GB50366-2005地源热泵系统工程技术规范2009年局部修订

2 术语

2.1.25土热响应试验 rock-soil thermal response test

通过测试仪器，对项目所在场区的测试孔进行一定时间的连续加热，获得岩土综合热物性参数及岩土初始平均温度的试验。

2.1.26岩土综合热物性参数 parameter of the rock-soil thermal properties

是指不含回填材料在内的，地埋管换热器深度范围内，岩土的综合导热系数、综合比热容。

2.1.27岩土初始平均温度initial average temperature of the rock-soil

从自然地表下10m～20m至竖直地埋管换热器埋设深度范围内，岩土常年恒定的平均温度。

2.1.28测试孔vertical testing exchanger

按照测试要求和拟采用的成孔方案，将用于岩土热响应试验的竖直地埋管换热器称为测试孔。

3 工程勘察

3.2  地埋管换热系统勘察

3.2.2A  当地埋管地源热泵系统的应用建筑面积在3000 m2～5000 m2时，宜进行岩土热响应试验；当应用建筑面积大于等于5000 m2时，应进行热响应试验。

3.2.2B  岩土热响应试验应符合附录C的规定，测试仪器仪表应具有有效期内的检验合格证、校准证书或测试证书。

4 地埋管换热系统

4.3 地埋管换热系统设计

4.3.5A  当地埋管地源热泵系统的应用建筑面积在5000m2以上，或实施了岩土热响应试验的项目，应利用岩土热响应试验结果进行地埋管换热器的设计，且宜符合下列要求：

1 夏季运行期间，地埋管换热器出口最高温度宜低于33℃；

2 冬季运行期间，不添加防冻剂的地埋管换热器进口最低温度宜高于4℃。

4.3.13  地埋管换热系统应根据地质特征确定回填料配方，回填料的导热系数不宜低于钻孔外或沟槽外岩土体的导热系数。

附录B  竖直地埋管换热器的设计计算

B.0.2  竖直地埋管换热器钻孔的长度计算宜符合下列要求；

1制冷工况下，竖直地埋管换热器钻孔的长度可按下式计算：

 （B.0.2-1）

Fc＝Tc1 / Tc2                       （B.0.2-2）

式中 Lc——制冷工况下，竖直地埋管换热器所需钻孔的总长度（m）；

Qc——水源热泵机组的额定冷负荷（kW）； 

EER——水源热泵机组的制冷性能系数；

tmax——制冷工况下，地埋管换热器中传热介质的设计平均温度，通常取33℃～36℃；

t∞——埋管区域岩土体的初始温度（℃）；

Fc——制冷运行份额；

Tc1—一个制冷季中水源热泵机组的运行小时数，当运行时间取一个月时，Tc1为最热月份水源热泵机组的运行小时数；

Tc2—一个制冷季中的小时数，当运行时间取一个月时，Tc2为最热月份的小时数。

2供热工况下，竖直地埋管换热器钻孔的长度可按下式计算：

  （B.0.2-3）

Fh＝Th1 / Th2                       （B.0.2-4）

式中 Lh——供热工况下，竖直地埋管换热器所需钻孔的总长度（m）；

Qh——水源热泵机组的额定热负荷（kW）；

COP——水源热泵机组的供热性能系数；

tmin——供热工况下，地埋管换热器中传热介质的设计平均温度，通常取-2℃～6℃；

Fh——供热运行份额；

Th1—一个供热季中水源热泵机组的运行小时数；当运行时间取一个月时，Th1为最冷月份水源热泵机组的运行小时数；

Th2—一个供热季中的小时数；当运行时间取一个月时，Th2为最冷月份的小时数。

附录C  岩土热响应试验

C.1  一般规定

C.1.1 在岩土热响应试验之前，应对测试地点进行实地的勘察，根据地质条件的复杂程度，确定测试孔的数量和测试方案。地埋管地源热泵系统的应用建筑面积大于等于10000 m2时，测试孔的数量不应少于2个。对2个及以上测试孔的测试，其测试结果应取算术平均值。

C.1.2 在岩土热响应试验之前应通过钻孔勘察，绘制项目场区钻孔地质综合柱状图。

C.1.3 岩土热响应试验应包括下列内容：

1  岩土初始平均温度；

2  地埋管换热器的循环水进出口温度、流量以及试验过程中向地埋管换热器施加的加热功率。

C.1.4 岩土热响应试验报告应包括下列内容：

1    项目概况；

2    测试方案；    

3    参考标准；

4    测试过程中参数的连续记录，应包括：循环水流量、加热功率、地埋管换热器的进出口水温；

5    项目所在地岩土柱状图；

6    岩土热物性参数；

7    测试条件下，钻孔单位延米换热量参考值。

C.1.5 测试现场应提供稳定的电源，具备可靠的测试条件。

C.1.6 在对测试设备进行外部连接时，应遵循先接水后接电的原则；

C.1.7 测试孔的施工应由具有相应资质的专业队伍承担。

C.1.8 连接应减少弯头、变径，连接管外露部分应保温，保温层厚度不应小于10mm。

C.1.9 岩土热响应的测试过程应遵守国家和地方有关安全、劳动保护、防火、环境保护等方面的规定。

C.2测试仪表

C.2.1 在输入电压稳定的情况下，加热功率的测量误差不应大于±1%。

C.2.2 流量的测量误差不应大于±1%。

C.2.3 温度的测量误差不应大于±0.2℃。

C.3岩土热响应试验方法

C.3.1 岩土热响应试验的测试过程，应遵循下列步骤：

1  制作测试孔；

2  平整测试孔周边场地，提供水电接驳点；

3  测试岩土初始温度； 

4  测试仪器与测试孔的管道连接；

5  水电等外部设备连接完毕后，应对测试设备本身以及外部设备的连接再次进行检查；

6  启动电加热、水泵等试验设备，待设备运转稳定后开始读取记录试验数据；

7  岩土热响应试验过程中，应做好对试验设备的保护工作；

8  提取试验数据，分析计算得出岩土综合热物性参数；

9  测试试验完成后，对测试孔应做好防护工作。

C.3.2 测试孔的深度应与实际的用孔相一致。

C.3.3 岩土热响应试验应在测试孔完成并放置至少48h以后进行。

C.3.4 岩土初始平均温度的测试应采用布置温度传感器的方法。测点的布置宜在地埋管换热器埋设深度范围内，且间隔不宜大于10米；以各测点实测温度的算术平均值做为岩土初始平均温度。

C.3.5 岩土热响应试验测试过程应符合下列要求：

1  岩土热响应试验应连续不间断，持续时间不宜少于48h；

2  试验期间，加热功率应保持恒定；

3  地埋管换热器的出口温度稳定后，其温度宜高于岩土初始平均温度5℃以上且维持时间不应少于12h。

C.3.6 地埋管换热器内流速不应低于0.2m/s。

C.3.7 试验数据读取和记录的时间间隔不应大于10分钟。

引用标准名录

1.《水源热泵机组》GB/T19409

2.《室外给水设计规范》GB50013

3.《建筑给水排水设计规范》GB50015

4.《采暖通风与空气调节设计规范》GB50019

5.《通风与空调工程施工质量验收规范》GB50243

6.《给水排水管道工程施工及验收规范》GB50268

7.《制冷设备、空气分离设备安装工程施工及验收规范》GB50274

8.《供水管井技术规范》GB50296

9.《供水水文地质钻探与凿井操作规程》CJJ13

10.《埋地聚乙烯给水管道工程技术规程》CJJ101

条文说明

2 术语

2.0.26 对于工程设计而言，最为关心的是地埋管换热系统的换热能力，这主要反映在地埋管换热器深度范围内的综合岩土导热系数和综合比热容两个参数上。由于地质结构的复杂性和差异性，因此通过现场试验得到的岩土热物性参数，是一个反映了地下水流等因素影响的综合值。

2.0.27 一般来说，从地表以下10m～20m深度范围内，岩土受外部环境影响，其温度会随季节发生变化；而在此深度以下至竖直地埋管换热器埋设深度范围内，岩土自身的温度受外界环境影响较小，常年恒定。

3 工程勘察

3.2  地埋管换热系统勘察

3.2.2　采用水平地埋管换热器时，地埋管换热系统勘察采用槽探、坑探或矸探进行。槽探是为了了解构造线和破碎带宽度、地层和岩性界限及其延伸方向等在地表挖掘探槽的工程勘察技术。探槽应根据场地形状确定，探槽的深度一般超过埋管深度1m。采用竖直地埋管换热器时，地埋管换热系统勘察采用钻探进行。钻探方案应根据场地大小确定，勘探孔深度应比钻孔至少深5m。

岩土体热物性指岩土体的热物性参数，包括岩土体导热系数、密度及比热等。若埋管区域已具有权威部门认可的热物性参数，可直接采用已有数据，否则应进行岩土体导热系数、密度及比热等热物性测定。测定方法可采用实验室法或现场测定法。

1  实验室法：对勘探孔不同深度的岩土体样品进行测定，并以其深度加权平均，计算该勘探孔的岩土体热物性参数；对探槽不同水平长度的岩土体样品进行测定，并以其长度加权平均，计算该探槽的岩土体热物性参数。

2  现场测试法：即岩土热响应试验，岩土热响应试验详见本规范附录C。

3.2.2A  应用建筑面积是指在同一个工程中，应用地埋管地源热泵系统的各个单体建筑面积的总和。根据近几年对我国应用地埋管地源热泵系统情况的调查，大中型地埋管地源热泵系统的应用建筑面积多在5000 m2以上，5000 m2以下多为小型单体建筑；根据国外对商用和公用建筑应用地埋管地源热泵系统的技术要求，应用建筑面积小于3000m2时至少设置一个测试孔进行岩土热响应试验。考虑我国目前地埋管地源热泵系统应用特点，结合国外已有的经验，为了保证大中型地埋管地源热热泵系统的安全运行和节能效果，做此规定。

3.2.2B  测试仪器所配置的计量仪表，如流量计、温度传感器等，满足测试精度与要求。

4 地埋管换热系统

4.3 地埋管换热系统设计

4.3.5A  利用岩土热响应试验进行地埋管换热器的设计，是将岩土综合热物性参数、岩土初始平均温度和空调冷热负荷输入专业软件，在夏季工况和冬季工况运行条件下进行动态耦合计算，通过控制地埋管换热器夏季运行期间出口最高温度和冬季运行期间进口最低温度，进行地埋管换热器的设计。

条文中对冬夏运行期间地埋管换热器进出口温度的规定，是出于对地源热泵系统节能性的考虑，同时保证热泵机组的安全运行。在夏季，如果地埋管换热器出口温度高于33℃，地源热泵系统的运行工况与常规的冷却塔相当，无法充分体现地源热泵系统的节能性；在冬季，制定地埋管换热器出口温度限值， 是为了防止温度过低，机组结冰，系统能效比降低。

为了便于设计人员采用，本条文分别规定了冬夏期间地埋管换热器进出口温度的限值，通常地埋管地源热泵系统设计时进出口温度限值的的确定，还应考虑对全年运行能效的影响：在对有利于提高冬夏全年运行能效和节能量的条件下，夏季运行期间地埋管换热器出口温度和冬季运行地埋管换热器进口温度可做适当调整。

4.3.14 传热介质不同，其摩擦阻力也不同，水力计算应按选用的传热介质的水力特性进行计算。国内已有塑料管比摩阻均是针对水而言，对添加防冻剂的水溶液，目前尚无相应数据，为此，地埋管压力损失可参照以下方法进行计算。该方法引自《地源热泵工程技术指南》（Ground-source heat pump engineering manual）。

1确定管内流体的流量，公称直径和流体特性。

2根据公称直径，确定地埋管的内径。

3计算地埋管的断面面积：

 （1）

式中 A——地埋管的断面面积（m2）；

dj——地埋管的内径（m）。

4计算管内流体的流速：

 （2）

式中 V——管内流体的流速（m/s）；

G——管内流体的流量（m3/h）。

5计算管内流体的雷诺数Re，Re应该大于2300以确保紊流：

 （3）

式中 管内流体的雷诺数；

ρ——管内流体的密度（kg/m3）；

μ——管内流体的动力粘度（N·s/m2）。

6计算管段的沿程阻力Py ：

 （4） 

 （5）

式中 Py——计算管段的沿程阻力（Pa）；

Pd——计算管段单位管长的沿程阻力（Pa/m）；

L——计算管段的长度（m）。

7计算管段的局部阻力Pj：                                   

 （6）

式中 Pj——计算管段的局部阻力（Pa）；

Lj——计算管段管件的当量长度（m）。

管件的当量长度可按表1计算。

表1  管件当量长度表

 （7）

式中 Pz——计算管段的总阻力（Pa）。

4.4 地埋管换热系统施工

4.4.9 灌浆回填料一般为膨润土和细沙（或水泥）的混合浆或其它专用灌浆材料。膨润土的比例宜占4％～6％。钻孔时取出的泥沙浆凝固后如收缩很小时，也可用作灌浆材料。如果地埋管换热器设在非常密实或坚硬的岩土体或岩石情况下，宜采用水泥基料灌浆，以防止孔隙水因冻结膨胀损坏膨润土灌浆材料而导致管道被挤压节流。对地下水流丰富的地区，为保持地下水的流动性，增强对流还热效果，不宜采用水泥基料灌浆。

附录B  竖直地埋管换热器的设计计算

B.0.2  地埋管换热器中传热介质的设计平均温度的选取，应符合本规范第4.3.5A条的规定。

附录C  岩土热响应试验

C.1  一般规定

C.1.1  工程场地状况及浅层地热能资源条件是能否应用地源热泵系统的前提。地源热泵系统方案设计之前，应根据实地勘查情况，选择测试孔的位置及测试孔的数量，确定钻孔、成孔工艺及测试方案。如果在打孔区域内，由于设计需要，存在有成孔方案或成孔工艺不同，应各选出一孔做为测试孔分别进行测试；此外，对于地埋管换热器埋设面积较大，或地埋管换热器埋设区域较为分散，或场区地质条件差异性大的情况，应根据设计和施工的要求划分区域，分别设置测试孔，相应增加测试孔的数量，进行岩土热物性参数的测试。

C.1.2  通过对岩土层分布、各层岩土土质以及地下水情况的掌握，为热泵系统的设计方案遴选提供依据。钻孔地质综合柱状图是指通过现场钻孔勘察，并综合场区已知水文地质条件，绘制钻孔揭露的岩土柱状分布图，获取地下岩土不同深度的岩性结构。

C.1.4  作为地源热泵系统设计的指导性文件，报告内容应明晰准确。

参考标准是指在岩土热响应试验的进行过程中（含测试孔的施工），所遵循的国家或地方相关标准。

由于钻孔单位延米换热量是在特定测试工况下得到的数据，受工况条件影响很大，不能直接用于地埋管地源热泵系统的设计。因此该数值仅可用于设计参考。

报告中应明确指出，由于地质结构的复杂性和差异性，测试结果只能代表项目所在地岩土热物性参数，只有在相同岩土条件下，才能类比作为参考值使用，而不能片面的认为测试所得结果即为该区域或该地区的岩土热物性参数。

C.1.5  测试现场应提供满足测试仪器所需的、稳定的电源。对于输入电压受外界影响有波动的，电压波动的偏差不应超过5％；测试现场应为测试仪器提供有效的防雨、防雷电等安全防护措施。

C.1.6  先连接水管和地埋管换热器等外部非用电的设备，在检查完外部设备连接无误后，最后再将动力电连接到测试仪器上，以保证施工人员和现场的安全。

C.2  测试仪表

C.2.3  对测试仪器仪表的选择，在选择高精度等级的元器件同时，应选择抗干扰能力强，在长时间连续测量情况下仍能保证测量精度的元器件。

C.3  岩土热响应试验方法

C.3.1  测试仪器的摆放应尽可能的靠近测试孔，摆放地点应平整，便于有关人员进行操作，同时减少水平连接管段的长度以及连接过程中的弯头、变径，减少传热损失。

在测试现场，应搭设防护措施，防止测试设备受日晒雨淋的影响，造成测试元件的损坏，影响测试结果。

C.3.2  测试孔的深度相比实际的用孔过大或过小都不足以反映真实的岩土热物性参数；如果测试孔与实际的用孔相差过大，应当按照实际用孔的要求，制作测试孔；或将制成的实际用孔做为测试孔进行测试。

C.3.3  通过近年来对多个岩土热响应试验的总结，由于地质条件的差异性以及测试孔的成孔工艺、深度不一，测试孔恢复至岩土初始温度时所需时间也不一致，通常在48h后测试埋管的状态基本稳定；但对于采用水泥基料作为回填材料的，由于水泥在失水的过程中会出现缓慢的放热，因此对于使用水泥基料做回填材料的测试孔，测试孔应放置足够的时间（宜为十天以上），以保证测试孔内岩土温度恢复至与周围岩土初始平均温度一致；此外，测试孔成孔完毕后，要求将测试孔放置48h以上，也是为了使回填料在钻孔内充分的沉淀密实。

C.3.4  随着岩土深度以及岩土性质的不同，各个深度的岩土初始温度也会有所不同。待钻孔结束，钻孔内岩土温度恢复至岩土初始温度后，可采用在钻孔内不同深度分别埋设温度传感器（如铂电阻温度探头）或向测试孔内注满水的PE管中，插入温度传感器的方法获得岩土初始的温度分布。

C.3.5  岩土热响应试验是一个对岩土缓慢加热直至达到传热平衡的测试过程，因此需要有足够的时间来保证这一过程的充分进行。在试验过程中，如果要改变加热功率，则需要停止试验，待测试孔内温度恢复至与岩土的初始平均温度一致时，才能再进行岩土热响应试验。

对于采用加热功率的测试，加热功率大小的设定，应使换热流体与岩土保持有一定的温差，在地埋管换热器的出口温度稳定后，其温度宜高于岩土初始平均温度5℃以上。如果不能保持一定的温差，试验过程就会变得缓慢，影响试验效果，不利于计算导出岩土热物性参数。

地埋管换热器出口温度稳定，是指在不少于12h的时间内，其温度的波动小于1℃。

C.3.6  为有效测定项目所在地岩土热物性参数，应在测试开始前，对流量进行合理化设置：地埋管换热器内流速应能保证流体始终处于紊流状态，流速的大小可视管径、测试现场情况进行设定，但不应低于0.2 m/s。

C.3.8  岩土热物性参数作为一种热物理性质，无论对其进行放热或是取热试验，其数据处理过程基本相同。因此本规范中只要求采用向岩土施加一定加热功率的方式，来进行热响应试验。

现有的主要计算方法，是利用反算法推导出岩土热物性参数。其方法是：从计算机中取出试验测试结果，将其与软件模拟的结果进行对比，使得方差和取得最小值时，通过传热模型调整后的热物性参数即是所求结果。其中，为第时刻由模型计算出的埋管内流体的平均温度；为第时刻实际测量的埋管中流体的平均温度；为试验测量的数据的组数。也可将试验数据直接输入专业的地源热泵岩土热物性测试软件，通过计算分析得到当地岩土的热物性参数。

以下给出一种适用于单U形竖直地埋管换热器的分析方法，以供参考。

地埋管换热器与周围岩土的换热可分为钻孔内传热过程和钻孔外传热过程。相比钻孔外，钻孔内的几何尺寸和热容量均很小，可以很快达到一个温度变化相对比较平稳的阶段，因此埋管与钻孔内的换热过程可近似为稳态换热过程。埋管中循环介质温度沿流程不断变化，循环介质平均温度可认为是埋管出入口温度的平均值。钻孔外可视为无限大空间，地下岩土的初始温度均匀，其传热过程可认为是线热源或柱热源在无限大介质中的非稳态传热过程。在定加热功率的条件下：

1.钻孔内传热过程及热阻

钻孔内两根埋管单位长度的热流密度分别为q1和q2，根据线性叠加原理有：

  C.3.8-1)

式中Tf1, Tf2——分别为两根埋管内流体温度（℃）；

Tb——钻孔壁温度（℃）；

R1, R2——分别看作是两根管子存在时与钻孔壁之间的热阻（m·K/W）；

R12——两根管子之间的热阻（m·K/W）。

在工程中可以近似认为两根管子是对称分布在钻孔内部的，其中心距为D，因此有：

        (C.3.8-2)

        (C.3.8-3)

其中埋管管壁的导热热阻Rp和管壁与循环介质对流换热热阻Rf分别为：

    ,    (C.3.8-4)

式中：di——埋管内径（m）；

do——埋管外径（m）；

db——钻孔直径（m）；

λp——埋管管壁导热系数[W/(m·K)]；

λb——钻孔回填材料导热系数[W/(m·K)]；

λs——埋管周围岩土的导热系数[W/(m·K)]；

K——循环介质与U形管内壁的对流换热系数[W/(m2·K)]。

取为单位长度埋管释放的热流量，根据假设有：q1=q2=ql/2，Tf1=Tf2=Tf，则式(C.3.8-1)可表示为

        (C.3.8-5)

由式(C.3.8-2)~( C.3.8-5)可推得钻孔内传热热阻Rb为

        (C.3.8-6)

2.钻孔外传热过程及热阻

当钻孔外传热视为以钻孔壁为柱面热源的无限大介质中的非稳态热传导时，其传热控制方程、初始条件和边界条件分别为

    ,   ,    (C.3.8-7)

    ,   ,    (C.3.8-8)

    ,       (C.3.8-9)

    ,   ,       (C.3.8-10)

式中：cs——埋管周围岩土的平均比热容[J/(kg·℃)]；

T——孔周围岩土温度（℃）；

Tff——无穷远处土壤温度（℃）；

ρs——岩土周围岩土的平均密度（kg/m3）；

τ——时间（s）。

由上述方程可求得τ时刻钻孔周围土壤的温度分布。其公式非常复杂，求值十分困难，需要采取近似计算。

当加热时间较短时，柱热源和线热源模型的计算结果有显著差别；而当加热时间较长时，两模型计算结果的相对误差逐渐减小，而且时间越长差别越小。一般国内外通过实验推导钻孔传热性能及热物性所采用的普遍模型是线热源模型的结论，当时间较长时，线热源模型的钻孔壁温度为

        (C.3.8-11)

式中：

是指数积分函数。当时间足够长时，，是欧拉常数，。为钻孔外岩土的导热热阻。

由式(C.3.8-5)和(C.3.8-11)可以导出 时刻循环介质平均温度，为

        (C.3.8-12)

式(C.3.8-6)和(C.3.8-12)构成了埋管内循环介质与周围岩土的换热方程。式(C.3.8-12)有两个未知参数，周围岩土导热系数λs和容积比热容ρscs，利用该式可以求得上述两个未知参数。