地源熱泵及其系統(tǒng)的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)范的綜述與建議

■ 張志英 吳賢哲 趙軍*

(1.天津大學(xué)中低溫?zé)崮芨咝Ю媒逃恐攸c(diǎn)實(shí)驗(yàn)室；2.朝鮮金策工業(yè)綜合大學(xué)熱能工程系)

0 引言

我國(guó)地源熱泵技術(shù)的大規(guī)模應(yīng)用始于20世紀(jì)90年代，2005年我國(guó)發(fā)布首個(gè)地源熱泵國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB 50366-2005《地源熱泵系統(tǒng)工程技術(shù)規(guī)范》，之后我國(guó)地源熱泵行業(yè)進(jìn)入了快速發(fā)展階段：其應(yīng)用從以供暖為主的北方擴(kuò)展到南方，甚至廣東、廣西等地，均建立了地源熱泵系統(tǒng)并投入使用；從以公共建筑應(yīng)用為主擴(kuò)展到住宅建筑的使用；土壤、地下水、地表水(江河湖海，以及污水)、工業(yè)冷卻水等各種熱泵系統(tǒng)類型也不斷得以應(yīng)用。預(yù)計(jì)“十二五”期間將完成地源熱泵供熱制冷3.5億m2，其開(kāi)發(fā)利用的市場(chǎng)規(guī)模將超過(guò)700億元[1]。

隨著地源熱泵技術(shù)在我國(guó)的廣泛應(yīng)用，國(guó)家主管部門對(duì)GB 50366-2005進(jìn)行了修訂[2]，一些行業(yè)主管部門制定了相應(yīng)的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)[3,4]，一些省市也根據(jù)當(dāng)?shù)氐膶?shí)際情況出臺(tái)了與地源熱泵相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)[5-9]。標(biāo)準(zhǔn)是技術(shù)發(fā)展的基礎(chǔ)和保障，因此，研究國(guó)外的先進(jìn)標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)對(duì)比分析我國(guó)及地方的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，發(fā)現(xiàn)不足，尋求改進(jìn)方案，具有十分重要的理論價(jià)值和現(xiàn)實(shí)意義。

1 國(guó)內(nèi)外地源熱泵標(biāo)準(zhǔn)介紹

表1列出了具有代表性的國(guó)外地源熱泵相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。

1.1 國(guó)際地源熱泵協(xié)會(huì)(IGSHPA)標(biāo)準(zhǔn)

IGSHPA在1997年發(fā)行了全套的地源熱泵標(biāo)準(zhǔn)，并于2010年對(duì)其進(jìn)行了修訂，修訂后的標(biāo)準(zhǔn)共7冊(cè)：設(shè)計(jì)安裝標(biāo)準(zhǔn)2冊(cè)、安裝指南2冊(cè)、灌漿程序2冊(cè)、土壤和巖石分類地質(zhì)手冊(cè)1冊(cè)。該套標(biāo)準(zhǔn)重點(diǎn)突出安裝過(guò)程，又將與環(huán)境密切相關(guān)的灌漿程序單獨(dú)列出，因此，具有很強(qiáng)的實(shí)際操作性。

1.2 美國(guó)、加拿大和歐洲的地源熱泵標(biāo)準(zhǔn)

美國(guó)于20世紀(jì)50年代開(kāi)始應(yīng)用地源熱泵系統(tǒng)，到目前為止，其技術(shù)水平已相對(duì)成熟，并且針對(duì)地源熱泵系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和安裝有一整套標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，呈現(xiàn)出專業(yè)化。

加拿大的標(biāo)準(zhǔn)按其建筑類型分為商業(yè)類等公共建筑地源熱泵系統(tǒng)和居住建筑，以及其他小型建筑地源熱泵系統(tǒng)。

歐洲的地源熱泵系統(tǒng)主要應(yīng)用于對(duì)供熱要求較高的中歐和北歐地區(qū)，南歐則主要使用空氣源熱泵并且以制冷為主。因而目前還沒(méi)有制定出一個(gè)適合整個(gè)歐洲的標(biāo)準(zhǔn)，現(xiàn)有的標(biāo)準(zhǔn)主要用于建筑物的供暖。

表1 國(guó)外地源熱泵主要標(biāo)準(zhǔn)

1.3 我國(guó)地源熱泵標(biāo)準(zhǔn)

我國(guó)地源熱泵標(biāo)準(zhǔn)中的有些內(nèi)容借鑒了國(guó)外相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)[2]，如水壓試驗(yàn)方法參考了加拿大標(biāo)準(zhǔn)CSA-C 448.1-02并考慮了與國(guó)內(nèi)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的一致性；GB 50366附錄B的條文說(shuō)明中的《幾種典型土壤、巖石及回填料的熱物性》引自美國(guó)《HVAC應(yīng)用手冊(cè) 第32章：地源熱泵工程手冊(cè)》ASHRAE(2007)等。

表2列出了我國(guó)的主要標(biāo)準(zhǔn)，按層級(jí)分為國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和地方標(biāo)準(zhǔn)。

國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)有《地源熱泵系統(tǒng)工程技術(shù)規(guī)范》GB 50366-2005及其修訂版GB 50366-2009。雖僅有1部，但涵蓋范圍廣，包括了土壤源、地下水源和地表水源熱泵系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和施工，還對(duì)建筑物內(nèi)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和施工做出說(shuō)明。

表2 我國(guó)地源熱泵主要標(biāo)準(zhǔn)

行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)分類比較細(xì)致，包括管材及管件標(biāo)準(zhǔn)、地埋管換熱器的施工規(guī)程等。

地方標(biāo)準(zhǔn)為各省市根據(jù)當(dāng)?shù)氐木唧w情況制定的實(shí)施細(xì)則。如遼寧省根據(jù)當(dāng)?shù)匚鬯Y源多的情況制定了《污水源熱泵系統(tǒng)工程技術(shù)規(guī)程》；江蘇和上海由于地下水開(kāi)采過(guò)多導(dǎo)致地面沉降，故其標(biāo)準(zhǔn)中不包括地下水源熱泵系統(tǒng)。

除表2中列出的主要標(biāo)準(zhǔn)，其他與地源熱泵系統(tǒng)相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)有：GB/T 11615-2010《地?zé)豳Y源地質(zhì)勘查規(guī)范》、GB/T 19409-2003《水源熱泵機(jī)組》、DD 2006-02《地面沉降監(jiān)測(cè)技術(shù)要求》等。

2 國(guó)內(nèi)外地源熱泵標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)展

2.1 IGSHPA標(biāo)準(zhǔn)的修訂[10]

IGSHP《閉環(huán)地源熱泵系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和安裝標(biāo)準(zhǔn)》從1997版到2010版，修訂的主要內(nèi)容有：1)對(duì)安裝人員及其培訓(xùn)提出要求1A.1和1A.2；2)環(huán)路永久停用時(shí)的措施6；3)垂直埋管系統(tǒng)的灌漿要求2B；4)對(duì)于商業(yè)應(yīng)用時(shí)，業(yè)主應(yīng)提供詳細(xì)的設(shè)計(jì)記錄內(nèi)容5B。這次修訂，環(huán)路永久停用和灌漿程序都與環(huán)境密切相關(guān)。

2.2 我國(guó)標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)展

《地源熱泵系統(tǒng)工程技術(shù)規(guī)范》從GB 50366-2005到GB 50366-2009，其修訂內(nèi)容主要有[11,12]：1)對(duì)是否需要實(shí)施巖土熱響應(yīng)試驗(yàn)提出了明確的界限，增加第3.2.2A條；2)采用放熱試驗(yàn)的方法實(shí)施巖土熱響應(yīng)試驗(yàn)；3)提供一種地埋管換熱器的設(shè)計(jì)方法，強(qiáng)調(diào)要結(jié)合巖土熱物性參數(shù)，以動(dòng)態(tài)的方法進(jìn)行地埋管地源熱泵系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和選型，這樣增加了標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)用性；4)細(xì)化地埋管換熱器設(shè)計(jì)參數(shù)，增加了關(guān)于冬夏兩季對(duì)地埋管換熱器設(shè)計(jì)進(jìn)出口溫度的限定，確保地埋管地源熱泵系統(tǒng)的高效運(yùn)行。本次修訂，增加了國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的先進(jìn)性、安全性和可操作性。

2010年至今，我國(guó)頒布了大量的地源熱泵標(biāo)準(zhǔn)。CECS 313:2012《農(nóng)村小型地源熱泵供暖供冷工程技術(shù)規(guī)范》結(jié)合了農(nóng)村用能的特點(diǎn)，將室內(nèi)設(shè)計(jì)采暖溫度定為14～18 ℃，還增加了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域的地源熱泵特殊利用形式，如小型冷庫(kù)、恒溫養(yǎng)殖等，推進(jìn)了地源熱泵系統(tǒng)在農(nóng)村的應(yīng)用。CECS 339:2013《地源熱泵式沼氣發(fā)酵池加熱技術(shù)規(guī)程》是地源熱泵系統(tǒng)在特定領(lǐng)域的技術(shù)規(guī)范，推進(jìn)了地源熱泵系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用。

一些省市也建立起自己的標(biāo)準(zhǔn)并不斷完善，以天津市為例：2007年，天津大學(xué)主編了全國(guó)最早的地源熱泵地方標(biāo)準(zhǔn)DB 29-178-2007《天津市地埋管地源熱泵系統(tǒng)應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》，并在2010年發(fā)布了修訂版DB 29-178-2010，增加15條，修訂44條，在地埋管換熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)方面內(nèi)容更細(xì)致；對(duì)于地埋管系統(tǒng)檢驗(yàn)、調(diào)試和驗(yàn)收的要求更嚴(yán)格、具體，更注重合理性和可操作性，對(duì)系統(tǒng)的性能也提出要求。除了針對(duì)地埋管系統(tǒng)的詳細(xì)標(biāo)準(zhǔn)，天津市在2010年和2012年分別出臺(tái)了污水源熱泵標(biāo)準(zhǔn)和地下水源熱泵標(biāo)準(zhǔn)：《天津市污水源熱泵系統(tǒng)應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》、《天津市地源熱泵地下儲(chǔ)能系統(tǒng)建設(shè)運(yùn)行技術(shù)規(guī)范》。

3 國(guó)內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)對(duì)比分析

3.1 我國(guó)地源熱泵標(biāo)準(zhǔn)多為推薦性標(biāo)準(zhǔn)，而國(guó)外多為強(qiáng)制性標(biāo)準(zhǔn)，且要求更嚴(yán)格

關(guān)于巖土熱響應(yīng)試驗(yàn)的界限，加拿大標(biāo)準(zhǔn)CSA-C 448.1-02《商業(yè)類等公共建筑的地?zé)嵯到y(tǒng)設(shè)計(jì)與安裝》中要求安裝面積小于2800 m2時(shí)，必須鉆一口測(cè)試井；大于2800 m2時(shí)，必須至少鉆兩口測(cè)試井[13]。我國(guó)GB 50366-2009《地源熱泵系統(tǒng)工程技術(shù)規(guī)范》第3.2.2A條：當(dāng)?shù)芈窆艿卦礋岜孟到y(tǒng)的應(yīng)用建筑面積在3000～5000 m2時(shí)，宜進(jìn)行巖土熱響應(yīng)試驗(yàn)；當(dāng)應(yīng)用建筑面積大于等于5000 m2時(shí)，應(yīng)進(jìn)行巖土熱響應(yīng)試驗(yàn)。加拿大標(biāo)準(zhǔn)中的用詞“必須”與我國(guó)標(biāo)準(zhǔn)中的用詞“宜”“應(yīng)”形成對(duì)比，體現(xiàn)我國(guó)標(biāo)準(zhǔn)的建議性。除此之外，加拿大標(biāo)準(zhǔn)中的“2800 m2”與我國(guó)標(biāo)準(zhǔn)中的“3000～5000 m2”形成對(duì)比，體現(xiàn)出加拿大標(biāo)準(zhǔn)的嚴(yán)格性。

3.2 國(guó)外已有專門的地源熱泵系統(tǒng)對(duì)環(huán)境影響的標(biāo)準(zhǔn)

國(guó)外已設(shè)立地源熱泵系統(tǒng)對(duì)環(huán)境影響的標(biāo)準(zhǔn)，如ASHRAE 4832-2006《地表水源熱泵系統(tǒng)的環(huán)境影響》、DIN 8901-2002《制冷系統(tǒng)和加熱泵·土壤、土地和地表水的保護(hù)·安全性和環(huán)境要求與試驗(yàn)》。IGSHPA《閉環(huán)地源熱泵系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和安裝標(biāo)準(zhǔn)》中，詳細(xì)地說(shuō)明了防凍劑的使用和環(huán)路永久停用時(shí)的環(huán)保措施。

我國(guó)GB 50366-2009《地源熱泵系統(tǒng)工程技術(shù)規(guī)范》中，僅有強(qiáng)制性標(biāo)準(zhǔn)5.1.1說(shuō)明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(duì)地下水資源造成浪費(fèi)及污染。而針對(duì)回灌，IGSHPA發(fā)行《地源熱泵系統(tǒng)灌漿程序》和《垂直埋管地源熱泵系統(tǒng)灌漿手冊(cè)》2冊(cè)標(biāo)準(zhǔn)。

地方標(biāo)準(zhǔn)中的一些實(shí)施細(xì)則，說(shuō)明地埋管系統(tǒng)對(duì)環(huán)境的保護(hù)，如DB 29-178-2007《天津市地埋管地源熱泵系統(tǒng)應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》，為保護(hù)地下淡水資源，相比于國(guó)標(biāo)，增加封孔、鉆孔回填術(shù)語(yǔ)，增加應(yīng)查明的巖土熱物性參數(shù)“咸水層底板埋深”等。

總體來(lái)說(shuō)，我國(guó)的標(biāo)準(zhǔn)中有相應(yīng)的條文說(shuō)明地源熱泵系統(tǒng)應(yīng)對(duì)環(huán)境的保護(hù)，但是沒(méi)有相應(yīng)全面、詳細(xì)的實(shí)施細(xì)則。

4 對(duì)我國(guó)標(biāo)準(zhǔn)今后發(fā)展的建議

4.1 增加對(duì)安裝人員的要求

地源熱泵系統(tǒng)的個(gè)人認(rèn)證是國(guó)際關(guān)注點(diǎn)之一，IGSHPA已將該部分內(nèi)容列入標(biāo)準(zhǔn)中，歐洲熱泵協(xié)會(huì)(EHPA)也設(shè)立了名為EU-CERT的項(xiàng)目研究熱泵安裝者的培訓(xùn)和認(rèn)證辦法。目前，我國(guó)的熱泵安裝者能真正掌握施工核心技術(shù)的人并不多，如考慮回灌、對(duì)建筑物沉降的影響等[14]。安裝是保證地源熱泵工程質(zhì)量的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，因此，建議我國(guó)的標(biāo)準(zhǔn)中增加對(duì)安裝人員的要求。

4.2 增加與地源熱泵系統(tǒng)勘察、設(shè)計(jì)、施工、檢驗(yàn)與驗(yàn)收等所有環(huán)節(jié)相關(guān)人員及部門的要求

現(xiàn)在，地埋管地源熱泵系統(tǒng)的施工質(zhì)量是我國(guó)地源熱泵應(yīng)用中存在的主要問(wèn)題之一[15]。據(jù)統(tǒng)計(jì)，施工單位因考慮成本和時(shí)間，按規(guī)范執(zhí)行的不足10%[16]，同時(shí)，缺乏相關(guān)的管理措施和技術(shù)手段，引發(fā)了項(xiàng)目實(shí)施中的很多問(wèn)題。加拿大將與地源熱泵系統(tǒng)設(shè)計(jì)、安裝等所有環(huán)節(jié)相關(guān)的人員列入標(biāo)準(zhǔn)，如CSA-C 448.1-02《商業(yè)類等公共建筑的地?zé)嵯到y(tǒng)設(shè)計(jì)與安裝》；并且增加相關(guān)術(shù)語(yǔ)，如責(zé)任人、工程師、地質(zhì)學(xué)者、業(yè)主等，將工程與實(shí)施工程的人相結(jié)合。針對(duì)我國(guó)現(xiàn)狀，并借鑒加拿大的標(biāo)準(zhǔn)，建議在標(biāo)準(zhǔn)中增加與地源熱泵系統(tǒng)勘察、設(shè)計(jì)、施工、檢驗(yàn)與驗(yàn)收等所有環(huán)節(jié)相關(guān)人員及部門的要求。

4.3 國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)中增加檢測(cè)和管理的部分

地源熱泵系統(tǒng)的運(yùn)行監(jiān)測(cè)和管理為國(guó)際關(guān)注點(diǎn)之一，我國(guó)的一些省市已經(jīng)單獨(dú)將其列為標(biāo)準(zhǔn)[17,18]。地源熱泵系統(tǒng)后期的運(yùn)行管理及檢測(cè)與系統(tǒng)能效密切相關(guān)，但是國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)中尚缺乏該部分的內(nèi)容，導(dǎo)致在一些工程中沒(méi)有監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，或只設(shè)立地溫場(chǎng)監(jiān)測(cè)站，或只設(shè)立運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。因此，建議我國(guó)的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)中增加該部分的相關(guān)內(nèi)容。

4.4 根據(jù)實(shí)際工程情況做改進(jìn)

DB/T 29-178-2010《天津市地埋管地源熱泵系統(tǒng)應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》中第5.3.15條，要求地埋管安裝完成后，試壓確認(rèn)無(wú)泄漏現(xiàn)象后在12 h內(nèi)用灌漿材料回灌。而天津地區(qū)的地質(zhì)特征，很容易發(fā)生鉆孔徑縮，導(dǎo)致回灌困難。因此該條中的“12 h內(nèi)”不合理，建議改為“及時(shí)”，以更好地指導(dǎo)工程實(shí)踐。

DB/T 29-178-2010《天津市地埋管地源熱泵系統(tǒng)應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》中第5.3.16條，要求地埋管換熱器的灌漿材料宜采用膨潤(rùn)土、水泥、砂、原漿和水組成的混合物，嚴(yán)禁采用原漿作為灌漿材料。而在天津的大多數(shù)實(shí)際工程中，均采用原漿回填，不足部分用砂子補(bǔ)充。針對(duì)這個(gè)問(wèn)題，工程中有人員做過(guò)試驗(yàn)，表明采用原漿回填和采用專門的灌漿材料回填，效果相差不大。因此，需相關(guān)部門做進(jìn)一步研究，以根據(jù)實(shí)際情況改進(jìn)標(biāo)準(zhǔn)，增加標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)用性。

4.5 從嚴(yán)要求巖土熱響應(yīng)試驗(yàn)

巖土熱響應(yīng)測(cè)試是為了得到巖土綜合熱物性參數(shù)及巖土的初始平均溫度，這決定著地埋管的鉆井?dāng)?shù)目和鉆井深度，地下巖土體的結(jié)構(gòu)決定著施工工藝選擇、施工的難易程度和初投資。若巖土熱響應(yīng)測(cè)試出現(xiàn)偏差，會(huì)使鉆井?dāng)?shù)目和鉆井深度發(fā)生變化，影響施工和初投資[15]。因此，建議我國(guó)的標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)巖土熱響應(yīng)試驗(yàn)從嚴(yán)要求。

[1] 梁敏, 潘高穎. “十二五”期間地?zé)崮苁袌?chǎng)規(guī)模達(dá)700億[EB/OL]. http://news.xinhuanet.com/energy/2012-03/13/c_122826615.htm.2012-03-13.

[2] GB 50366-2009, 地源熱泵系統(tǒng)工程技術(shù)規(guī)范[S].

[3] CECS 313: 2012, 農(nóng)村小型地源熱泵供暖供冷工程技術(shù)規(guī)范[S].

[4] CJJ/T 138-2010, 城鎮(zhèn)地?zé)峁峁こ碳夹g(shù)規(guī)程[S].

[5] DB/T 29-178-2010, 天津市地埋管地源熱泵系統(tǒng)應(yīng)用技術(shù)規(guī)程[S].

[6] DB 29-206-2010, 天津市污水源熱泵系統(tǒng)應(yīng)用技術(shù)規(guī)程[S].

[7] DG/TJ 08-2119-2013, 地源熱泵系統(tǒng)工程技術(shù)規(guī)程[S].

[8] DB21/T1795-2010, 污水源熱泵系統(tǒng)工程技術(shù)規(guī)程[S].

[9] DBJ/T 13-156-2012, 福建省地源熱泵系統(tǒng)工程技術(shù)規(guī)范[S].

[10] 閉環(huán)地源熱泵系統(tǒng)設(shè)計(jì)與安裝標(biāo)準(zhǔn)[S]. 國(guó)際地源熱泵協(xié)會(huì), 2010.

[11] 鄒瑜, 徐偉, 馮小梅. 先進(jìn)性·安全性·可操作性—國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《地源熱泵系統(tǒng)工程技術(shù)規(guī)范》編制要點(diǎn)[J]. 建設(shè)科技, 2005,18: 10－12.

[12] 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(10): 40－43.

[13] CSA-C 448.1-02, 商業(yè)類等公共建筑的地?zé)嵯到y(tǒng)設(shè)計(jì)與安裝[S].

[14] 徐偉, 劉志堅(jiān). 中國(guó)地源熱泵技術(shù)發(fā)展與展望[J]. 建筑科學(xué), 2013, 29(10): 26－33.

[15] 陳焰華. 地源熱泵工程應(yīng)用關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題探討[J]. 供熱制冷, 2014, (1): 60－61.

[16] 徐偉. 地源熱泵技術(shù)新進(jìn)展與趨勢(shì)[R]. 北京，關(guān)于北京市進(jìn)一步促進(jìn)地?zé)崮荛_(kāi)發(fā)及熱泵系統(tǒng)利用實(shí)施意見(jiàn), 2014.

[17] DB13/T1348-2010, 地源熱泵系統(tǒng)節(jié)能監(jiān)測(cè)規(guī)范[S].

[18] DGJ32/TJ130-2011, 江蘇省地源熱泵系統(tǒng)檢測(cè)技術(shù)規(guī)程[S].

致謝：感謝“生態(tài)城區(qū)域能源站系統(tǒng)優(yōu)化及其基于氣象預(yù)報(bào)的調(diào)度系統(tǒng)”項(xiàng)目、中新天津生態(tài)城管委會(huì)、天津生態(tài)城能源投資建設(shè)有限公司對(duì)本論文工作的支持。