1、Q/GDW 11144 2013 1 国家电网公司企业标准Q/GDW11144 2013 变电站地源热泵系统设计导则Design guide for ground-source heat pump system in substation 2014-04-15发布 2014-04-15实施 国家电网公司 发 布 Q/GDW ICS 29240Q/GDW 11144 2013 I 目 次 前言 1 范围 1 2 规范性引用文件 1 3 术语和定义 1 4 基本规定 2 4.1 一般规定 2 4.2 变电站地源热泵系统的适用条件 3 4.3 水源热泵机组 3 4.4 循环水及补水 4 4.5 空调
2、末端 5 5 工程勘察 6 5.1 一般规定 6 5.2 地埋管换热系统勘察 6 5.3 地下水换热系统勘察 6 5.4 地表水换热系统勘察 6 6 地埋管换热系统 7 6.1 一般规定 7 6.2 地埋管管材与传热介质 7 6.3 地埋管换热系统设计 7 7 地下水换热系统 9 7.1 一般规定 9 7.2 地下水换热系统设计 9 8 地表水换热系统 10 8.1 一般规定 10 8.2 地表水换热系统设计 10 9 控制与监测 10 9.1 一般规定 10 9.2 系统控制 11 9.3 系统监测 11 附录 A（规范性附录） 地埋管外径及壁厚 12 附录 B（规范性附录） 竖直地埋管换热
3、器设计计算 14 附录 C（规范性附录） 聚乙烯管单位管长摩擦阻力 15 附录 D（规范性附录） 主要城市所处气候分区 16 附录 E（资料性附录） 各地常年水温及水源热泵机组对水质要求 17 附录 F（资料性附录） 工程示例 19 编制说明 23 Q/GDW 11144 2013 II 前 言 本标准结合变电站的特点，在总结民用建筑地源热泵系统技术应用经验的基础上，广泛征求了各网省公司、工程建设管理、设计、施工、监理等单位的意见，最终形成了变电站地源热泵系统设计导则 ，本标准适用于变电站地源热泵系统设计、安装、施工、运行、管理等人员使用； 本标准共 9 章，主要包括：范围、规范性引用文件、术
4、语和定义、基本规定、工程勘察、地埋管换热系统、地下水换热系统、地表水换热系统、控制与监测； 本标准由国家电网公司基建部提出并解释； 本标准由国家电网公司科技部归口； 本标准起草单位：国网河北省电力公司、国网河北省电力公司经济技术研究院、河北省电力勘测设计研究院、河北汇智电力工程设计有限公司； 本标准主要起草人： 冯舜凯、贾素华、王新朝、李中凯、魏东亮、李更义、王现鹏、魏利民、李占岭、吴春生、徐宁、陈明、武坤、唐宝锋、齐海生、赵杰、段剑、于海洪； 本标准首次发布。 Q/GDW 11144 2013 1 变电站地源热泵系统设计导则 1 范围 本标准规定了变电站应用地源热泵系统的相关设计要求。 本标
5、准适用于电压等级为 220kV 1000kV 的变电站地源热泵系统新建、扩建、改建工程设计。 2 规范性引用文件 下列文件对于本文件的应用是必不可少的。 凡是注日期的引用文件， 仅注日期的版本适用于本文件。凡是不注日期的引用文件，其最新版本（包括所有的修改单）适用于本文件。 GB 5749 生活饮用水卫生标准 GB/T 13663 给水用聚乙烯（ PE）管材 GB/T 19409 水源热泵机组 GB/T 19473.2 冷热水用聚丁烯（ PB）管道系统：管材 GB 50015 建筑给水排水设计规范 GB 50019 采暖通风与空气调节设计规范 GB 50229 火力发电厂与变电站设计防火规范
6、GB 50366 地源热泵系统工程技术规范 DL/T 5035 火力发电厂采暖通风与空气调节设计技术规程 3 术语和定义 下列术语和定义适用于本文件。 3.1 地源热泵系统 ground-souce heat pump system 以岩土体、地下水或地表水为低温热源，由水源热泵机组、地热能交换系统、空调末端组成的供热空调系统。根据地热能交换系统形式的不同，地源热泵系统分为地埋管地源热泵系统、地下水地源热泵系统和地表水地源热泵系统。 3.2 水源热泵机组 water-souce heat pump 一种采用循环流动于共用管路中的水、从水井、湖泊或河流中抽取的水或在地下盘管中循环流动的水为冷（热
7、）源，制取冷（热）风或冷（热）水的设备：包括一个使用侧换热设备、压缩机、热源侧换热设备，具有单制冷或制冷和制热功能。水源热泵机组按使用侧换热设备的形式分为冷热风型水源热泵机组和冷热水型水源热泵机组；按冷（热）源类型分为水环式水源热泵机组、地下水式水源热泵机组和地下环路式水源热泵机组。 3.3 冷热风型水源热泵机组 water-to-air heat pump 使用侧换热设备为送风设备的室内空气调节盘管的机组。 3.4 冷热水型水源热泵机组 water-to-water heat pump 使用侧换热设备为制冷剂 水热交换器的机组。 Q/GDW 11144 2013 2 3.5 水环式水源热泵机
8、组 water-loop heat pump 使用在共用的管路循环流动的水为冷（热）源的机组。 3.6 地下水式水源热泵机组 ground-water heat pump 使用从水井、湖泊或河流中抽取的水为冷（热）源的机组。 3.7 地下环路式水源热泵机组 ground-loop heat pump 使用在地下盘管中循环流动的水为冷（热）源的机组。 3.8 地埋管换热系统 ground heat exchanger system 传热介质通过竖直或水平地埋管换热器与岩土体进行热交换的地热能交换系统，又称土壤热交换系统。 3.9 地下水换热系统 groundwater system 与地下水进行
9、热交换的地热能交换系统，分为直接地下水换热系统和间接地下水换热系统。 3.10 地表水换热系统 surface water system 与地表水进行热交换的地热能交换系统，分为开式地表水换热系统和闭式地表水换热系统。 3.11 抽水试验 pumping test 一种在井中进行计时计量抽取地下水，并测量水位变化的过程，目的是了解含水层富水性，并获取水文地质参数。 3.12 回灌试验 injection test 一种向井中连续注水，使井内保持一定水位，或计量注水、记录水位变化来测定含水层渗透性、注水量和水文地质参数的试验。 3.13 热响应试验 rock-soil thermal respo
10、nse 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平均温度的试验。 3.14 岩土体热物性参数 parameter of the rock-soil thermal properties 指不含回填材料在内的，地埋管换热器深度范围内岩土的导热系数、比热容。 4 基本规定 4.1 一般规定 4.1.1 在进行变电站地源热泵系统方案设计时，应充分考虑站址气候条件、水文地质条件、建筑物空调负荷情况等具体条件，分析地源热泵系统的可行性，必要时应进行技术经济分析。 4.1.2 对于首次采用地源热泵技术的地区，应进行全寿命成本分析。 4.1.3 水源
11、热泵机组能效比经修正后不应低于 4.5，地源热泵系统的能效比不宜低于 3.4。 4.1.4 地源热泵系统设计应符合下列要求： a） 地源热泵机房应布置于空调侧附近，机房内设备布置应紧凑合理，并满足安装检修、运行要求。 Q/GDW 11144 2013 3 b） 水源热泵机组选型、布置应满足第 4.3 条的规定。 c） 水源热泵机组、分集水器、空调供回水管道应保温（冷） ，保温（冷）层厚度应按 GB 50019 确定。 d） 室外埋地空调循环水管道宜采用预制直埋保温管道，管道及管件（包括三通、弯头等）应在工厂预制，现场只进行接口施工，接口处保温层及保护壳要求应与预制管道及管件标准一致，管道连接完
12、成后，保护壳应连续、完整和严密。保温层应饱满，不应有空洞。保温结构应有足够的强度并与钢管粘结为一体。 e） 室内空调管道宜采用橡塑保温，保温层的厚度及保温结构可按国标图集选取，必要时应经计算确定。 f） 管道穿越建筑物墙壁、楼板和基础处应加套管，穿越屋面及地下室外墙时应加防水套管。 g） 下列部位应装设阀门：水源热泵机组进、出水管；水泵进、出水管；分集水器进、出水管；连通管；定压罐供水管；除污器连接管；室内管道向卫生间等部位接出的供水管起端；冲洗管等。下列部位宜装设阀门：与供、回水连接的分干管；供、回水立管；从立管接出的支管。 4.1.5 新建水源热泵项目如需直接从江河、湖泊或地下取水时，应严
13、格按照中华人民共和国水利部、中华人民共和国国家发展计划委员会令第 15 号建设项目水资源论证管理办法的要求，开展建设项目水资源论证，编制水资源论证报告书。按照行政许可程序批准后方可实施凿井施工。 4.2 变电站地源热泵系统的适用条件 4.2.1 变电站采用地源热泵技术时，应从技术条件、气候条件、空调负荷条件、水文地质条件等进行综合分析，确定其可行性。 4.2.2 当满足表 1 适用条件时，宜优先选用地源热泵系统。 表 1 地源热泵系统的适用条件 适用条件 控制参数 地源热泵系统适用条件 1. 机组特性 修正后机组能效比不应低于 4.5，且系统能效比不宜低于 3.4 技术条件 2. 累计吸释热量
14、（ kWh） 全年累计吸热量与释热量宜平衡 ,若不平衡应验证全寿命周期内系统安全性 严寒 A 区 不适宜 严寒 B 区 适宜 寒冷地区 适宜 夏热冬冷地区 适宜 气候条件 夏热冬暖地区 不适宜 空调负荷 50kW 不适宜 空调负荷 条件 空调负荷 50kW 适宜 1. 地质硬度大、成孔困难 不适宜 2. 细砂流砂 不适宜 水文地质条件 3. 当地下水丰富时，换热指标好，非常利于热量传递 通过技术经济比较确定 4.3 水源热泵机组 4.3.1 水源热泵机组性能应符合国家标准 GB/T 19409 的相关规定，且应满足地源热泵系统运行参数的要求。机组正常工作的冷（热）源温度范围见表 2。 Q/GD
15、W 11144 2013 4 表 2 机组正常工作的冷 （ 热 ） 源温度范围 机组型式 制冷 制热 水环式机组 20 40 15 30 地下水式机组 10 25 10 25 地下环路式机组 10 40 -5 25 4.3.2 水源热泵机组选型可根据实际需要选用冷热风型水源热泵机组或冷热水型水源热泵机组， 并满足噪声要求。水源热泵机组分类见表 3。 表 3 水源热泵机组分类 机组类型 按功能 按结构型式 按送风型式 按冷（热）源类型 冷热风型 水源热泵机组 冷风型 热泵型 整体型 分体型 直接吹出型 接风管型 水环式 地下水式 地下环路式 冷热水型 水源热泵机组 冷水型 热泵型 整体型 分体型
16、 水环式 地下水式 地下环路式 4.3.3 地下环路式机组，所有室外水侧的管路应具有抗腐蚀的能力。地下水式机组还应考虑换热设备具有抗腐蚀的能力，使用过程中机组不应污染所使用的水源。 4.3.4 水源热泵机组的电气控制至少应包括压缩机和风机的控制，一般还应具有电机过载保护、缺相保护（三相电源） 、水系统断流保护、制冷系统高低压保护等必要的保护功能或器件。水源热泵机组应具备能量调节功能，且蒸发器出口应设防冻保护装置。各种控制功能正常，各种保护器件应符合设计要求且灵敏可靠。 4.3.5 变电站宜优先选用自带四通换向阀的水源热泵机组，机组台数宜采用 2 台，机组可按 2 50%配置。经分析确有必要时可
17、考虑备用。 4.3.6 水源热泵机组布置应符合下列要求： a） 机组应考虑设备的安装位置、检修通道及预留安装孔、洞。 b） 机组的布置和管道连接，应符合工艺流程，并应便于安装与检修。 c） 机组与墙之间净距应满足安装检修要求，机组与机组之间净距不应小于 1.0m。 d） 机组与其上方管道、风道或电缆桥架的净距不应小于 1.0m。 e） 机组一面应留有不小于蒸发器、冷凝器长度的检修距离。 f） 机组及贮热设备等接管进出口处应装设压力表、温度计，并根据设备需要情况设置过滤器、阀门、橡胶软接头等。 g） 机组之间的季节转换阀门宜采用电动阀，且应编号标识。 h） 机组基础高度宜为 100mm，并应根据
18、需要采取减震措施。 4.3.7 地下水或地表水直接流经水源热泵机组的系统应在水系统上预留机组清洗用旁通管。 4.3.8 水源热泵机组及建筑物内系统安装应符合 GB 50274 及 GB 50243 的规定。 4.4 循环水及补水 4.4.1 循环水泵宜采用变频控制，并设置 2 台，一用一备。 4.4.2 循环水泵流量、扬程应满足地源热泵系统水流量和水头损失要求。 4.4.3 闭式地源热泵系统的补水点，宜设置在循环水泵的吸入口处，当补水压力低于补水点压力时，应Q/GDW 11144 2013 5 设置补水泵。闭式空调冷冻水和闭式冷却水系统的补水应符合下列要求： a） 补水量可按系统循环水量的 0
19、.5%计算； b） 补水水源可采用闭式循环冷却水、 化学除盐水、 软化水或生活水。 补水水质 PH 值宜控制在 8.09.2 之间，全硬度（ CaCO3计）宜小于 50mg/L。当补水水质不满足要求时应设置化学处理装置。 c） 补水泵的扬程应保证补水压力比系统静止时补水点的压力高 30 50kPa； d） 补水泵应设置 2 台，一用一备。 4.4.4 闭式地源热泵系统的定压和膨胀，应符合下列要求： a） 定压点宜设在循环水泵的吸入口处， 定压点最低压力应保证系统最高点压力高于大气压力 5kPa以上。 b） 宜采用定压罐定压，定压罐可与生活给水气压罐合用。定压罐上应安装安全阀，安全阀开启压力按
20、P2+（ 30 50） kPa 选取，并保证系统设备不超压。 c） 补水泵停止压力可按下式计算。 129898bPP+= （ 1） 式中， 1P 定压点最低压力即补水泵启动压力（ kPa） ； 2P 补水泵停止压力，其取值应保证系统设备不超压（ kPa） ； b 气压水罐的工作压力比，气压水罐的最低工作压力与最高工作压力的比值。一般取 0.65 0.85。 d） 当地源侧循环水系统、空调侧循环水系统、生活水系统合用一套定压系统时，应采取避免空调水污染生活水系统的措施，系统的膨胀水应排至地漏或排水沟。当分别设置补水箱时，系统的膨胀水应考虑回收； e） 膨胀管上不得设置阀门。 4.5 空调末端 4
21、.5.1 变电站空调末端的系统形式应根据建筑物特点及使用功能确定。 4.5.2 变电站空调末端可采用落地式风机盘管、落地式空气处理机组等方式，当房间设置吊顶时，也可采用卧式暗装风机盘管。 4.5.3 室内设计参数及设备台数应根据工艺要求确定。 4.5.4 空调系统冷热水参数，应通过技术经济比较后确定，宜采用以下数值： a） 空气调节冷水供水温度： 5 9，一般为 7。 b） 空气调节冷水供回水温差： 5 10，一般为 5。 c） 空气调节热水供水温度： 40 65，一般为 45。 d） 空气调节热水供回水温差： 4.2 15，一般为 5。 4.5.5 空气调节水系统宜采用两管制闭式系统。冷凝水
22、宜集中排放。 4.5.6 空气调节水系统布置和选择管径时，应减少并联环路之间的压力损失的相对差额，当超过 15%时，应设置调节装置。 4.5.7 冷冻水供、回水管道及冷凝水管道应保冷，并符合下列要求： a） 保冷层外表面不得产生冷凝水。 b） 保冷层外表面应设隔汽层。 c） 管道和支架之间应采取防止“冷桥”的措施。 4.5.8 空调管道不应穿越配电室、电梯机房等电气设备非空调房间，对于主控制室、通信机房、继电器室、蓄电池室等空调房间，空调管道应避免在电气设备上方通过。 4.5.9 蓄电池室内空调水系统管道不允许有丝扣接头和阀门。采暖通风沟道不应敷设在蓄电池室的地下。采暖通风管道不宜穿越蓄电池室
23、的楼板。 Q/GDW 11144 2013 6 4.5.10 当空调末端采用落地式空气处理机组时，应执行 GB 50229，在火灾发生时，空调系统应能自动停止运行。当采用气体灭火系统时，穿过防护区的通风或空调风道上的防火阀应能立即自动关闭。 4.5.11 设备噪声应符合室内环境要求，不应超过 60dB（ A） 。 5 工程勘察 5.1 一般规定 5.1.1 地源热泵系统方案设计前，应进行工程场地状况调查，并应对浅层地热能资源进行勘察。 5.1.2 工程勘察内容包括水文、气象、地质等方面。 5.2 地埋管换热系统勘察 5.2.1 地埋管地源热泵系统方案设计前，应对工程场区内岩土体地质条件进行勘察
24、。 5.2.2 地埋管换热系统勘察应包括下列内容： a） 岩土层的结构； b） 岩土体热物性； c） 岩土体温度； d） 地下水静水位、水温、水质及分布； e） 地下水径流方向、速度； f） 冻土层厚度。 5.3 地下水换热系统勘察 5.3.1 地下水地源热泵系统方案设计前，应根据地源热泵系统对水量、水温和水质的要求，对工程场区的水文地质条件进行勘察。 5.3.2 地下水换热系统勘察应包括下列内容： a） 拟建变电站地区地下水开采规定； b） 地下水类型； c） 含水层岩性、分布、埋深及厚度； d） 含水层的富水性和渗透性； e） 地下水径流方向、速度和水力坡度； f） 地下水水温及其分布；
25、g） 地下水水质； h） 地下水水位动态变化。 5.3.3 地下水换热系统勘察应进行水文地质试验。试验应包括下列内容： a） 抽水试验； b） 回灌试验； c） 测量出水水温； d） 取分层水样并化验分析分层水质； e） 水流方向试验； f） 渗透系数计算。 5.3.4 当地下水换热系统的勘察结果符合地源热泵系统要求时， 应采用成井技术将水文地质勘探孔完善成热源井加以利用。成井过程应由水文地质专业人员进行监理。 5.4 地表水换热系统勘察 5.4.1 地表水地源热泵系统方案设计前，应对工程场区地表水源的水文状况进行勘察。 5.4.2 地表水换热系统勘察应包括下列内容： a） 地表水水源性质、水
26、面用途、深度、面积及其分布； b） 不同深度的地表水水温、水位动态变化； Q/GDW 11144 2013 7 c） 地表水流速和流量动态变化； d） 地表水水质及其动态变化； e） 地表水利用现状； f） 地表水取水和回水的适宜地点及路线。 6 地埋管换热系统 6.1 一般规定 6.1.1 地埋管换热系统设计前，应根据工程勘察结果评估地埋管换热系统实施的可行性及经济性。 6.1.2 地埋管换热系统施工前应编制施工组织设计方案，考虑埋管区域的给排水管线、建构筑物基础、电缆沟道、接地网等地下设施的相互协调，并提出相应成品保护措施，施工时不应损坏既有地下管线及构筑物。 6.2 地埋管管材与传热介质
27、 6.2.1 地埋管及管件应符合设计要求，且应具有质量检验报告和生产厂的合格证。 U 形接头必须采用成品件，不得采用自行煨弯制品。 6.2.2 地埋管管材及管件应符合下列规定： a） 地埋管应采用化学稳定性好、耐腐蚀、导热系数大、流动阻力小的塑料管材及管件，宜采用聚乙烯管（ PE80 或 PE100）或聚丁烯管（ PB） ，不应采用聚氯乙烯（ PVC）管。管件与管材应为相同材料。 b） 地埋管应符合国家现行标准中的各项规定。管材的公称压力及使用温度应满足设计要求，且管材的公称压力不应小于 1.0MPa。地埋管外径及壁厚可按附录 A 选用。 6.2.3 在有可能冻结的地区，传热介质应添加防冻剂。
28、 6.3 地埋管换热系统设计 6.3.1 地埋管换热系统设计应进行全年动态负荷计算，最小计算周期宜为 1 年。计算周期内，地源热泵系统总释热量宜与总吸热量相平衡。 6.3.2 地埋管换热器换热量应满足地源热泵系统最大吸热量或释热量的要求。吸释热相差较大地区，在技术经济合理时，可采取辅助措施进行调峰。 6.3.3 地埋管换热器最大吸释热量按下式计算： ()11/COP=+最大吸热量 空调分区冷负荷 输送过程失热量 水泵释放热量 （ 2） 式中， COP空调的性能系数。 ()11/EER=+最大释热量 空调分区冷负荷 输送过程得热量 水泵释放热量 （ 3） 式中， EER空调的能效比。 6.3.4
29、 地埋管换热器计算宜根据现场实测岩土体及回填料热物性参数，采用专用软件进行。竖直地埋管换热器的设计也可按国标 GB 50366 的方法进行计算。 6.3.5 夏季运行期间，地埋管换热器出口最高温度宜低于 33；冬季运行期间，不添加防冻剂的地埋管换热器进口温度宜高于 4。 6.3.6 地埋管换热器设计计算时，环路集管不应包括在地埋管换热器长度内。 6.3.7 为确保系统及时排气和加强换热，地埋管换热器管内流体应保持紊流流态，水平环路集管坡度宜为 0.002，管内介质流速应满足下列要求： a） 水平集管的流速可采用下值：当 63 mm De 125mm 时，流速可取 1.0 1.5m/s；当 12
30、5 mm De 215mm 时，流速可取 1.5 2.0m/s； Q/GDW 11144 2013 8 b） 单 U 形管流速不宜小于 0.6m/s；双 U 形管流速不宜小于 0.4m/s。 6.3.8 地埋管换热系统设计时应根据传热介质的水力特性进行水力计算。 a） 根据最大吸（释）热量，计算系统循环液最大流量 G，并确定流体特性： 3.6zpQGCt=（ 4） 式中， zQ 地埋管换热器最大吸（释）热量（ W） ； G 管内流体的流量（ m3 /h） ； pC 循环液的比热容（ kJ/kg） ； t 循环液进、出水温差（） ； 循环液密度（ kg/m3） 。 b） 确定管道公称直径及内径；
31、 c） 计算地理管的断面面积 A： 24jA d= （ 5） 式中， A地埋管的断面面积（ m2） ； dj 地埋管的内径（ mm） 。 d） 计算管内流体的流速 v： 3600GvA=（ 6） 式中， v管内流体的流速（ m/s） 。 e） 计算管内流体的雷诺数 Re， Re 应该大于 2300 以确保紊流： jevdR= （ 7） 式中， Re 管内流体的雷诺数。 管内流体的密度（ kg/m3） 。 管内流体的动力黏度（ N s/m2） 。 f） 计算管段的沿程阻力 Py： 1.250.75 0.25 1.750.158djP dv= （ 8） ydP PL= （ 9） 式中， Py 计算
32、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） 。 g） 计算管段的局部阻力 Pj： j djP PL= （ 10） 式中， Pj计算管段的局部阻力（ Pa） ； Q/GDW 11144 2013 9 Lj计算管段管件的当量长度（ m） 。 h） 计算管段的总阻力 Pj： z yjP PP=+ （ 11） 式中， Pz计算管段的总阻力（ Pa） 。 6.3.9 地埋管换热系统设计时应满足地埋管换热器的承压能力， 竖直地埋管系统压力最大处一般位于地下水位处或 U 形管处，该处管材（件）承压能力应满足下式： 0.5abP Pgh P=+
33、 + （ 12） 式中， P 管路最大压力（ Pa） ； Pa 循环水泵入口压力（ Pa） ； 管内流体的密度（ kg/ m3） ； g 当地重力加速度（ 9.81m/s2） ； h 地下埋管最低点与闭式系统最高点的高度差（ m） ； Pb 水泵扬程（ Pa） 。 6.3.10 地埋管换热器宜采用竖直埋设方式，分为单 U 形、双 U 形、螺旋盘管型及套管型。单 U 管钻孔孔径不宜小于 110mm，双 U 管钻孔孔径不宜小于 150mm，钻孔间距应满足换热需要，间距宜为 46m。水平连接管的深度应在冻土层以下 0.6m，且距地面不宜小于 1.5m。竖直地埋管换热器钻孔深度宜大于 20m。 6.3.11 地埋管环路两端应分别与供、回水环路集管相连接，且宜同程布置。每对供、回水环路集管连接的地埋管环路数宜相等。供、回水环路集管的间距不应小于 0.6m。 6.3.12 地埋管换热器安装
