土壤源熱泵系統在天然氣站場中的應用

魯國文

上海燃氣工程設計研究有限公司

在天然氣場站中，有多種形式的冷熱負荷需求，包括建筑空調的冷負荷、采暖熱負荷和工藝換熱的熱負荷。傳統的冷熱負荷解決方案利用電空調制冷、利用燃氣鍋爐解決采暖和工藝用熱負荷。此方案不僅能源利用率不高、系統復雜，而且投資較大。如何通過高效能源利用技術，解決場站中各種冷熱負荷需求，已成為天然氣場站節能方面的一個重要課題。本文提出了一項基于土壤源熱泵的天然氣場站能源綜合利用技術。

1 土壤源熱泵的原理

土壤源熱泵技術是近年來發展起來的一種新型供能技術。土壤源熱泵是指以地下土壤為低溫熱源，由水源熱泵機組、地熱能交換系統（地埋管）和熱泵機房輔助設備（分水器、集水器、水泵等）組成的冷熱源系統。土壤源熱泵消耗1kW的能量，用戶可以得到4kW以上的熱量。通過輸入少量的高位能源，將低溫位能向高溫位能轉移，以實現既可供熱又可供冷的高效節能空調系統[1]。其工作流程如圖1所示

圖1 土壤源熱泵系統流程圖

2 土壤源熱泵在場站使用的可行性

2.1 場地條件

土壤源熱泵系統主要設備設置在建筑內，僅地埋管設置在室外。土壤地埋管井一般埋深在地表以下50m處，水平供回水管道的埋深在地表以下2m處。地埋管材料以PE管為主，對工藝設備無影響。

天然氣場站是易燃易爆的場所之一，為了確保場站的安全運行，站內設備與建構筑物有嚴格的安全間距要求。安全間距內地面主要以植草綠化為主，這些區域可以用于鉆地埋管井。除此之外,在場站管理區站房前的停車場下方，可以布置地埋管。因此，在站場內設置土壤源熱泵系統，場地條件將不會受到影響。

2.2 投資比較

工程投資低。傳統的電加熱，配置大功率的變壓器需支付高昂的電力增容費，由此將導致工程投資較高。鍋爐加熱系統中的鍋爐和分體空調造價較高，同時這些設備的使用期有限。本專利中，1kW的土壤源熱泵機組的投資僅2 000元左右，而1kW制熱能力的燃氣鍋爐投資約1 500元，對于夏季制冷，還需要增加電空調的投資，平均1kW的電空調的投資約1 000元。傳統采暖與空調制冷投資約2 500元/kW。顯然土壤源熱泵工程投資價格更有優勢。另外，土壤源熱泵系統地下部分壽命50年，地上部分約30年，即使熱泵機組也能達15年，傳統的場站中無論鍋爐還是電加熱器很難達到該要求。

2.3 節能比較

節能效果明顯，能源利用率高。土壤源熱泵通過電力驅動，吸收或者釋放地下熱量。在制冷或供熱時，其熱效率將達到4.0以上，即利用1kW的電將制冷或供熱4.0kW。以供應100kW的熱計算，如用電加熱器，需要電功率100kW，如用燃氣鍋爐供熱，需要熱負荷約110kW（熱效率按90%計），而采用本專利中的熱泵系統運行時，只需要25kW。顯而易見，土壤源熱泵的節能率達到約77%，節能效果明顯。

2.4 舒適性

采用土壤源熱泵系統以后，建筑物內配置了中央空調系統，相對傳統的電空調，中央空調系統的制冷或采暖，會使辦公環境更加舒適。

2.5 系統可靠性

將土壤源系統內熱泵機組分組設置，冬季分別用于天然氣加熱、供暖，夏季均用于制冷，不僅提高了設備的利用效率，而且還提高了天然氣場站冬季天然氣加熱和夏季供冷的可靠性。

2.6 系統的安全性

相對傳統的燃氣鍋爐加熱系統，本系統運行安全可靠。本系統中的設備所需能源為電力，不需因采用燃氣而必須選用防爆設備。避免了可能產生燃氣泄漏所帶來的安全隱患問題，。

3 系統選型與配置

本技術在運用先進的土壤源熱泵技術的同時解決了天然氣場站內的天然氣加熱、建筑冬季供暖、夏季供冷和生活熱水的供應需求，具體工作模式如下：在冬季供暖時土壤源熱泵以土壤為吸熱源，冷媒在蒸發器中蒸發吸取地下土壤的熱量，經壓縮機壓縮成高溫高壓的過熱蒸汽，然后進入冷凝器加熱系統循環水，制取50℃的熱水送入空調房間達到制熱的目的。在夏季制冷時土壤源熱泵以土壤為排熱源，冷媒在蒸發器中蒸發吸取空調房間的熱量，再經壓縮機壓縮成高溫高壓的過熱蒸汽進入冷凝器，把熱量釋放到地下土壤中。該技術可通過能源的綜合高效利用，利用一套土壤源熱泵系統解決天然氣場站內各種冷熱負荷需求，并降低運行成本[2]。

該土壤源熱泵系統（見圖2）的基本配置包括：通過循環冷熱水管連接的土壤源熱泵機組、地埋管、地埋管側循環水泵、用戶側循環水泵、天然氣換熱器、風機盤管、地埋管分水器、地埋管集水器、用戶側分水器、用戶側集水器；在地埋管的出水端和土壤源熱泵機組地埋管側的入水端之間安裝有地埋管側循環水泵及地埋管集水器，在土壤源熱泵機組地埋管側的出水端和地埋管的入水端之間安裝地埋管分水器，在土壤源熱泵機組用戶側的出水端與天然氣換熱器或風機盤管的入水端之間安裝用戶側分水器，在土壤源熱泵機組用戶側的入水端與天然氣換熱器或風機盤管的出水端之間安裝用戶側循環水泵及用戶側集水器。

土壤源熱泵機組的配置有熱回收器，用于夏季的冷凝熱回收。為實現熱泵機組每側水的靈活分配，在機組地埋管的進出口均設有地埋管分水器、地埋管集水器。在熱泵用戶側至風機盤管和天然氣換熱器間，也設置用戶側分水器和用戶側集水器。該系統中，還設置了補水系統、膨脹水箱、生活熱水箱的設備或系統。土壤地埋管包括水平埋管、垂直埋管和螺旋形埋管等形式，本專利中以垂直地埋管為例進行說明。

圖2 土壤源熱泵系統的流程圖

本實例的土壤源熱泵系統是復合式系統，包括至少兩臺土壤源熱泵機組，根據天然氣加熱、建筑供暖以及生活熱水的熱負荷量將復合式土壤源熱泵系統內熱泵機組分為兩組分別使用。

在夏季，大氣溫度較高，場站內調壓前天然氣溫度也比較高，調壓后基本上不需要升溫加熱，即使加熱，熱負荷也相對比較小。夏季生活熱水主要用于職工淋浴等，需求量也很小。夏季以冷負荷為主，即建筑的空調制冷。此時只需利用土壤源熱泵解決建筑的空調用冷以及生活熱水即可。夏季對于冷負荷與熱負荷相差不大的地區，一組熱泵機組運行，用于供冷，另一組熱泵機組可作為備用。對于夏熱冬冷地區，夏季冷負荷較高，一般是冬季熱負荷的2倍，此時兩組土壤源熱泵同時工作，完全能滿足建筑供冷的需求，同時利用熱泵機組熱回收器還可解決生活熱水供應。

4 需要解決的條件

土壤源熱泵在天然氣場站中的可靠運行應用，還需要解決以下幾方面的問題：

（1）能源匹配

土壤源熱泵系統中，需要考慮冷熱負荷的匹配性。冷熱負荷不平衡，不僅影響到熱泵系統的配置，也會影響熱泵的使用性能。因為土壤源熱泵運行過程中，在夏季用于向地下放熱，冬季從地下取熱。冷熱負荷相差較大時，會造成土壤中的熱堆積，不僅對土壤環境造成破壞，也與原土壤源熱泵系統設計時相偏離，影響土壤源熱泵的使用性能[3]。

（2）地下管線的平衡

在天然氣場站中，地下管線較多，不僅有各類工藝管線，給水、雨污排水管、電力、通訊各類管線排布較近且復雜。土壤源熱泵系統中，土壤地埋管占地面積較大。在進行天然氣場站總體布局以及管線設計時，應充分考慮上述各類管線的管位平衡。

5 研究結論

土壤源熱泵系統作為一種節能高效的空調系統，得到了廣泛應用。在天然氣場站中，傳統的供能系統存在利用率不高和投資較大的問題。在天然氣場站中使用土壤源熱泵系統，能提高能源的利用效率，工程投資相對低，系統運行安全穩定，值得推廣使用。