裴元杰， 李天一， 李 磊

(中國建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司，北京100044)

0 引言

電采暖作為清潔能源的采暖形式，可以緩解燃煤、燃?xì)獠膳问皆斐傻奈廴?，在政府和供電部門峰谷電價(jià)、新能源優(yōu)惠電價(jià)等鼓勵(lì)措施下，已在國內(nèi)采暖市場占有一席之地。

一般住宅類項(xiàng)目采用傳統(tǒng)電鍋爐、戶內(nèi)電采暖爐、傳統(tǒng)電熱膜等作為熱源，電氣工程師在進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)都需要單獨(dú)為電能熱源增加電量預(yù)估，相對于采用傳統(tǒng)市政熱源或燃?xì)忮仩t房熱源的項(xiàng)目，單位面積用電量和總用電量均有所增加，因此造成建設(shè)成本上升、變電所容量和面積加大等，但限制傳統(tǒng)電采暖技術(shù)應(yīng)用的更大一部分原因，在于供電公司可提供的負(fù)荷總量限制。一般供電公司在前期規(guī)劃設(shè)置開閉站位置及負(fù)載時(shí)，往往會按照傳統(tǒng)住宅用電預(yù)估，限制每個(gè)住宅地塊的總用電量。若區(qū)域內(nèi)相鄰幾處住宅地塊同時(shí)采用傳統(tǒng)電采暖形式，會面臨供電公司無法滿足負(fù)荷的情況。為解決此類情況的發(fā)生，本文中所列小區(qū)采用了無增容智能電供暖系統(tǒng)。該系統(tǒng)可以幫助業(yè)主在不增加總用電量的情況下，使用電采暖系統(tǒng)。

本文總結(jié)目前市場上主流電采暖方式，并結(jié)合某小區(qū)實(shí)際工程設(shè)計(jì)案例，對電采暖供暖季居民銷售價(jià)格計(jì)算、無增容智能控制系統(tǒng)的應(yīng)用、電采暖用電量單獨(dú)計(jì)量優(yōu)化設(shè)計(jì)等方面的全過程設(shè)計(jì)進(jìn)行闡述，為初次參與此類供暖形式的電氣設(shè)計(jì)人員提供設(shè)計(jì)參考。

1 電采暖的種類

市場上主流的電采暖設(shè)備一般分為以下幾種。(1)集中式電采暖

電鍋爐:分為普通電鍋爐和蓄熱電鍋爐，蓄熱型可利用峰谷電價(jià)進(jìn)行夜間儲能。戶內(nèi)類同于傳統(tǒng)集中燃?xì)忮仩t供暖模式，末端一般仍搭配傳統(tǒng)散熱器。

(2)分散式電采暖

1)獨(dú)立電采暖爐:安裝在戶內(nèi)，作為各房間散熱器的熱源。

2)電暖器:有普通型和蓄熱型電暖器，其中蓄熱型可實(shí)現(xiàn)谷間存儲熱能。

3)發(fā)熱電纜/電熱膜:熱源即為通電后的電纜/電熱膜，可利用其覆蓋層和建筑本體進(jìn)行蓄熱，實(shí)現(xiàn)谷間存儲熱能。其中，發(fā)熱電纜可分為碳纖維發(fā)熱電纜、合金發(fā)熱電纜、自限溫發(fā)熱電纜等。

本文展示的張家口市懷來縣某住宅小區(qū)實(shí)際工程設(shè)計(jì)案例，采用無增容智能電采暖系統(tǒng)，該項(xiàng)目發(fā)熱導(dǎo)體采用碳纖維發(fā)熱電纜。

2 電采暖供暖季居民銷售價(jià)格的計(jì)算

在建設(shè)初期，甲方選擇采暖形式的過程中，必然會考慮到銷售時(shí)期對業(yè)主的吸引力，其中，供暖銷售價(jià)格(居民采暖成本)是重要因素。以下為該項(xiàng)目采用電采暖形式的電費(fèi)前期計(jì)算結(jié)果。

項(xiàng)目位于河北省張家口市懷來縣，項(xiàng)目組均為大于14層的高層住宅，居民基礎(chǔ)電價(jià)0.52元/kWh，峰電 0.57元/kWh，谷電0.31元/kWh。

根據(jù)JGJ 26-2010《嚴(yán)寒和寒冷地區(qū)居住建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》查證，河北省張家口市懷來縣屬于Ⅱ(A)氣候區(qū)屬，采暖天數(shù)143天，冬季室外平均氣溫-1.8℃。

嚴(yán)寒和寒冷地區(qū)主要城市的建筑物耗熱量指標(biāo)詳見表1(根據(jù)JGJ 26-2010《嚴(yán)寒和寒冷地區(qū)居住建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》)。

嚴(yán)寒和寒冷地區(qū)幾個(gè)主要城市的建筑物耗熱量指標(biāo) 表1

由于發(fā)熱電纜等末端熱源類材料的電能至熱能轉(zhuǎn)化率接近100%，故可按表1指標(biāo)直接核算電量。

(1)≥14層住宅每平米耗電量:13.5(W/m2)÷1000(單位換算)×24(h)×143(天)＝ 46.33kWh/m2(供暖季)。

(2)≥14層住宅建筑面積每平米費(fèi)用為:46.33 kWh/m2年×0.52元/kWh＝24.10元/m2(0.52元/kWh峰電價(jià))，46.33 kWh/m2年×0.31元/kWh＝14.36元/m2(0.31元/kWh谷電價(jià))。

采用谷電蓄熱技術(shù)，通過覆蓋層和建筑本體蓄熱把夜間谷期電能轉(zhuǎn)化成易存儲的熱能，谷間用電比例可達(dá)到 90%，故作修正:24.1×10%(10%峰電)＋14.4×90%(90%谷電)＝15.37元/m2(采暖季)。

經(jīng)調(diào)查，該地居民市政熱力銷售價(jià)格5.91元/m2月，供電公司優(yōu)惠每戶居民減500元，按每戶100m2預(yù)估，合23.2元/m2(采暖季)。

經(jīng)對比，該電采暖方式價(jià)格相對市政采暖，具有競爭力。

3 無增容智能電采暖系統(tǒng)的系統(tǒng)原理

無增容智能電采暖系統(tǒng)主要由電力功率定量器(ISE-9061)、網(wǎng)絡(luò)數(shù)字溫控器(ISE-808H)、后臺服務(wù)器及相關(guān)軟件構(gòu)成，能夠?qū)崿F(xiàn)在滿足原有生活用電的電氣設(shè)計(jì)功率的情況下，無需額外增加電力容量即可實(shí)現(xiàn)安全穩(wěn)定運(yùn)行電熱采暖。具體原理如下。

(1)調(diào)配基礎(chǔ):生活用電屬不可中斷負(fù)荷(中斷后即無法使用)，需優(yōu)先保證；相對應(yīng)的采暖用電，屬可中斷負(fù)荷(短時(shí)間中斷，不影響采暖效果)。

(2)調(diào)配空間:1)長時(shí)間啟動的生活用電設(shè)備(比如電燈、電腦等)功率都比較小，對家庭用電幾乎不造成沖擊，大功率電器(電磁爐、微波爐、電吹風(fēng)等)雖影響較大，但工作時(shí)間很短。2)不同房間之間的電采暖設(shè)備長期處于間斷/不連續(xù)加熱狀態(tài)，平均每天工作時(shí)間4～6h，相當(dāng)于有18～20h的時(shí)間是不加熱的。

(3)調(diào)配原理:無增容智能控制系統(tǒng)巧妙利用上述調(diào)配空間，實(shí)時(shí)動態(tài)監(jiān)測戶內(nèi)用電總功率的變化，當(dāng)微波爐、熱水壺、電飯煲等大功率用電設(shè)備啟動時(shí)，該系統(tǒng)能夠及時(shí)檢測到家庭用電功率變化，會根據(jù)需要暫時(shí)中斷衛(wèi)生間、廚房等優(yōu)先等級較低的供暖回路，待生活用電負(fù)荷有富余時(shí)，再根據(jù)需要啟動之前暫時(shí)關(guān)停的電采暖回路。系統(tǒng)按照預(yù)設(shè)的優(yōu)先等級順序自動交替啟動電采暖，使用戶電力負(fù)荷始終保持在安全范圍內(nèi)，保證生活和采暖用電之間以及各房間采暖用電之間不發(fā)生沖突，實(shí)現(xiàn)在現(xiàn)有滿足正常生活用電的前提下無需為電采暖額外增容。一般來講，夏季用電負(fù)荷大于冬季，白天用電負(fù)荷大于夜間，該系統(tǒng)利用冬季夜間的谷期電(俗稱“垃圾電”)突破了電采暖大面積使用的電力增容瓶頸。

電氣工程師設(shè)計(jì)時(shí)只需根據(jù)每戶生活用電需求，按照傳統(tǒng)戶箱用電量進(jìn)行負(fù)荷計(jì)算，電采暖無增容智能控制系統(tǒng)此部分在云平臺計(jì)算時(shí)，可通過綜合計(jì)算大數(shù)據(jù)，遠(yuǎn)程調(diào)配各戶、各單元、各樓座甚至相鄰幾個(gè)地塊的電采暖負(fù)荷即時(shí)運(yùn)行情況，在滿足用戶的采暖需求情況下，保證系統(tǒng)范圍內(nèi)的用電質(zhì)量和安全。

4 本項(xiàng)目無增容智能電采暖系統(tǒng)的配電設(shè)計(jì)

4.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

以本工程為例，該項(xiàng)目上級電源來自區(qū)域中心變電站，電力公司抄表數(shù)據(jù)僅在中心變電站取得即可。即物業(yè)公司收取業(yè)主電費(fèi)后，統(tǒng)一匯總按總表數(shù)據(jù)交給電力公司。

根據(jù)《低溫敷設(shè)電熱膜供暖系統(tǒng)工程應(yīng)用技術(shù)指南》“4.4.3電熱膜供暖配電系統(tǒng)宜設(shè)置獨(dú)立配電箱，與照明、插座配電系統(tǒng)分開計(jì)量”，甲方同意設(shè)計(jì)人員在每戶內(nèi)設(shè)置兩個(gè)強(qiáng)電箱，分為生活用電箱和電采暖用電箱。考慮到樓盤定位、銷售策略、就近樓盤電采暖使用情況等因素，開發(fā)商決定為業(yè)主單獨(dú)提供電采暖的使用電量以便明確其優(yōu)惠的采暖政策，同時(shí)推廣清潔能源和高科技住宅等理念吸引客戶投資，故決定采用無增容智能控制系統(tǒng)，同時(shí)要求在電井內(nèi)為每戶設(shè)置兩個(gè)電表，將生活用電和電采暖用電數(shù)據(jù)分別采集匯總到物業(yè)處。

圖1所示為該項(xiàng)目某層電井表箱AW1及戶內(nèi)電采暖箱的配電箱系統(tǒng)圖。由于生活用電配電箱與其他項(xiàng)目無不同之處，本文則不再表述。無增容智能控制系統(tǒng)通過功率定量器采集每一路戶內(nèi)生活用電箱及戶內(nèi)電采暖箱回路的用電功率參數(shù)，同時(shí)采集用戶通過溫控器設(shè)定的戶內(nèi)溫度要求，通過GPRS模塊(租用運(yùn)營商服務(wù))上傳至云端服務(wù)器進(jìn)行戶內(nèi)、整樓乃至地塊的總用電負(fù)荷計(jì)算，之后遠(yuǎn)程通過功率定量器控制戶內(nèi)溫控器中的繼電器，從而控制每個(gè)房間和客廳的發(fā)熱電纜通斷電。

圖1 某層表箱及戶內(nèi)電采暖箱系統(tǒng)圖

本工程特殊之處在于，廠家原有產(chǎn)品為內(nèi)置三路線圈的功率定量器，該產(chǎn)品只能測量每戶的總用電量。若按現(xiàn)有產(chǎn)品后期進(jìn)行設(shè)計(jì)，需在層配電箱內(nèi)多加兩級斷路器用于實(shí)現(xiàn)生活用電和電采暖用電的分別計(jì)量。經(jīng)電氣工程師優(yōu)化設(shè)計(jì)，協(xié)同廠家為本項(xiàng)目特殊定制了外置線圈的四路功率定量器，分別測量每戶兩路進(jìn)線的用電量，進(jìn)行綜合計(jì)算，從而簡化層表箱內(nèi)的多級斷路器設(shè)置。

4.2 平面設(shè)計(jì)

溫控器設(shè)置:根據(jù)發(fā)熱電纜敷設(shè)情況，分區(qū)域設(shè)置溫控器，一般按房間功能進(jìn)行劃分，如客廳、主臥、次臥、餐廳、衛(wèi)生間、廚房。溫控器安裝高度同戶內(nèi)照明開關(guān)。

線纜連接方式:485控制線為“手拉手”接線方式，溫控器自用電源采用星型布線，電采暖用電源線也需接至溫控器，采用放射式供電。

5 結(jié)束語

在目前國家大力推行清潔能源的政策環(huán)境下，電采暖作為清潔能源中的新興力量，正在市場中逐步占有一席之地。T/CECS 567-2018《無增容電供暖智能控制系統(tǒng)應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》將于2019年5月1日起施行，屆時(shí)將為無增容智能控制系統(tǒng)提供技術(shù)支撐。本文通過介紹某工程使用無增容電供暖智能控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)全過程，幫助電氣設(shè)計(jì)人員在遇到采用電采暖形式而小區(qū)總用電負(fù)荷受限時(shí)，參考此文使用無增容智能電供暖系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)。