基于輻射制冷超材料技術的變電站零能耗節能降耗研究與應用

陳小龍，賴江宇，梁永安

(1.廣東電網有限責任公司廣州供電局，廣東 廣州 512000；2.思創智匯(廣州)科技有限公司，廣東 廣州 510000)

電力設備發熱是變電站運行中的一大潛在威脅，如果不及時發現和處理，一旦發熱嚴重極有可能會導致設備連接點燒斷，引發大面積停電甚至火災等事故。通過分析發現，當電力負荷變化較大、電網運行方式突變或持續高溫天氣時，電力設備的閘刀觸頭及連接點都較容易出現發熱等狀況[1]。當前針對變電站運行設備發熱采取的多為預防措施，如：對設備溫度進行監控、提高變電技術管理人員的專業水平、加強設備運行巡查力度及注重設備安裝管理工作等措施，但都暫時無法有效地解決電力設備的發熱問題[2]。

近年來，對輻射制冷超材料的研究很多，實現了建筑物日光下的無能耗降溫[3-4]。目前輻射制冷超材料的應用主要集中在建筑物外圍，在電力設備方面的降溫應用還沒有實現。本文對通過采用輻射制冷超材料的性能分析及測試，可為變電站設備的發熱問題提供解決措施。

1 變電站運行設備發熱原因及危害

變電站運行設備大部分是布置在室外，發熱原因從源頭分可以分為內部發熱和外部發熱兩種。

(1)內部發熱原因一般分為4種[5]：自身損耗、回路故障、外部故障、絕緣介質故障。經過分析發現，這4類內部發熱原因必須從生產工藝和安裝管理上進行優化才能從根本上解決，但因現有技術限制，無法完全避免內部發熱，因此采用的措施還是以對設備溫度監控為主。

(2)外部發熱。變電站運行設備因防雷和接地需求，大部分設備都是金屬外殼。這些金屬箱體均布置在室外，每天都會受到太陽的暴曬，吸收了大量的太陽熱量。由于箱體為密閉空間，吸收的熱量不斷在內部積累，導致溫度不斷攀升，特別是到了夏季，溫度甚至高達六七十度。

變電站運行設備出現發熱情況而導致設備溫度升高到某個極限時，將會帶來很嚴重的危害和后果[6-7]。因此，本文主要從外部發熱入手，通過輻射制冷超材料從根源上解決這一問題。

2 輻射制冷超材料介紹

2.1 輻射制冷超材料的原理

輻射制冷超材料是一種具有零能耗制冷功能的技術。

輻射制冷超材料的凈輻射制冷功率Pnet的定義：

Pnet=Prad-Psol-Patm-P(cond+conv)

(1)

式中Prad——輻射制冷超材料本身對外輻射的功率；Psol——材料吸收的太陽輻射功率，即Psol=αI,α為太陽輻射吸收率，I為太陽輻射功率；Patm——材料吸收的大氣輻射功率；P(cond+conv)——材料與周圍環境的導熱和對流換熱功率。

由式(1)可知，輻射制冷超材料若能在具有較好的光譜選擇性(即Patm較小)的同時滿足對太陽光的高反射率(即Psol較小)，即可實現在太陽直射情況下達到輻射制冷和降溫的效果，實現真正的零能耗制冷。

2.2 輻射制冷超材料的選擇

本文選用的是輻射制冷涂料。輻射制冷涂料為水性涂料，特點是：①氣味小、揮發性有機化合物(Volatile Organic Compounds, 簡稱VOC)含量極低、涂裝平滑美觀、抗污能力強、耐候、色澤均勻飽滿并有多款顏色可供選擇；②滾涂、噴涂、刷涂均可，不受建筑物造型復雜的影響，建設周期短，節能效率高。高固含涂層增加體系耐磨性，配套使用高性能的封閉底和透明罩面效果更佳，適用于我國大部分地區，且不受氣候的影響。該涂料可在混凝土、水泥砂漿基面、金屬設備表面、SBS 材質表面、紡織品、石油化工儲罐管線、玻璃、木材等基材上使用。厚漿型產品和特定的施工體系，可以充分隔絕水汽、酸堿、CO2等有害物質對建筑設施的侵蝕，對表面形成良好的保護。

輻射制冷涂料涂層結構見圖1，自下而上分別是基材(本項目基材為水泥和金屬)、專用適配底漆(封閉底或界面劑/滲透底漆)、制冷中涂、制冷面漆層、罩面層。其中，封閉底可以在抗堿的同時提高制冷中涂的附著力。制冷中涂和制冷面漆對太陽光進行反射并自身輻射能量，罩面層對其他涂層進行耐候保護。針對混凝土表面應用輻射制冷涂料，施工過程快速高效、返工率低，后期維護簡單方便、易清洗，外觀保持度及耐久度好。

圖1 輻射制冷涂料涂層結構

整體涂層各項性能優異，具有高輻射率、高太陽光反射比和優良的耐老化性能，同時施工過程固化時間短、附著力好，施工性能極具競爭力。除此之外，輻射制冷涂料的特殊成分和結構使得施工后的表面耐臟耐腐蝕，維護成本低廉。輻射制冷涂料常規性能如表1所示，表1中的性能為典型值。輻射制冷涂料其他檢測性能如表2所示。

表1 輻射制冷涂料常規性能

表2 輻射制冷涂料其他檢測性能

3 輻射制冷超材料的預期效果

通過在變電站電力設備外露表面實施覆蓋一層輻射制冷材料，得到預期效果如下。

(1)有效降低變電站設備箱體內部工作溫度，減小日溫度變化；

(2)無額外功耗降溫；

(3)提高箱體設備的運行可靠性和安全性；

(4)提高變電站設備箱體設備過載的時間，緩減電網負荷壓力。

4 輻射制冷涂料的施工

選取廣東省廣州市500 kV木棉變電站的箱體(主變公用控制柜)及建筑物(大辦公室天面)作為代表進行施工。

4.1 主變公用控制柜

(1)施工應用產品：輻射制冷金屬涂料。

(2)施工對象情況：尺寸為長1.4 m，寬0.7 m，高1.7 m。注意事項：柜體原漆有粉化現象，內部左下角有加熱吹風防水霧系統。

(3)施工方案：在其中一個主變公用控制柜的五個外表面(除底面)均應用輻射制冷涂料實現制冷降溫效果。為進行對比，選擇了同樣受太陽輻照強烈的主變公用控制柜作為對比柜。

(4)測試方案：測試時間為施工后3～4天；測溫布點，在兩個試驗柜的頂部外表面中間布置一個溫度測試點，如圖2所示。在柜內部布置兩個溫度測試點(柜頂內部及離頂部距離20 cm)，如圖3所示。

圖2 箱體溫度測點布置圖

圖3 箱體溫度測點布置圖

4.2 大辦公室

(1)施工應用產品：輻射制冷屋頂涂料。

(2)施工對象情況：尺寸約為50m2(大辦公室天面面積)。注意事項為天面需要預先進行基面處理。

(3)施工方案：選擇主控樓二樓的大辦公室作為試驗組，在對應的樓頂天面應用輻射制冷涂料實現制冷降溫效果，并選擇同層的會議室作為對照組。

(4)測試方案：測試時間為施工后3～4天；測溫布點，在兩個房間分別布置1個溫度測點，在頂部測點垂直位置的內表面分別布置1個溫度測點，內表面溫度測點做保溫處理，如圖4所示。

圖4 建筑物溫度測點布置圖

5 輻射制冷涂料應用

5.1 主變公用控制箱

主變公用控制箱施工后外觀如圖5所示。主變公用控制箱測溫儀布置如圖6所示。

圖5 主變公用控制箱施工后外觀

圖6 主變公用控制箱測溫儀布置

5.2 大辦公室

大辦公室施工后外觀如圖7所示。大辦公室測溫儀布置如圖8所示。

圖7 大辦公室施工后外觀

圖8 大辦公室測溫儀布置

6 溫度測試數據及分析

6.1 測試時間

在主變公用控制柜和大辦公室天面應用輻射制冷涂料后進行橫向對比，連續監測6天(2020年10月13日至2020年10月18日)測溫點數據，并記錄下當天的天氣狀況。

6.2 測試數據

在相同外界環境條件下(位置相鄰，具有相同的太陽輻射、環境溫度、環境濕度、風力等)，應用涂料的主變公用控制柜與不作任何處理的空白柜進行頂部內/外表面溫度以及內部空氣溫度對比，而天面應用涂料的大辦公室與不作任何處理的會議室進行頂部內/外表面溫度對比。連續6天的每日最高降溫測試數據如表3所示。

6.3 數據分析

根據天氣選取具有代表性的10月15日至10月16日進行溫度數據分析。

6.3.1 主變公用控制箱

頂部外表面、頂部內表面與內部空氣溫度對比圖如圖9至圖11所示。

圖9 主變公用控制箱頂部外表面溫度對比圖

圖10 主變公用控制箱頂部內表面溫度對比圖

圖11 主變公用控制箱內部空氣溫度對比圖

由圖9可知，有/無涂料主變公用控制箱頂部外表面溫差顯示，試驗主變公用控制箱比空白柜體頂部外表面溫度最多降低18.6℃，白天高溫時段(09:00～15:00)平均溫差為8.4～11.1℃。

由圖10可知，有/無涂料主變公用控制箱頂部內表面溫差顯示，試驗主變公用控制箱比空白柜體頂部內表面溫度最多降低16.1℃，白天高溫時段(09:00～15:00)平均溫差為8.1～9.4℃。

由圖11可知，有/無涂料主變公用控制箱內部空氣溫度差顯示，試驗主變公用控制箱比空白柜體內部空氣溫度最多降低5.7℃，白天高溫時段(09:00～15:00)平均溫差為2.4℃。

本次測試期間應用涂料的試驗柜頂部外/內表面比未應用的空白柜最多降低18.6℃/16.1℃，內部空氣溫度最大降低5.7℃。

6.3.2 大辦公室

表3 測試期間主表公用控制柜最高降溫數據

表4 測試期間大辦公室最高降溫數據

屋頂外表面、屋頂內表面溫度對比圖如圖12至13所示。

圖12 大辦公室天面外表面溫度對比圖

圖13 大辦公室天面內表面溫度對比圖

由圖12可知，有/無涂料建筑物屋頂外表面溫度差顯示，大辦公室(試驗)比會議室(空白對照)屋頂外表面溫度最多降低14.5℃，白天高溫時段(09:00～15:00)平均溫差為6.9～9.4℃。

由圖13可知，有/無涂料建筑物屋頂內表面溫度差顯示，大辦公室(試驗)比會議室(空白對照)屋頂內表面溫度最多降低6℃，白天高溫時段(09:00～15:00)平均溫差為4℃。

本次測試期間，應用涂料的建筑物屋頂頂部外/內表面比未應用的建筑物最多降低14.5℃/6℃。

7 結語

在相同外界環境條件(放置位置相同，具有相同的太陽輻射、環境溫度、環境濕度、風力等)下，通過6天連續測試外殼涂有輻射制冷涂料的主變公用控制箱、大辦公室天面和不作任何處理的主變公用公控箱、會議室天面，得出如下結論。

(1)應用涂料的柜體及建筑物顯著降低頂部內/外表面溫度與內部空氣溫度。

(2)在多云天氣條件下，應用涂料的試驗柜比不作任何處理的空白柜頂部外表面溫度最多降低11.4～18.6℃；頂部內表面溫度最多降低9.8～16.1℃；柜內空氣溫度最多降低4.1～5.7℃。

(3)在多云天氣條件下，屋頂應用涂料的大辦公室比屋頂不作任何處理的會議室頂部外表面溫度最多降低11.7～17.7℃；頂部內表面溫度最多降低4.2～6.6℃。

通過這些結論可以得出，輻射制冷涂料對布置在室外的箱體、柜體及建筑物有著優秀的降溫效果。從而提高變電站各類設備的運行可靠性和安全性；提高變電站各類設備過載的時間，緩減電網負荷壓力以及提升室內員工的感官，以便降低空調使用的時長、頻率及設定的溫度，最后減少空調的用電能耗。