地源熱泵在變電站中應用的若干問題

賈素華，馮舜凱，李科文，胡君慧，張軍

(1.河北省電力勘測設計研究院，石家莊市，050031;2.國網北京經濟技術研究院，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能空調系統［1］。該系統把淺層巖土體作為熱泵系統的冷(熱)源，冬季把高于地表環境溫度的地層中的熱能取出來供給室內采暖，夏季把室內的熱能取出來儲存到低于地表環境溫度的土壤中，通過少量的高位電能輸入，實現低位熱能向高位熱能轉移。

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推廣需要，使地源熱泵技術真正實現節能環保的優越性［2］，應從地源熱泵的適用條件等方面對變電站中地源熱泵應用進行分析，避免盲目設計和應用。變電站地源熱泵應用主要與技術經濟條件［3-4］、氣候條件［5-6］、建筑物負荷條件、地質條件［7-8］共4個條件密切相關，本文著重對變電站中應用地源熱泵的技術經濟條件和建筑物負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 技術經濟條件

1.1 變電站地源熱泵系統初投資

地源熱泵系統造價主要由熱泵機房系統、施工安裝、地埋管管材、空調末端共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初投資特指單位面積造價，與空調的負荷指標直接相關，負荷指標越高，則初投資越高。空調的負荷指標確定方法如下:在變電站中空調負荷指標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，統一取200 W/m2為空調冷熱負荷指標，這一指標對大多數變電站是適用的。

對已投運的3座變電站地源熱泵統計表明，變電站地源熱泵空調造價為4～5元/W，按空調冷熱負荷指標為 200W/m2計算，則初投資為 800～1 000元/m2，以平均值900元/m2(相應鉆孔費用為50元/m)為計算基準，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能環保，但是對于巖石地區，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，在空調冷熱負荷指標為200 W/m2的范圍內，地源熱泵的初投資上限確定為1 100元/m2是合適的。

換流站的空調冷熱負荷指標為250 W/m2左右，比常規變電站高出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，不應高于1 400 元/m2。

當然，對于特殊地區、特殊用途的變電站，冷熱負荷指標可能會突破250 W/m2，此時應根據實際情況具體分析，可結合地質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為分體空調，故將地源熱泵年運行維護費用與普通分體空調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5%作為3個主要控制參數，分別計算地源熱泵、分體空調的現金流量，確定地源熱泵的投資回收期。投資回收期計算參數:變電站空調面積1 000 m2，考慮2種空調運行、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，分體空調初投資為300元/m2。

分體空調的壽命與其運行環境密切相關，在民用建筑中可達10年左右，但在變電站中往往要長時間連續運轉，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，凈現值計算結果如表2～3所示。

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由表2可知，當分體空調5年更換1次時，地源熱泵比分體空調投資高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，當分體空調7年更換1次時，地源熱泵比分體空調投資高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，而地源熱泵每年節約費用為9.5萬元，故在第9年分體空調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，按初投資1 100元/m2計算時，投資回收期為5～6年，體現了地源熱泵更為優越的技術經濟特性;在巖石地區，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，運行環境也不相同，所以地源熱泵每年節約費用并不相同，投資回收期亦有所區別，考慮到推廣應用地源熱泵的寬松環境，建議投資回收期一般不宜超過8年，不應超過10年。地源熱泵系統壽命一般可達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地源熱泵的節能特性。

1.3 變電站地源熱泵系統節能特性

在變電站應用地源熱泵的價值在于該技術的能效比高達4.5以上，而普通分體空調為3.0左右，地源熱泵節能30%以上，實現了變電站的“節能減排”，為此需對熱泵機組及地源熱泵系統的能效比作出規定。

分體空調器的能效比等級［9］如表4所示。

表4 空調器能效等級指標Tab.4 Energy efficiency grades of air conditioning

在寒冷地區，普通分體空調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，分體空調受氣候環境影響很大，實際出力較銘牌小，所以在實際工況中，分體空調的能效比比銘牌標識小得多。

應從機組能效比和系統能效比2個方面考核地源熱泵的節能特性，系統能效比指考慮空調全部耗電設備后(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。

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

由表5可知，機組能效比和系統能效比2個指標互相關聯，機組能效比高，則系統能效比高。當然機組能效比往往與價格成正比，應綜合考慮選型。上述2個參數中系統能效比是衡量地源熱泵系統工作性能的終極指標，所以更為重要一些，在與其他空調對比時，也宜采用該指標進行。對比表4和表5可發現，若選取系統能效比為3.4，既可滿足多數工程需要，又可高于分體空調一級節能標準，所以建議地源熱泵系統能效比不宜低于3.4，以保證系統節能特性。

在工程應用中，熱泵機組的銘牌技術參數往往與工程所在地實際情況不一致，導致設備實際功率、實際設備制冷量(制熱量)與銘牌參數有差異，此時，應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，應結合工程情況和期望達到的系統能效比綜合考慮，建議機組修正后能效比不應低于4.5。因為該指標較易滿足，且為了保證系統能效比不低于3.4，故建議采用較嚴格的下限“不應低于4.5”。

2 建筑物負荷條件

當地源熱泵系統能效比相同時，地源熱泵的節能效果與建筑面積并無直接關系。面積越大，則節能越多，但節省的比例是一樣的。另一方面，地源熱泵具有設計、施工復雜，初投資高的特點，推廣地源熱泵的目的在于節能，而非將其替代分體空調，所以在以后相當長的時期里，分體空調與地源熱泵是相輔相成，長期共存的。

常規110 kV變電站空調面積為200～300 m2，負荷為30～50 kW，用3～4臺分體空調即可滿足要求，不推薦采用地源熱泵。常規220 kV及以上變電站，建筑物負荷多在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/采暖期間，空調設備不應中斷運行。當選用壓縮式冷水機組時，宜按設計負荷的2×75%或3×50%進行選型［10］，其目的是1臺設備故障時，另1臺設備可保證主控制室、保護室、通信機房的空調要求。

對《國家電網公司輸變電工程典型設計(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總面積的68% ～73%;方案B中工藝房間面積占空調總面積的57%～74%;500 kV變電站中工藝房間面積占空調總面積的75%左右。則1臺設備故障時工藝房間需要75% ×75%=56%的空調容量，在暫停非工藝房間空調的情況下，1臺機組基本滿足工藝房間空調要求，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 結論

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

(2)變電站建筑物負荷小于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。

［1］GB 50366—2005地源熱泵系統工程技術規范［S］.北京:中國建筑工業出版社，2009.

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