碳晶電采暖系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究與應(yīng)用

何 建，李玨煊，王 松，張曉毅

（國(guó)網(wǎng)冀北節(jié)能服務(wù)有限公司，北京 100045）

◆能效與負(fù)荷管理◆

碳晶電采暖系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究與應(yīng)用

何 建，李玨煊，王 松，張曉毅

（國(guó)網(wǎng)冀北節(jié)能服務(wù)有限公司，北京 100045）

介紹常規(guī)碳晶電暖器的原理、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及應(yīng)用特性，結(jié)合近幾年碳晶電采暖的實(shí)際應(yīng)用，分析研究碳晶電采暖及其智能控制系統(tǒng)的組成，運(yùn)行管理特點(diǎn)，參數(shù)檢測(cè)、經(jīng)濟(jì)效益評(píng)價(jià)。在此基礎(chǔ)上，對(duì)綜合能效智控系統(tǒng)進(jìn)行進(jìn)一步的優(yōu)化與改善，并根據(jù)地區(qū)示范項(xiàng)目應(yīng)用情況，分析研究其采暖效率，運(yùn)行工作特性與實(shí)際效果。從而，為碳晶電采暖及其智能綜合能效控制系統(tǒng)的進(jìn)一步推廣應(yīng)用與運(yùn)行管理提供參考或借鑒經(jīng)驗(yàn)。

碳晶電暖器；采暖；智能控制系統(tǒng)；溫控檢測(cè)；節(jié)能優(yōu)化

碳晶電暖器全稱為“高溫碳晶遠(yuǎn)紅外電熱散熱器”，自2007年以來，碳晶電散熱產(chǎn)品開始進(jìn)入市場(chǎng)，逐步成為電采暖行業(yè)的領(lǐng)航者。碳晶電暖器在采暖效果、安全環(huán)保、節(jié)能減排、熱平衡與穩(wěn)定性、使用壽命、便捷安裝以及組態(tài)靈活上超越了傳統(tǒng)水暖和電阻發(fā)熱等采暖設(shè)備及模式。

本文所論述研究的主要內(nèi)容基于冬季人們對(duì)采暖系統(tǒng)的高需求量背景下，通過分析和研究碳晶電暖器的原理、優(yōu)點(diǎn)，結(jié)合人性化控制設(shè)計(jì)與優(yōu)化管理、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、工程實(shí)施及性能的研究等相關(guān)理論來深入分析碳晶電采暖對(duì)人們生活的影響，探討其更符合人們便捷、舒適、高品質(zhì)生活需求的可行性供暖方案。

由于北方天氣寒冷干燥且供暖配套設(shè)施不完備，尤其是地廣人稀，單個(gè)采暖面積十分有限，偏僻的山區(qū)或草原。因此，對(duì)控制靈活、便捷環(huán)保的碳晶電暖器的需求量長(zhǎng)期居高不下。而在我國(guó)長(zhǎng)江流域則因冬季氣溫寒冷潮濕和室內(nèi)無集中供暖設(shè)施而產(chǎn)生巨大需求潛力。深入研究、分析碳晶電采暖及其控制系統(tǒng)，不斷探索、改進(jìn)綜合能耗智能優(yōu)化控制理念，創(chuàng)新、優(yōu)化管理控制環(huán)節(jié)與著力點(diǎn)可為碳晶電采暖較大面積與系統(tǒng)化集中控制與管理奠定基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)高效、環(huán)保、優(yōu)化用能。

1 碳晶電采暖系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理

本項(xiàng)應(yīng)用研究所描述的采暖系統(tǒng)由集中中心計(jì)算機(jī)（服務(wù)器）等硬件設(shè)備設(shè)施、控制軟件系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)通信與控制網(wǎng)絡(luò)和高溫碳晶電暖器4部分組成。

1.1 高溫碳晶電暖器

高溫碳晶電暖器是該智能采暖系統(tǒng)中的熱量發(fā)生主設(shè)備。采用技術(shù)成熟、科技含量高、已廣泛推廣使用且擁有獨(dú)特制造工藝的碳晶電熱板作為核心［1］。以高強(qiáng)度云母作為基材，可實(shí)現(xiàn)發(fā)熱均勻穩(wěn)定，電暖器使用變頻調(diào)節(jié)技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)溫度遠(yuǎn)程、本地控制。圖1為碳晶電暖器結(jié)構(gòu)原理圖。

圖1 碳晶電暖器結(jié)構(gòu)原理圖

1.2 技術(shù)方案特點(diǎn)

碳晶電暖器采供暖系統(tǒng)技術(shù)方案在實(shí)施過程中，需由專門的技術(shù)人員操作或指導(dǎo)管控，確保安裝工藝的無縫對(duì)接。重點(diǎn)應(yīng)嚴(yán)格落實(shí)如下技術(shù)要求或設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。

（1）一般設(shè)計(jì)功率應(yīng)采用最大升溫使用功率，也可根據(jù)具體情況靈活調(diào)整。安裝施工過程中要準(zhǔn)確核實(shí)，確保保溫節(jié)能建筑的設(shè)計(jì)功率可下調(diào)20%～30%，以實(shí)現(xiàn)能耗管控。

（2）層高每增加30 cm，實(shí)施功率應(yīng)增加5%。

（3）有落地窗戶、玻璃幕墻等局部熱負(fù)荷較大的房間，應(yīng)適當(dāng)增加設(shè)計(jì)功率10%，施工工程中應(yīng)特別注意并加以確認(rèn)。

（4）待安裝項(xiàng)目需要留有足夠的墻面面積或設(shè)計(jì)位置，以確保碳晶電暖器安裝后間隔距離規(guī)范，符合技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。

（5）根據(jù)配置功率核算需要的變壓器及線路容量，根據(jù)核算出的數(shù)值選擇合適的配電變壓器，進(jìn)行相應(yīng)的配電設(shè)施改造。

該示范應(yīng)用加裝有綜合能效控制管理系統(tǒng)，借助各類現(xiàn)場(chǎng)傳感器，采樣控制開關(guān)（閥門），通過信息通信技術(shù)，實(shí)時(shí)采樣分析外部環(huán)境與條件，并根據(jù)采供暖需求形成控制用能優(yōu)化曲線，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)平滑調(diào)節(jié)碳晶電暖器發(fā)熱功率。其系統(tǒng)主要構(gòu)成原理如圖2所示。

圖2 碳晶電采暖綜合能效智能監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理圖

1.3 中心計(jì)算機(jī)（服務(wù)器）等硬件設(shè)備設(shè)施

高溫碳晶智能采暖系統(tǒng)可根據(jù)采暖面積、系統(tǒng)規(guī)模、控制要求以及用戶實(shí)際需要等合理設(shè)計(jì)、配置采暖系統(tǒng)管理模式。從管理、控制、運(yùn)行的實(shí)際出發(fā)，建立合理的計(jì)算機(jī)綜合控制服務(wù)體系，增設(shè)控制管理服務(wù)器、中繼器、終端計(jì)算機(jī)、監(jiān)視操作就地平臺(tái)等。為綜合、智能、高效、靈活的管理系統(tǒng)建設(shè)奠定良好的硬件基礎(chǔ)。

1.4 集中控制軟件系統(tǒng)

通過應(yīng)用軟件的配置與調(diào)試，系統(tǒng)集成，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通信傳輸。集中控制軟件系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)每個(gè)房間、每個(gè)時(shí)段、每臺(tái)設(shè)備、室內(nèi)溫度進(jìn)行配置和管理。能夠根據(jù)不同溫度智能變頻、降低負(fù)荷和用電量。對(duì)每個(gè)房間進(jìn)行溫度監(jiān)測(cè)，按照預(yù)定程序進(jìn)行精確控制，同時(shí)，亦能根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行特殊處理，分層、分區(qū)控制，統(tǒng)計(jì)分析各個(gè)部分的采暖能耗情況，優(yōu)化用能策略。

1.5 計(jì)算機(jī)通信與控制網(wǎng)絡(luò)

采用RS485、電力載波或無線通信網(wǎng)進(jìn)行聯(lián)網(wǎng)和控制，實(shí)現(xiàn)管理控制信息的收集與下達(dá)，以便動(dòng)態(tài)優(yōu)化、平衡采暖狀態(tài)，達(dá)到高效、智能、環(huán)保、經(jīng)濟(jì)的采暖效果。

2 應(yīng)用研究與分析

2.1 示范應(yīng)用基本情況

國(guó)家電網(wǎng)公司系統(tǒng)內(nèi)某地區(qū)節(jié)能服務(wù)有限公司于2015年1月在我國(guó)華北地區(qū)三地市組織實(shí)施了高溫碳晶電采暖示范應(yīng)用項(xiàng)目。

該示范應(yīng)用項(xiàng)目自2015年1月10日開始施工，2015年1月26日完工，總工期17天。完成分散式電采暖替代面積20 234.28 m2，共計(jì)1 176臺(tái)，總功率2 021.2 kW。配套建設(shè)有綜合智能優(yōu)化監(jiān)控系統(tǒng)，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)竣工驗(yàn)收與試運(yùn)行，該示范項(xiàng)目所有碳晶電暖器均質(zhì)量合格，系統(tǒng)安全可靠，運(yùn)行平穩(wěn)，監(jiān)測(cè)控制靈活，用能決策高效。

2.2 數(shù)據(jù)分析

本示范應(yīng)用研究項(xiàng)目由國(guó)家電網(wǎng)公司系統(tǒng)某電力有限公司決策提出并作為項(xiàng)目業(yè)主，國(guó)家電網(wǎng)公司系統(tǒng)某節(jié)能服務(wù)有限公司作為具體實(shí)施主體，全面承擔(dān)項(xiàng)目的組織實(shí)施、開發(fā)建設(shè)、綜合管理與應(yīng)用分析研究。

該項(xiàng)目按節(jié)能服務(wù)類合同能源管理方式開展。預(yù)測(cè)改造替代后年運(yùn)行費(fèi)用（包括電費(fèi)）約120萬元，較以前直燃煤鍋爐采暖年運(yùn)行總成本138萬元，節(jié)約18萬元。預(yù)測(cè)該項(xiàng)目年度收益約37萬元，靜態(tài)投資回收期為5.50年。表1為直燃煤與碳晶電暖器應(yīng)用采樣、監(jiān)測(cè)比較分析，采樣周期:2015年2月2日—4月2日。

表1 直燃煤與碳晶電暖器采暖應(yīng)用采樣、監(jiān)測(cè)對(duì)比分析

（1）該應(yīng)用示范項(xiàng)目在控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上開發(fā)，裝設(shè)有能源綜合智能管理分析與決策系統(tǒng)?？筛鶕?jù)室內(nèi)人員數(shù)量、年齡、體重，需求室溫（個(gè)人舒適度匹配信息）分析計(jì)算時(shí)段溫控模型，并依據(jù)溫控模型實(shí)現(xiàn)碳晶采暖功率綜合智能控制。表2為是否加裝能源綜合管理決策系統(tǒng)采樣、監(jiān)測(cè)分析，采樣周期:2015年2月2日—4月2日。

表2 是否加裝能源綜合管理決策系統(tǒng)采樣、監(jiān)測(cè)對(duì)比分析

（2）通過設(shè)置、安裝空氣環(huán)境自動(dòng)采樣探頭，根據(jù)采集到的動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)使用環(huán)境、條件與功能數(shù)據(jù)，同時(shí)，結(jié)合供暖需求與特點(diǎn)制定加熱（采暖）智能工作曲線，實(shí)現(xiàn)優(yōu)化用能。

根據(jù)使用外部環(huán)境、條件與功能數(shù)據(jù)，同時(shí)，結(jié)合供暖需求與特點(diǎn)，智能優(yōu)化形成動(dòng)態(tài)采暖控制曲線如圖3。

圖3 動(dòng)態(tài)采暖控制曲線

由圖3可分析得知，隨著外部環(huán)境溫度的逐步降低，綜合智能優(yōu)化控制系統(tǒng)會(huì)調(diào)節(jié)碳晶電暖器的發(fā)熱功率，（即:發(fā)熱功率逐步升高），這將實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)優(yōu)化，逐步使室內(nèi)采暖溫度保持平衡。圖4為動(dòng)態(tài)采暖控制曲線。

由圖4可分析得知，隨著居住需求溫度的逐步降低，綜合智能優(yōu)化控制系統(tǒng)會(huì)調(diào)節(jié)碳晶電暖器的發(fā)熱功率，（即:發(fā)熱功率逐步降低），這將實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)優(yōu)化，逐步使室內(nèi)采暖溫度保持平衡。

（3）采暖供熱系統(tǒng)首次嵌入紅外人感傳感器，當(dāng)檢測(cè)到房間內(nèi)無人超過一定時(shí)間（如:30 min），時(shí)間參數(shù)可動(dòng)態(tài)設(shè)定，可暫停碳晶電暖器繼續(xù)工作，實(shí)現(xiàn)間歇式動(dòng)態(tài)采暖跟蹤控制。

（4）靈活組合運(yùn)行方法和控制策略，設(shè)置各式門禁限制開啟模式，如:正值碳晶電暖器高效運(yùn)行時(shí)，進(jìn)出房門被打開，不斷有冷氣進(jìn)入，在報(bào)警提示無果，合理時(shí)間間隔（等待時(shí)間）后將啟動(dòng)節(jié)能模式（即停止采暖模式，關(guān)閉碳晶電暖器）。

圖4 動(dòng)態(tài)采暖控制曲線

2.3 控制系統(tǒng)功能優(yōu)化

通過對(duì)華北地區(qū)某示范項(xiàng)目碳晶電采暖及其控制系統(tǒng)的應(yīng)用研究、實(shí)施對(duì)比與分析、運(yùn)行數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)歸納，對(duì)碳晶電采暖工程及其控制系統(tǒng)提出提升與改善設(shè)想，從持續(xù)優(yōu)化性能特征與綜合智控方向展望如下。

（1）模糊預(yù)算溫控程序，實(shí)現(xiàn)采暖控制系統(tǒng)的提前開啟，與供暖需求結(jié)束前的智能關(guān)閉，全面補(bǔ)償溫控時(shí)滯問題。

（2）通過閉環(huán)調(diào)節(jié)與控制，可實(shí)現(xiàn)在所需采暖溫度下的恒溫運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)特殊采暖供熱需求。

（3）拓展延伸功能，應(yīng)逐步實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)概念的引入與融合，打造智能家居采暖全新模式。

（4）設(shè)計(jì)配置有人體溫度、舒適度分析控制傳感器，可對(duì)室內(nèi)采暖環(huán)境實(shí)現(xiàn)智能測(cè)控與辨識(shí)，達(dá)到諸如階梯功率、強(qiáng)對(duì)流、低啟高停（斷開）等智能控制。

綜上所述，碳晶電采暖示范項(xiàng)目無論從經(jīng)濟(jì)、節(jié)能、環(huán)保，還是運(yùn)行維護(hù)與控制，以及工程技術(shù)實(shí)現(xiàn)上看，均取得了良好效果，地區(qū)適應(yīng)性強(qiáng)，非常適合大面積推廣使用。

3 經(jīng)濟(jì)效益分析

3.1 綜合性評(píng)價(jià)

為優(yōu)化計(jì)算與分析，以本次示范應(yīng)用項(xiàng)目為例，進(jìn)行比例換算與條件修正。選取相關(guān)參數(shù)值如下:綜合供暖建筑面積100 000 m2，采暖季150天，平均運(yùn)行熱負(fù)荷35 W/m2。集中采暖全天供暖，按3 400 h計(jì)算，供暖價(jià)格28元/m2。居民分散式電采暖按照1 750 h計(jì)算（工作日14 h/天，周末及節(jié)假日24 h/天，合計(jì)2 500 h，考慮到綜合智能優(yōu)化控制系統(tǒng)會(huì)主動(dòng)關(guān)閉無人房間的采暖，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)管控與用能調(diào)節(jié)，取使用系數(shù)0.7，折算后為1 750 h）。經(jīng)綜合分析計(jì)算后得出表3為碳晶電采暖與集中供熱經(jīng)濟(jì)對(duì)比。

表3 碳晶電采暖與集中供熱經(jīng)濟(jì)對(duì)比表（銷售電價(jià)情況下）元/kWh

碳晶電采暖系統(tǒng)經(jīng)綜合運(yùn)用與實(shí)踐，測(cè)算分析其電價(jià)臨界值（邊際運(yùn)行電價(jià)）為:0.344 4元/kWh，其綜合經(jīng)濟(jì)性評(píng)價(jià)為中等。

3.2 示范項(xiàng)目經(jīng)濟(jì)性分析

本文就示范應(yīng)用項(xiàng)目聯(lián)合開展了近2個(gè)月的運(yùn)行監(jiān)測(cè)與數(shù)據(jù)采樣，經(jīng)統(tǒng)計(jì)分析與計(jì)算，結(jié)果顯示該示范項(xiàng)目本季（實(shí)際采暖運(yùn)行約2個(gè)月）運(yùn)行費(fèi)用約63萬元，比改造前（直燃煤鍋爐）綜合運(yùn)行維護(hù)總費(fèi)用節(jié)約9萬元左右。期間共節(jié)約燃煤消耗約1 000 t，減少燃煤污染物排放量:粉塵245.57 t，CO2900.45 t，SO227.11 t，NOx14.02 t。

電采暖綜合智能管控系統(tǒng)模式施工安裝方便，組態(tài)靈活，運(yùn)行控制簡(jiǎn)捷，啟停方便，熱效率高，無污染且經(jīng)濟(jì)實(shí)用。

4 結(jié)論與建議

4.1 結(jié)論

碳晶取暖成本下降明顯，經(jīng)濟(jì)效益突出；很適合用戶分散，單個(gè)采暖面積小、遙遠(yuǎn)、偏僻的采暖用戶改造使用；通過綜合智能優(yōu)化控制系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)與控制，碳晶電采暖能夠?qū)崿F(xiàn)精確供暖與用能管理；系統(tǒng)無明火，無其它特殊介質(zhì)；運(yùn)行穩(wěn)定可靠，是安全環(huán)保的采暖方式。

4.2 建議

從以上碳晶電采暖及其綜合能耗智能管控系統(tǒng)的分析研究與實(shí)踐證實(shí)，采用碳晶電采暖是目前一項(xiàng)經(jīng)濟(jì)性一般、社會(huì)與環(huán)保效益十分明顯的技術(shù)工程。為更好地推動(dòng)與發(fā)展碳晶電采暖，還應(yīng)重點(diǎn)發(fā)展與解決如下事項(xiàng):努力拓寬政府溝通渠道，爭(zhēng)取出臺(tái)更多實(shí)質(zhì)性的補(bǔ)貼或電價(jià)優(yōu)惠政策，促進(jìn)碳晶電采暖工作深入開展；應(yīng)著力強(qiáng)化配電網(wǎng)的規(guī)劃與建設(shè)，為碳晶電采暖的大范圍推廣使用奠定良好的接入條件與充足電能容量；加強(qiáng)碳晶電采暖及其控制系統(tǒng)的新設(shè)備、新產(chǎn)品適用性及經(jīng)濟(jì)性分析論證與測(cè)算工作，為工程推廣實(shí)施夯實(shí)技術(shù)基礎(chǔ)；要加強(qiáng)政府、企業(yè)、個(gè)人及社區(qū)等相關(guān)方的協(xié)調(diào)，為碳晶電采暖的實(shí)施打通流程與手續(xù)限制。D

［1］ 李武，靳治良，張志宏.無機(jī)晶須材料的合成與應(yīng)用［J］.化學(xué)進(jìn)展，2003（4）:15.

Research and application of carbon crystal electricity heating intelligent control system design

HE Jian,LI Jue?xuan,WANG Song,ZHANG Xiao?yi

（StateGridNorthHebeiProvinceEnergySavingServiceCo.,Ltd.,Beijing 100045,China）

The article introduces the principle,structure and application features of conventional carbon crystal electric heater. Combined with the practical application of carbon crystal electricity heatinginrecentyears,itanalyzesandresearchesthecomposition,op?eration management characteristics,parameter detection,economic benefit evaluation of carbon crystal electricity heating and its intelli?gent control system.On this basis,the comprehensive intelligence en?ergy efficiency control system is furthered for optimization and im?provement.According to the area demonstration project application,it analyzes and studies its heating efficiency,operation performance and actual effect.Thus,the research can provide the reference for the car?bon crystal electricity heating and its further application of intelligent integratedenergyefficiencycontrolsystemandoperationmanagement.

carbon crystal electric heater;heating;intelligent control system;temperature detection;energy?saving optimization

10.3969/j.issn.1009-1831.2016.05.006

F407.61；TK018

B

2016-04-13