地源热泵技术在变电站冷却降温方案中的运用研究

张旻

摘要： 本专题围绕建设“资源节约型、环境友好型、工业化”输变电工程为目标， 220kV WD输变电工程拟采用地源热泵技术作为本站空调系统方案，对地源热泵系统的地埋管系统及冷却系统进行了设计及方案经济技术比较，通过研究分析得出，地源热泵技术用于本工程有显著的优势。

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.

关键词： 地源热泵；技术经济比较；全寿命周期

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

中图分类号：TU831 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2017）33-0123-02

1 概述

地源热泵是通过对土壤源的利用来实现供热与制冷的一种高效节能的空调系统。通过热泵机组促进低位热能向高位转移，对水体和地层进行蓄能，以此作为在冬季和夏季供热与制冷的动力。具体来说，在冬天可以把地层与水体的热量取出来进行提温，然后将其用于室内供暖，到了夏季以后，再把室内的热量取出来在水体和地层中进行释放。通过使用地源热泵技术，只需投入1千瓦电能，就能够使用三到五倍的能量，节能效果非常好。相对于传统的空调系统来说，其运行效率增加了约40%，同时节省了10-30%的运行费用。

2 地源热泵系统形式

地源热泵系统主要包括地下水源热泵、地表水源热泵以及土壤源热泵三种形式。地源热泵主要是土壤源热泵，地源热泵系统主要可以分为下列几种类型：

2.1 土壤源热泵系统

地下土壤温度常年都比较稳定，在冬季通过热泵可以大幅提升大地中的热量，来对建筑物进行供热，同时还要在大地中注入冷源，来储存冷量。到了夏季以后，再通过热泵将建筑物之中的热量向大地进行传输，来达到降温的目的，并在大地中进行热量的蓄存。土壤热交换器地源热泵主要包含土壤藕合地热交换器，不仅可以将其水平安装在地沟之中，也可以以U形管的方式在竖井之中进行垂直安装，对于不同的管沟或者竖井中的热交换器，要采用并联的方式进行连接，然后通过集管连接到建筑物中的水环路。

2.2 地下水源热泵系统

地下水地源热泵系统，通常包括两种类型，一是开式系统，另外一种是闭式系统。前者是直接把地下水供应到各热泵机组，然后再进回灌，使之进入地下。但系统在运行过程中管路比较容易阻塞，可能还会出现腐蚀现象。因此，一般情况下在系统运行中不建议直接使用地下水。而闭式系统反而能借助板式换热器把建筑内循环水和地下水进行分开，相对开式系统来说更实用。

2.3 地表水热泵系统

可以采用间接换热或者直接进行抽取的方法使用水资源走位冷却热泵的冷却液。该系统主要的组成部分是塑料管，而且主要在水下，并采用多重并联的方式，是对原有的土壤热交换器的取代，可以将他们与建筑物直接相连，可以用于北方地区的防冻。

3 地源热泵系统设计

变电站主体建筑为半地下室的二层建筑物，220kV配电装置室需铺设空调系统的有19台就地盘柜，110kV配电装置室需铺设空调系统的有31台就地盘柜，35kV配电装置室需铺设空调系统的有10台就地盘柜，二次设备室，办公及资料室，会议及休息室，其余不考虑铺设空调。设备柜发热量按300W/台考虑，并考虑余量系數1.2，则设备柜所需的总制冷量为21.6kW，二次设备室面积为110m2，冷负荷指数取150W/m2，制冷量17kW，办公及资料室制冷量4kW，会议及休息室制冷量4kW，则变电站所需总制冷量为46.6kW。地源热泵系统采用土壤源热泵系统。

3.1 管材及连接

通常来说，把换热器埋入地下以后，维修和更换都是非常困难的，基本上不可能，所以，在施工前，需要确保地下管材的质量，要求具有较好的耐腐性与稳定性。

①本变电站设计中地下管材采用聚乙烯（PE）；②管件公称压力必须要大于等于1.0MPa，而且要在-20℃～50℃的温度范围内进行工作；③关于地埋管的壁厚，要按照外径与壁厚的比约11进行选择；④要求可以对地埋管按照设计要求的长度来选择，在这中间不能存在机械接口和金属性的街头；⑤使用热熔对管材进行连接。

3.2 流体介质及回填料

①流体介质。就南方地区来说，地温相对较高，尤其在冬季，埋管进水的温度通常在零度以上，所以工作流体可以多选择水； ②回填材料。从实际测试比较，浇铸混凝土换热性能最好，因此本设计中采用浇筑混凝土作为回填材料。

3.3 系统负荷计算

①空调负荷计算及选型。变电站夏季设计总冷负荷为46.6kW，冬季设计总热负荷为39.5kW，选择WPWE200型地源热泵机组1台，本设计工况下的COP1=5.9，COP2=4.2。endprint

制冷工况条件：使用侧进/出水温度12℃/7℃，水源侧进/出水温度30℃/35℃；

制热工况条件：使用侧进/出水温度40℃，水源侧进/出水温度20℃。

换热器采用钎焊板式换热器，用户侧水流量8.43m3/h，压力损失55kPa，水源侧水流量10.32m3/h，压力损失67kPa。

②地下负荷。

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——夏季设计总冷负荷，kW；

Q2'——冬季从土壤吸收的热量，kW；

Q2——冬季设计总热负荷，kW；

COP1——设计工况下水源热泵机组的制冷系数；

COP2——设计工况下水源热泵机组的供热系数。

取夏季排放的热量进行设计计算。

3.4 地埋管设计

①确定管材及埋管管径。聚乙烯管材要使用PE63（SDR11），并联环路管径选择DN20，集管的管径分别是DN25、DN32。

②确定竖井埋管管长。一般垂直埋管为70～110W/m（井深），或35～55W/m（管长），水平埋管为20～40W/m（管长）左右。设计时可取换热能力的下限值，即35W/m（管长），双U管设计具体计算公式如下：L= Q1'/35

其中：L——竖井埋管总长，m；

Q1'——夏季向土壤排放的热量， W；

分母“35”是夏季每m管长散热量，W/m。

根据公式计算得：L=57.3*1000/35=1637m

③确定竖井数目及间距N=L/（4*H）（4）

其中：N——竖井总数，个；

L——竖井埋管总长，m；

H——竖井深度，m，国外多数采用50～100m。

使用双U型管，选取竖井深度50m，根据公式计算得：N=L/（4*H）=8.18个

圆整后取9个竖井，竖井间距取4m。

④计算地埋管压力损失。

用户侧压力损失55kPa，水源侧压力损失67kPa。所选水泵扬程为20mH2O。

4 变电站冷却降温方案的技术经济比较

变电站工程拟采用就地盘柜通风系统，对配电柜进行降温处理，在冷源选择上可以采用地下水地源热泵系统，常规分体柜式空调及土壤源地源热泵系统。现就这3种方案进行比较。

方案一：地下水地源热泵系统，就本工程来说，地下水为场地浅层地下水属潜水类型，主要受大气降水和地表水的补给，地下水埋深一般在0.15～0.80m，这部分浅层水水量及温度不恒定是不能作为热源来用的，深层水在地质资料中也没有明确，另外采集使用地下水及地表水时，要解决好回灌、污染等问题，须得到环保部分的许可及发文才能使用，所以本工程是不能采用地下水及地表水地源热泵系统。

方案二：土壤源地源热泵系统，就项目所在场地土类型为软弱场地土，打井的难度比较小，施工工艺较简单。场地土的热物理性质，目前没有准确的数值，还需要进步测试，但就常规情况分析，土壤的导热率应该是比较高的。地源热泵空调系统由于其运行费用低，节能环保，正在应用的项目非常多。本工程增加的初投资主要体现在热源井上，须打9口直径150mm的地源井，这个数量对于土壤源地源热泵系统来说数量并不大，费用完全是在可接受范围内，综合以上几点本工程适合采用土壤源地源热泵系统做为冷源。

方案三：采用常规分体柜式空调，该方案的最大优势就是初投资低，市场上各个品牌的产品较多，技术成熟可靠，但耗电量大，运行费用高，且机组后期维护费用较高，对于变配电站降温这样的工艺空调系统，一般要预留备用系统，总投资也不见得会低。

由于本工程不适合采用地下水及地表水地源热泵系统，因此对常规分体柜式空调及土壤源地源热泵系统进行全寿命周期成本分析。

4.1 全寿命周期成本分析

变电站空调全寿命周期成本计算如表1所示。

4.2 经济指标比较

就初投资和后期运行费用来看，虽然土壤源地源热泵系统初投资较常规空调系统高出28.57%，但运行费用仅为常规空调系统的64.80%，对于本项目来说，在3年之内即能收回初期投资差额。①初资产投资。地源热泵的初期投资较高，比分体空调高出28.57%。②年运行费用。由于地源热泵的能效比很高，年运行维护费用比分体空调节省35.20%。综上所述，地源热泵技术在WD变电站中的运用具有运行成本低，经济环保效益显著等特点。

5 结论

地源热泵主要是对地球储存太阳能的利用，也是利用清洁可再生能源的一种节能技术。我国发展地源热泵的优势：①能够缓解能源紧张和环境污染；②国家积极倡导地源热泵技术；③各级政府大力推广地源热泵技术；④具有良好的经济效益。在WD变电站中运用地源热泵技术，将得到显著的经济环保效益，通过LCC成本分析，虽然地源热泵系统初投资较常规空调系统高出28.57%，但全寿命周期内可节省29.66%的费用，对于本项目来说，在3年之内即能收回初期投资差额。

参考文献：

[1]李猛，董恩超，石玉森.地源热泵空调技术在超高压变电站中的应用[J].河北电力技术，2012，31（03）：7-10，42.

[2]贾素华，冯舜凯，李科文，胡君慧，张军.地源热泵在变电站中应用的若干问题[J].电力建设，2012，33（04）：16-19.

[3]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，2011，39（05）：747.endprint