风电场升压站供暖方案比选

许鹏远

(东北电力设计院，长春 130021)

随着可再生清洁能源风力发电的迅速发展，风电场升压站内多元化的供暖方式也越来越多地引起人们的关注。风电场升压站均位于距城镇较远的地区，远离城市集中热源，需要独立的区域供热。近年来风力发电项目在我国能源发电中所占的比例正逐年提高，风电场升压站内的供暖方式也越来越受到关注。位于我国三北地区已建成的风电场升压站中，绝大多数采用电加热供暖，运行期间升压站中电加热供暖的站用电负荷偏高，导致厂用电率高和站用变压器容量大，从而增加了投资和运行成本。

随着节能减排目标和风电场管理运行自动化程度的不断提高，对升压站内的供暖方案也提出了新的要求，在保证环保和建筑物供暖要求的前提下，降低供暖系统的投资和运行费用即成为系统优化的主要目的。本文主要从经济性角度，对几种常用的供暖方式进行分析评价，为风电场升压站内供暖方案的选择提供参考依据。

1 升压站供暖方式

风电场升压站内主要包括生产生活综合楼、配电装置室、水泵房及库房等需要供暖的建筑物。

目前升压站常用的供暖热源设备有:燃煤(油)锅炉、地源热泵、电加热等。其中燃煤(油)锅炉是很成熟的供暖热源形式，其运行费用较低，但由于其产生的煤灰或烟气中硫化物和氮氧化物对大气污染较大，不符合国家绿色环保工程和风力发电项目节能减排的发展宗旨，且燃煤(油)锅炉供暖系统的自动化程度较低，新建工程中已很少采用，因此，不以燃煤(油)锅炉作为风电场升压站供暖的热源进行方案比选。

地源热泵是一种利用浅层地热资源既可供热又可制冷的高效节能空调设备。热泵技术是利用制冷剂的相变过程从低温物质中吸收热量释放给高温物质，完成热量的转移过程，因此热泵机组可实现对建筑的供热与制冷。地能分别在冬季作为热泵供热的热源和夏季作为热泵制冷的冷源，即在冬季，当机组在制热模式时，从浅层地能中吸收热量，通过压缩机和热交换器将热量集中，并以较高的温度释放到室内。在夏季，当机组在制冷模式时，从浅层地层中提取冷量，通过压缩机和热交换器将冷量集中，送入室内，同时将室内的热量排放到地下，达到制冷的目的［1］。地源热泵系统分为地埋管地源热泵系统、地下水地源热泵系统和地表水地源热泵系统。后两者水源热泵系统对工程所在地的水文地质条件要求较高，受地下水资源的限制;而地埋管地源热泵系统的地域应用范围广，基本不受地下水文条件和政策的限制，不污染地下水，升压站的站前区和绿化草坪等地下土层均可以作为地埋管场地，地埋管地源热泵系统适用于大多数风电场升压站内的供暖空调应用，所以采用地埋管地源热泵系统进行方案比选分析。

电加热供暖主要是指电锅炉、电暖器和低温辐射电热供暖。电热锅炉热水供暖系统和电暖器供暖都是供暖系统中常用的供暖方式，不做过多介绍。低温辐射电热供暖是近几年新兴的供暖方式，分为发热电缆和电热膜。发热电缆和电热膜长时间运行容易老化，最大弊端是维修困难，如果发热元件损坏，维修则要破坏装修面层，因此在使用上有局限，目前只在少数建筑中采用。

通过对国内已投产项目的调研，电加热供暖普遍具有安装方便、操作简单的特点，可以通过温控设备实现每个房间温度的独立控制，便于分时段独立运行，但运行电能耗高。地源热泵供暖空调系统，运行期间用电能耗较低，但由于岩土类型和热物性参数复杂，钻孔和地埋管换热器数量多，导致初投资费用偏高。随着热源设备和配套设施生产工艺的不断改进，上述几种供暖方式在技术应用方面都可以满足升压站内供暖的使用要求。

2 不同方案的技术经济比较

地源热泵系统可以实现冬季供热与夏季制冷的双重功能，为了准确全面地在冬冷夏热地区进行升压站供暖方案的比选，根据建筑物的供暖空调要求，将电加热供暖等只能在冬季提供热源的供暖方式与夏季单冷空调系统进行组合分析。

2.1 供暖空调的负荷统计

按常规风电场的规模和布置方案，选取吉林省某400 MW风电场的升压站作为供暖方案比选的研究案例。该风电场位于吉林省通榆县瞻榆镇境内，所在地的年平均气温5.3℃，176天日平均温度不大于5℃。升压站内需要供暖的建筑物有2座，生产生活综合楼为二层建筑，建筑面积为2300 m2;水泵房及库房为单层建筑，建筑面积为380 m2，建筑总面积2680 m2。按冬季供暖和夏季空调2个阶段的负荷统计［2］，供暖时间176天，空调利用时间1080 h，供暖热负荷合计240 kW，空调冷负荷合计253 kW。继电保护室和配电装置室等电气设备运行的房间内，不得布置有压力水管的散热器和空调等设备，故不计入本方案比选的负荷统计。

2.2 费用年值计算

费用年值法因概念明确，计算方法通用简便，在实际工程中得到了广泛的应用。费用年值法就是对参与比较的各个方案的初投资和运行费用这2项性质不同的费用，利用投资效果系数这个折算比率，将初投资折算成与运行费用类似的费用，然后与运行费用相加，算出一个费用年值，从而取费用年值最小的技术方案作为最佳方案。采用费用年值法进行设备投资方案的经济比较，将设备初投资等额分摊到设备使用年限中。费用年值法的计算公式为［3］:

式中:CI为按动态法计算的费用年值;C0为设备初期投资;i为标准年利率，取8%;C为设备每年的运行费用(包括电费、运行维护费等);n为设备的使用寿命年限。

由于要比较的各种方案其初投资所包括的项目很多，设备本体、辅助设备、供暖空调设备等的使用年限各不相同，折算到每年的费用也不相同。对比方案中，虽然设备使用寿命不同，但采用费用年值的计算方法，不论各方案的使用寿命为多少年，只要将各方案的现金流量都折算成年值，无论使用寿命相同或不同，都可以在共同的时段“年度”内进行比较，给方案评价带来了很大方便。对比费用年值计算结果的高低，从成本的角度进行经济比较，从而判断不同方案的优劣。该升压站各供暖空调制冷的费用年值计算结果见表1。电锅炉和电暖器按冬季供暖每天运行16 h计算;地源热泵按冬季制热每天运行16 h，夏季制冷每天运行12 h计算;分体空调按夏季制冷每天运行8 h计算。方案分析时根据热源设备的不同，进行冬季供暖与夏季空调的年度方案组合。

表1 供暖及制冷方式的投资统计

2.3 差额投资回收期计算

差额投资回收期是指在不计利息的条件下，用投资额大的方案比投资额小的方案所节约的经营成本，来回收其差额投资所需的期限。

差额投资回收期的计算公式为:

式中:N为逐年回收投资增加所需要的年限;K1为投资额小方案的初投资费用;K2为投资额大方案的初投资费用;C1为投资额小方案的运行费用(包括电费、运行维护费等);C2为投资额大方案的运行费用。

通过表1对3种组合方案进行了分析，组合方案1为电锅炉供暖+分体空调制冷方式，组合方案2为地源热泵供暖、制冷方式，组合方案3为电暖器供暖+分体空调制冷方式。组合方案2地源热泵的费用年值最低，但初投资费用最高。从工程投资差额回收期的角度进行分析，3种组合方案的工程投资之间的差额，可通过节省的年运行费用来计算投资回收期，地源热泵系统相对于其他2种组合方案的差额投资回收期见表2。

表2 地源热泵系统的差额投资回收期

2.4 典型工程的经济比较结果

针对表1的数据分析可见，升压站内冬季供暖和夏季空调的方案进行组合，电锅炉与分体空调的方案费用年值最高，合计为70万元/年;电暖器与分体空调的方案次之，合计为59万元/年;地源热泵系统的供暖空调方案费用年值最低，为45万元/年。

该升压站的供暖方案中，地源热泵系统的初始工程投资最高，相比其它方案所高出的工程投资部分，可以通过节省的年运行费用来收回，收回期限仅为2.2 ～3.6 年。

3 结论及建议

从费用年值的角度进行经济比较，地源热泵系统为费用年值最低的方案，在目前的能源价格下有明显的经济优势。在我国北方风电场的升压站中，需要同时解决冬季供热和夏季制冷，应优先采用地埋管地源热泵系统。但在无人值守或少人值班的智能化升压站中，建筑物少且以电气设备运行房间为主，宜采用冬季用电暖器和夏季用分体分调的方案。

节能和环保已成为当今世界工程项目所必须努力实现的目标。随着风力发电、光伏发电等新能源项目的日益增多，升压站内建筑供暖空调的能源消耗也越来越多，地源热泵供热空调技术的应用和推广，是节能环保的有效手段。

［1］陆耀庆.实用供热空调设计手册(第2版)［M］.北京:中国建筑工业出版社，2007.

［2］GB 50736—2012，民用建筑供暖通风与空气调节设计规范［S］.

［3］刘长滨.建筑工程技术经济学［M］.北京:中国建筑工业出版社，1999.