地源熱泵及其系統的相關標準與規范的綜述與建議

■ 張志英 吳賢哲 趙軍*

(1.天津大學中低溫熱能高效利用教育部重點實驗室；2.朝鮮金策工業綜合大學熱能工程系)

0 引言

我國地源熱泵技術的大規模應用始于20世紀90年代，2005年我國發布首個地源熱泵國家標準GB 50366-2005《地源熱泵系統工程技術規范》，之后我國地源熱泵行業進入了快速發展階段：其應用從以供暖為主的北方擴展到南方，甚至廣東、廣西等地，均建立了地源熱泵系統并投入使用；從以公共建筑應用為主擴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)、工業冷卻水等各種熱泵系統類型也不斷得以應用。預計“十二五”期間將完成地源熱泵供熱制冷3.5億m2，其開發利用的市場規模將超過700億元[1]。

隨著地源熱泵技術在我國的廣泛應用，國家主管部門對GB 50366-2005進行了修訂[2]，一些行業主管部門制定了相應的行業標準[3,4]，一些省市也根據當地的實際情況出臺了與地源熱泵相關的標準[5-9]。標準是技術發展的基礎和保障，因此，研究國外的先進標準，同時對比分析我國及地方的相關標準，發現不足，尋求改進方案，具有十分重要的理論價值和現實意義。

1 國內外地源熱泵標準介紹

表1列出了具有代表性的國外地源熱泵相關標準。

1.1 國際地源熱泵協會(IGSHPA)標準

IGSHPA在1997年發行了全套的地源熱泵標準，并于2010年對其進行了修訂，修訂后的標準共7冊：設計安裝標準2冊、安裝指南2冊、灌漿程序2冊、土壤和巖石分類地質手冊1冊。該套標準重點突出安裝過程，又將與環境密切相關的灌漿程序單獨列出，因此，具有很強的實際操作性。

1.2 美國、加拿大和歐洲的地源熱泵標準

美國于20世紀50年代開始應用地源熱泵系統，到目前為止，其技術水平已相對成熟，并且針對地源熱泵系統的設計和安裝有一整套標準規范，呈現出專業化。

加拿大的標準按其建筑類型分為商業類等公共建筑地源熱泵系統和居住建筑，以及其他小型建筑地源熱泵系統。

歐洲的地源熱泵系統主要應用于對供熱要求較高的中歐和北歐地區，南歐則主要使用空氣源熱泵并且以制冷為主。因而目前還沒有制定出一個適合整個歐洲的標準，現有的標準主要用于建筑物的供暖。

表1 國外地源熱泵主要標準

1.3 我國地源熱泵標準

我國地源熱泵標準中的有些內容借鑒了國外相關標準[2]，如水壓試驗方法參考了加拿大標準CSA-C 448.1-02并考慮了與國內相關標準的一致性；GB 50366附錄B的條文說明中的《幾種典型土壤、巖石及回填料的熱物性》引自美國《HVAC應用手冊 第32章：地源熱泵工程手冊》ASHRAE(2007)等。

表2列出了我國的主要標準，按層級分為國家標準、行業標準和地方標準。

國家標準有《地源熱泵系統工程技術規范》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的設計和施工，還對建筑物內系統的設計和施工做出說明。

表2 我國地源熱泵主要標準

行業標準分類比較細致，包括管材及管件標準、地埋管換熱器的施工規程等。

地方標準為各省市根據當地的具體情況制定的實施細則。如遼寧省根據當地污水資源多的情況制定了《污水源熱泵系統工程技術規程》；江蘇和上海由于地下水開采過多導致地面沉降，故其標準中不包括地下水源熱泵系統。

除表2中列出的主要標準，其他與地源熱泵系統相關的標準有：GB/T 11615-2010《地熱資源地質勘查規范》、GB/T 19409-2003《水源熱泵機組》、DD 2006-02《地面沉降監測技術要求》等。

2 國內外地源熱泵標準的發展

2.1 IGSHPA標準的修訂[10]

IGSHP《閉環地源熱泵系統的設計和安裝標準》從1997版到2010版，修訂的主要內容有：1)對安裝人員及其培訓提出要求1A.1和1A.2；2)環路永久停用時的措施6；3)垂直埋管系統的灌漿要求2B；4)對于商業應用時，業主應提供詳細的設計記錄內容5B。這次修訂，環路永久停用和灌漿程序都與環境密切相關。

2.2 我國標準的發展

《地源熱泵系統工程技術規范》從GB 50366-2005到GB 50366-2009，其修訂內容主要有[11,12]：1)對是否需要實施巖土熱響應試驗提出了明確的界限，增加第3.2.2A條；2)采用放熱試驗的方法實施巖土熱響應試驗；3)提供一種地埋管換熱器的設計方法，強調要結合巖土熱物性參數，以動態的方法進行地埋管地源熱泵系統的設計和選型，這樣增加了標準的實用性；4)細化地埋管換熱器設計參數，增加了關于冬夏兩季對地埋管換熱器設計進出口溫度的限定，確保地埋管地源熱泵系統的高效運行。本次修訂，增加了國家標準的先進性、安全性和可操作性。

2010年至今，我國頒布了大量的地源熱泵標準。CECS 313:2012《農村小型地源熱泵供暖供冷工程技術規范》結合了農村用能的特點，將室內設計采暖溫度定為14～18 ℃，還增加了農業生產領域的地源熱泵特殊利用形式，如小型冷庫、恒溫養殖等，推進了地源熱泵系統在農村的應用。CECS 339:2013《地源熱泵式沼氣發酵池加熱技術規程》是地源熱泵系統在特定領域的技術規范，推進了地源熱泵系統的廣泛應用。

一些省市也建立起自己的標準并不斷完善，以天津市為例：2007年，天津大學主編了全國最早的地源熱泵地方標準DB 29-178-2007《天津市地埋管地源熱泵系統應用技術規程》，并在2010年發布了修訂版DB 29-178-2010，增加15條，修訂44條，在地埋管換熱系統設計方面內容更細致；對于地埋管系統檢驗、調試和驗收的要求更嚴格、具體，更注重合理性和可操作性，對系統的性能也提出要求。除了針對地埋管系統的詳細標準，天津市在2010年和2012年分別出臺了污水源熱泵標準和地下水源熱泵標準：《天津市污水源熱泵系統應用技術規程》、《天津市地源熱泵地下儲能系統建設運行技術規范》。

3 國內外標準對比分析

3.1 我國地源熱泵標準多為推薦性標準，而國外多為強制性標準，且要求更嚴格

關于巖土熱響應試驗的界限，加拿大標準CSA-C 448.1-02《商業類等公共建筑的地熱系統設計與安裝》中要求安裝面積小于2800 m2時，必須鉆一口測試井；大于2800 m2時，必須至少鉆兩口測試井[13]。我國GB 50366-2009《地源熱泵系統工程技術規范》第3.2.2A條：當地埋管地源熱泵系統的應用建筑面積在3000～5000 m2時，宜進行巖土熱響應試驗；當應用建筑面積大于等于5000 m2時，應進行巖土熱響應試驗。加拿大標準中的用詞“必須”與我國標準中的用詞“宜”“應”形成對比，體現我國標準的建議性。除此之外，加拿大標準中的“2800 m2”與我國標準中的“3000～5000 m2”形成對比，體現出加拿大標準的嚴格性。

3.2 國外已有專門的地源熱泵系統對環境影響的標準

國外已設立地源熱泵系統對環境影響的標準，如ASHRAE 4832-2006《地表水源熱泵系統的環境影響》、DIN 8901-2002《制冷系統和加熱泵·土壤、土地和地表水的保護·安全性和環境要求與試驗》。IGSHPA《閉環地源熱泵系統的設計和安裝標準》中，詳細地說明了防凍劑的使用和環路永久停用時的環保措施。

我國GB 50366-2009《地源熱泵系統工程技術規范》中，僅有強制性標準5.1.1說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，不得對地下水資源造成浪費及污染。而針對回灌，IGSHPA發行《地源熱泵系統灌漿程序》和《垂直埋管地源熱泵系統灌漿手冊》2冊標準。

地方標準中的一些實施細則，說明地埋管系統對環境的保護，如DB 29-178-2007《天津市地埋管地源熱泵系統應用技術規程》，為保護地下淡水資源，相比于國標，增加封孔、鉆孔回填術語，增加應查明的巖土熱物性參數“咸水層底板埋深”等。

總體來說，我國的標準中有相應的條文說明地源熱泵系統應對環境的保護，但是沒有相應全面、詳細的實施細則。

4 對我國標準今后發展的建議

4.1 增加對安裝人員的要求

地源熱泵系統的個人認證是國際關注點之一，IGSHPA已將該部分內容列入標準中，歐洲熱泵協會(EHPA)也設立了名為EU-CERT的項目研究熱泵安裝者的培訓和認證辦法。目前，我國的熱泵安裝者能真正掌握施工核心技術的人并不多，如考慮回灌、對建筑物沉降的影響等[14]。安裝是保證地源熱泵工程質量的一個重要環節，因此，建議我國的標準中增加對安裝人員的要求。

4.2 增加與地源熱泵系統勘察、設計、施工、檢驗與驗收等所有環節相關人員及部門的要求

現在，地埋管地源熱泵系統的施工質量是我國地源熱泵應用中存在的主要問題之一[15]。據統計，施工單位因考慮成本和時間，按規范執行的不足10%[16]，同時，缺乏相關的管理措施和技術手段，引發了項目實施中的很多問題。加拿大將與地源熱泵系統設計、安裝等所有環節相關的人員列入標準，如CSA-C 448.1-02《商業類等公共建筑的地熱系統設計與安裝》；并且增加相關術語，如責任人、工程師、地質學者、業主等，將工程與實施工程的人相結合。針對我國現狀，并借鑒加拿大的標準，建議在標準中增加與地源熱泵系統勘察、設計、施工、檢驗與驗收等所有環節相關人員及部門的要求。

4.3 國家標準中增加檢測和管理的部分

地源熱泵系統的運行監測和管理為國際關注點之一，我國的一些省市已經單獨將其列為標準[17,18]。地源熱泵系統后期的運行管理及檢測與系統能效密切相關，但是國家標準中尚缺乏該部分的內容，導致在一些工程中沒有監測系統，或只設立地溫場監測站，或只設立運行狀態監測系統。因此，建議我國的國家標準中增加該部分的相關內容。

4.4 根據實際工程情況做改進

DB/T 29-178-2010《天津市地埋管地源熱泵系統應用技術規程》中第5.3.15條，要求地埋管安裝完成后，試壓確認無泄漏現象后在12 h內用灌漿材料回灌。而天津地區的地質特征，很容易發生鉆孔徑縮，導致回灌困難。因此該條中的“12 h內”不合理，建議改為“及時”，以更好地指導工程實踐。

DB/T 29-178-2010《天津市地埋管地源熱泵系統應用技術規程》中第5.3.16條，要求地埋管換熱器的灌漿材料宜采用膨潤土、水泥、砂、原漿和水組成的混合物，嚴禁采用原漿作為灌漿材料。而在天津的大多數實際工程中，均采用原漿回填，不足部分用砂子補充。針對這個問題，工程中有人員做過試驗，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，需相關部門做進一步研究，以根據實際情況改進標準，增加標準的實用性。

4.5 從嚴要求巖土熱響應試驗

巖土熱響應測試是為了得到巖土綜合熱物性參數及巖土的初始平均溫度，這決定著地埋管的鉆井數目和鉆井深度，地下巖土體的結構決定著施工工藝選擇、施工的難易程度和初投資。若巖土熱響應測試出現偏差，會使鉆井數目和鉆井深度發生變化，影響施工和初投資[15]。因此，建議我國的標準中對巖土熱響應試驗從嚴要求。

[1] 梁敏, 潘高穎. “十二五”期間地熱能市場規模達700億[EB/OL]. http://news.xinhuanet.com/energy/2012-03/13/c_122826615.htm.2012-03-13.

[2] GB 50366-2009, 地源熱泵系統工程技術規范[S].

[3] CECS 313: 2012, 農村小型地源熱泵供暖供冷工程技術規范[S].

[4] CJJ/T 138-2010, 城鎮地熱供熱工程技術規程[S].

[5] DB/T 29-178-2010, 天津市地埋管地源熱泵系統應用技術規程[S].

[6] DB 29-206-2010, 天津市污水源熱泵系統應用技術規程[S].

[7] DG/TJ 08-2119-2013, 地源熱泵系統工程技術規程[S].

[8] DB21/T1795-2010, 污水源熱泵系統工程技術規程[S].

[9] DBJ/T 13-156-2012, 福建省地源熱泵系統工程技術規范[S].

[10] 閉環地源熱泵系統設計與安裝標準[S]. 國際地源熱泵協會, 2010.

[11] 鄒瑜, 徐偉, 馮小梅. 先進性·安全性·可操作性—國家標準《地源熱泵系統工程技術規范》編制要點[J]. 建設科技, 2005,18: 10－12.

[12] 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(10): 40－43.

[13] CSA-C 448.1-02, 商業類等公共建筑的地熱系統設計與安裝[S].

[14] 徐偉, 劉志堅. 中國地源熱泵技術發展與展望[J]. 建筑科學, 2013, 29(10): 26－33.

[15] 陳焰華. 地源熱泵工程應用關鍵技術問題探討[J]. 供熱制冷, 2014, (1): 60－61.

[16] 徐偉. 地源熱泵技術新進展與趨勢[R]. 北京，關于北京市進一步促進地熱能開發及熱泵系統利用實施意見, 2014.

[17] DB13/T1348-2010, 地源熱泵系統節能監測規范[S].

[18] DGJ32/TJ130-2011, 江蘇省地源熱泵系統檢測技術規程[S].

致謝：感謝“生態城區域能源站系統優化及其基于氣象預報的調度系統”項目、中新天津生態城管委會、天津生態城能源投資建設有限公司對本論文工作的支持。