任玉成, 黃星智, 李 靖, 汪秋剛, 額熱艾汗, 王 蒙

(1.石河子大學(xué) 水利建筑工程學(xué)院, 新疆 石河子 832002； 2.中國聯(lián)合工程有限公司,浙江 杭州 310051)

1 引言

隨著節(jié)能減排政策的推行，國家大力發(fā)展新能源市場，其中光伏發(fā)電、風(fēng)電項目發(fā)展迅猛。近幾年隨著平地光伏和山地光伏的不斷開發(fā)和擴(kuò)容，適用的平地和山地資源越來越少，于是人們開始向水面光伏、海面光伏、海上風(fēng)電等方向發(fā)展，而對于該類項目升壓站的用電量，往往并未得到人們足夠的重視。王浩[1]等人通過實際的調(diào)研，發(fā)現(xiàn)升壓站中暖通空調(diào)的能耗約占建筑能耗的68%以上。因此，降低升壓站中暖通空調(diào)的能耗對于節(jié)約能源具有十分重要的意義。

熱泵系統(tǒng)通過消耗少量高品位能源將低溫?zé)嵩吹臒崃刻嵘粮邷責(zé)嵩矗到y(tǒng)能效高。根據(jù)目前空調(diào)技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀和發(fā)展前景來看，水源熱泵系統(tǒng)的應(yīng)用范圍越來越廣，使得建筑物空調(diào)能耗大大降低。因此，相關(guān)科技人員正在大力發(fā)揮水源熱泵空調(diào)系統(tǒng)的優(yōu)勢，節(jié)能降耗，提高建筑物的品質(zhì)。

本文應(yīng)用實際工程案例，分析了水源熱泵空調(diào)系統(tǒng)較傳統(tǒng)升壓站暖通空調(diào)方案在水面光伏電站能耗方面的優(yōu)勢，為改善升壓站內(nèi)室內(nèi)人員熱舒適性、降低升壓站運(yùn)行能耗、減少運(yùn)營成本提供參考方案，促進(jìn)實現(xiàn)節(jié)約能源、減少環(huán)境污染的目的。

2 傳統(tǒng)升壓站暖通空調(diào)方案

傳統(tǒng)的升壓站暖通空調(diào)方案是單元式空調(diào)機(jī)+電暖器+熱水器等的方式。一般情況下，光伏發(fā)電項目升壓站采用單元式空調(diào)機(jī)制冷、制熱，滿足人們的舒適性及設(shè)備工藝要求。在北方寒冷地區(qū)，因冬季室外溫度較低，空調(diào)室外機(jī)啟動困難等，采用空調(diào)取暖的方式可靠性不高，所以通常采用電暖器取暖的方式。

升壓站內(nèi)常年有值班人員、運(yùn)營維護(hù)人員等，升壓站綜合樓內(nèi)的熱水供應(yīng)方式，目前少部分是采用屋頂太陽能熱水器，以供應(yīng)洗浴等熱水，但由于水量及用水時間等限制，導(dǎo)致很難得到充分的保障。因此，為可靠起見，通常采用電熱水器提供洗浴等所需熱水。

傳統(tǒng)的升壓站暖通空調(diào)方案具有以下幾個方面的優(yōu)勢：(1)使用靈活方便，可隨時開關(guān)設(shè)備；(2)設(shè)備運(yùn)行獨(dú)立性強(qiáng)，互不影響；(3)施工和安裝方便。通過調(diào)研與分析，傳統(tǒng)的升壓站暖通空調(diào)方案仍然存在以下幾個方面的不足：(1)設(shè)備較多，占用室內(nèi)空間；(2)設(shè)備故障率較高，需要經(jīng)常進(jìn)行維修；(3)冬季供暖系統(tǒng)不穩(wěn)定，室內(nèi)溫度波動大，熱舒適性較差；(4)耗電量大，運(yùn)行成本高。

3 水源熱泵空調(diào)系統(tǒng)在水面光伏升壓站中的應(yīng)用

水源熱泵是充分利用地表水、地下水以及土壤等地?zé)豳Y源，將低品位的熱量進(jìn)行回收利用，可向用戶提供冷量和熱量的一種高效的空調(diào)設(shè)備。

地下水式機(jī)組工作原理：

(1)開式地下水(打井)換熱方式。采用在地下打若干抽水井和回灌井，利用地下水水溫較為穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)[2]，同時是有利用價值的低位熱源，將地下水抽取通過板式換熱器與室內(nèi)循環(huán)部分進(jìn)行間接換熱，換熱后回灌至回水井內(nèi)，無水資源污染和浪費(fèi)的情況產(chǎn)生。

(2)開式地表水(直接抽取)換熱方式。對于項目附近的地表水資源豐富的地區(qū)，若水溫、水質(zhì)、水量符合使用的要求，那么可以直接抽取地表水來進(jìn)行換熱。室外循環(huán)部分與室內(nèi)循環(huán)部分通過板式換熱器來實現(xiàn)間接的換熱過程，這樣可以避免對地表水造成污染[3]。同時由于地表水可直接抽取和回灌，省去了打井的成本，降低了施工初投資費(fèi)用。

水源熱泵以節(jié)約水資源、節(jié)約用地、安裝方便、功能齊全、運(yùn)行和維護(hù)簡單、運(yùn)行費(fèi)用低等諸多優(yōu)點(diǎn)而廣受歡迎[4]。該系統(tǒng)具有一機(jī)多能的功效，不僅大大節(jié)約了空調(diào)設(shè)備占地面積，而且節(jié)省了安裝、運(yùn)行維護(hù)等方面的費(fèi)用。

水源熱泵系統(tǒng)基于逆卡諾循環(huán)原理，水源熱泵主機(jī)主要由壓縮機(jī)、蒸發(fā)器、冷凝器和膨脹閥四部分組成，冬季制熱、夏季制冷的切換通過機(jī)組內(nèi)部的四通換向閥的切換來實現(xiàn)。水源熱泵系統(tǒng)原理見圖1。

圖1 水源熱泵系統(tǒng)原理圖

水源熱泵系統(tǒng)通過機(jī)房內(nèi)部控制，可以實現(xiàn)冬季制熱、夏季制冷的目的[5]，此外還可以根據(jù)用戶需要提供生活熱水。夏季通過水源熱泵機(jī)組向空調(diào)房間的風(fēng)機(jī)盤管提供冷凍水制冷，冬季由水源熱泵機(jī)組向風(fēng)機(jī)盤管提供熱水采暖。室內(nèi)部分則通過風(fēng)機(jī)盤管與室內(nèi)的空氣進(jìn)行熱量或冷量的交換，實現(xiàn)室內(nèi)溫度升高或降低的目的，進(jìn)而滿足人們熱舒適性以及設(shè)備運(yùn)行環(huán)境的要求[6]。采用水源熱泵系統(tǒng)仍然可以實現(xiàn)每個房間、每臺室內(nèi)機(jī)獨(dú)立運(yùn)行，互不干擾，以減少不必要的能源浪費(fèi)。

采用水源熱泵方案可以彌補(bǔ)傳統(tǒng)的升壓站暖通空調(diào)方案存在的不足，采用清潔的可再生能源，以水為載體，吸收或向其釋放熱量，對環(huán)境不會造成污染。有研究表明，水源熱泵方案耗電量非常低，與空氣源熱泵相比相當(dāng)于減少30%以上，與電供暖相比相當(dāng)于減少70%以上[7]。此外，水源熱泵方案設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定，室內(nèi)熱舒適性高，且不存在空氣源熱泵的冬季除霜等問題。

4 水源熱泵空調(diào)系統(tǒng)在水面光伏升壓站中的經(jīng)濟(jì)性分析

本文以北方某地區(qū)水面光伏電站為研究對象，將水源熱泵方案作為方案一，空調(diào)+電暖器+電熱水器方案作為方案二，針對兩種方式從初投資和年運(yùn)行費(fèi)用的角度進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性分析和比較。

根據(jù)本工程設(shè)計特點(diǎn)，本升壓站所需空調(diào)房間類型主要有：主控室、辦公室、倒班室、會議室、站長室、資料室、餐廳、二次設(shè)備室等。

方案一中，主要設(shè)備有室內(nèi)的風(fēng)機(jī)盤管和空調(diào)機(jī)房的冷凍水循環(huán)水泵、水源熱泵機(jī)組、室外循環(huán)水泵等。由于本工程附近有可以直接利用的湖泊，可以采取開式地表水(直接抽取)換熱方式，因此不需要打井，節(jié)約了打井所需的費(fèi)用。方案二中，主要設(shè)備有各房間的單元式空調(diào)機(jī)、電暖器、電熱水器等。

對于方案一，根據(jù)負(fù)荷計算，總冷負(fù)荷約為78.16 kW，考慮到同時使用系數(shù)，選用LSHP72型號的水源熱泵機(jī)組即可滿足要求。

方案一中室外水源熱泵機(jī)組參數(shù)見表1。

表1 方案一室外水源熱泵機(jī)組參數(shù)單位：kW

方案一中各空調(diào)房間的室內(nèi)風(fēng)機(jī)盤管選型見表2。

表2 方案一室內(nèi)風(fēng)機(jī)盤管選型

對于方案二，通過計算，所選主要設(shè)備及參數(shù)見表3。

表3 方案二主要設(shè)備及參數(shù)

限于篇幅，其余設(shè)備在此不一一列出。

根據(jù)本工程實際投資情況，結(jié)合當(dāng)?shù)卦O(shè)備、材料、人工、機(jī)械等費(fèi)用，參考有關(guān)的計算方式[8]，將方案一與方案二在初投資費(fèi)用方面進(jìn)行比較，結(jié)果見表4。

表4 各方案初投資單位：元

根據(jù)該項目所處地的用電政策，電價按照0.6元/kWh計算，在全年運(yùn)行中，夏季供冷運(yùn)行期為120 d，冬季供熱運(yùn)行期為120 d，平均每天運(yùn)行為6 h，將方案一與方案二在年運(yùn)行費(fèi)用方面進(jìn)行比較，結(jié)果見表5。

表5 各方案運(yùn)行費(fèi)用單位：元

從初投資角度看，方案一的投資較方案二高17 000元，約9.77%，但從年運(yùn)行費(fèi)用角度看，方案一卻比方案二每年低50 623元，約為方案二年運(yùn)行費(fèi)用的48.8%。從投資回收期角度計算，方案一僅需約4個月的時間即可將高出的投資費(fèi)用彌補(bǔ)。理論上，以后每年方案一都比方案二運(yùn)行費(fèi)低50 623元，效益可觀。

5 結(jié)語

對于水面光伏、海面光伏、海上風(fēng)電等水資源豐富的地區(qū)的升壓站，空調(diào)方案建議采用水源熱泵方案，可以大大節(jié)約能源，節(jié)省運(yùn)行費(fèi)用，為企業(yè)帶來更大的經(jīng)濟(jì)效益。