地源熱泵技術(shù)在變電站冷卻降溫方案中的運(yùn)用研究

張旻

摘要： 本專題圍繞建設(shè)“資源節(jié)約型、環(huán)境友好型、工業(yè)化”輸變電工程為目標(biāo)， 220kV WD輸變電工程擬采用地源熱泵技術(shù)作為本站空調(diào)系統(tǒng)方案，對(duì)地源熱泵系統(tǒng)的地埋管系統(tǒng)及冷卻系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)及方案經(jīng)濟(jì)技術(shù)比較，通過研究分析得出，地源熱泵技術(shù)用于本工程有顯著的優(yōu)勢(shì)。

Abstract： This topic takes the construction of "resource-saving， environment-friendly， industrialized" power transmission project as the goal， applies the ground source heat pump technology as the air conditioning system program of 220kV WD power transmission project， designs the ground pipe system and cooling system of ground source heat pump system and conducts the scheme technical economy comparison. Through the research and analysis， the ground source heat pump technology has obvious advantages for this project.

關(guān)鍵詞： 地源熱泵；技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較；全壽命周期

Key words： ground source heat pump；technical economy comparison；life cycle

中圖分類號(hào)：TU831 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-4311（2017）33-0123-02

1 概述

地源熱泵是通過對(duì)土壤源的利用來實(shí)現(xiàn)供熱與制冷的一種高效節(jié)能的空調(diào)系統(tǒng)。通過熱泵機(jī)組促進(jìn)低位熱能向高位轉(zhuǎn)移，對(duì)水體和地層進(jìn)行蓄能，以此作為在冬季和夏季供熱與制冷的動(dòng)力。具體來說，在冬天可以把地層與水體的熱量取出來進(jìn)行提溫，然后將其用于室內(nèi)供暖，到了夏季以后，再把室內(nèi)的熱量取出來在水體和地層中進(jìn)行釋放。通過使用地源熱泵技術(shù)，只需投入1千瓦電能，就能夠使用三到五倍的能量，節(jié)能效果非常好。相對(duì)于傳統(tǒng)的空調(diào)系統(tǒng)來說，其運(yùn)行效率增加了約40%，同時(shí)節(jié)省了10-30%的運(yùn)行費(fèi)用。

2 地源熱泵系統(tǒng)形式

地源熱泵系統(tǒng)主要包括地下水源熱泵、地表水源熱泵以及土壤源熱泵三種形式。地源熱泵主要是土壤源熱泵，地源熱泵系統(tǒng)主要可以分為下列幾種類型：

2.1 土壤源熱泵系統(tǒng)

地下土壤溫度常年都比較穩(wěn)定，在冬季通過熱泵可以大幅提升大地中的熱量，來對(duì)建筑物進(jìn)行供熱，同時(shí)還要在大地中注入冷源，來儲(chǔ)存冷量。到了夏季以后，再通過熱泵將建筑物之中的熱量向大地進(jìn)行傳輸，來達(dá)到降溫的目的，并在大地中進(jìn)行熱量的蓄存。土壤熱交換器地源熱泵主要包含土壤藕合地?zé)峤粨Q器，不僅可以將其水平安裝在地溝之中，也可以以U形管的方式在豎井之中進(jìn)行垂直安裝，對(duì)于不同的管溝或者豎井中的熱交換器，要采用并聯(lián)的方式進(jìn)行連接，然后通過集管連接到建筑物中的水環(huán)路。

2.2 地下水源熱泵系統(tǒng)

地下水地源熱泵系統(tǒng)，通常包括兩種類型，一是開式系統(tǒng)，另外一種是閉式系統(tǒng)。前者是直接把地下水供應(yīng)到各熱泵機(jī)組，然后再進(jìn)回灌，使之進(jìn)入地下。但系統(tǒng)在運(yùn)行過程中管路比較容易阻塞，可能還會(huì)出現(xiàn)腐蝕現(xiàn)象。因此，一般情況下在系統(tǒng)運(yùn)行中不建議直接使用地下水。而閉式系統(tǒng)反而能借助板式換熱器把建筑內(nèi)循環(huán)水和地下水進(jìn)行分開，相對(duì)開式系統(tǒng)來說更實(shí)用。

2.3 地表水熱泵系統(tǒng)

可以采用間接換熱或者直接進(jìn)行抽取的方法使用水資源走位冷卻熱泵的冷卻液。該系統(tǒng)主要的組成部分是塑料管，而且主要在水下，并采用多重并聯(lián)的方式，是對(duì)原有的土壤熱交換器的取代，可以將他們與建筑物直接相連，可以用于北方地區(qū)的防凍。

3 地源熱泵系統(tǒng)設(shè)計(jì)

變電站主體建筑為半地下室的二層建筑物，220kV配電裝置室需鋪設(shè)空調(diào)系統(tǒng)的有19臺(tái)就地盤柜，110kV配電裝置室需鋪設(shè)空調(diào)系統(tǒng)的有31臺(tái)就地盤柜，35kV配電裝置室需鋪設(shè)空調(diào)系統(tǒng)的有10臺(tái)就地盤柜，二次設(shè)備室，辦公及資料室，會(huì)議及休息室，其余不考慮鋪設(shè)空調(diào)。設(shè)備柜發(fā)熱量按300W/臺(tái)考慮，并考慮余量系數(shù)1.2，則設(shè)備柜所需的總制冷量為21.6kW，二次設(shè)備室面積為110m2，冷負(fù)荷指數(shù)取150W/m2，制冷量17kW，辦公及資料室制冷量4kW，會(huì)議及休息室制冷量4kW，則變電站所需總制冷量為46.6kW。地源熱泵系統(tǒng)采用土壤源熱泵系統(tǒng)。

3.1 管材及連接

通常來說，把換熱器埋入地下以后，維修和更換都是非常困難的，基本上不可能，所以，在施工前，需要確保地下管材的質(zhì)量，要求具有較好的耐腐性與穩(wěn)定性。

①本變電站設(shè)計(jì)中地下管材采用聚乙烯（PE）；②管件公稱壓力必須要大于等于1.0MPa，而且要在-20℃～50℃的溫度范圍內(nèi)進(jìn)行工作；③關(guān)于地埋管的壁厚，要按照外徑與壁厚的比約11進(jìn)行選擇；④要求可以對(duì)地埋管按照設(shè)計(jì)要求的長(zhǎng)度來選擇，在這中間不能存在機(jī)械接口和金屬性的街頭；⑤使用熱熔對(duì)管材進(jìn)行連接。

3.2 流體介質(zhì)及回填料

①流體介質(zhì)。就南方地區(qū)來說，地溫相對(duì)較高，尤其在冬季，埋管進(jìn)水的溫度通常在零度以上，所以工作流體可以多選擇水； ②回填材料。從實(shí)際測(cè)試比較，澆鑄混凝土換熱性能最好，因此本設(shè)計(jì)中采用澆筑混凝土作為回填材料。

3.3 系統(tǒng)負(fù)荷計(jì)算

①空調(diào)負(fù)荷計(jì)算及選型。變電站夏季設(shè)計(jì)總冷負(fù)荷為46.6kW，冬季設(shè)計(jì)總熱負(fù)荷為39.5kW，選擇WPWE200型地源熱泵機(jī)組1臺(tái)，本設(shè)計(jì)工況下的COP1=5.9，COP2=4.2。endprint

制冷工況條件：使用側(cè)進(jìn)/出水溫度12℃/7℃，水源側(cè)進(jìn)/出水溫度30℃/35℃；

制熱工況條件：使用側(cè)進(jìn)/出水溫度40℃，水源側(cè)進(jìn)/出水溫度20℃。

換熱器采用釬焊板式換熱器，用戶側(cè)水流量8.43m3/h，壓力損失55kPa，水源側(cè)水流量10.32m3/h，壓力損失67kPa。

②地下負(fù)荷。

Q1'=Q1*（1+1/COP1）=49*（1+1/5.9）=57.3kW

Q2'=Q2*（1-1/COP2）=67.8*（1-1/4.2）=51.7kW

其中Q1'——夏季向土壤排放的熱量，kW；

Q1——夏季設(shè)計(jì)總冷負(fù)荷，kW；

Q2'——冬季從土壤吸收的熱量，kW；

Q2——冬季設(shè)計(jì)總熱負(fù)荷，kW；

COP1——設(shè)計(jì)工況下水源熱泵機(jī)組的制冷系數(shù)；

COP2——設(shè)計(jì)工況下水源熱泵機(jī)組的供熱系數(shù)。

取夏季排放的熱量進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算。

3.4 地埋管設(shè)計(jì)

①確定管材及埋管管徑。聚乙烯管材要使用PE63（SDR11），并聯(lián)環(huán)路管徑選擇DN20，集管的管徑分別是DN25、DN32。

②確定豎井埋管管長(zhǎng)。一般垂直埋管為70～110W/m（井深），或35～55W/m（管長(zhǎng)），水平埋管為20～40W/m（管長(zhǎng)）左右。設(shè)計(jì)時(shí)可取換熱能力的下限值，即35W/m（管長(zhǎng)），雙U管設(shè)計(jì)具體計(jì)算公式如下：L= Q1'/35

其中：L——豎井埋管總長(zhǎng)，m；

Q1'——夏季向土壤排放的熱量， W；

分母“35”是夏季每m管長(zhǎng)散熱量，W/m。

根據(jù)公式計(jì)算得：L=57.3*1000/35=1637m

③確定豎井?dāng)?shù)目及間距N=L/（4*H）（4）

其中：N——豎井總數(shù)，個(gè)；

L——豎井埋管總長(zhǎng)，m；

H——豎井深度，m，國(guó)外多數(shù)采用50～100m。

使用雙U型管，選取豎井深度50m，根據(jù)公式計(jì)算得：N=L/（4*H）=8.18個(gè)

圓整后取9個(gè)豎井，豎井間距取4m。

④計(jì)算地埋管壓力損失。

用戶側(cè)壓力損失55kPa，水源側(cè)壓力損失67kPa。所選水泵揚(yáng)程為20mH2O。

4 變電站冷卻降溫方案的技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較

變電站工程擬采用就地盤柜通風(fēng)系統(tǒng)，對(duì)配電柜進(jìn)行降溫處理，在冷源選擇上可以采用地下水地源熱泵系統(tǒng)，常規(guī)分體柜式空調(diào)及土壤源地源熱泵系統(tǒng)?，F(xiàn)就這3種方案進(jìn)行比較。

方案一：地下水地源熱泵系統(tǒng)，就本工程來說，地下水為場(chǎng)地淺層地下水屬潛水類型，主要受大氣降水和地表水的補(bǔ)給，地下水埋深一般在0.15～0.80m，這部分淺層水水量及溫度不恒定是不能作為熱源來用的，深層水在地質(zhì)資料中也沒有明確，另外采集使用地下水及地表水時(shí)，要解決好回灌、污染等問題，須得到環(huán)保部分的許可及發(fā)文才能使用，所以本工程是不能采用地下水及地表水地源熱泵系統(tǒng)。

方案二：土壤源地源熱泵系統(tǒng)，就項(xiàng)目所在場(chǎng)地土類型為軟弱場(chǎng)地土，打井的難度比較小，施工工藝較簡(jiǎn)單。場(chǎng)地土的熱物理性質(zhì)，目前沒有準(zhǔn)確的數(shù)值，還需要進(jìn)步測(cè)試，但就常規(guī)情況分析，土壤的導(dǎo)熱率應(yīng)該是比較高的。地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)由于其運(yùn)行費(fèi)用低，節(jié)能環(huán)保，正在應(yīng)用的項(xiàng)目非常多。本工程增加的初投資主要體現(xiàn)在熱源井上，須打9口直徑150mm的地源井，這個(gè)數(shù)量對(duì)于土壤源地源熱泵系統(tǒng)來說數(shù)量并不大，費(fèi)用完全是在可接受范圍內(nèi)，綜合以上幾點(diǎn)本工程適合采用土壤源地源熱泵系統(tǒng)做為冷源。

方案三：采用常規(guī)分體柜式空調(diào)，該方案的最大優(yōu)勢(shì)就是初投資低，市場(chǎng)上各個(gè)品牌的產(chǎn)品較多，技術(shù)成熟可靠，但耗電量大，運(yùn)行費(fèi)用高，且機(jī)組后期維護(hù)費(fèi)用較高，對(duì)于變配電站降溫這樣的工藝空調(diào)系統(tǒng)，一般要預(yù)留備用系統(tǒng)，總投資也不見得會(huì)低。

由于本工程不適合采用地下水及地表水地源熱泵系統(tǒng)，因此對(duì)常規(guī)分體柜式空調(diào)及土壤源地源熱泵系統(tǒng)進(jìn)行全壽命周期成本分析。

4.1 全壽命周期成本分析

變電站空調(diào)全壽命周期成本計(jì)算如表1所示。

4.2 經(jīng)濟(jì)指標(biāo)比較

就初投資和后期運(yùn)行費(fèi)用來看，雖然土壤源地源熱泵系統(tǒng)初投資較常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)高出28.57%，但運(yùn)行費(fèi)用僅為常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)的64.80%，對(duì)于本項(xiàng)目來說，在3年之內(nèi)即能收回初期投資差額。①初資產(chǎn)投資。地源熱泵的初期投資較高，比分體空調(diào)高出28.57%。②年運(yùn)行費(fèi)用。由于地源熱泵的能效比很高，年運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用比分體空調(diào)節(jié)省35.20%。綜上所述，地源熱泵技術(shù)在WD變電站中的運(yùn)用具有運(yùn)行成本低，經(jīng)濟(jì)環(huán)保效益顯著等特點(diǎn)。

5 結(jié)論

地源熱泵主要是對(duì)地球儲(chǔ)存太陽能的利用，也是利用清潔可再生能源的一種節(jié)能技術(shù)。我國(guó)發(fā)展地源熱泵的優(yōu)勢(shì)：①能夠緩解能源緊張和環(huán)境污染；②國(guó)家積極倡導(dǎo)地源熱泵技術(shù)；③各級(jí)政府大力推廣地源熱泵技術(shù)；④具有良好的經(jīng)濟(jì)效益。在WD變電站中運(yùn)用地源熱泵技術(shù)，將得到顯著的經(jīng)濟(jì)環(huán)保效益，通過LCC成本分析，雖然地源熱泵系統(tǒng)初投資較常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)高出28.57%，但全壽命周期內(nèi)可節(jié)省29.66%的費(fèi)用，對(duì)于本項(xiàng)目來說，在3年之內(nèi)即能收回初期投資差額。

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