基于辐射制冷超材料技术的变电站零能耗节能降耗研究与应用

陈小龙，赖江宇，梁永安

(1.广东电网有限责任公司广州供电局，广东 广州 512000；2.思创智汇(广州)科技有限公司，广东 广州 510000)

电力设备发热是变电站运行中的一大潜在威胁，如果不及时发现和处理，一旦发热严重极有可能会导致设备连接点烧断，引发大面积停电甚至火灾等事故。通过分析发现，当电力负荷变化较大、电网运行方式突变或持续高温天气时，电力设备的闸刀触头及连接点都较容易出现发热等状况[1]。当前针对变电站运行设备发热采取的多为预防措施，如：对设备温度进行监控、提高变电技术管理人员的专业水平、加强设备运行巡查力度及注重设备安装管理工作等措施，但都暂时无法有效地解决电力设备的发热问题[2]。

近年来，对辐射制冷超材料的研究很多，实现了建筑物日光下的无能耗降温[3-4]。目前辐射制冷超材料的应用主要集中在建筑物外围，在电力设备方面的降温应用还没有实现。本文对通过采用辐射制冷超材料的性能分析及测试，可为变电站设备的发热问题提供解决措施。

1 变电站运行设备发热原因及危害

变电站运行设备大部分是布置在室外，发热原因从源头分可以分为内部发热和外部发热两种。

(1)内部发热原因一般分为4种[5]：自身损耗、回路故障、外部故障、绝缘介质故障。经过分析发现，这4类内部发热原因必须从生产工艺和安装管理上进行优化才能从根本上解决，但因现有技术限制，无法完全避免内部发热，因此采用的措施还是以对设备温度监控为主。

(2)外部发热。变电站运行设备因防雷和接地需求，大部分设备都是金属外壳。这些金属箱体均布置在室外，每天都会受到太阳的暴晒，吸收了大量的太阳热量。由于箱体为密闭空间，吸收的热量不断在内部积累，导致温度不断攀升，特别是到了夏季，温度甚至高达六七十度。

变电站运行设备出现发热情况而导致设备温度升高到某个极限时，将会带来很严重的危害和后果[6-7]。因此，本文主要从外部发热入手，通过辐射制冷超材料从根源上解决这一问题。

2 辐射制冷超材料介绍

2.1 辐射制冷超材料的原理

辐射制冷超材料是一种具有零能耗制冷功能的技术。

辐射制冷超材料的净辐射制冷功率Pnet的定义：

Pnet=Prad-Psol-Patm-P(cond+conv)

(1)

式中Prad——辐射制冷超材料本身对外辐射的功率；Psol——材料吸收的太阳辐射功率，即Psol=αI,α为太阳辐射吸收率，I为太阳辐射功率；Patm——材料吸收的大气辐射功率；P(cond+conv)——材料与周围环境的导热和对流换热功率。

由式(1)可知，辐射制冷超材料若能在具有较好的光谱选择性(即Patm较小)的同时满足对太阳光的高反射率(即Psol较小)，即可实现在太阳直射情况下达到辐射制冷和降温的效果，实现真正的零能耗制冷。

2.2 辐射制冷超材料的选择

本文选用的是辐射制冷涂料。辐射制冷涂料为水性涂料，特点是：①气味小、挥发性有机化合物(Volatile Organic Compounds, 简称VOC)含量极低、涂装平滑美观、抗污能力强、耐候、色泽均匀饱满并有多款颜色可供选择；②滚涂、喷涂、刷涂均可，不受建筑物造型复杂的影响，建设周期短，节能效率高。高固含涂层增加体系耐磨性，配套使用高性能的封闭底和透明罩面效果更佳，适用于我国大部分地区，且不受气候的影响。该涂料可在混凝土、水泥砂浆基面、金属设备表面、SBS 材质表面、纺织品、石油化工储罐管线、玻璃、木材等基材上使用。厚浆型产品和特定的施工体系，可以充分隔绝水汽、酸碱、CO2等有害物质对建筑设施的侵蚀，对表面形成良好的保护。

辐射制冷涂料涂层结构见图1，自下而上分别是基材(本项目基材为水泥和金属)、专用适配底漆(封闭底或界面剂/渗透底漆)、制冷中涂、制冷面漆层、罩面层。其中，封闭底可以在抗碱的同时提高制冷中涂的附着力。制冷中涂和制冷面漆对太阳光进行反射并自身辐射能量，罩面层对其他涂层进行耐候保护。针对混凝土表面应用辐射制冷涂料，施工过程快速高效、返工率低，后期维护简单方便、易清洗，外观保持度及耐久度好。

图1 辐射制冷涂料涂层结构

整体涂层各项性能优异，具有高辐射率、高太阳光反射比和优良的耐老化性能，同时施工过程固化时间短、附着力好，施工性能极具竞争力。除此之外，辐射制冷涂料的特殊成分和结构使得施工后的表面耐脏耐腐蚀，维护成本低廉。辐射制冷涂料常规性能如表1所示，表1中的性能为典型值。辐射制冷涂料其他检测性能如表2所示。

表1 辐射制冷涂料常规性能

表2 辐射制冷涂料其他检测性能

3 辐射制冷超材料的预期效果

通过在变电站电力设备外露表面实施覆盖一层辐射制冷材料，得到预期效果如下。

(1)有效降低变电站设备箱体内部工作温度，减小日温度变化；

(2)无额外功耗降温；

(3)提高箱体设备的运行可靠性和安全性；

(4)提高变电站设备箱体设备过载的时间，缓减电网负荷压力。

4 辐射制冷涂料的施工

选取广东省广州市500 kV木棉变电站的箱体(主变公用控制柜)及建筑物(大办公室天面)作为代表进行施工。

4.1 主变公用控制柜

(1)施工应用产品：辐射制冷金属涂料。

(2)施工对象情况：尺寸为长1.4 m，宽0.7 m，高1.7 m。注意事项：柜体原漆有粉化现象，内部左下角有加热吹风防水雾系统。

(3)施工方案：在其中一个主变公用控制柜的五个外表面(除底面)均应用辐射制冷涂料实现制冷降温效果。为进行对比，选择了同样受太阳辐照强烈的主变公用控制柜作为对比柜。

(4)测试方案：测试时间为施工后3～4天；测温布点，在两个试验柜的顶部外表面中间布置一个温度测试点，如图2所示。在柜内部布置两个温度测试点(柜顶内部及离顶部距离20 cm)，如图3所示。

图2 箱体温度测点布置图

图3 箱体温度测点布置图

4.2 大办公室

(1)施工应用产品：辐射制冷屋顶涂料。

(2)施工对象情况：尺寸约为50m2(大办公室天面面积)。注意事项为天面需要预先进行基面处理。

(3)施工方案：选择主控楼二楼的大办公室作为试验组，在对应的楼顶天面应用辐射制冷涂料实现制冷降温效果，并选择同层的会议室作为对照组。

(4)测试方案：测试时间为施工后3～4天；测温布点，在两个房间分别布置1个温度测点，在顶部测点垂直位置的内表面分别布置1个温度测点，内表面温度测点做保温处理，如图4所示。

图4 建筑物温度测点布置图

5 辐射制冷涂料应用

5.1 主变公用控制箱

主变公用控制箱施工后外观如图5所示。主变公用控制箱测温仪布置如图6所示。

图5 主变公用控制箱施工后外观

图6 主变公用控制箱测温仪布置

5.2 大办公室

大办公室施工后外观如图7所示。大办公室测温仪布置如图8所示。

图7 大办公室施工后外观

图8 大办公室测温仪布置

6 温度测试数据及分析

6.1 测试时间

在主变公用控制柜和大办公室天面应用辐射制冷涂料后进行横向对比，连续监测6天(2020年10月13日至2020年10月18日)测温点数据，并记录下当天的天气状况。

6.2 测试数据

在相同外界环境条件下(位置相邻，具有相同的太阳辐射、环境温度、环境湿度、风力等)，应用涂料的主变公用控制柜与不作任何处理的空白柜进行顶部内/外表面温度以及内部空气温度对比，而天面应用涂料的大办公室与不作任何处理的会议室进行顶部内/外表面温度对比。连续6天的每日最高降温测试数据如表3所示。

6.3 数据分析

根据天气选取具有代表性的10月15日至10月16日进行温度数据分析。

6.3.1 主变公用控制箱

顶部外表面、顶部内表面与内部空气温度对比图如图9至图11所示。

图9 主变公用控制箱顶部外表面温度对比图

图10 主变公用控制箱顶部内表面温度对比图

图11 主变公用控制箱内部空气温度对比图

由图9可知，有/无涂料主变公用控制箱顶部外表面温差显示，试验主变公用控制箱比空白柜体顶部外表面温度最多降低18.6℃，白天高温时段(09:00～15:00)平均温差为8.4～11.1℃。

由图10可知，有/无涂料主变公用控制箱顶部内表面温差显示，试验主变公用控制箱比空白柜体顶部内表面温度最多降低16.1℃，白天高温时段(09:00～15:00)平均温差为8.1～9.4℃。

由图11可知，有/无涂料主变公用控制箱内部空气温度差显示，试验主变公用控制箱比空白柜体内部空气温度最多降低5.7℃，白天高温时段(09:00～15:00)平均温差为2.4℃。

本次测试期间应用涂料的试验柜顶部外/内表面比未应用的空白柜最多降低18.6℃/16.1℃，内部空气温度最大降低5.7℃。

6.3.2 大办公室

表3 测试期间主表公用控制柜最高降温数据

表4 测试期间大办公室最高降温数据

屋顶外表面、屋顶内表面温度对比图如图12至13所示。

图12 大办公室天面外表面温度对比图

图13 大办公室天面内表面温度对比图

由图12可知，有/无涂料建筑物屋顶外表面温度差显示，大办公室(试验)比会议室(空白对照)屋顶外表面温度最多降低14.5℃，白天高温时段(09:00～15:00)平均温差为6.9～9.4℃。

由图13可知，有/无涂料建筑物屋顶内表面温度差显示，大办公室(试验)比会议室(空白对照)屋顶内表面温度最多降低6℃，白天高温时段(09:00～15:00)平均温差为4℃。

本次测试期间，应用涂料的建筑物屋顶顶部外/内表面比未应用的建筑物最多降低14.5℃/6℃。

7 结语

在相同外界环境条件(放置位置相同，具有相同的太阳辐射、环境温度、环境湿度、风力等)下，通过6天连续测试外壳涂有辐射制冷涂料的主变公用控制箱、大办公室天面和不作任何处理的主变公用公控箱、会议室天面，得出如下结论。

(1)应用涂料的柜体及建筑物显著降低顶部内/外表面温度与内部空气温度。

(2)在多云天气条件下，应用涂料的试验柜比不作任何处理的空白柜顶部外表面温度最多降低11.4～18.6℃；顶部内表面温度最多降低9.8～16.1℃；柜内空气温度最多降低4.1～5.7℃。

(3)在多云天气条件下，屋顶应用涂料的大办公室比屋顶不作任何处理的会议室顶部外表面温度最多降低11.7～17.7℃；顶部内表面温度最多降低4.2～6.6℃。

通过这些结论可以得出，辐射制冷涂料对布置在室外的箱体、柜体及建筑物有着优秀的降温效果。从而提高变电站各类设备的运行可靠性和安全性；提高变电站各类设备过载的时间，缓减电网负荷压力以及提升室内员工的感官，以便降低空调使用的时长、频率及设定的温度，最后减少空调的用电能耗。