地源熱泵技術在變電站冷卻降溫方案中的運用研究

張旻

摘要： 本專題圍繞建設“資源節約型、環境友好型、工業化”輸變電工程為目標， 220kV WD輸變電工程擬采用地源熱泵技術作為本站空調系統方案，對地源熱泵系統的地埋管系統及冷卻系統進行了設計及方案經濟技術比較，通過研究分析得出，地源熱泵技術用于本工程有顯著的優勢。

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.

關鍵詞： 地源熱泵；技術經濟比較；全壽命周期

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

中圖分類號：TU831 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2017）33-0123-02

1 概述

地源熱泵是通過對土壤源的利用來實現供熱與制冷的一種高效節能的空調系統。通過熱泵機組促進低位熱能向高位轉移，對水體和地層進行蓄能，以此作為在冬季和夏季供熱與制冷的動力。具體來說，在冬天可以把地層與水體的熱量取出來進行提溫，然后將其用于室內供暖，到了夏季以后，再把室內的熱量取出來在水體和地層中進行釋放。通過使用地源熱泵技術，只需投入1千瓦電能，就能夠使用三到五倍的能量，節能效果非常好。相對于傳統的空調系統來說，其運行效率增加了約40%，同時節省了10-30%的運行費用。

2 地源熱泵系統形式

地源熱泵系統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，地源熱泵系統主要可以分為下列幾種類型：

2.1 土壤源熱泵系統

地下土壤溫度常年都比較穩定，在冬季通過熱泵可以大幅提升大地中的熱量，來對建筑物進行供熱，同時還要在大地中注入冷源，來儲存冷量。到了夏季以后，再通過熱泵將建筑物之中的熱量向大地進行傳輸，來達到降溫的目的，并在大地中進行熱量的蓄存。土壤熱交換器地源熱泵主要包含土壤藕合地熱交換器，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行垂直安裝，對于不同的管溝或者豎井中的熱交換器，要采用并聯的方式進行連接，然后通過集管連接到建筑物中的水環路。

2.2 地下水源熱泵系統

地下水地源熱泵系統，通常包括兩種類型，一是開式系統，另外一種是閉式系統。前者是直接把地下水供應到各熱泵機組，然后再進回灌，使之進入地下。但系統在運行過程中管路比較容易阻塞，可能還會出現腐蝕現象。因此，一般情況下在系統運行中不建議直接使用地下水。而閉式系統反而能借助板式換熱器把建筑內循環水和地下水進行分開，相對開式系統來說更實用。

2.3 地表水熱泵系統

可以采用間接換熱或者直接進行抽取的方法使用水資源走位冷卻熱泵的冷卻液。該系統主要的組成部分是塑料管，而且主要在水下，并采用多重并聯的方式，是對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，可以用于北方地區的防凍。

3 地源熱泵系統設計

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

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量，要求具有較好的耐腐性與穩定性。

①本變電站設計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℃的溫度范圍內進行工作；③關于地埋管的壁厚，要按照外徑與壁厚的比約11進行選擇；④要求可以對地埋管按照設計要求的長度來選擇，在這中間不能存在機械接口和金屬性的街頭；⑤使用熱熔對管材進行連接。

3.2 流體介質及回填料

①流體介質。就南方地區來說，地溫相對較高，尤其在冬季，埋管進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。從實際測試比較，澆鑄混凝土換熱性能最好，因此本設計中采用澆筑混凝土作為回填材料。

3.3 系統負荷計算

①空調負荷計算及選型。變電站夏季設計總冷負荷為46.6kW，冬季設計總熱負荷為39.5kW，選擇WPWE200型地源熱泵機組1臺，本設計工況下的COP1=5.9，COP2=4.2。endprint

制冷工況條件：使用側進/出水溫度12℃/7℃，水源側進/出水溫度30℃/35℃；

制熱工況條件：使用側進/出水溫度40℃，水源側進/出水溫度20℃。

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

②地下負荷。

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——夏季設計總冷負荷，kW；

Q2'——冬季從土壤吸收的熱量，kW；

Q2——冬季設計總熱負荷，kW；

COP1——設計工況下水源熱泵機組的制冷系數；

COP2——設計工況下水源熱泵機組的供熱系數。

取夏季排放的熱量進行設計計算。

3.4 地埋管設計

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

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

其中：L——豎井埋管總長，m；

Q1'——夏季向土壤排放的熱量， W；

分母“35”是夏季每m管長散熱量，W/m。

根據公式計算得：L=57.3*1000/35=1637m

③確定豎井數目及間距N=L/（4*H）（4）

其中：N——豎井總數，個；

L——豎井埋管總長，m；

H——豎井深度，m，國外多數采用50～100m。

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

圓整后取9個豎井，豎井間距取4m。

④計算地埋管壓力損失。

用戶側壓力損失55kPa，水源側壓力損失67kPa。所選水泵揚程為20mH2O。

4 變電站冷卻降溫方案的技術經濟比較

變電站工程擬采用就地盤柜通風系統，對配電柜進行降溫處理，在冷源選擇上可以采用地下水地源熱泵系統，常規分體柜式空調及土壤源地源熱泵系統。現就這3種方案進行比較。

方案一：地下水地源熱泵系統，就本工程來說，地下水為場地淺層地下水屬潛水類型，主要受大氣降水和地表水的補給，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，深層水在地質資料中也沒有明確，另外采集使用地下水及地表水時，要解決好回灌、污染等問題，須得到環保部分的許可及發文才能使用，所以本工程是不能采用地下水及地表水地源熱泵系統。

方案二：土壤源地源熱泵系統，就項目所在場地土類型為軟弱場地土，打井的難度比較小，施工工藝較簡單。場地土的熱物理性質，目前沒有準確的數值，還需要進步測試，但就常規情況分析，土壤的導熱率應該是比較高的。地源熱泵空調系統由于其運行費用低，節能環保，正在應用的項目非常多。本工程增加的初投資主要體現在熱源井上，須打9口直徑150mm的地源井，這個數量對于土壤源地源熱泵系統來說數量并不大，費用完全是在可接受范圍內，綜合以上幾點本工程適合采用土壤源地源熱泵系統做為冷源。

方案三：采用常規分體柜式空調，該方案的最大優勢就是初投資低，市場上各個品牌的產品較多，技術成熟可靠，但耗電量大，運行費用高，且機組后期維護費用較高，對于變配電站降溫這樣的工藝空調系統，一般要預留備用系統，總投資也不見得會低。

由于本工程不適合采用地下水及地表水地源熱泵系統，因此對常規分體柜式空調及土壤源地源熱泵系統進行全壽命周期成本分析。

4.1 全壽命周期成本分析

變電站空調全壽命周期成本計算如表1所示。

4.2 經濟指標比較

就初投資和后期運行費用來看，雖然土壤源地源熱泵系統初投資較常規空調系統高出28.57%，但運行費用僅為常規空調系統的64.80%，對于本項目來說，在3年之內即能收回初期投資差額。①初資產投資。地源熱泵的初期投資較高，比分體空調高出28.57%。②年運行費用。由于地源熱泵的能效比很高，年運行維護費用比分體空調節省35.20%。綜上所述，地源熱泵技術在WD變電站中的運用具有運行成本低，經濟環保效益顯著等特點。

5 結論

地源熱泵主要是對地球儲存太陽能的利用，也是利用清潔可再生能源的一種節能技術。我國發展地源熱泵的優勢：①能夠緩解能源緊張和環境污染；②國家積極倡導地源熱泵技術；③各級政府大力推廣地源熱泵技術；④具有良好的經濟效益。在WD變電站中運用地源熱泵技術，將得到顯著的經濟環保效益，通過LCC成本分析，雖然地源熱泵系統初投資較常規空調系統高出28.57%，但全壽命周期內可節省29.66%的費用，對于本項目來說，在3年之內即能收回初期投資差額。

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