CN205066232U - 一种应用于天然气场站的土壤源热泵系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种应用于天然气场站的土壤源热泵系统，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，还可包括热回收器、生活热水箱、膨胀水箱、补水装置。土壤源热泵系统采用复合式土壤源热泵机组，至少包括两台土壤源热泵机组，分开使用以满足不同季节的冷热负荷需求。该系统利用土壤源热泵系统解决天然气场站内各种冷热负荷需求，节能效果明显，能源利用率高，工程投资低，运行成本低且安全可靠。

Description

一种应用于天然气场站的土壤源热泵系统

技术领域

本实用新型涉及一种土壤源热泵系统，具体涉及一种应用于天然气场站的土壤源热泵系统。

背景技术

目前，在天然气场站中，传统天然气加热、建筑的采暖与空调制冷以及生活热水供应的能源系统都是相互独立的，并且能源效率较低，具体如下：

在天然气场站中，通常设有天然气的调压功能，即通过调压器将高压天然气降压至中压或低压后供给下游用户。根据焦耳-汤姆逊效应，伴随着天然气的降压，天然气的温度也随之降低，有时降压后的天然气温度将达到0°以下。对于来气温度为0～5℃的天然气，由4MPa降至0.4MPa，天然气温度降低约20℃，如果不对调压前的天然气加热，调压后天然气温度过低，有可能在管道内生成天然气水合物(一种固态白色粉末)，造成管道阻塞，影响到管道的正常输气。另外，天然气管道温度过低，也会造成钢质管道的安全运行。如用作天然气管道的20#钢管，不能在低于-20℃的环境下运行。

为此，通常要在天然气调压前，对天然气进行升温加热，确保调压后的天然气温度不低于0℃。常用的天然气加热方法有两种：(1)利用电加热器对天然气进行加热；(2)利用燃气锅炉加热热水，然后利用管壳式换热器对天然气加热。利用电加热方法系统简单，但运行成本较高。同时，电加热时热功率较大，需要安装较大功率的变压器以及支付一笔不小的电力增容费。虽然相对电加热方法，利用燃气锅炉来加热天然气，运行成本有所降低。但锅炉系统的缺点也十分明显：锅炉热效率较低，同时需要配置燃气供应系统，还要设专用的燃气锅炉房，为防止燃气泄漏带来的安全问题，燃气锅炉房的电气设备都选用防爆产品。另外，锅炉属于压力容器，每年还要对锅炉进行年检，无论运行管理还是系统设计都十分复杂。对于城镇燃气场站，天然气加热大多发生在冬季，在其它季节，基本不需要加热。这样无论电加热还是利用燃气锅炉加热。只能在一年部分季节运行，其它时间停运，设备利用效率不高。

对于夏热冬冷地区的天然气场站，站内建筑通常配置分体式空调进行夏季制冷和冬季采暖。在北方地区(如北京地区)，冬季即使空调全负荷运行，由于室外气温较低，利用分体空调采暖的效果并不好。生活热水还需要配置电锅炉或燃气锅炉解决。也有燃气企业直接利用燃气锅炉解决场站内的采暖和生活热水需求。上述已提到，除燃气锅炉房的防爆以及系统复杂性外，锅炉的排烟也带来了环境污染问题。

天然气场站的传统供能系统效率低下、系统复杂，已是不争的事实，迫切需要采用新的供能技术解决这些问题。

实用新型内容

鉴于现有技术的上述缺陷，本实用新型所要解决的技术问题是：提供一种满足天然气场站在不同季节的各种冷热负荷需求的热泵系统。

为了实现上述目的，本实用新型提供了一种应用于天然气场站的土壤源热泵系统，技术方案如下：

一种应用于天然气场站的土壤源热泵系统，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有用户侧分水器，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。

优选地，土壤源热泵机组为复合式，至少包括两台土壤源热泵机组。

优选地，土壤源热泵机组包括热回收器。土壤源热泵系统还包括生活热水箱，生活热水箱与热回收器连接。土壤源热泵系统还包括膨胀水箱，膨胀水箱安装在用户侧集水器和用户侧循环水泵之间。土壤源热泵系统还包括补水装置，补水装置安装在用户侧集水器和用户侧循环水泵之间。

优选地，地埋管是水平地埋管、垂直地埋管或螺旋形地埋管之中的一种或多种的组合。更优选地，地埋管选用垂直地埋管。

本实用新型的有益效果是：

1、节能效果明显，能源利用率高。土壤源热泵通过电驱动，吸收或者释放地下热量。在无论制冷还是供热时，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)，而本专利中的热泵系统运行时，只需要25kW。很明显，土壤源热泵的节能率达到77％，节能效果明显。

2、环保效果好。土壤源热泵只使用部分电力用力就解决场站内的冷热负荷，无排放的废气和废水，对周围大气影响小，环保效果好。而锅炉系统燃烧后有烟气排放，污染大气。

3、设备利用效率高。相对传统的天然气场站供能形式，燃气锅炉或者电加热器只在冬季运行，夏季停止运行。土壤源热泵无论冬季还是夏季都能运行，设备利用率大幅提高。

4、制冷和供热效果好，土壤源热泵系统无论制冷还是供暖，系统稳定，通过风机盘管，制冷和制热效果好。而传统的分体空调，在冬季供暖效率衰减严重。

5、工程投资低。传统的电加热，配置大功率的变压器以及支付高昂的电力增容费，直接导致工程投资超高。对于锅炉加热系统，锅炉和分体空调造价较高，同时寿命有限。本专利中，1kW的土壤源热泵机组的不足投资仅2000元，而1kW制热能力的燃气锅炉投资约1500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1000元，传统采暖与空调制冷投资约2500元/kW。显然土壤源热泵工程投资价格更加有优势。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。

6、安全可靠，相对传统系统中的燃气锅炉加热系统，本专利技术中的设备所需能源为电力，无需燃气和选用防爆设备，不存在燃气泄漏带来的爆炸等问题，本系统运行安全可靠。

7、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，不仅设备利用效率提到，而且还提高了天然气场站冬季天然气加热、夏季供冷的可靠性。

附图说明

图1是本实用新型一个较佳实施例的土壤源热泵系统的结构示意图。

具体实施方式

下面实施例是对本实用新型作进一步地详细说明，实施例是在以本实用新型技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本实用新型的保护范围不限于下述实施例。

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、热泵机房辅助设备组成的冷热源系统。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。土壤源热泵夏季向地下土壤放热、冬季从地下土壤吸收热量。对于一些夏季制冷比冬季采暖时间较长的地区，夏季向地下放热可能大于冬季从地下取热，会造成地下土壤的热不平衡。在夏季通过热泵机组内配置的热回收期对冷凝热加以回收，可以避免土壤的热堆积，改善土壤的热平衡性。目前，土壤源热泵技术作为一种先进的、高效的节能技术广泛应用在各类民用建筑、公共建筑中，而在燃气行业的天然气场站中尚未使用。

天然气场站内冷热负荷需求有多种形式：包括天然气的加热、建筑供暖和供冷以及生活热水供应，通过归类分析可以发现，只有冷负荷与热负荷两种需求。针对天然气场站中传统供能技术解决场站多种冷热负荷需求，运行成本高、效率低、设备利用率低，同时还需要解决防爆等问题，本实施例提出了一种新的能源高效利用技术，即在利用先进的土壤源热泵技术同时解决天然气场站内的天然气加热、建筑冬季供暖和夏季供冷以及生活热水供应需求。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，然后进入冷凝器，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。

该系统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有用户侧分水器，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、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。

本实施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，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。夏季主要是冷负荷，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两倍，此时两组土壤源热泵可同时工作，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。

在本专利技术的热泵系统中，在热泵的蒸发器内，热泵的冷媒吸收来自建筑风机盘管的12℃冷冻水热量，冷冻水放热后温度降低至7℃，返回到风机盘管与室内空气换热，吸收室内热量，从而实现空调制冷功能。此时吸收热量后的冷媒在热泵的冷凝器内，与来自地埋管的冷水换热，冷媒释放热量后温度降低，经膨胀阀节流后重新至蒸发器吸收热量。而地埋管中冷水吸收冷凝器的热量后，在地下与恒温的大地土壤换热，释放热量。另外，利用土壤源热泵机组自带的热回收器，可以回收冷媒的冷凝热，这部分可回收的热量约占冷凝热的20％，该部分热量可以制取40℃热水，用于生活热水供应。从而实现了通过热泵利用恒温土壤源实现同时解决空调制冷以及生活热水供应的问题。

在冬季，天然气场站内主要为用热需求，包括建筑采暖热负荷、天然气加热升温的热负荷、生活热水的热负荷，本系统主要解决场站内的各类用热负荷。在冬季供热时，通过热泵机组内的阀门切换，热泵机组内的蒸发器吸收地埋管中冷却水的热量，然后在热泵的冷凝器中释放热量，实现热泵机组向外供热的功能。释放热量后的冷媒经膨胀阀节流后，变成低温低压液体，然后在热泵内的蒸发器中，与来自地埋管中的冷水换热，吸收冷却水的热量后，冷媒温度升高，经压缩机压缩成高温高压气体，至冷凝器中循环放热。冷媒与来自建筑风机盘管(或天然气换热器)的温水在冷凝器内换热，冷媒释放出的热量被温水吸收后，温度升高至50～55℃，向建筑和天然气换热器供热，以及解决生活热水的供应。同时，地埋管中冷水在蒸发器中释放热量后，返回地下与恒温土壤换热，吸热后，至热泵机组的蒸发器循环放热。

冬季正常情况下，一组热泵机组用于天然气加热，另一热泵机组向建筑供暖和生活热水供应。当用于天然气加热的热泵机组出现故障，无法正常运行时，用于建筑采暖和生活热水供应的热泵机组停止向建筑供暖和生活热水供应，自动切换用于天然气加热。这样不仅极大提高了天然气加热系统的可靠性，而且避免了单独为天然气加热机组设置备用机组带来的投资。

另外采用土壤源热泵系统最关键的措施就是保证地下土壤温度稳定，在夏热冬冷地区，夏季冷负荷一般是冬季热负荷的两倍，且夏季运行时间较长。因此，长期运行会引起土壤热堆积，采用带热回收功能的土壤源热泵系统，可以在夏季制冷的同时，回收部分热量，减少夏季向地下排热量，保证全年冷热平衡。同时对于回收的冷凝热可用于制取生活热水加以利用，获得很好的经济效果。

土壤源热泵机组在冬夏季不同季节运行时，实现夏季向用户侧供冷，冬季向用户侧供热的功能。主要是通过土壤源热泵机组系统内管道上的阀门切换实现的(如附图1中阀门的切换表所示)，具体如下：

在夏季，在土壤源热泵机组系统的用户侧，阀门V1、V5阀门打开，阀门V2、V6关闭，此时热泵机组内的蒸发器向用户侧供冷水，通过用户侧分水器向建筑内的风机盘管供冷冻水，给建筑供冷。冷冻水放热后通过用户侧的循环水泵增压后返回到热泵机组的蒸发器。在土壤源热泵机组系统的地埋管侧，V4、V8阀门打开，阀门V3、V7关闭，此时热泵机组内的冷凝器向外放热，通过地埋管分水器向土壤释放热量，降低后的循环水然后返回至热泵机组的冷凝器。

在冬季，通过土壤源热泵机组内运行模式的转换，冷凝器与蒸发器功能互换。通过系统的阀门切换，此时蒸发器用于地埋管侧，用于吸收土壤热量。而冷凝器用于用户侧，用来向外放热使用。此时用户侧阀门V2、V6阀门打开，阀门V1、V5关闭，此时热泵机组内的冷凝器向用户侧供热水，通过用户侧分水器向建筑内的风机盘管供热水，给建筑供热。空调水放热后通过用户侧的循环水泵增压后返回到热泵机组的冷凝器。在土壤源热泵机组系统的地埋管侧，V3、V7阀门打开，阀门V4、V8关闭，此时热泵机组内的蒸发器向外放热，通过地埋管分水器从土壤吸收热量，升温后的循环水返回至热泵机组的蒸发器。

阀门切换表

本专利中提到的基于土壤源热泵的天然气场站能源高效利用技术在天然气场站中有广泛的使用前景。经与一些燃气公司交流，这些企业现有的天然气场站能源供应系统运行都不很理想，其中运行成本高、投资大是其主要问题。对于本专利中提到的能源高效利用技术，这些燃气公司都表示出极大的兴趣，并提供在他们新建的天然气场站中加以示范利用。

以上详细描述了本实用新型的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本实用新型的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本实用新型的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (8)

1.一种应用于天然气场站的土壤源热泵系统，其特征在于，所述土壤源热泵系统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；在所述地埋管的出水端和所述土壤源热泵机组地埋管侧的入水端之间安装有所述地埋管侧循环水泵及所述地埋管集水器，在所述土壤源热泵机组地埋管侧的出水端和所述地埋管的入水端之间安装有所述地埋管分水器，在所述土壤源热泵机组用户侧的出水端与所述天然气换热器或所述风机盘管的入水端之间安装有所述用户侧分水器，在土壤源热泵机组用户侧的入水端与所述天然气换热器或所述风机盘管的出水端之间安装所述用户侧循环水泵及所述用户侧集水器。

2.根据权利要求1所述的一种应用于天然气场站的土壤源热泵系统，其特征在于，所述土壤源热泵机组为复合式，至少包括两台土壤源热泵机组。

3.根据权利要求1所述的一种应用于天然气场站的土壤源热泵系统，其特征在于，所述土壤源热泵机组包括热回收器。

4.根据权利要求3所述的一种应用于天然气场站的土壤源热泵系统，其特征在于，所述土壤源热泵系统还包括生活热水箱，所述生活热水箱与所述热回收器连接。

5.根据权利要求1所述的一种应用于天然气场站的土壤源热泵系统，其特征在于，所述土壤源热泵系统还包括膨胀水箱，所述膨胀水箱安装在所述用户侧集水器和所述用户侧循环水泵之间。

6.根据权利要求1所述的一种应用于天然气场站的土壤源热泵系统，其特征在于，所述土壤源热泵系统还包括补水装置，所述补水装置安装在所述用户侧集水器和所述用户侧循环水泵之间。

7.根据权利要求1所述的一种应用于天然气场站的土壤源热泵系统，其特征在于，所述地埋管是水平地埋管、垂直地埋管或螺旋形地埋管之中的一种或多种的组合。

8.根据权利要求7所述的一种应用于天然气场站的土壤源热泵系统，其特征在于，所述地埋管选用垂直地埋管。