土壤源熱泵系統(tǒng)在天然氣站場(chǎng)中的應(yīng)用

魯國(guó)文

上海燃?xì)夤こ淘O(shè)計(jì)研究有限公司

在天然氣場(chǎng)站中，有多種形式的冷熱負(fù)荷需求，包括建筑空調(diào)的冷負(fù)荷、采暖熱負(fù)荷和工藝換熱的熱負(fù)荷。傳統(tǒng)的冷熱負(fù)荷解決方案利用電空調(diào)制冷、利用燃?xì)忮仩t解決采暖和工藝用熱負(fù)荷。此方案不僅能源利用率不高、系統(tǒng)復(fù)雜，而且投資較大。如何通過(guò)高效能源利用技術(shù)，解決場(chǎng)站中各種冷熱負(fù)荷需求，已成為天然氣場(chǎng)站節(jié)能方面的一個(gè)重要課題。本文提出了一項(xiàng)基于土壤源熱泵的天然氣場(chǎng)站能源綜合利用技術(shù)。

1 土壤源熱泵的原理

土壤源熱泵技術(shù)是近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的一種新型供能技術(shù)。土壤源熱泵是指以地下土壤為低溫?zé)嵩矗伤礋岜脵C(jī)組、地?zé)崮芙粨Q系統(tǒng)（地埋管）和熱泵機(jī)房輔助設(shè)備（分水器、集水器、水泵等）組成的冷熱源系統(tǒng)。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(guò)輸入少量的高位能源，將低溫位能向高溫位能轉(zhuǎn)移，以實(shí)現(xiàn)既可供熱又可供冷的高效節(jié)能空調(diào)系統(tǒng)[1]。其工作流程如圖1所示

圖1 土壤源熱泵系統(tǒng)流程圖

2 土壤源熱泵在場(chǎng)站使用的可行性

2.1 場(chǎng)地條件

土壤源熱泵系統(tǒng)主要設(shè)備設(shè)置在建筑內(nèi)，僅地埋管設(shè)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(duì)工藝設(shè)備無(wú)影響。

天然氣場(chǎng)站是易燃易爆的場(chǎng)所之一，為了確保場(chǎng)站的安全運(yùn)行，站內(nèi)設(shè)備與建構(gòu)筑物有嚴(yán)格的安全間距要求。安全間距內(nèi)地面主要以植草綠化為主，這些區(qū)域可以用于鉆地埋管井。除此之外,在場(chǎng)站管理區(qū)站房前的停車(chē)場(chǎng)下方，可以布置地埋管。因此，在站場(chǎng)內(nèi)設(shè)置土壤源熱泵系統(tǒng)，場(chǎng)地條件將不會(huì)受到影響。

2.2 投資比較

工程投資低。傳統(tǒng)的電加熱，配置大功率的變壓器需支付高昂的電力增容費(fèi)，由此將導(dǎo)致工程投資較高。鍋爐加熱系統(tǒng)中的鍋爐和分體空調(diào)造價(jià)較高，同時(shí)這些設(shè)備的使用期有限。本專(zhuān)利中，1kW的土壤源熱泵機(jī)組的投資僅2 000元左右，而1kW制熱能力的燃?xì)忮仩t投資約1 500元，對(duì)于夏季制冷，還需要增加電空調(diào)的投資，平均1kW的電空調(diào)的投資約1 000元。傳統(tǒng)采暖與空調(diào)制冷投資約2 500元/kW。顯然土壤源熱泵工程投資價(jià)格更有優(yōu)勢(shì)。另外，土壤源熱泵系統(tǒng)地下部分壽命50年，地上部分約30年，即使熱泵機(jī)組也能達(dá)15年，傳統(tǒng)的場(chǎng)站中無(wú)論鍋爐還是電加熱器很難達(dá)到該要求。

2.3 節(jié)能比較

節(jié)能效果明顯，能源利用率高。土壤源熱泵通過(guò)電力驅(qū)動(dòng)，吸收或者釋放地下熱量。在制冷或供熱時(shí)，其熱效率將達(dá)到4.0以上，即利用1kW的電將制冷或供熱4.0kW。以供應(yīng)100kW的熱計(jì)算，如用電加熱器，需要電功率100kW，如用燃?xì)忮仩t供熱，需要熱負(fù)荷約110kW（熱效率按90%計(jì)），而采用本專(zhuān)利中的熱泵系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，只需要25kW。顯而易見(jiàn)，土壤源熱泵的節(jié)能率達(dá)到約77%，節(jié)能效果明顯。

2.4 舒適性

采用土壤源熱泵系統(tǒng)以后，建筑物內(nèi)配置了中央空調(diào)系統(tǒng)，相對(duì)傳統(tǒng)的電空調(diào)，中央空調(diào)系統(tǒng)的制冷或采暖，會(huì)使辦公環(huán)境更加舒適。

2.5 系統(tǒng)可靠性

將土壤源系統(tǒng)內(nèi)熱泵機(jī)組分組設(shè)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(shè)備的利用效率，而且還提高了天然氣場(chǎng)站冬季天然氣加熱和夏季供冷的可靠性。

2.6 系統(tǒng)的安全性

相對(duì)傳統(tǒng)的燃?xì)忮仩t加熱系統(tǒng)，本系統(tǒng)運(yùn)行安全可靠。本系統(tǒng)中的設(shè)備所需能源為電力，不需因采用燃?xì)舛仨氝x用防爆設(shè)備。避免了可能產(chǎn)生燃?xì)庑孤┧鶐?lái)的安全隱患問(wèn)題，。

3 系統(tǒng)選型與配置

本技術(shù)在運(yùn)用先進(jìn)的土壤源熱泵技術(shù)的同時(shí)解決了天然氣場(chǎng)站內(nèi)的天然氣加熱、建筑冬季供暖、夏季供冷和生活熱水的供應(yīng)需求，具體工作模式如下：在冬季供暖時(shí)土壤源熱泵以土壤為吸熱源，冷媒在蒸發(fā)器中蒸發(fā)吸取地下土壤的熱量，經(jīng)壓縮機(jī)壓縮成高溫高壓的過(guò)熱蒸汽，然后進(jìn)入冷凝器加熱系統(tǒng)循環(huán)水，制取50℃的熱水送入空調(diào)房間達(dá)到制熱的目的。在夏季制冷時(shí)土壤源熱泵以土壤為排熱源，冷媒在蒸發(fā)器中蒸發(fā)吸取空調(diào)房間的熱量，再經(jīng)壓縮機(jī)壓縮成高溫高壓的過(guò)熱蒸汽進(jìn)入冷凝器，把熱量釋放到地下土壤中。該技術(shù)可通過(guò)能源的綜合高效利用，利用一套土壤源熱泵系統(tǒng)解決天然氣場(chǎng)站內(nèi)各種冷熱負(fù)荷需求，并降低運(yùn)行成本[2]。

該土壤源熱泵系統(tǒng)（見(jiàn)圖2）的基本配置包括：通過(guò)循環(huán)冷熱水管連接的土壤源熱泵機(jī)組、地埋管、地埋管側(cè)循環(huán)水泵、用戶側(cè)循環(huán)水泵、天然氣換熱器、風(fēng)機(jī)盤(pán)管、地埋管分水器、地埋管集水器、用戶側(cè)分水器、用戶側(cè)集水器；在地埋管的出水端和土壤源熱泵機(jī)組地埋管側(cè)的入水端之間安裝有地埋管側(cè)循環(huán)水泵及地埋管集水器，在土壤源熱泵機(jī)組地埋管側(cè)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(jī)組用戶側(cè)的出水端與天然氣換熱器或風(fēng)機(jī)盤(pán)管的入水端之間安裝用戶側(cè)分水器，在土壤源熱泵機(jī)組用戶側(cè)的入水端與天然氣換熱器或風(fēng)機(jī)盤(pán)管的出水端之間安裝用戶側(cè)循環(huán)水泵及用戶側(cè)集水器。

土壤源熱泵機(jī)組的配置有熱回收器，用于夏季的冷凝熱回收。為實(shí)現(xiàn)熱泵機(jī)組每側(cè)水的靈活分配，在機(jī)組地埋管的進(jìn)出口均設(shè)有地埋管分水器、地埋管集水器。在熱泵用戶側(cè)至風(fēng)機(jī)盤(pán)管和天然氣換熱器間，也設(shè)置用戶側(cè)分水器和用戶側(cè)集水器。該系統(tǒng)中，還設(shè)置了補(bǔ)水系統(tǒng)、膨脹水箱、生活熱水箱的設(shè)備或系統(tǒng)。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(zhuān)利中以垂直地埋管為例進(jìn)行說(shuō)明。

圖2 土壤源熱泵系統(tǒng)的流程圖

本實(shí)例的土壤源熱泵系統(tǒng)是復(fù)合式系統(tǒng)，包括至少兩臺(tái)土壤源熱泵機(jī)組，根據(jù)天然氣加熱、建筑供暖以及生活熱水的熱負(fù)荷量將復(fù)合式土壤源熱泵系統(tǒng)內(nèi)熱泵機(jī)組分為兩組分別使用。

在夏季，大氣溫度較高，場(chǎng)站內(nèi)調(diào)壓前天然氣溫度也比較高，調(diào)壓后基本上不需要升溫加熱，即使加熱，熱負(fù)荷也相對(duì)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(fù)荷為主，即建筑的空調(diào)制冷。此時(shí)只需利用土壤源熱泵解決建筑的空調(diào)用冷以及生活熱水即可。夏季對(duì)于冷負(fù)荷與熱負(fù)荷相差不大的地區(qū)，一組熱泵機(jī)組運(yùn)行，用于供冷，另一組熱泵機(jī)組可作為備用。對(duì)于夏熱冬冷地區(qū)，夏季冷負(fù)荷較高，一般是冬季熱負(fù)荷的2倍，此時(shí)兩組土壤源熱泵同時(shí)工作，完全能滿足建筑供冷的需求，同時(shí)利用熱泵機(jī)組熱回收器還可解決生活熱水供應(yīng)。

4 需要解決的條件

土壤源熱泵在天然氣場(chǎng)站中的可靠運(yùn)行應(yīng)用，還需要解決以下幾方面的問(wèn)題：

（1）能源匹配

土壤源熱泵系統(tǒng)中，需要考慮冷熱負(fù)荷的匹配性。冷熱負(fù)荷不平衡，不僅影響到熱泵系統(tǒng)的配置，也會(huì)影響熱泵的使用性能。因?yàn)橥寥涝礋岜眠\(yùn)行過(guò)程中，在夏季用于向地下放熱，冬季從地下取熱。冷熱負(fù)荷相差較大時(shí)，會(huì)造成土壤中的熱堆積，不僅對(duì)土壤環(huán)境造成破壞，也與原土壤源熱泵系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)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(chǎng)站中，地下管線較多，不僅有各類(lèi)工藝管線，給水、雨污排水管、電力、通訊各類(lèi)管線排布較近且復(fù)雜。土壤源熱泵系統(tǒng)中，土壤地埋管占地面積較大。在進(jìn)行天然氣場(chǎng)站總體布局以及管線設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)充分考慮上述各類(lèi)管線的管位平衡。

5 研究結(jié)論

土壤源熱泵系統(tǒng)作為一種節(jié)能高效的空調(diào)系統(tǒng)，得到了廣泛應(yīng)用。在天然氣場(chǎng)站中，傳統(tǒng)的供能系統(tǒng)存在利用率不高和投資較大的問(wèn)題。在天然氣場(chǎng)站中使用土壤源熱泵系統(tǒng)，能提高能源的利用效率，工程投資相對(duì)低，系統(tǒng)運(yùn)行安全穩(wěn)定，值得推廣使用。