地源热泵在变电站中应用的若干问题

贾素华，冯舜凯，李科文，胡君慧，张军

(1.河北省电力勘测设计研究院，石家庄市，050031;2.国网北京经济技术研究院，北京市，100052)

0 引言

地源热泵是一种利用地下浅层地能的既可供热又可制冷的高效节能空调系统［1］。该系统把浅层岩土体作为热泵系统的冷(热)源，冬季把高于地表环境温度的地层中的热能取出来供给室内采暖，夏季把室内的热能取出来储存到低于地表环境温度的土壤中，通过少量的高位电能输入，实现低位热能向高位热能转移。

变电站在全国分布范围极广，为满足地源热泵在变电站中的科学推广需要，使地源热泵技术真正实现节能环保的优越性［2］，应从地源热泵的适用条件等方面对变电站中地源热泵应用进行分析，避免盲目设计和应用。变电站地源热泵应用主要与技术经济条件［3-4］、气候条件［5-6］、建筑物负荷条件、地质条件［7-8］共4个条件密切相关，本文着重对变电站中应用地源热泵的技术经济条件和建筑物负荷条件进行分析探讨，并对变电站中地源热泵机组的容量配置给出建议。

1 技术经济条件

1.1 变电站地源热泵系统初投资

地源热泵系统造价主要由热泵机房系统、施工安装、地埋管管材、空调末端共4部分费用组成，分别约占总造价的35%、35%、17%和13%。其中施工安装主要是指地埋管钻孔及敷管，此部分费用随着地质条件不同而有很大差异。不同岩土类别的钻孔费用如表1所示。

本文所指的地源热泵系统初投资特指单位面积造价，与空调的负荷指标直接相关，负荷指标越高，则初投资越高。空调的负荷指标确定方法如下:在变电站中空调负荷指标比普通民用建筑大得多，一般为后者的2倍左右，故其初投资也较民用建筑大得多。为简化分析计算，统一取200 W/m2为空调冷热负荷指标，这一指标对大多数变电站是适用的。

对已投运的3座变电站地源热泵统计表明，变电站地源热泵空调造价为4～5元/W，按空调冷热负荷指标为 200W/m2计算，则初投资为 800～1 000元/m2，以平均值900元/m2(相应钻孔费用为50元/m)为计算基准，确定不同岩土类别时的初投资，如表1所示。

表1 不同岩土类别的钻孔费用和初投资Tab.1 Borehole cost and initial investment of various geotechnical soils

利用地源热泵的初衷是节能环保，但是对于岩石地区，施工难度大，钻孔费用高，所以不建议使用地源热泵。对于普通的岩土地区，在空调冷热负荷指标为200 W/m2的范围内，地源热泵的初投资上限确定为1 100元/m2是合适的。

换流站的空调冷热负荷指标为250 W/m2左右，比常规变电站高出25%，故换流站的地源热泵初投资为1 100元/m2×(1+25%)=1 375元/m2，所以对于冷热平衡的换流站，确定地源热泵初投资上限为1 400元/m2是合适的。

考虑到一些未知因素，适当放宽条件，建议变电站地源热泵初投资不宜高于1 100元/m2，不应高于1 400 元/m2。

当然，对于特殊地区、特殊用途的变电站，冷热负荷指标可能会突破250 W/m2，此时应根据实际情况具体分析，可结合地质条件专门论证地源热泵的可行性。

1.2 变电站地源热泵投资回收期

变电站中最常用的空调为分体空调，故将地源热泵年运行维护费用与普通分体空调年运行维护费用的差值作为利润，将地源热泵初投资上限1 400元/m2、上限收益率8.5%及物价增长指数5%作为3个主要控制参数，分别计算地源热泵、分体空调的现金流量，确定地源热泵的投资回收期。投资回收期计算参数:变电站空调面积1 000 m2，考虑2种空调运行、维修费用后每年的费用差值为12.4万元，地源热泵初投资1 400元/m2，分体空调初投资为300元/m2。

分体空调的寿命与其运行环境密切相关，在民用建筑中可达10年左右，但在变电站中往往要长时间连续运转，且维护不及时，寿命大大缩短，本文分别取5年和7年进行对比分析，净现值计算结果如表2～3所示。

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由表2可知，当分体空调5年更换1次时，地源热泵比分体空调投资高85.4万元，但前者运行费用较低，到第8年两者总费用基本持平，即投资回收期为8年。

由表3可知，当分体空调7年更换1次时，地源热泵比分体空调投资高86.9万元，但前者运行费用较低，到第8年两者总费用相差仅1.1万元，而地源热泵每年节约费用为9.5万元，故在第9年分体空调总费用超过地源热泵，投资回收期为9年。

在粘土、粉土、砂土地区，按初投资1 100元/m2计算时，投资回收期为5～6年，体现了地源热泵更为优越的技术经济特性;在岩石地区，不予采用地源热泵，故不再计算分析。

由于各地电价并不相同，运行环境也不相同，所以地源热泵每年节约费用并不相同，投资回收期亦有所区别，考虑到推广应用地源热泵的宽松环境，建议投资回收期一般不宜超过8年，不应超过10年。地源热泵系统寿命一般可达20年左右，取其寿命的50%即10年作为投资回收期上限，在一定程度上仍可体现地源热泵的节能特性。

1.3 变电站地源热泵系统节能特性

在变电站应用地源热泵的价值在于该技术的能效比高达4.5以上，而普通分体空调为3.0左右，地源热泵节能30%以上，实现了变电站的“节能减排”，为此需对热泵机组及地源热泵系统的能效比作出规定。

分体空调器的能效比等级［9］如表4所示。

表4 空调器能效等级指标Tab.4 Energy efficiency grades of air conditioning

在寒冷地区，普通分体空调在冬季工作性能很差，需要增配电辅助加热装置。以变电站最常用的12 kW 空调器为例，能效比为 3.4，则电功率为3.5 kW，配置 1.5 kW 电加热装置，则总功率为5.0 kW，实际能效比仅为2.7，夏季制冷能效比平均值为3.0。即使在不加电辅热的地区，分体空调受气候环境影响很大，实际出力较铭牌小，所以在实际工况中，分体空调的能效比比铭牌标识小得多。

应从机组能效比和系统能效比2个方面考核地源热泵的节能特性，系统能效比指考虑空调全部耗电设备后(热泵机组、水泵、末端)的平均能效比。表5列出了已投运3座变电站地源热泵的性能参数。

表5 已投运3座变电站地源热泵性能参数Tab.5 Performance parameters of three ground-source heat pumps running in substation

由表5可知，机组能效比和系统能效比2个指标互相关联，机组能效比高，则系统能效比高。当然机组能效比往往与价格成正比，应综合考虑选型。上述2个参数中系统能效比是衡量地源热泵系统工作性能的终极指标，所以更为重要一些，在与其他空调对比时，也宜采用该指标进行。对比表4和表5可发现，若选取系统能效比为3.4，既可满足多数工程需要，又可高于分体空调一级节能标准，所以建议地源热泵系统能效比不宜低于3.4，以保证系统节能特性。

在工程应用中，热泵机组的铭牌技术参数往往与工程所在地实际情况不一致，导致设备实际功率、实际设备制冷量(制热量)与铭牌参数有差异，此时，应对机组性能进行修正，重新核算能效比，称此为机组修正后能效比。机组能效比是热泵选型的重要参数，应结合工程情况和期望达到的系统能效比综合考虑，建议机组修正后能效比不应低于4.5。因为该指标较易满足，且为了保证系统能效比不低于3.4，故建议采用较严格的下限“不应低于4.5”。

2 建筑物负荷条件

当地源热泵系统能效比相同时，地源热泵的节能效果与建筑面积并无直接关系。面积越大，则节能越多，但节省的比例是一样的。另一方面，地源热泵具有设计、施工复杂，初投资高的特点，推广地源热泵的目的在于节能，而非将其替代分体空调，所以在以后相当长的时期里，分体空调与地源热泵是相辅相成，长期共存的。

常规110 kV变电站空调面积为200～300 m2，负荷为30～50 kW，用3～4台分体空调即可满足要求，不推荐采用地源热泵。常规220 kV及以上变电站，建筑物负荷多在50 kW以上，可采用地源热泵。故建议以50 kW作为分界点，建筑物负荷小于50 kW时不推荐采用地源热泵。

3 热泵机组容量配置

变电站中保护室、主控制室、通信机房、蓄电池室等房间在空调/采暖期间，空调设备不应中断运行。当选用压缩式冷水机组时，宜按设计负荷的2×75%或3×50%进行选型［10］，其目的是1台设备故障时，另1台设备可保证主控制室、保护室、通信机房的空调要求。

对《国家电网公司输变电工程典型设计(220/500 kV变电站分册)》分析表明，方案A中工艺房间面积占空调总面积的68% ～73%;方案B中工艺房间面积占空调总面积的57%～74%;500 kV变电站中工艺房间面积占空调总面积的75%左右。则1台设备故障时工艺房间需要75% ×75%=56%的空调容量，在暂停非工艺房间空调的情况下，1台机组基本满足工艺房间空调要求，所以一般情况下水源热泵机组无需备用，建议机组配置可按2×50%方式选型。

4 结论

(1)变电站地源热泵系统的初投资不宜超过1 100元/m2，不应超过1 400元/m2。机组修正后能效比不应低于4.5，且系统能效比不宜低于3.4。投资回收期不宜超过8年，不应超过10年。

(2)变电站建筑物负荷小于50 kW时，不推荐采用地源热泵。

(3)变电站地源热泵机组一般无需备用，可采用2×50%配置方式。

［1］GB 50366—2005地源热泵系统工程技术规范［S］.北京:中国建筑工业出版社，2009.

［2］宗明，吴喜平，骆泽彬.地源热泵在变电站的应用研究［J］.华东电力，2011(5):747-749.

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［7］姚文清，王文喜，杨颖.地下水源热泵系统的水文地质勘察［J］.西部探矿工程，2010，10(6):152-154.

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［9］GB 12021.3—2010房间空气调节器能效限定值及能效等级［S］.北京:中国标准出版社，2010.

［10］DL/T 5035—2004火力发电厂采暖通风与空气调节设计技术规程［S］.北京:中国电力出版社，2004.