基于輻射制冷超材料技術(shù)的變電站零能耗節(jié)能降耗研究與應(yīng)用

陳小龍，賴江宇，梁永安

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

電力設(shè)備發(fā)熱是變電站運(yùn)行中的一大潛在威脅，如果不及時(shí)發(fā)現(xiàn)和處理，一旦發(fā)熱嚴(yán)重極有可能會(huì)導(dǎo)致設(shè)備連接點(diǎn)燒斷，引發(fā)大面積停電甚至火災(zāi)等事故。通過(guò)分析發(fā)現(xiàn)，當(dāng)電力負(fù)荷變化較大、電網(wǎng)運(yùn)行方式突變或持續(xù)高溫天氣時(shí)，電力設(shè)備的閘刀觸頭及連接點(diǎn)都較容易出現(xiàn)發(fā)熱等狀況[1]。當(dāng)前針對(duì)變電站運(yùn)行設(shè)備發(fā)熱采取的多為預(yù)防措施，如：對(duì)設(shè)備溫度進(jìn)行監(jiān)控、提高變電技術(shù)管理人員的專業(yè)水平、加強(qiáng)設(shè)備運(yùn)行巡查力度及注重設(shè)備安裝管理工作等措施，但都暫時(shí)無(wú)法有效地解決電力設(shè)備的發(fā)熱問(wèn)題[2]。

近年來(lái)，對(duì)輻射制冷超材料的研究很多，實(shí)現(xiàn)了建筑物日光下的無(wú)能耗降溫[3-4]。目前輻射制冷超材料的應(yīng)用主要集中在建筑物外圍，在電力設(shè)備方面的降溫應(yīng)用還沒(méi)有實(shí)現(xiàn)。本文對(duì)通過(guò)采用輻射制冷超材料的性能分析及測(cè)試，可為變電站設(shè)備的發(fā)熱問(wèn)題提供解決措施。

1 變電站運(yùn)行設(shè)備發(fā)熱原因及危害

變電站運(yùn)行設(shè)備大部分是布置在室外，發(fā)熱原因從源頭分可以分為內(nèi)部發(fā)熱和外部發(fā)熱兩種。

(1)內(nèi)部發(fā)熱原因一般分為4種[5]：自身?yè)p耗、回路故障、外部故障、絕緣介質(zhì)故障。經(jīng)過(guò)分析發(fā)現(xiàn)，這4類內(nèi)部發(fā)熱原因必須從生產(chǎn)工藝和安裝管理上進(jìn)行優(yōu)化才能從根本上解決，但因現(xiàn)有技術(shù)限制，無(wú)法完全避免內(nèi)部發(fā)熱，因此采用的措施還是以對(duì)設(shè)備溫度監(jiān)控為主。

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

變電站運(yùn)行設(shè)備出現(xiàn)發(fā)熱情況而導(dǎo)致設(shè)備溫度升高到某個(gè)極限時(shí)，將會(huì)帶來(lái)很嚴(yán)重的危害和后果[6-7]。因此，本文主要從外部發(fā)熱入手，通過(guò)輻射制冷超材料從根源上解決這一問(wèn)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(shù)。

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(duì)外輻射的功率；Psol——材料吸收的太陽(yáng)輻射功率，即Psol=αI,α為太陽(yáng)輻射吸收率，I為太陽(yáng)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(huán)境的導(dǎo)熱和對(duì)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(shí)滿足對(duì)太陽(yáng)光的高反射率(即Psol較小)，即可實(shí)現(xiàn)在太陽(yáng)直射情況下達(dá)到輻射制冷和降溫的效果，實(shí)現(xiàn)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(diǎn)是：①氣味小、揮發(fā)性有機(jī)化合物(Volatile Organic Compounds, 簡(jiǎn)稱VOC)含量極低、涂裝平滑美觀、抗污能力強(qiáng)、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(fù)雜的影響，建設(shè)周期短，節(jié)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(guó)大部分地區(qū)，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(shè)備表面、SBS 材質(zhì)表面、紡織品、石油化工儲(chǔ)罐管線、玻璃、木材等基材上使用。厚漿型產(chǎn)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(zhì)對(duì)建筑設(shè)施的侵蝕，對(duì)表面形成良好的保護(hù)。

輻射制冷涂料涂層結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1，自下而上分別是基材(本項(xiàng)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(shí)提高制冷中涂的附著力。制冷中涂和制冷面漆對(duì)太陽(yáng)光進(jìn)行反射并自身輻射能量，罩面層對(duì)其他涂層進(jìn)行耐候保護(hù)。針對(duì)混凝土表面應(yīng)用輻射制冷涂料，施工過(guò)程快速高效、返工率低，后期維護(hù)簡(jiǎn)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(jié)構(gòu)

整體涂層各項(xiàng)性能優(yōu)異，具有高輻射率、高太陽(yáng)光反射比和優(yōu)良的耐老化性能，同時(shí)施工過(guò)程固化時(shí)間短、附著力好，施工性能極具競(jìng)爭(zhēng)力。除此之外，輻射制冷涂料的特殊成分和結(jié)構(gòu)使得施工后的表面耐臟耐腐蝕，維護(hù)成本低廉。輻射制冷涂料常規(guī)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(cè)性能如表2所示。

表1 輻射制冷涂料常規(guī)性能

表2 輻射制冷涂料其他檢測(cè)性能

3 輻射制冷超材料的預(yù)期效果

通過(guò)在變電站電力設(shè)備外露表面實(shí)施覆蓋一層輻射制冷材料，得到預(yù)期效果如下。

(1)有效降低變電站設(shè)備箱體內(nèi)部工作溫度，減小日溫度變化；

(2)無(wú)額外功耗降溫；

(3)提高箱體設(shè)備的運(yùn)行可靠性和安全性；

(4)提高變電站設(shè)備箱體設(shè)備過(guò)載的時(shí)間，緩減電網(wǎng)負(fù)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(jìn)行施工。

4.1 主變公用控制柜

(1)施工應(yīng)用產(chǎn)品：輻射制冷金屬涂料。

(2)施工對(duì)象情況：尺寸為長(zhǎng)1.4 m，寬0.7 m，高1.7 m。注意事項(xiàng)：柜體原漆有粉化現(xiàn)象，內(nèi)部左下角有加熱吹風(fēng)防水霧系統(tǒng)。

(3)施工方案：在其中一個(gè)主變公用控制柜的五個(gè)外表面(除底面)均應(yīng)用輻射制冷涂料實(shí)現(xiàn)制冷降溫效果。為進(jìn)行對(duì)比，選擇了同樣受太陽(yáng)輻照強(qiáng)烈的主變公用控制柜作為對(duì)比柜。

(4)測(cè)試方案：測(cè)試時(shí)間為施工后3～4天；測(cè)溫布點(diǎn)，在兩個(gè)試驗(yàn)柜的頂部外表面中間布置一個(gè)溫度測(cè)試點(diǎn)，如圖2所示。在柜內(nèi)部布置兩個(gè)溫度測(cè)試點(diǎn)(柜頂內(nèi)部及離頂部距離20 cm)，如圖3所示。

圖2 箱體溫度測(cè)點(diǎn)布置圖

圖3 箱體溫度測(cè)點(diǎn)布置圖

4.2 大辦公室

(1)施工應(yīng)用產(chǎn)品：輻射制冷屋頂涂料。

(2)施工對(duì)象情況：尺寸約為50m2(大辦公室天面面積)。注意事項(xiàng)為天面需要預(yù)先進(jìn)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(yàn)組，在對(duì)應(yīng)的樓頂天面應(yīng)用輻射制冷涂料實(shí)現(xiàn)制冷降溫效果，并選擇同層的會(huì)議室作為對(duì)照組。

(4)測(cè)試方案：測(cè)試時(shí)間為施工后3～4天；測(cè)溫布點(diǎn)，在兩個(gè)房間分別布置1個(gè)溫度測(cè)點(diǎn)，在頂部測(cè)點(diǎn)垂直位置的內(nèi)表面分別布置1個(gè)溫度測(cè)點(diǎn)，內(nèi)表面溫度測(cè)點(diǎn)做保溫處理，如圖4所示。

圖4 建筑物溫度測(cè)點(diǎn)布置圖

5 輻射制冷涂料應(yīng)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(cè)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(cè)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(cè)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(cè)溫儀布置

6 溫度測(cè)試數(shù)據(jù)及分析

6.1 測(cè)試時(shí)間

在主變公用控制柜和大辦公室天面應(yīng)用輻射制冷涂料后進(jìn)行橫向?qū)Ρ龋B續(xù)監(jiān)測(cè)6天(2020年10月13日至2020年10月18日)測(cè)溫點(diǎn)數(shù)據(jù)，并記錄下當(dāng)天的天氣狀況。

6.2 測(cè)試數(shù)據(jù)

在相同外界環(huán)境條件下(位置相鄰，具有相同的太陽(yáng)輻射、環(huán)境溫度、環(huán)境濕度、風(fēng)力等)，應(yīng)用涂料的主變公用控制柜與不作任何處理的空白柜進(jìn)行頂部?jī)?nèi)/外表面溫度以及內(nèi)部空氣溫度對(duì)比，而天面應(yīng)用涂料的大辦公室與不作任何處理的會(huì)議室進(jìn)行頂部?jī)?nèi)/外表面溫度對(duì)比。連續(xù)6天的每日最高降溫測(cè)試數(shù)據(jù)如表3所示。

6.3 數(shù)據(jù)分析

根據(jù)天氣選取具有代表性的10月15日至10月16日進(jìn)行溫度數(shù)據(jù)分析。

6.3.1 主變公用控制箱

頂部外表面、頂部?jī)?nèi)表面與內(nèi)部空氣溫度對(duì)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(duì)比圖

圖10 主變公用控制箱頂部?jī)?nèi)表面溫度對(duì)比圖

圖11 主變公用控制箱內(nèi)部空氣溫度對(duì)比圖

由圖9可知，有/無(wú)涂料主變公用控制箱頂部外表面溫差顯示，試驗(yàn)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(shí)段(09:00～15:00)平均溫差為8.4～11.1℃。

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

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

本次測(cè)試期間應(yīng)用涂料的試驗(yàn)柜頂部外/內(nèi)表面比未應(yīng)用的空白柜最多降低18.6℃/16.1℃，內(nèi)部空氣溫度最大降低5.7℃。

6.3.2 大辦公室

表3 測(cè)試期間主表公用控制柜最高降溫?cái)?shù)據(jù)

表4 測(cè)試期間大辦公室最高降溫?cái)?shù)據(jù)

屋頂外表面、屋頂內(nèi)表面溫度對(duì)比圖如圖12至13所示。

圖12 大辦公室天面外表面溫度對(duì)比圖

圖13 大辦公室天面內(nèi)表面溫度對(duì)比圖

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

由圖13可知，有/無(wú)涂料建筑物屋頂內(nèi)表面溫度差顯示，大辦公室(試驗(yàn))比會(huì)議室(空白對(duì)照)屋頂內(nèi)表面溫度最多降低6℃，白天高溫時(shí)段(09:00～15:00)平均溫差為4℃。

本次測(cè)試期間，應(yīng)用涂料的建筑物屋頂頂部外/內(nèi)表面比未應(yīng)用的建筑物最多降低14.5℃/6℃。

7 結(jié)語(yǔ)

在相同外界環(huán)境條件(放置位置相同，具有相同的太陽(yáng)輻射、環(huán)境溫度、環(huán)境濕度、風(fēng)力等)下，通過(guò)6天連續(xù)測(cè)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(huì)議室天面，得出如下結(jié)論。

(1)應(yīng)用涂料的柜體及建筑物顯著降低頂部?jī)?nèi)/外表面溫度與內(nèi)部空氣溫度。

(2)在多云天氣條件下，應(yīng)用涂料的試驗(yàn)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?jī)?nèi)表面溫度最多降低9.8～16.1℃；柜內(nèi)空氣溫度最多降低4.1～5.7℃。

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

通過(guò)這些結(jié)論可以得出，輻射制冷涂料對(duì)布置在室外的箱體、柜體及建筑物有著優(yōu)秀的降溫效果。從而提高變電站各類設(shè)備的運(yùn)行可靠性和安全性；提高變電站各類設(shè)備過(guò)載的時(shí)間，緩減電網(wǎng)負(fù)荷壓力以及提升室內(nèi)員工的感官，以便降低空調(diào)使用的時(shí)長(zhǎng)、頻率及設(shè)定的溫度，最后減少空調(diào)的用電能耗。