任玉成, 黄星智, 李 靖, 汪秋刚, 额热艾汗, 王 蒙

(1.石河子大学 水利建筑工程学院, 新疆 石河子 832002； 2.中国联合工程有限公司,浙江 杭州 310051)

1 引言

随着节能减排政策的推行，国家大力发展新能源市场，其中光伏发电、风电项目发展迅猛。近几年随着平地光伏和山地光伏的不断开发和扩容，适用的平地和山地资源越来越少，于是人们开始向水面光伏、海面光伏、海上风电等方向发展，而对于该类项目升压站的用电量，往往并未得到人们足够的重视。王浩[1]等人通过实际的调研，发现升压站中暖通空调的能耗约占建筑能耗的68%以上。因此，降低升压站中暖通空调的能耗对于节约能源具有十分重要的意义。

热泵系统通过消耗少量高品位能源将低温热源的热量提升至高温热源，系统能效高。根据目前空调技术的应用现状和发展前景来看，水源热泵系统的应用范围越来越广，使得建筑物空调能耗大大降低。因此，相关科技人员正在大力发挥水源热泵空调系统的优势，节能降耗，提高建筑物的品质。

本文应用实际工程案例，分析了水源热泵空调系统较传统升压站暖通空调方案在水面光伏电站能耗方面的优势，为改善升压站内室内人员热舒适性、降低升压站运行能耗、减少运营成本提供参考方案，促进实现节约能源、减少环境污染的目的。

2 传统升压站暖通空调方案

传统的升压站暖通空调方案是单元式空调机+电暖器+热水器等的方式。一般情况下，光伏发电项目升压站采用单元式空调机制冷、制热，满足人们的舒适性及设备工艺要求。在北方寒冷地区，因冬季室外温度较低，空调室外机启动困难等，采用空调取暖的方式可靠性不高，所以通常采用电暖器取暖的方式。

升压站内常年有值班人员、运营维护人员等，升压站综合楼内的热水供应方式，目前少部分是采用屋顶太阳能热水器，以供应洗浴等热水，但由于水量及用水时间等限制，导致很难得到充分的保障。因此，为可靠起见，通常采用电热水器提供洗浴等所需热水。

传统的升压站暖通空调方案具有以下几个方面的优势：(1)使用灵活方便，可随时开关设备；(2)设备运行独立性强，互不影响；(3)施工和安装方便。通过调研与分析，传统的升压站暖通空调方案仍然存在以下几个方面的不足：(1)设备较多，占用室内空间；(2)设备故障率较高，需要经常进行维修；(3)冬季供暖系统不稳定，室内温度波动大，热舒适性较差；(4)耗电量大，运行成本高。

3 水源热泵空调系统在水面光伏升压站中的应用

水源热泵是充分利用地表水、地下水以及土壤等地热资源，将低品位的热量进行回收利用，可向用户提供冷量和热量的一种高效的空调设备。

地下水式机组工作原理：

(1)开式地下水(打井)换热方式。采用在地下打若干抽水井和回灌井，利用地下水水温较为稳定等优点[2]，同时是有利用价值的低位热源，将地下水抽取通过板式换热器与室内循环部分进行间接换热，换热后回灌至回水井内，无水资源污染和浪费的情况产生。

(2)开式地表水(直接抽取)换热方式。对于项目附近的地表水资源丰富的地区，若水温、水质、水量符合使用的要求，那么可以直接抽取地表水来进行换热。室外循环部分与室内循环部分通过板式换热器来实现间接的换热过程，这样可以避免对地表水造成污染[3]。同时由于地表水可直接抽取和回灌，省去了打井的成本，降低了施工初投资费用。

水源热泵以节约水资源、节约用地、安装方便、功能齐全、运行和维护简单、运行费用低等诸多优点而广受欢迎[4]。该系统具有一机多能的功效，不仅大大节约了空调设备占地面积，而且节省了安装、运行维护等方面的费用。

水源热泵系统基于逆卡诺循环原理，水源热泵主机主要由压缩机、蒸发器、冷凝器和膨胀阀四部分组成，冬季制热、夏季制冷的切换通过机组内部的四通换向阀的切换来实现。水源热泵系统原理见图1。

图1 水源热泵系统原理图

水源热泵系统通过机房内部控制，可以实现冬季制热、夏季制冷的目的[5]，此外还可以根据用户需要提供生活热水。夏季通过水源热泵机组向空调房间的风机盘管提供冷冻水制冷，冬季由水源热泵机组向风机盘管提供热水采暖。室内部分则通过风机盘管与室内的空气进行热量或冷量的交换，实现室内温度升高或降低的目的，进而满足人们热舒适性以及设备运行环境的要求[6]。采用水源热泵系统仍然可以实现每个房间、每台室内机独立运行，互不干扰，以减少不必要的能源浪费。

采用水源热泵方案可以弥补传统的升压站暖通空调方案存在的不足，采用清洁的可再生能源，以水为载体，吸收或向其释放热量，对环境不会造成污染。有研究表明，水源热泵方案耗电量非常低，与空气源热泵相比相当于减少30%以上，与电供暖相比相当于减少70%以上[7]。此外，水源热泵方案设备运行稳定，室内热舒适性高，且不存在空气源热泵的冬季除霜等问题。

4 水源热泵空调系统在水面光伏升压站中的经济性分析

本文以北方某地区水面光伏电站为研究对象，将水源热泵方案作为方案一，空调+电暖器+电热水器方案作为方案二，针对两种方式从初投资和年运行费用的角度进行经济性分析和比较。

根据本工程设计特点，本升压站所需空调房间类型主要有：主控室、办公室、倒班室、会议室、站长室、资料室、餐厅、二次设备室等。

方案一中，主要设备有室内的风机盘管和空调机房的冷冻水循环水泵、水源热泵机组、室外循环水泵等。由于本工程附近有可以直接利用的湖泊，可以采取开式地表水(直接抽取)换热方式，因此不需要打井，节约了打井所需的费用。方案二中，主要设备有各房间的单元式空调机、电暖器、电热水器等。

对于方案一，根据负荷计算，总冷负荷约为78.16 kW，考虑到同时使用系数，选用LSHP72型号的水源热泵机组即可满足要求。

方案一中室外水源热泵机组参数见表1。

表1 方案一室外水源热泵机组参数单位：kW

方案一中各空调房间的室内风机盘管选型见表2。

表2 方案一室内风机盘管选型

对于方案二，通过计算，所选主要设备及参数见表3。

表3 方案二主要设备及参数

限于篇幅，其余设备在此不一一列出。

根据本工程实际投资情况，结合当地设备、材料、人工、机械等费用，参考有关的计算方式[8]，将方案一与方案二在初投资费用方面进行比较，结果见表4。

表4 各方案初投资单位：元

根据该项目所处地的用电政策，电价按照0.6元/kWh计算，在全年运行中，夏季供冷运行期为120 d，冬季供热运行期为120 d，平均每天运行为6 h，将方案一与方案二在年运行费用方面进行比较，结果见表5。

表5 各方案运行费用单位：元

从初投资角度看，方案一的投资较方案二高17 000元，约9.77%，但从年运行费用角度看，方案一却比方案二每年低50 623元，约为方案二年运行费用的48.8%。从投资回收期角度计算，方案一仅需约4个月的时间即可将高出的投资费用弥补。理论上，以后每年方案一都比方案二运行费低50 623元，效益可观。

5 结语

对于水面光伏、海面光伏、海上风电等水资源丰富的地区的升压站，空调方案建议采用水源热泵方案，可以大大节约能源，节省运行费用，为企业带来更大的经济效益。