風電場升壓站供暖方案比選

許鵬遠

(東北電力設計院，長春 130021)

隨著可再生清潔能源風力發(fā)電的迅速發(fā)展，風電場升壓站內(nèi)多元化的供暖方式也越來越多地引起人們的關注。風電場升壓站均位于距城鎮(zhèn)較遠的地區(qū)，遠離城市集中熱源，需要獨立的區(qū)域供熱。近年來風力發(fā)電項目在我國能源發(fā)電中所占的比例正逐年提高，風電場升壓站內(nèi)的供暖方式也越來越受到關注。位于我國三北地區(qū)已建成的風電場升壓站中，絕大多數(shù)采用電加熱供暖，運行期間升壓站中電加熱供暖的站用電負荷偏高，導致廠用電率高和站用變壓器容量大，從而增加了投資和運行成本。

隨著節(jié)能減排目標和風電場管理運行自動化程度的不斷提高，對升壓站內(nèi)的供暖方案也提出了新的要求，在保證環(huán)保和建筑物供暖要求的前提下，降低供暖系統(tǒng)的投資和運行費用即成為系統(tǒng)優(yōu)化的主要目的。本文主要從經(jīng)濟性角度，對幾種常用的供暖方式進行分析評價，為風電場升壓站內(nèi)供暖方案的選擇提供參考依據(jù)。

1 升壓站供暖方式

風電場升壓站內(nèi)主要包括生產(chǎn)生活綜合樓、配電裝置室、水泵房及庫房等需要供暖的建筑物。

目前升壓站常用的供暖熱源設備有:燃煤(油)鍋爐、地源熱泵、電加熱等。其中燃煤(油)鍋爐是很成熟的供暖熱源形式，其運行費用較低，但由于其產(chǎn)生的煤灰或煙氣中硫化物和氮氧化物對大氣污染較大，不符合國家綠色環(huán)保工程和風力發(fā)電項目節(jié)能減排的發(fā)展宗旨，且燃煤(油)鍋爐供暖系統(tǒng)的自動化程度較低，新建工程中已很少采用，因此，不以燃煤(油)鍋爐作為風電場升壓站供暖的熱源進行方案比選。

地源熱泵是一種利用淺層地熱資源既可供熱又可制冷的高效節(jié)能空調(diào)設備。熱泵技術是利用制冷劑的相變過程從低溫物質(zhì)中吸收熱量釋放給高溫物質(zhì)，完成熱量的轉移過程，因此熱泵機組可實現(xiàn)對建筑的供熱與制冷。地能分別在冬季作為熱泵供熱的熱源和夏季作為熱泵制冷的冷源，即在冬季，當機組在制熱模式時，從淺層地能中吸收熱量，通過壓縮機和熱交換器將熱量集中，并以較高的溫度釋放到室內(nèi)。在夏季，當機組在制冷模式時，從淺層地層中提取冷量，通過壓縮機和熱交換器將冷量集中，送入室內(nèi)，同時將室內(nèi)的熱量排放到地下，達到制冷的目的［1］。地源熱泵系統(tǒng)分為地埋管地源熱泵系統(tǒng)、地下水地源熱泵系統(tǒng)和地表水地源熱泵系統(tǒng)。后兩者水源熱泵系統(tǒng)對工程所在地的水文地質(zhì)條件要求較高，受地下水資源的限制;而地埋管地源熱泵系統(tǒng)的地域應用范圍廣，基本不受地下水文條件和政策的限制，不污染地下水，升壓站的站前區(qū)和綠化草坪等地下土層均可以作為地埋管場地，地埋管地源熱泵系統(tǒng)適用于大多數(shù)風電場升壓站內(nèi)的供暖空調(diào)應用，所以采用地埋管地源熱泵系統(tǒng)進行方案比選分析。

電加熱供暖主要是指電鍋爐、電暖器和低溫輻射電熱供暖。電熱鍋爐熱水供暖系統(tǒng)和電暖器供暖都是供暖系統(tǒng)中常用的供暖方式，不做過多介紹。低溫輻射電熱供暖是近幾年新興的供暖方式，分為發(fā)熱電纜和電熱膜。發(fā)熱電纜和電熱膜長時間運行容易老化，最大弊端是維修困難，如果發(fā)熱元件損壞，維修則要破壞裝修面層，因此在使用上有局限，目前只在少數(shù)建筑中采用。

通過對國內(nèi)已投產(chǎn)項目的調(diào)研，電加熱供暖普遍具有安裝方便、操作簡單的特點，可以通過溫控設備實現(xiàn)每個房間溫度的獨立控制，便于分時段獨立運行，但運行電能耗高。地源熱泵供暖空調(diào)系統(tǒng)，運行期間用電能耗較低，但由于巖土類型和熱物性參數(shù)復雜，鉆孔和地埋管換熱器數(shù)量多，導致初投資費用偏高。隨著熱源設備和配套設施生產(chǎn)工藝的不斷改進，上述幾種供暖方式在技術應用方面都可以滿足升壓站內(nèi)供暖的使用要求。

2 不同方案的技術經(jīng)濟比較

地源熱泵系統(tǒng)可以實現(xiàn)冬季供熱與夏季制冷的雙重功能，為了準確全面地在冬冷夏熱地區(qū)進行升壓站供暖方案的比選，根據(jù)建筑物的供暖空調(diào)要求，將電加熱供暖等只能在冬季提供熱源的供暖方式與夏季單冷空調(diào)系統(tǒng)進行組合分析。

2.1 供暖空調(diào)的負荷統(tǒng)計

按常規(guī)風電場的規(guī)模和布置方案，選取吉林省某400 MW風電場的升壓站作為供暖方案比選的研究案例。該風電場位于吉林省通榆縣瞻榆鎮(zhèn)境內(nèi)，所在地的年平均氣溫5.3℃，176天日平均溫度不大于5℃。升壓站內(nèi)需要供暖的建筑物有2座，生產(chǎn)生活綜合樓為二層建筑，建筑面積為2300 m2;水泵房及庫房為單層建筑，建筑面積為380 m2，建筑總面積2680 m2。按冬季供暖和夏季空調(diào)2個階段的負荷統(tǒng)計［2］，供暖時間176天，空調(diào)利用時間1080 h，供暖熱負荷合計240 kW，空調(diào)冷負荷合計253 kW。繼電保護室和配電裝置室等電氣設備運行的房間內(nèi)，不得布置有壓力水管的散熱器和空調(diào)等設備，故不計入本方案比選的負荷統(tǒng)計。

2.2 費用年值計算

費用年值法因概念明確，計算方法通用簡便，在實際工程中得到了廣泛的應用。費用年值法就是對參與比較的各個方案的初投資和運行費用這2項性質(zhì)不同的費用，利用投資效果系數(shù)這個折算比率，將初投資折算成與運行費用類似的費用，然后與運行費用相加，算出一個費用年值，從而取費用年值最小的技術方案作為最佳方案。采用費用年值法進行設備投資方案的經(jīng)濟比較，將設備初投資等額分攤到設備使用年限中。費用年值法的計算公式為［3］:

式中:CI為按動態(tài)法計算的費用年值;C0為設備初期投資;i為標準年利率，取8%;C為設備每年的運行費用(包括電費、運行維護費等);n為設備的使用壽命年限。

由于要比較的各種方案其初投資所包括的項目很多，設備本體、輔助設備、供暖空調(diào)設備等的使用年限各不相同，折算到每年的費用也不相同。對比方案中，雖然設備使用壽命不同，但采用費用年值的計算方法，不論各方案的使用壽命為多少年，只要將各方案的現(xiàn)金流量都折算成年值，無論使用壽命相同或不同，都可以在共同的時段“年度”內(nèi)進行比較，給方案評價帶來了很大方便。對比費用年值計算結果的高低，從成本的角度進行經(jīng)濟比較，從而判斷不同方案的優(yōu)劣。該升壓站各供暖空調(diào)制冷的費用年值計算結果見表1。電鍋爐和電暖器按冬季供暖每天運行16 h計算;地源熱泵按冬季制熱每天運行16 h，夏季制冷每天運行12 h計算;分體空調(diào)按夏季制冷每天運行8 h計算。方案分析時根據(jù)熱源設備的不同，進行冬季供暖與夏季空調(diào)的年度方案組合。

表1 供暖及制冷方式的投資統(tǒng)計

2.3 差額投資回收期計算

差額投資回收期是指在不計利息的條件下，用投資額大的方案比投資額小的方案所節(jié)約的經(jīng)營成本，來回收其差額投資所需的期限。

差額投資回收期的計算公式為:

式中:N為逐年回收投資增加所需要的年限;K1為投資額小方案的初投資費用;K2為投資額大方案的初投資費用;C1為投資額小方案的運行費用(包括電費、運行維護費等);C2為投資額大方案的運行費用。

通過表1對3種組合方案進行了分析，組合方案1為電鍋爐供暖+分體空調(diào)制冷方式，組合方案2為地源熱泵供暖、制冷方式，組合方案3為電暖器供暖+分體空調(diào)制冷方式。組合方案2地源熱泵的費用年值最低，但初投資費用最高。從工程投資差額回收期的角度進行分析，3種組合方案的工程投資之間的差額，可通過節(jié)省的年運行費用來計算投資回收期，地源熱泵系統(tǒng)相對于其他2種組合方案的差額投資回收期見表2。

表2 地源熱泵系統(tǒng)的差額投資回收期

2.4 典型工程的經(jīng)濟比較結果

針對表1的數(shù)據(jù)分析可見，升壓站內(nèi)冬季供暖和夏季空調(diào)的方案進行組合，電鍋爐與分體空調(diào)的方案費用年值最高，合計為70萬元/年;電暖器與分體空調(diào)的方案次之，合計為59萬元/年;地源熱泵系統(tǒng)的供暖空調(diào)方案費用年值最低，為45萬元/年。

該升壓站的供暖方案中，地源熱泵系統(tǒng)的初始工程投資最高，相比其它方案所高出的工程投資部分，可以通過節(jié)省的年運行費用來收回，收回期限僅為2.2 ～3.6 年。

3 結論及建議

從費用年值的角度進行經(jīng)濟比較，地源熱泵系統(tǒng)為費用年值最低的方案，在目前的能源價格下有明顯的經(jīng)濟優(yōu)勢。在我國北方風電場的升壓站中，需要同時解決冬季供熱和夏季制冷，應優(yōu)先采用地埋管地源熱泵系統(tǒng)。但在無人值守或少人值班的智能化升壓站中，建筑物少且以電氣設備運行房間為主，宜采用冬季用電暖器和夏季用分體分調(diào)的方案。

節(jié)能和環(huán)保已成為當今世界工程項目所必須努力實現(xiàn)的目標。隨著風力發(fā)電、光伏發(fā)電等新能源項目的日益增多，升壓站內(nèi)建筑供暖空調(diào)的能源消耗也越來越多，地源熱泵供熱空調(diào)技術的應用和推廣，是節(jié)能環(huán)保的有效手段。

［1］陸耀慶.實用供熱空調(diào)設計手冊(第2版)［M］.北京:中國建筑工業(yè)出版社，2007.

［2］GB 50736—2012，民用建筑供暖通風與空氣調(diào)節(jié)設計規(guī)范［S］.

［3］劉長濱.建筑工程技術經(jīng)濟學［M］.北京:中國建筑工業(yè)出版社，1999.