地源熱泵在變電站中應(yīng)用的若干問題

賈素華，馮舜凱，李科文，胡君慧，張軍

(1.河北省電力勘測設(shè)計研究院，石家莊市，050031;2.國網(wǎng)北京經(jīng)濟技術(shù)研究院，北京市，100052)

0 引言

地源熱泵是一種利用地下淺層地能的既可供熱又可制冷的高效節(jié)能空調(diào)系統(tǒng)［1］。該系統(tǒng)把淺層巖土體作為熱泵系統(tǒng)的冷(熱)源，冬季把高于地表環(huán)境溫度的地層中的熱能取出來供給室內(nèi)采暖，夏季把室內(nèi)的熱能取出來儲存到低于地表環(huán)境溫度的土壤中，通過少量的高位電能輸入，實現(xiàn)低位熱能向高位熱能轉(zhuǎn)移。

變電站在全國分布范圍極廣，為滿足地源熱泵在變電站中的科學(xué)推廣需要，使地源熱泵技術(shù)真正實現(xiàn)節(jié)能環(huán)保的優(yōu)越性［2］，應(yīng)從地源熱泵的適用條件等方面對變電站中地源熱泵應(yīng)用進行分析，避免盲目設(shè)計和應(yīng)用。變電站地源熱泵應(yīng)用主要與技術(shù)經(jīng)濟條件［3-4］、氣候條件［5-6］、建筑物負(fù)荷條件、地質(zhì)條件［7-8］共4個條件密切相關(guān)，本文著重對變電站中應(yīng)用地源熱泵的技術(shù)經(jīng)濟條件和建筑物負(fù)荷條件進行分析探討，并對變電站中地源熱泵機組的容量配置給出建議。

1 技術(shù)經(jīng)濟條件

1.1 變電站地源熱泵系統(tǒng)初投資

地源熱泵系統(tǒng)造價主要由熱泵機房系統(tǒng)、施工安裝、地埋管管材、空調(diào)末端共4部分費用組成，分別約占總造價的35%、35%、17%和13%。其中施工安裝主要是指地埋管鉆孔及敷管，此部分費用隨著地質(zhì)條件不同而有很大差異。不同巖土類別的鉆孔費用如表1所示。

本文所指的地源熱泵系統(tǒng)初投資特指單位面積造價，與空調(diào)的負(fù)荷指標(biāo)直接相關(guān)，負(fù)荷指標(biāo)越高，則初投資越高。空調(diào)的負(fù)荷指標(biāo)確定方法如下:在變電站中空調(diào)負(fù)荷指標(biāo)比普通民用建筑大得多，一般為后者的2倍左右，故其初投資也較民用建筑大得多。為簡化分析計算，統(tǒng)一取200 W/m2為空調(diào)冷熱負(fù)荷指標(biāo)，這一指標(biāo)對大多數(shù)變電站是適用的。

對已投運的3座變電站地源熱泵統(tǒng)計表明，變電站地源熱泵空調(diào)造價為4～5元/W，按空調(diào)冷熱負(fù)荷指標(biāo)為 200W/m2計算，則初投資為 800～1 000元/m2，以平均值900元/m2(相應(yīng)鉆孔費用為50元/m)為計算基準(zhǔn)，確定不同巖土類別時的初投資，如表1所示。

表1 不同巖土類別的鉆孔費用和初投資Tab.1 Borehole cost and initial investment of various geotechnical soils

利用地源熱泵的初衷是節(jié)能環(huán)保，但是對于巖石地區(qū)，施工難度大，鉆孔費用高，所以不建議使用地源熱泵。對于普通的巖土地區(qū)，在空調(diào)冷熱負(fù)荷指標(biāo)為200 W/m2的范圍內(nèi)，地源熱泵的初投資上限確定為1 100元/m2是合適的。

換流站的空調(diào)冷熱負(fù)荷指標(biāo)為250 W/m2左右，比常規(guī)變電站高出25%，故換流站的地源熱泵初投資為1 100元/m2×(1+25%)=1 375元/m2，所以對于冷熱平衡的換流站，確定地源熱泵初投資上限為1 400元/m2是合適的。

考慮到一些未知因素，適當(dāng)放寬條件，建議變電站地源熱泵初投資不宜高于1 100元/m2，不應(yīng)高于1 400 元/m2。

當(dāng)然，對于特殊地區(qū)、特殊用途的變電站，冷熱負(fù)荷指標(biāo)可能會突破250 W/m2，此時應(yīng)根據(jù)實際情況具體分析，可結(jié)合地質(zhì)條件專門論證地源熱泵的可行性。

1.2 變電站地源熱泵投資回收期

變電站中最常用的空調(diào)為分體空調(diào)，故將地源熱泵年運行維護費用與普通分體空調(diào)年運行維護費用的差值作為利潤，將地源熱泵初投資上限1 400元/m2、上限收益率8.5%及物價增長指數(shù)5%作為3個主要控制參數(shù)，分別計算地源熱泵、分體空調(diào)的現(xiàn)金流量，確定地源熱泵的投資回收期。投資回收期計算參數(shù):變電站空調(diào)面積1 000 m2，考慮2種空調(diào)運行、維修費用后每年的費用差值為12.4萬元，地源熱泵初投資1 400元/m2，分體空調(diào)初投資為300元/m2。

分體空調(diào)的壽命與其運行環(huán)境密切相關(guān)，在民用建筑中可達(dá)10年左右，但在變電站中往往要長時間連續(xù)運轉(zhuǎn)，且維護不及時，壽命大大縮短，本文分別取5年和7年進行對比分析，凈現(xiàn)值計算結(jié)果如表2～3所示。

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由表2可知，當(dāng)分體空調(diào)5年更換1次時，地源熱泵比分體空調(diào)投資高85.4萬元，但前者運行費用較低，到第8年兩者總費用基本持平，即投資回收期為8年。

由表3可知，當(dāng)分體空調(diào)7年更換1次時，地源熱泵比分體空調(diào)投資高86.9萬元，但前者運行費用較低，到第8年兩者總費用相差僅1.1萬元，而地源熱泵每年節(jié)約費用為9.5萬元，故在第9年分體空調(diào)總費用超過地源熱泵，投資回收期為9年。

在粘土、粉土、砂土地區(qū)，按初投資1 100元/m2計算時，投資回收期為5～6年，體現(xiàn)了地源熱泵更為優(yōu)越的技術(shù)經(jīng)濟特性;在巖石地區(qū)，不予采用地源熱泵，故不再計算分析。

由于各地電價并不相同，運行環(huán)境也不相同，所以地源熱泵每年節(jié)約費用并不相同，投資回收期亦有所區(qū)別，考慮到推廣應(yīng)用地源熱泵的寬松環(huán)境，建議投資回收期一般不宜超過8年，不應(yīng)超過10年。地源熱泵系統(tǒng)壽命一般可達(dá)20年左右，取其壽命的50%即10年作為投資回收期上限，在一定程度上仍可體現(xiàn)地源熱泵的節(jié)能特性。

1.3 變電站地源熱泵系統(tǒng)節(jié)能特性

在變電站應(yīng)用地源熱泵的價值在于該技術(shù)的能效比高達(dá)4.5以上，而普通分體空調(diào)為3.0左右，地源熱泵節(jié)能30%以上，實現(xiàn)了變電站的“節(jié)能減排”，為此需對熱泵機組及地源熱泵系統(tǒng)的能效比作出規(guī)定。

分體空調(diào)器的能效比等級［9］如表4所示。

表4 空調(diào)器能效等級指標(biāo)Tab.4 Energy efficiency grades of air conditioning

在寒冷地區(qū)，普通分體空調(diào)在冬季工作性能很差，需要增配電輔助加熱裝置。以變電站最常用的12 kW 空調(diào)器為例，能效比為 3.4，則電功率為3.5 kW，配置 1.5 kW 電加熱裝置，則總功率為5.0 kW，實際能效比僅為2.7，夏季制冷能效比平均值為3.0。即使在不加電輔熱的地區(qū)，分體空調(diào)受氣候環(huán)境影響很大，實際出力較銘牌小，所以在實際工況中，分體空調(diào)的能效比比銘牌標(biāo)識小得多。

應(yīng)從機組能效比和系統(tǒng)能效比2個方面考核地源熱泵的節(jié)能特性，系統(tǒng)能效比指考慮空調(diào)全部耗電設(shè)備后(熱泵機組、水泵、末端)的平均能效比。表5列出了已投運3座變電站地源熱泵的性能參數(shù)。

表5 已投運3座變電站地源熱泵性能參數(shù)Tab.5 Performance parameters of three ground-source heat pumps running in substation

由表5可知，機組能效比和系統(tǒng)能效比2個指標(biāo)互相關(guān)聯(lián)，機組能效比高，則系統(tǒng)能效比高。當(dāng)然機組能效比往往與價格成正比，應(yīng)綜合考慮選型。上述2個參數(shù)中系統(tǒng)能效比是衡量地源熱泵系統(tǒng)工作性能的終極指標(biāo)，所以更為重要一些，在與其他空調(diào)對比時，也宜采用該指標(biāo)進行。對比表4和表5可發(fā)現(xiàn)，若選取系統(tǒng)能效比為3.4，既可滿足多數(shù)工程需要，又可高于分體空調(diào)一級節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)，所以建議地源熱泵系統(tǒng)能效比不宜低于3.4，以保證系統(tǒng)節(jié)能特性。

在工程應(yīng)用中，熱泵機組的銘牌技術(shù)參數(shù)往往與工程所在地實際情況不一致，導(dǎo)致設(shè)備實際功率、實際設(shè)備制冷量(制熱量)與銘牌參數(shù)有差異，此時，應(yīng)對機組性能進行修正，重新核算能效比，稱此為機組修正后能效比。機組能效比是熱泵選型的重要參數(shù)，應(yīng)結(jié)合工程情況和期望達(dá)到的系統(tǒng)能效比綜合考慮，建議機組修正后能效比不應(yīng)低于4.5。因為該指標(biāo)較易滿足，且為了保證系統(tǒng)能效比不低于3.4，故建議采用較嚴(yán)格的下限“不應(yīng)低于4.5”。

2 建筑物負(fù)荷條件

當(dāng)?shù)卦礋岜孟到y(tǒng)能效比相同時，地源熱泵的節(jié)能效果與建筑面積并無直接關(guān)系。面積越大，則節(jié)能越多，但節(jié)省的比例是一樣的。另一方面，地源熱泵具有設(shè)計、施工復(fù)雜，初投資高的特點，推廣地源熱泵的目的在于節(jié)能，而非將其替代分體空調(diào)，所以在以后相當(dāng)長的時期里，分體空調(diào)與地源熱泵是相輔相成，長期共存的。

常規(guī)110 kV變電站空調(diào)面積為200～300 m2，負(fù)荷為30～50 kW，用3～4臺分體空調(diào)即可滿足要求，不推薦采用地源熱泵。常規(guī)220 kV及以上變電站，建筑物負(fù)荷多在50 kW以上，可采用地源熱泵。故建議以50 kW作為分界點，建筑物負(fù)荷小于50 kW時不推薦采用地源熱泵。

3 熱泵機組容量配置

變電站中保護室、主控制室、通信機房、蓄電池室等房間在空調(diào)/采暖期間，空調(diào)設(shè)備不應(yīng)中斷運行。當(dāng)選用壓縮式冷水機組時，宜按設(shè)計負(fù)荷的2×75%或3×50%進行選型［10］，其目的是1臺設(shè)備故障時，另1臺設(shè)備可保證主控制室、保護室、通信機房的空調(diào)要求。

對《國家電網(wǎng)公司輸變電工程典型設(shè)計(220/500 kV變電站分冊)》分析表明，方案A中工藝房間面積占空調(diào)總面積的68% ～73%;方案B中工藝房間面積占空調(diào)總面積的57%～74%;500 kV變電站中工藝房間面積占空調(diào)總面積的75%左右。則1臺設(shè)備故障時工藝房間需要75% ×75%=56%的空調(diào)容量，在暫停非工藝房間空調(diào)的情況下，1臺機組基本滿足工藝房間空調(diào)要求，所以一般情況下水源熱泵機組無需備用，建議機組配置可按2×50%方式選型。

4 結(jié)論

(1)變電站地源熱泵系統(tǒng)的初投資不宜超過1 100元/m2，不應(yīng)超過1 400元/m2。機組修正后能效比不應(yīng)低于4.5，且系統(tǒng)能效比不宜低于3.4。投資回收期不宜超過8年，不應(yīng)超過10年。

(2)變電站建筑物負(fù)荷小于50 kW時，不推薦采用地源熱泵。

(3)變電站地源熱泵機組一般無需備用，可采用2×50%配置方式。

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