒng)的水源熱泵機(jī)組

    國家現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)《水源熱泵機(jī)組》GB/T19409中，對不同地源熱泵系統(tǒng)，相應(yīng)水源熱泵機(jī)組正常工作的冷（熱）源溫度范圍也是不同的，如表2所示，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)正確選用。

表2 水源熱泵機(jī)組正常工作的冷（熱）源溫度范圍

    水源熱泵機(jī)組及末端設(shè)備應(yīng)按實(shí)際運(yùn)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(jì)時(shí)應(yīng)按實(shí)際水溫參數(shù)進(jìn)行設(shè)備選型。進(jìn)入機(jī)組溫度不同，機(jī)組COP相差很大；末端設(shè)備選擇時(shí)應(yīng)適合水源熱泵機(jī)組供、回水溫度的特點(diǎn)，保證地源熱泵系統(tǒng)的應(yīng)用效果，提高系統(tǒng)節(jié)能率。

4.5 地源熱泵系統(tǒng)優(yōu)化

    輔助冷熱源優(yōu)化配置

    帶輔助冷熱源的混合式系統(tǒng)，由于它可有效減少埋管數(shù)量或地下（表）水流量或地表水換熱盤管的數(shù)量，同時(shí)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?！兑?guī)范》中規(guī)定“在技術(shù)經(jīng)濟(jì)合理時(shí)，可采用輔助熱源或冷卻源與地埋管換熱器并用的調(diào)峰形式。”

    對混合式系統(tǒng)的優(yōu)化模擬分析，即以生命周期內(nèi)費(fèi)用最低為目標(biāo)，對混合式系統(tǒng)運(yùn)行能耗及投資情況進(jìn)行模擬計(jì)算分析，優(yōu)化配置輔助加熱及散熱設(shè)備，也是目前國際上廣泛研究與分析的熱點(diǎn)。

    與地源熱泵系統(tǒng)設(shè)計(jì)相關(guān)的軟件有兩大類，一類是埋管換熱器設(shè)計(jì)軟件，另一類就是能夠提供方案優(yōu)化分析、模擬系統(tǒng)能耗及經(jīng)濟(jì)分析的軟件。許多軟件均具備雙重功能，如TRNSYS、GS2000等。

    優(yōu)化確定地下水流量

    地下水系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)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(jī)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(jī)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(jī)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(jì)應(yīng)在兩者之間尋找平衡點(diǎn)，同時(shí)考慮部分負(fù)荷下兩者的綜合性能，計(jì)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。該項(xiàng)工作對有效降低地下水系統(tǒng)運(yùn)行費(fèi)用至關(guān)重要。

    節(jié)能控制策略

    地源熱泵系統(tǒng)宜采用變水量設(shè)計(jì)

    針對典型建筑模型，利用TRNSYS建立地下水能耗模擬模型，對定流量運(yùn)行能耗進(jìn)行模擬，模擬結(jié)果如表3所示：

     表3    定流量運(yùn)行能耗模擬結(jié)果

    注：表中數(shù)據(jù)引自中國建筑科學(xué)研究院研究報(bào)告《地下(表)水地源熱泵系統(tǒng)優(yōu)化模擬分析》

    由表3可見，水泵電耗占全年總耗電量的34％。如果水泵流量根據(jù)負(fù)荷需求進(jìn)行變頻控制，理論模擬結(jié)果為：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；所有水泵電耗由總電耗的34%降為19%。可見采取變流量措施具有明顯節(jié)能效益。

    注：地埋管系統(tǒng)應(yīng)根據(jù)負(fù)荷變化，配合變流量措施，采用分區(qū)輪換間歇運(yùn)行的方式，使巖土體溫度得到有效恢復(fù)，提高系統(tǒng)換熱效率。

5 結(jié)束語

    地源熱泵技術(shù)應(yīng)用時(shí)間不長，我國在設(shè)計(jì)方法上的研究還很不夠，受基礎(chǔ)研究及實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)限制，有些內(nèi)容只能引用國外文獻(xiàn)。隨著地源熱泵技術(shù)不斷發(fā)展，實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的不斷豐富，地源熱泵系統(tǒng)應(yīng)用技術(shù)也會不斷完善。

參考文獻(xiàn)：

【1】2003年ASHRAE 應(yīng)用手冊