重慶市《地埋管地源熱泵系統技術規程》解讀

盧軍，曾利悅，王勇，陳金華，彭清元

（1重慶大學 城市建設與環境工程學院 重慶 400045；2重慶市地勘局南江水文地質工程地質隊，重慶 401147）

重慶市《地埋管地源熱泵系統技術規程》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 城市建設與環境工程學院 重慶 400045；2重慶市地勘局南江水文地質工程地質隊，重慶 401147）

介紹了重慶市《地埋管地源熱泵系統技術規程》的編制背景、特點并對重點條文進行了解讀。《規程》在國家標準的基礎上，結合重慶市氣候、巖土條件特點及近年來的工程實踐，對地埋管地源熱泵系統工程的勘察、設計、施工及驗收進行了完善，以提高重慶地埋管地源熱泵系統的設計水平，實現節能減排的戰略目標。

地埋管；地源熱泵；暖通空調；熱響應試驗

1 編制背景

1.1 重慶市地埋管地源熱泵應用現狀

地埋管地源熱泵系統是以地表淺層巖土體為低溫熱源，由水源熱泵機組、地埋管換熱系統及建筑物內系統組成的供熱、空調或生活熱水供應系統。自 《地源熱泵系統工程技術規范》GB50366實施以來，重慶市地埋管地源熱泵項目快速發展，積累了大量的工程實踐經驗，開展了許多土壤源熱泵示范項目，如：南江水文地質工程地質隊集資樓、永川區會議服務中心及司法綜合辦公大樓、后勤工程學院綠色建筑示范樓、潼南縣人民醫院、重慶大學農學院及生命科學研究院、重慶市會議展覽館二期項目，部分項目已通過驗收。《規范》對地埋管地源熱泵系統的設計、施工起到了很好的指導作用。

重慶市建筑節能“十二五”專項規劃指出：2011年至2012年期間，可再生能源建筑規模化應用面積達180萬m2，其中地源熱泵系統建筑應用面積達到30萬m2；2013年至2015年期間，可再生能源建筑規模化應用面積達270萬m2，其中地源熱泵系統建筑應用面積達到50萬m2[1]。由此可見目前地埋管地源熱泵系統正處于快速發展期，總結已有的實踐經驗，形成完善的地埋管地源熱泵技術體系將對未來重慶市地源熱泵發展提供堅實的技術支持。

1.2 重慶市氣候及巖土特點

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

重慶市屬于典型的夏熱冬冷地區，夏季冷負荷較大，冷熱負荷不均將導致地溫隨系統運行逐年上升，進而降低系統能效比。輔助冷源配合地埋管地源熱泵系統組成的復合式地源熱泵系統因其初投資低的優勢和有利于地溫恢復的特點，成為符合重慶市氣候特征的有利系統形式，各高校針對復合式地源熱泵系統也開展了大量研究。

1.3 編制目的

《地源熱泵系統工程技術規范》GB50366面向全國廣大地區，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現，一方面，適合重慶市的系統形式、設計參數及施工方法值得推廣和引導；另一方面，地埋管地源熱泵系統的勘察、設計、施工及驗收整個流程中，國標中未涵蓋的一些具體問題也會對整個系統的良好運行造成影響，而設計人員可能未引起足夠重視。針對以上兩個問題，重慶大學和重慶市設計院根據重慶市城鄉建設委員會《關于下達2009年建設科技計劃項目的通知》，會同有關單位共同編制了重慶市《地埋管地源熱泵系統設計規程》（下簡稱《規程》），以完善重慶地區地埋管地源熱泵系統設計方法，推動地埋管地源熱泵系統在重慶市的高效利用，達到節能減排的目的。

2 要點解讀

《規程》共9章，包括：總則、術語、工程勘察、地埋管換熱系統設計、冷熱源及室內系統設計、系統計量與監控、施工安裝、系統調試與驗收和附錄，適用于重慶市內新建、改建和擴建的以巖土體為低溫熱源，以水或添加防凍劑的水溶液為傳熱介質，采用蒸氣壓縮熱泵技術進行供暖、空調及生活熱水供應的地埋管地源熱泵系統工程的勘察、設計、施工及驗收。

《規程》結合重慶市氣候、地質條件，細化了地埋管換熱系統設計，強化了復合式地源熱泵相關內容，增加冷熱源設計及計量監控內容，增強了《規程》在重慶市應用的實用性和可操作性，下面將結合以上特點對重點條文進行解讀。

2.1 強調工程勘察

工程勘察作為地源熱泵系統設計的基礎，決定了系統設計的科學合理性。《地源熱泵系統工程技術規范》特別強調了巖土熱響應試驗的內容，對是否需要實施巖土熱響應試驗提出了明確的界限，并推薦了巖土熱響應測試的放熱試驗方法[3]。《規程》沿用了國標中巖土熱響應測試的方法，與國標實施熱響應試驗所規定的條件基本一致，并提供了熱響應試驗報告樣例，在條文說明中還附上了根據重慶地熱勘察部門資料整理的重慶地區主要巖土的熱物性參數。

《規程》第3章工程勘察部分有兩條強條，分別是：

3.1.1 地埋管地源熱泵系統方案設計前，應進行工程場地狀況調查，并應對工程場區內巖土體地質條件進行工程勘察。

3.3.2 當地埋管地源熱泵系統的應用建筑面積A≥5000m2時，應進行巖土熱響應試驗；應用建筑面積大于10000m2時，應至少進行兩個測試孔的熱響應實驗。勘察測試孔應位于埋管范圍內，兩個或兩個以上測試孔，應選取在巖層特征不同的位置。

其中，3.3.2條規定了應用建筑面積大于10000m2時，應至少進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，相應的能耗也較大，其節能運行更應得到保證。這是考慮到重慶市的地質特征及地埋管地源熱泵系統的應用特點。結合國外已有的經驗，為了保證大型地埋管地源熱泵系統的安全運行和節能效果，作此規定。

另外，重慶多數地區為基巖山區，巖層蘊藏著較豐富的構造裂隙水，地下水補給區與排泄區的相對位置與高差決定著地下水徑流的方向與徑流速度；含水層的補給條件與排泄條件愈好、透水性愈強，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，應查明埋管區域內地下水賦存狀況。

近年來，重慶市針對熱響應試驗及計算方法開展了不少研究[4-5]，有的還開發了相應的軟件[6]。為了推廣最新科研成果，提高我市地埋管地源熱泵設計水平，《規程》推薦了采用軟件進行巖土熱響應測試計算的方法，可實現巖土熱響應試驗數據導入、巖土熱物性參數計算、鉆孔熱阻計算及地埋管每延米換熱量計算等（圖1）。

圖1 巖土熱響應測試計算軟件界面

2.2 細化地埋管換熱系統設計流程

地埋管換熱器的設計是地埋管地源熱泵系統設計的核心內容。地埋管換熱器的設計應按場地規劃、埋管換熱負荷、埋管形式、地埋管長度設計和水力平衡及承壓能力計算步驟進行。結合重慶市氣候及巖土條件，《規程》從以下方面提出了相應的建議：

（1）推薦換熱器形式

《規程》第4.3.3條，對地質條件為巖石的埋管區域，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，經技術經濟比較分析后，可以采用水平埋管、樁基埋管和換熱樁技術；第4.3.14條，結構樁基埋深大于8m的建筑物優先采用樁基埋管和換熱樁技術。樁基埋管和換熱樁技術是一種符合重慶市巖土特點的形式。因為重慶市為山地城市，建筑用地內多存在回填區，回填區內結構樁基埋深常常在8～30m。地埋管可以和樁基相結合，減少地埋管系統鉆孔成本，所以宜優先采用樁基埋管。該項技術在歐洲地區、我國的貴州、上海、武漢均得到成功應用。

另外，第4.3.10條根據重慶市單U和雙U管的工程測試和技術經濟分析，雙U管的單位價值換熱量要高于單U，推薦優先選用雙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，規定：豎直地埋管換熱器埋管深度應大于恒溫層深度，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。以上條款結合了近年來相關研究，具有一定的引導性。

（2）優化設計計算參數

考慮到重慶市冷負荷較大，冷熱負荷不平衡的情況下地溫恢復能力較弱，隨著系統運行地溫將逐年上升，進而影響地埋管換熱器的換熱性能，降低地埋管換熱系統的運行效率。因此第4.3.4條在國標的基礎上，規定地埋管換熱系統設計全年動態負荷計算最小計算周期不應少于1年，并提出宜按10～50年為周期計算。

4.3.7 條規定制冷運行期間，地埋管換熱器出口最高溫度宜低于30℃；供暖運行期間，不添加防凍劑的地埋管換熱器進口最低溫度宜高于4℃。此規定是出于對地埋管地源熱泵系統節能性的考慮，同時保證熱泵機組的安全運行。夏季，如果重慶地區地埋管換熱器出口溫度高于30℃，地埋管地源熱泵系統無法充分體現其節能性；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，機組結冰，系統能效比降低。

（3）輸配系統推薦分區設計

地埋管輸配系統的水力特性也對地源熱泵系統性能有著較大影響，《規程》為此增加了相關條款，旨在強化設計人員的相關意識，如：

4.3.12 條規定地埋管換熱系統宜進行分區設計，保證地埋管運行的間歇性和地溫的恢復；

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

2.3 強化復合式地源熱泵相關條款

重慶市地處夏熱冬冷區，冷負荷較大，冷熱負荷不平衡較明顯。復合式地源熱泵既能保證用戶冷熱負荷，又能有效保證地下巖土體溫度全年平衡，是一種有優勢的系統方式。輔助冷熱源可采用冷卻塔、冷水機組或鍋爐等方式。《規程》針對復合式地源熱泵系統，在冷熱源選型、系統控制等方面提供了指導：

當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合式地源熱泵系統，并保證地下巖土體溫度在全年使用周期內得到有效恢復。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/熱負荷中的高值作為熱泵機組的選型依據，可不考慮其他輔助冷熱源。對于大中型建筑，宜取冷/熱負荷中的低值作為熱泵機組的選型依據。如熱負荷大于冷負荷，冬季采用地埋管地源熱泵加輔助熱源聯合供熱；如冷負荷大于熱負荷，夏季采用地埋管地源熱泵加常規制冷方式聯合供冷。

6.4.2 條對復合式地埋管地源熱泵系統的控制提出了要求：復合式地埋管地源熱泵系統的輔助散熱/加熱裝置應能夠獨立控制并單獨運行，在部分負荷下具備地埋管換熱器與輔助散熱/加熱裝置靈活轉換運行的能力。

圖2 復合式地源熱泵系統模擬界面

另外，對于復合式地源熱泵系統，也可用軟件進行系統設計模擬：通過導入全年動態負荷，利用地源熱泵傳熱模型，計算地源側換熱量、地埋管總換熱量、地埋管延米換熱量、地埋管進出口水溫、系統能效、地源側總流量、單孔總流量等參數，以確定地埋管設計管長、有無輔助冷源條件下地源熱泵系統性能特性、以及不同控制策略下的地埋管分區運行性能特性等，方便工程設計。

2.4 增加冷熱源設計及計量監控內容

此部分對應《規程》第5章：冷熱源及室內系統設計和第6章：系統計量與監控，均是對國標的詳細補充。

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

第5章對冷熱源設備性能要求及系統設計做出了相關規定，包括機組參數及功能要求等。為了指導實際設計操作，還涉及了多種常用空調系統冷熱源設計的條款，如：生活熱水供應的水源熱泵熱水機，溫濕度獨立控制系統的主機，輔助熱源或熱匯等，具有一定的實用性。

集中監控系統便于工況轉換和運行調節，可以減少運行維護工作量，提高管理水平；有利于系統合理利用能量，實現節能運行；可以有效防止事故，保證設備和系統運行安全可靠。第6章對室外溫濕度監控、地下換熱器循環水溫度、壓力和流量監控、溫度監測井布置、換熱器溫度傳感器、機組及循環水泵功率計量等內容做出了規定。

2.5 詳化施工安裝操作

施工質量是保證地埋管地源熱泵系統運行的前提。本部分對管材、管件質量、管道連接；鉆孔、下管、回填過程及冷熱源系統安裝做了較為詳細的規定。

本部分有一條強條：7.3.5灌漿應密實，無空腔。此規定是為了確保不降低地埋管傳熱效果，影響工程質量。

此外，結合重慶市地質特征，重慶屬于基層山區，巖石裂隙較為發育，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條規定，為保持地下水的流動性，增強對流換熱效果，不宜采用水泥基料灌漿。

3 結語

本規程是在重慶市可再生能源項目迅速發展的背景下編制，結合了重慶市氣候及巖土特點，為地埋管地源熱泵系統勘察、設計、施工及驗收整個流程提供指導。其主要特點是：

（1）針對重慶市氣候特征加強了復合式地源熱泵的相關條款，更利于地源熱泵系統在重慶市的推廣應用。

（2）強調了工程勘察并對巖土熱響應測試條件及內容做出了規定。

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

（4）增加了地埋管地源熱泵系統冷熱源設計及計量監控內容。

（5）結合重慶市地質特征詳化了施工安裝操作。

本規程結合了近年來重慶市地源熱泵工程實踐和相關研究，在國標《地源熱泵系統工程技術規范》GB50366的基礎上，考慮重慶市氣候及巖土特征，完善了重慶地區地埋管地源熱泵系統設計體系，旨在指導重慶市地埋管地源熱泵系統設計與施工，提高重慶市地埋管地源熱泵技術水平。

[1]重慶市建筑節能“十二五”專項規劃.重慶市城鄉建設委員會，2011，03.

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

[3]朱清宇，徐偉，沈亮.《地源熱泵系統工程技術規范》修訂要點解讀[J].暖通空調，2010，40(7):40-43.

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

[5]廖了，黃光勤，陳余量.巖土熱物性參數的估算方法比選[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用城市示范配套能力建設項目論文之一。

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，主要從事建筑節能研究工作。

孫蘇，李紅