土壤源热泵系统在天然气站场中的应用

鲁国文

上海燃气工程设计研究有限公司

在天然气场站中，有多种形式的冷热负荷需求，包括建筑空调的冷负荷、采暖热负荷和工艺换热的热负荷。传统的冷热负荷解决方案利用电空调制冷、利用燃气锅炉解决采暖和工艺用热负荷。此方案不仅能源利用率不高、系统复杂，而且投资较大。如何通过高效能源利用技术，解决场站中各种冷热负荷需求，已成为天然气场站节能方面的一个重要课题。本文提出了一项基于土壤源热泵的天然气场站能源综合利用技术。

1 土壤源热泵的原理

土壤源热泵技术是近年来发展起来的一种新型供能技术。土壤源热泵是指以地下土壤为低温热源，由水源热泵机组、地热能交换系统（地埋管）和热泵机房辅助设备（分水器、集水器、水泵等）组成的冷热源系统。土壤源热泵消耗1kW的能量，用户可以得到4kW以上的热量。通过输入少量的高位能源，将低温位能向高温位能转移，以实现既可供热又可供冷的高效节能空调系统[1]。其工作流程如图1所示

图1 土壤源热泵系统流程图

2 土壤源热泵在场站使用的可行性

2.1 场地条件

土壤源热泵系统主要设备设置在建筑内，仅地埋管设置在室外。土壤地埋管井一般埋深在地表以下50m处，水平供回水管道的埋深在地表以下2m处。地埋管材料以PE管为主，对工艺设备无影响。

天然气场站是易燃易爆的场所之一，为了确保场站的安全运行，站内设备与建构筑物有严格的安全间距要求。安全间距内地面主要以植草绿化为主，这些区域可以用于钻地埋管井。除此之外,在场站管理区站房前的停车场下方，可以布置地埋管。因此，在站场内设置土壤源热泵系统，场地条件将不会受到影响。

2.2 投资比较

工程投资低。传统的电加热，配置大功率的变压器需支付高昂的电力增容费，由此将导致工程投资较高。锅炉加热系统中的锅炉和分体空调造价较高，同时这些设备的使用期有限。本专利中，1kW的土壤源热泵机组的投资仅2 000元左右，而1kW制热能力的燃气锅炉投资约1 500元，对于夏季制冷，还需要增加电空调的投资，平均1kW的电空调的投资约1 000元。传统采暖与空调制冷投资约2 500元/kW。显然土壤源热泵工程投资价格更有优势。另外，土壤源热泵系统地下部分寿命50年，地上部分约30年，即使热泵机组也能达15年，传统的场站中无论锅炉还是电加热器很难达到该要求。

2.3 节能比较

节能效果明显，能源利用率高。土壤源热泵通过电力驱动，吸收或者释放地下热量。在制冷或供热时，其热效率将达到4.0以上，即利用1kW的电将制冷或供热4.0kW。以供应100kW的热计算，如用电加热器，需要电功率100kW，如用燃气锅炉供热，需要热负荷约110kW（热效率按90%计），而采用本专利中的热泵系统运行时，只需要25kW。显而易见，土壤源热泵的节能率达到约77%，节能效果明显。

2.4 舒适性

采用土壤源热泵系统以后，建筑物内配置了中央空调系统，相对传统的电空调，中央空调系统的制冷或采暖，会使办公环境更加舒适。

2.5 系统可靠性

将土壤源系统内热泵机组分组设置，冬季分别用于天然气加热、供暖，夏季均用于制冷，不仅提高了设备的利用效率，而且还提高了天然气场站冬季天然气加热和夏季供冷的可靠性。

2.6 系统的安全性

相对传统的燃气锅炉加热系统，本系统运行安全可靠。本系统中的设备所需能源为电力，不需因采用燃气而必须选用防爆设备。避免了可能产生燃气泄漏所带来的安全隐患问题，。

3 系统选型与配置

本技术在运用先进的土壤源热泵技术的同时解决了天然气场站内的天然气加热、建筑冬季供暖、夏季供冷和生活热水的供应需求，具体工作模式如下：在冬季供暖时土壤源热泵以土壤为吸热源，冷媒在蒸发器中蒸发吸取地下土壤的热量，经压缩机压缩成高温高压的过热蒸汽，然后进入冷凝器加热系统循环水，制取50℃的热水送入空调房间达到制热的目的。在夏季制冷时土壤源热泵以土壤为排热源，冷媒在蒸发器中蒸发吸取空调房间的热量，再经压缩机压缩成高温高压的过热蒸汽进入冷凝器，把热量释放到地下土壤中。该技术可通过能源的综合高效利用，利用一套土壤源热泵系统解决天然气场站内各种冷热负荷需求，并降低运行成本[2]。

该土壤源热泵系统（见图2）的基本配置包括：通过循环冷热水管连接的土壤源热泵机组、地埋管、地埋管侧循环水泵、用户侧循环水泵、天然气换热器、风机盘管、地埋管分水器、地埋管集水器、用户侧分水器、用户侧集水器；在地埋管的出水端和土壤源热泵机组地埋管侧的入水端之间安装有地埋管侧循环水泵及地埋管集水器，在土壤源热泵机组地埋管侧的出水端和地埋管的入水端之间安装地埋管分水器，在土壤源热泵机组用户侧的出水端与天然气换热器或风机盘管的入水端之间安装用户侧分水器，在土壤源热泵机组用户侧的入水端与天然气换热器或风机盘管的出水端之间安装用户侧循环水泵及用户侧集水器。

土壤源热泵机组的配置有热回收器，用于夏季的冷凝热回收。为实现热泵机组每侧水的灵活分配，在机组地埋管的进出口均设有地埋管分水器、地埋管集水器。在热泵用户侧至风机盘管和天然气换热器间，也设置用户侧分水器和用户侧集水器。该系统中，还设置了补水系统、膨胀水箱、生活热水箱的设备或系统。土壤地埋管包括水平埋管、垂直埋管和螺旋形埋管等形式，本专利中以垂直地埋管为例进行说明。

图2 土壤源热泵系统的流程图

本实例的土壤源热泵系统是复合式系统，包括至少两台土壤源热泵机组，根据天然气加热、建筑供暖以及生活热水的热负荷量将复合式土壤源热泵系统内热泵机组分为两组分别使用。

在夏季，大气温度较高，场站内调压前天然气温度也比较高，调压后基本上不需要升温加热，即使加热，热负荷也相对比较小。夏季生活热水主要用于职工淋浴等，需求量也很小。夏季以冷负荷为主，即建筑的空调制冷。此时只需利用土壤源热泵解决建筑的空调用冷以及生活热水即可。夏季对于冷负荷与热负荷相差不大的地区，一组热泵机组运行，用于供冷，另一组热泵机组可作为备用。对于夏热冬冷地区，夏季冷负荷较高，一般是冬季热负荷的2倍，此时两组土壤源热泵同时工作，完全能满足建筑供冷的需求，同时利用热泵机组热回收器还可解决生活热水供应。

4 需要解决的条件

土壤源热泵在天然气场站中的可靠运行应用，还需要解决以下几方面的问题：

（1）能源匹配

土壤源热泵系统中，需要考虑冷热负荷的匹配性。冷热负荷不平衡，不仅影响到热泵系统的配置，也会影响热泵的使用性能。因为土壤源热泵运行过程中，在夏季用于向地下放热，冬季从地下取热。冷热负荷相差较大时，会造成土壤中的热堆积，不仅对土壤环境造成破坏，也与原土壤源热泵系统设计时相偏离，影响土壤源热泵的使用性能[3]。

（2）地下管线的平衡

在天然气场站中，地下管线较多，不仅有各类工艺管线，给水、雨污排水管、电力、通讯各类管线排布较近且复杂。土壤源热泵系统中，土壤地埋管占地面积较大。在进行天然气场站总体布局以及管线设计时，应充分考虑上述各类管线的管位平衡。

5 研究结论

土壤源热泵系统作为一种节能高效的空调系统，得到了广泛应用。在天然气场站中，传统的供能系统存在利用率不高和投资较大的问题。在天然气场站中使用土壤源热泵系统，能提高能源的利用效率，工程投资相对低，系统运行安全稳定，值得推广使用。