重慶市《地埋管地源熱泵系統(tǒng)技術(shù)規(guī)程》解讀

盧軍，曾利悅，王勇，陳金華，彭清元

（1重慶大學(xué) 城市建設(shè)與環(huán)境工程學(xué)院 重慶 400045；2重慶市地勘局南江水文地質(zhì)工程地質(zhì)隊，重慶 401147）

重慶市《地埋管地源熱泵系統(tǒng)技術(shù)規(guī)程》解讀

盧軍1，曾利悅1，王勇1，陳金華1，彭清元2

（1重慶大學(xué) 城市建設(shè)與環(huán)境工程學(xué)院 重慶 400045；2重慶市地勘局南江水文地質(zhì)工程地質(zhì)隊，重慶 401147）

介紹了重慶市《地埋管地源熱泵系統(tǒng)技術(shù)規(guī)程》的編制背景、特點(diǎn)并對重點(diǎn)條文進(jìn)行了解讀?！兑?guī)程》在國家標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，結(jié)合重慶市氣候、巖土條件特點(diǎn)及近年來的工程實踐，對地埋管地源熱泵系統(tǒng)工程的勘察、設(shè)計、施工及驗收進(jìn)行了完善，以提高重慶地埋管地源熱泵系統(tǒng)的設(shè)計水平，實現(xiàn)節(jié)能減排的戰(zhàn)略目標(biāo)。

地埋管；地源熱泵；暖通空調(diào)；熱響應(yīng)試驗

1 編制背景

1.1 重慶市地埋管地源熱泵應(yīng)用現(xiàn)狀

地埋管地源熱泵系統(tǒng)是以地表淺層巖土體為低溫?zé)嵩?，由水源熱泵機(jī)組、地埋管換熱系統(tǒng)及建筑物內(nèi)系統(tǒng)組成的供熱、空調(diào)或生活熱水供應(yīng)系統(tǒng)。自 《地源熱泵系統(tǒng)工程技術(shù)規(guī)范》GB50366實施以來，重慶市地埋管地源熱泵項目快速發(fā)展，積累了大量的工程實踐經(jīng)驗，開展了許多土壤源熱泵示范項目，如：南江水文地質(zhì)工程地質(zhì)隊集資樓、永川區(qū)會議服務(wù)中心及司法綜合辦公大樓、后勤工程學(xué)院綠色建筑示范樓、潼南縣人民醫(yī)院、重慶大學(xué)農(nóng)學(xué)院及生命科學(xué)研究院、重慶市會議展覽館二期項目，部分項目已通過驗收?！兑?guī)范》對地埋管地源熱泵系統(tǒng)的設(shè)計、施工起到了很好的指導(dǎo)作用。

重慶市建筑節(jié)能“十二五”專項規(guī)劃指出：2011年至2012年期間，可再生能源建筑規(guī)?；瘧?yīng)用面積達(dá)180萬m2，其中地源熱泵系統(tǒng)建筑應(yīng)用面積達(dá)到30萬m2；2013年至2015年期間，可再生能源建筑規(guī)?；瘧?yīng)用面積達(dá)270萬m2，其中地源熱泵系統(tǒng)建筑應(yīng)用面積達(dá)到50萬m2[1]。由此可見目前地埋管地源熱泵系統(tǒng)正處于快速發(fā)展期，總結(jié)已有的實踐經(jīng)驗，形成完善的地埋管地源熱泵技術(shù)體系將對未來重慶市地源熱泵發(fā)展提供堅實的技術(shù)支持。

1.2 重慶市氣候及巖土特點(diǎn)

重慶市地域廣闊，地質(zhì)條件以砂巖、泥巖為主，地質(zhì)大部分以導(dǎo)熱率為2.5W/(m·k)以上的基巖為主（基巖包括砂巖、泥巖、灰?guī)r等沉積巖），基巖的導(dǎo)熱率比北京、上海高15%～20%[2]，地下100m內(nèi)巖土平均未受熱干擾溫度一般為20℃左右，土壤源熱泵機(jī)組的實際運(yùn)行效率一般能達(dá)到4.0以上，這些都成為重慶地區(qū)利用淺層地溫的優(yōu)勢條件。

重慶市屬于典型的夏熱冬冷地區(qū)，夏季冷負(fù)荷較大，冷熱負(fù)荷不均將導(dǎo)致地溫隨系統(tǒng)運(yùn)行逐年上升，進(jìn)而降低系統(tǒng)能效比。輔助冷源配合地埋管地源熱泵系統(tǒng)組成的復(fù)合式地源熱泵系統(tǒng)因其初投資低的優(yōu)勢和有利于地溫恢復(fù)的特點(diǎn)，成為符合重慶市氣候特征的有利系統(tǒng)形式，各高校針對復(fù)合式地源熱泵系統(tǒng)也開展了大量研究。

1.3 編制目的

《地源熱泵系統(tǒng)工程技術(shù)規(guī)范》GB50366面向全國廣大地區(qū)，需兼顧不同氣候及巖土條件，偏重原則性，且適用于地埋管、地下水及地表水源熱泵。通過大量工程實踐發(fā)現(xiàn)，一方面，適合重慶市的系統(tǒng)形式、設(shè)計參數(shù)及施工方法值得推廣和引導(dǎo)；另一方面，地埋管地源熱泵系統(tǒng)的勘察、設(shè)計、施工及驗收整個流程中，國標(biāo)中未涵蓋的一些具體問題也會對整個系統(tǒng)的良好運(yùn)行造成影響，而設(shè)計人員可能未引起足夠重視。針對以上兩個問題，重慶大學(xué)和重慶市設(shè)計院根據(jù)重慶市城鄉(xiāng)建設(shè)委員會《關(guān)于下達(dá)2009年建設(shè)科技計劃項目的通知》，會同有關(guān)單位共同編制了重慶市《地埋管地源熱泵系統(tǒng)設(shè)計規(guī)程》（下簡稱《規(guī)程》），以完善重慶地區(qū)地埋管地源熱泵系統(tǒng)設(shè)計方法，推動地埋管地源熱泵系統(tǒng)在重慶市的高效利用，達(dá)到節(jié)能減排的目的。

2 要點(diǎn)解讀

《規(guī)程》共9章，包括：總則、術(shù)語、工程勘察、地埋管換熱系統(tǒng)設(shè)計、冷熱源及室內(nèi)系統(tǒng)設(shè)計、系統(tǒng)計量與監(jiān)控、施工安裝、系統(tǒng)調(diào)試與驗收和附錄，適用于重慶市內(nèi)新建、改建和擴(kuò)建的以巖土體為低溫?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)行供暖、空調(diào)及生活熱水供應(yīng)的地埋管地源熱泵系統(tǒng)工程的勘察、設(shè)計、施工及驗收。

《規(guī)程》結(jié)合重慶市氣候、地質(zhì)條件，細(xì)化了地埋管換熱系統(tǒng)設(shè)計，強(qiáng)化了復(fù)合式地源熱泵相關(guān)內(nèi)容，增加冷熱源設(shè)計及計量監(jiān)控內(nèi)容，增強(qiáng)了《規(guī)程》在重慶市應(yīng)用的實用性和可操作性，下面將結(jié)合以上特點(diǎn)對重點(diǎn)條文進(jìn)行解讀。

2.1 強(qiáng)調(diào)工程勘察

工程勘察作為地源熱泵系統(tǒng)設(shè)計的基礎(chǔ)，決定了系統(tǒng)設(shè)計的科學(xué)合理性?！兜卦礋岜孟到y(tǒng)工程技術(shù)規(guī)范》特別強(qiáng)調(diào)了巖土熱響應(yīng)試驗的內(nèi)容，對是否需要實施巖土熱響應(yīng)試驗提出了明確的界限，并推薦了巖土熱響應(yīng)測試的放熱試驗方法[3]?！兑?guī)程》沿用了國標(biāo)中巖土熱響應(yīng)測試的方法，與國標(biāo)實施熱響應(yīng)試驗所規(guī)定的條件基本一致，并提供了熱響應(yīng)試驗報告樣例，在條文說明中還附上了根據(jù)重慶地?zé)峥辈觳块T資料整理的重慶地區(qū)主要巖土的熱物性參數(shù)。

《規(guī)程》第3章工程勘察部分有兩條強(qiáng)條，分別是：

3.1.1 地埋管地源熱泵系統(tǒng)方案設(shè)計前，應(yīng)進(jìn)行工程場地狀況調(diào)查，并應(yīng)對工程場區(qū)內(nèi)巖土體地質(zhì)條件進(jìn)行工程勘察。

3.3.2 當(dāng)?shù)芈窆艿卦礋岜孟到y(tǒng)的應(yīng)用建筑面積A≥5000m2時，應(yīng)進(jìn)行巖土熱響應(yīng)試驗；應(yīng)用建筑面積大于10000m2時，應(yīng)至少進(jìn)行兩個測試孔的熱響應(yīng)實驗?？辈鞙y試孔應(yīng)位于埋管范圍內(nèi)，兩個或兩個以上測試孔，應(yīng)選取在巖層特征不同的位置。

其中，3.3.2條規(guī)定了應(yīng)用建筑面積大于10000m2時，應(yīng)至少進(jìn)行兩個測試孔的測試以及測試孔的位置。因為從目前工程實踐看，一些大型項目面積較大，相應(yīng)的能耗也較大，其節(jié)能運(yùn)行更應(yīng)得到保證。這是考慮到重慶市的地質(zhì)特征及地埋管地源熱泵系統(tǒng)的應(yīng)用特點(diǎn)。結(jié)合國外已有的經(jīng)驗，為了保證大型地埋管地源熱泵系統(tǒng)的安全運(yùn)行和節(jié)能效果，作此規(guī)定。

另外，重慶多數(shù)地區(qū)為基巖山區(qū)，巖層蘊(yùn)藏著較豐富的構(gòu)造裂隙水，地下水補(bǔ)給區(qū)與排泄區(qū)的相對位置與高差決定著地下水徑流的方向與徑流速度；含水層的補(bǔ)給條件與排泄條件愈好、透水性愈強(qiáng)，則徑流條件愈好。地下水賦存狀況對地下溫度場的變化有較大影響，應(yīng)查明埋管區(qū)域內(nèi)地下水賦存狀況。

近年來，重慶市針對熱響應(yīng)試驗及計算方法開展了不少研究[4-5]，有的還開發(fā)了相應(yīng)的軟件[6]。為了推廣最新科研成果，提高我市地埋管地源熱泵設(shè)計水平，《規(guī)程》推薦了采用軟件進(jìn)行巖土熱響應(yīng)測試計算的方法，可實現(xiàn)巖土熱響應(yīng)試驗數(shù)據(jù)導(dǎo)入、巖土熱物性參數(shù)計算、鉆孔熱阻計算及地埋管每延米換熱量計算等（圖1）。

圖1 巖土熱響應(yīng)測試計算軟件界面

2.2 細(xì)化地埋管換熱系統(tǒng)設(shè)計流程

地埋管換熱器的設(shè)計是地埋管地源熱泵系統(tǒng)設(shè)計的核心內(nèi)容。地埋管換熱器的設(shè)計應(yīng)按場地規(guī)劃、埋管換熱負(fù)荷、埋管形式、地埋管長度設(shè)計和水力平衡及承壓能力計算步驟進(jìn)行。結(jié)合重慶市氣候及巖土條件，《規(guī)程》從以下方面提出了相應(yīng)的建議：

（1）推薦換熱器形式

《規(guī)程》第4.3.3條，對地質(zhì)條件為巖石的埋管區(qū)域，推薦豎直埋管換熱器形式；第4.3.24條，對于建筑密度低的單層、多層建筑，經(jīng)技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較分析后，可以采用水平埋管、樁基埋管和換熱樁技術(shù)；第4.3.14條，結(jié)構(gòu)樁基埋深大于8m的建筑物優(yōu)先采用樁基埋管和換熱樁技術(shù)。樁基埋管和換熱樁技術(shù)是一種符合重慶市巖土特點(diǎn)的形式。因為重慶市為山地城市，建筑用地內(nèi)多存在回填區(qū)，回填區(qū)內(nèi)結(jié)構(gòu)樁基埋深常常在8～30m。地埋管可以和樁基相結(jié)合，減少地埋管系統(tǒng)鉆孔成本，所以宜優(yōu)先采用樁基埋管。該項技術(shù)在歐洲地區(qū)、我國的貴州、上海、武漢均得到成功應(yīng)用。

另外，第4.3.10條根據(jù)重慶市單U和雙U管的工程測試和技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析，雙U管的單位價值換熱量要高于單U，推薦優(yōu)先選用雙U換熱器。第4.3.15條綜合傳熱效率、管材承壓、鉆孔難度等因素，規(guī)定：豎直地埋管換熱器埋管深度應(yīng)大于恒溫層深度，埋管深度宜取50～150m，單U形埋管鉆孔孔徑不宜小于110mm；雙U形埋管鉆孔孔徑不宜小于130mm。以上條款結(jié)合了近年來相關(guān)研究，具有一定的引導(dǎo)性。

（2）優(yōu)化設(shè)計計算參數(shù)

考慮到重慶市冷負(fù)荷較大，冷熱負(fù)荷不平衡的情況下地溫恢復(fù)能力較弱，隨著系統(tǒng)運(yùn)行地溫將逐年上升，進(jìn)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。因此第4.3.4條在國標(biāo)的基礎(chǔ)上，規(guī)定地埋管換熱系統(tǒng)設(shè)計全年動態(tài)負(fù)荷計算最小計算周期不應(yīng)少于1年，并提出宜按10～50年為周期計算。

4.3.7 條規(guī)定制冷運(yùn)行期間，地埋管換熱器出口最高溫度宜低于30℃；供暖運(yùn)行期間，不添加防凍劑的地埋管換熱器進(jìn)口最低溫度宜高于4℃。此規(guī)定是出于對地埋管地源熱泵系統(tǒng)節(jié)能性的考慮，同時保證熱泵機(jī)組的安全運(yùn)行。夏季，如果重慶地區(qū)地埋管換熱器出口溫度高于30℃，地埋管地源熱泵系統(tǒng)無法充分體現(xiàn)其節(jié)能性；在冬季，制定地埋管換熱器出口溫度限值，是為了防止溫度過低，機(jī)組結(jié)冰，系統(tǒng)能效比降低。

（3）輸配系統(tǒng)推薦分區(qū)設(shè)計

地埋管輸配系統(tǒng)的水力特性也對地源熱泵系統(tǒng)性能有著較大影響，《規(guī)程》為此增加了相關(guān)條款，旨在強(qiáng)化設(shè)計人員的相關(guān)意識，如：

4.3.12 條規(guī)定地埋管換熱系統(tǒng)宜進(jìn)行分區(qū)設(shè)計，保證地埋管運(yùn)行的間歇性和地溫的恢復(fù)；

水平地埋管換熱器宜進(jìn)行分組連接，每組換熱器管總長不宜大于5000m；豎直地埋管每組孔數(shù)不超過30個。各組換熱器形成的地埋管環(huán)路兩端應(yīng)分別與供、回水環(huán)路集管連接，應(yīng)采取同程式布置，并應(yīng)在各環(huán)路的總接口處設(shè)置檢查井，井內(nèi)設(shè)置相應(yīng)的閥門。

2.3 強(qiáng)化復(fù)合式地源熱泵相關(guān)條款

重慶市地處夏熱冬冷區(qū)，冷負(fù)荷較大，冷熱負(fù)荷不平衡較明顯。復(fù)合式地源熱泵既能保證用戶冷熱負(fù)荷，又能有效保證地下巖土體溫度全年平衡，是一種有優(yōu)勢的系統(tǒng)方式。輔助冷熱源可采用冷卻塔、冷水機(jī)組或鍋爐等方式?！兑?guī)程》針對復(fù)合式地源熱泵系統(tǒng)，在冷熱源選型、系統(tǒng)控制等方面提供了指導(dǎo)：

當(dāng)冬夏季吸放熱不平衡時，宜采用輔助熱源或熱匯與地埋管換熱器并用的復(fù)合式地源熱泵系統(tǒng)，并保證地下巖土體溫度在全年使用周期內(nèi)得到有效恢復(fù)。熱匯采用冷卻塔時宜采用閉式冷卻塔，如采用開式冷卻塔應(yīng)加中間換熱器。

對于建筑密度低的單層、多層建筑，宜取冷/熱負(fù)荷中的高值作為熱泵機(jī)組的選型依據(jù)，可不考慮其他輔助冷熱源。對于大中型建筑，宜取冷/熱負(fù)荷中的低值作為熱泵機(jī)組的選型依據(jù)。如熱負(fù)荷大于冷負(fù)荷，冬季采用地埋管地源熱泵加輔助熱源聯(lián)合供熱；如冷負(fù)荷大于熱負(fù)荷，夏季采用地埋管地源熱泵加常規(guī)制冷方式聯(lián)合供冷。

6.4.2 條對復(fù)合式地埋管地源熱泵系統(tǒng)的控制提出了要求：復(fù)合式地埋管地源熱泵系統(tǒng)的輔助散熱/加熱裝置應(yīng)能夠獨(dú)立控制并單獨(dú)運(yùn)行，在部分負(fù)荷下具備地埋管換熱器與輔助散熱/加熱裝置靈活轉(zhuǎn)換運(yùn)行的能力。

圖2 復(fù)合式地源熱泵系統(tǒng)模擬界面

另外，對于復(fù)合式地源熱泵系統(tǒng)，也可用軟件進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計模擬：通過導(dǎo)入全年動態(tài)負(fù)荷，利用地源熱泵傳熱模型，計算地源側(cè)換熱量、地埋管總換熱量、地埋管延米換熱量、地埋管進(jìn)出口水溫、系統(tǒng)能效、地源側(cè)總流量、單孔總流量等參數(shù)，以確定地埋管設(shè)計管長、有無輔助冷源條件下地源熱泵系統(tǒng)性能特性、以及不同控制策略下的地埋管分區(qū)運(yùn)行性能特性等，方便工程設(shè)計。

2.4 增加冷熱源設(shè)計及計量監(jiān)控內(nèi)容

此部分對應(yīng)《規(guī)程》第5章：冷熱源及室內(nèi)系統(tǒng)設(shè)計和第6章：系統(tǒng)計量與監(jiān)控，均是對國標(biāo)的詳細(xì)補(bǔ)充。

冷熱源設(shè)計及系統(tǒng)計量監(jiān)控的合理性對系統(tǒng)的良好運(yùn)行有著重大影響，不合理的計量監(jiān)控可能引起系統(tǒng)能效達(dá)不到要求，甚至帶來安全隱患，而這些都是設(shè)計人員可能未引起足夠重視的地方。

第5章對冷熱源設(shè)備性能要求及系統(tǒng)設(shè)計做出了相關(guān)規(guī)定，包括機(jī)組參數(shù)及功能要求等。為了指導(dǎo)實際設(shè)計操作，還涉及了多種常用空調(diào)系統(tǒng)冷熱源設(shè)計的條款，如：生活熱水供應(yīng)的水源熱泵熱水機(jī)，溫濕度獨(dú)立控制系統(tǒng)的主機(jī)，輔助熱源或熱匯等，具有一定的實用性。

集中監(jiān)控系統(tǒng)便于工況轉(zhuǎn)換和運(yùn)行調(diào)節(jié)，可以減少運(yùn)行維護(hù)工作量，提高管理水平；有利于系統(tǒng)合理利用能量，實現(xiàn)節(jié)能運(yùn)行；可以有效防止事故，保證設(shè)備和系統(tǒng)運(yùn)行安全可靠。第6章對室外溫濕度監(jiān)控、地下?lián)Q熱器循環(huán)水溫度、壓力和流量監(jiān)控、溫度監(jiān)測井布置、換熱器溫度傳感器、機(jī)組及循環(huán)水泵功率計量等內(nèi)容做出了規(guī)定。

2.5 詳化施工安裝操作

施工質(zhì)量是保證地埋管地源熱泵系統(tǒng)運(yùn)行的前提。本部分對管材、管件質(zhì)量、管道連接；鉆孔、下管、回填過程及冷熱源系統(tǒng)安裝做了較為詳細(xì)的規(guī)定。

本部分有一條強(qiáng)條：7.3.5灌漿應(yīng)密實，無空腔。此規(guī)定是為了確保不降低地埋管傳熱效果，影響工程質(zhì)量。

此外，結(jié)合重慶市地質(zhì)特征，重慶屬于基層山區(qū)，巖石裂隙較為發(fā)育，提出鉆孔時跳孔施工，以防止沖洗液或空氣串孔，影響相鄰鉆孔。另外，7.3.5條規(guī)定，為保持地下水的流動性，增強(qiáng)對流換熱效果，不宜采用水泥基料灌漿。

3 結(jié)語

本規(guī)程是在重慶市可再生能源項目迅速發(fā)展的背景下編制，結(jié)合了重慶市氣候及巖土特點(diǎn)，為地埋管地源熱泵系統(tǒng)勘察、設(shè)計、施工及驗收整個流程提供指導(dǎo)。其主要特點(diǎn)是：

（1）針對重慶市氣候特征加強(qiáng)了復(fù)合式地源熱泵的相關(guān)條款，更利于地源熱泵系統(tǒng)在重慶市的推廣應(yīng)用。

（2）強(qiáng)調(diào)了工程勘察并對巖土熱響應(yīng)測試條件及內(nèi)容做出了規(guī)定。

（3）在地埋管換熱系統(tǒng)設(shè)計流程中，地埋管換熱器形式及系統(tǒng)設(shè)計計算的相關(guān)條款充分結(jié)合了重慶市氣候及巖土特點(diǎn)。

（4）增加了地埋管地源熱泵系統(tǒng)冷熱源設(shè)計及計量監(jiān)控內(nèi)容。

（5）結(jié)合重慶市地質(zhì)特征詳化了施工安裝操作。

本規(guī)程結(jié)合了近年來重慶市地源熱泵工程實踐和相關(guān)研究，在國標(biāo)《地源熱泵系統(tǒng)工程技術(shù)規(guī)范》GB50366的基礎(chǔ)上，考慮重慶市氣候及巖土特征，完善了重慶地區(qū)地埋管地源熱泵系統(tǒng)設(shè)計體系，旨在指導(dǎo)重慶市地埋管地源熱泵系統(tǒng)設(shè)計與施工，提高重慶市地埋管地源熱泵技術(shù)水平。

[1]重慶市建筑節(jié)能“十二五”專項規(guī)劃.重慶市城鄉(xiāng)建設(shè)委員會，2011，03.

[2]張甫仁，彭清元，朱方圓，張華民，楊新杰，陶嘉祥.重慶主城區(qū)淺層地溫能資源量評價研究[J].中國地質(zhì)，2013，03:974-980.

[3]朱清宇，徐偉，沈亮.《地源熱泵系統(tǒng)工程技術(shù)規(guī)范》修訂要點(diǎn)解讀[J].暖通空調(diào)，2010，40(7):40-43.

[4]盧軍，黃光勤，徐永軍.定熱流熱響應(yīng)實驗確定巖土熱物性方法[J].土木建筑與環(huán)境工程，2012，02:98-104.

[5]廖了，黃光勤，陳余量.巖土熱物性參數(shù)的估算方法比選[J].煤氣與熱力，2013，10:1-3+7.

On Technical Regulations of Ground Source Heat Pump with Buried Pipe

The compilation background,featuresand key contentsof TechnicalRegulationsof Ground Source HeatPump w ith Buried Pipe in Chongqing are expounded.The Regulation,based on national standard and combined with local climate,rock and soil condition and practical projects in recent years,optimizes the exploration,design,construction and acceptance of ground source heatpump w ith buried pipe system.Thus,the design level of the system is raised and thegoalofenergy saving and em ission reduction is realized.

buried pipe；ground sourceheatpump；HVAC；thermal response test

TU 831.6

A

1671-9107（2014）06-0026-04

基金論文：該論文為重慶市可再生能源建筑應(yīng)用城市示范配套能力建設(shè)項目論文之一。

10.3969/j.issn.1671-9107.2014.06.026

2014-05-09

盧軍（1966-），男，四川渠縣人，博士，教授，主要從事建筑節(jié)能研究工作。

孫蘇，李紅