摘 要:論述了自限溫電熱蓄能地暖系統(tǒng)的組成、工作原理、技術(shù)特點(diǎn)及所產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效益、社會(huì)效益,比較了該系統(tǒng)與其它常規(guī)電熱取暖方式、傳統(tǒng)集中熱力采暖方式的優(yōu)缺點(diǎn),作為一項(xiàng)取代常規(guī)電熱取暖方式、補(bǔ)充集中熱力采暖方式,同時(shí)又符合國(guó)家電力需求側(cè)產(chǎn)業(yè)政策的新技術(shù),有較大的推廣應(yīng)用前景。
關(guān)鍵詞:自限溫電纜;蓄能;集中控制;地暖系統(tǒng);低谷電利用
中圖分類號(hào):TB文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A 文章編號(hào):1672-3198(2012)03-0290-03
0 前言
近年來,為緩解傳統(tǒng)集中供暖方式的不足,解決小型燃煤供熱鍋爐分散供暖帶來的環(huán)境污染以及普通電熱取暖帶來的高耗能問題,同時(shí),也為了探索發(fā)展電力需求側(cè)管理技術(shù),各地都在積極推廣應(yīng)用電熱供暖技術(shù),其中,“自限溫電熱蓄能集中控制地暖系統(tǒng)”是應(yīng)用最廣的一種電熱供暖新技術(shù),該技術(shù)具有“利用自限溫電纜加熱”、“蓄能技術(shù)”、“低谷電利用”、“集中控制”等幾項(xiàng)特點(diǎn),經(jīng)過了研制、應(yīng)用、改進(jìn)、再應(yīng)用的循環(huán)發(fā)展,在電網(wǎng)的填谷、節(jié)能減排、補(bǔ)充集中供暖不足等諸方面具有較高的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。
1 常見電熱取暖方式比較
1.1 電加熱鍋爐
當(dāng)前我國(guó)絕大部分電鍋爐為電熱管熱水電鍋爐,用戶采暖裝置與傳統(tǒng)熱力公司集中供熱一樣,使用暖氣片或地暖,其優(yōu)點(diǎn)是可以利用低谷電能,不需要大規(guī)模供熱管網(wǎng)的建設(shè),取暖設(shè)備相同,缺點(diǎn)是分戶控制不方便、計(jì)量不精確、收費(fèi)難、浪費(fèi)能源、占用場(chǎng)地、投資較高。
1.2 空調(diào)采暖
目前許多空調(diào)都是冷暖空調(diào),夏天制冷,冬天送暖,操作方便,控制靈活,在環(huán)境溫度不太低的情況下,制熱效率較高,缺點(diǎn)是空調(diào)采暖有噪音、暖風(fēng)較干燥,無法對(duì)蓄熱層進(jìn)行直接加熱,不能蓄熱,沒有熱慣性。
1.3 電熱器采暖
目前市場(chǎng)上有輻射式電暖器、充油式電暖器、強(qiáng)制對(duì)流式電暖器,這些取暖器一般只用于住宅的補(bǔ)充性采暖。電暖器的優(yōu)勢(shì)在于移動(dòng)靈活,操作方便,其缺點(diǎn)是制熱效率較低,溫度不能控制。
1.4 低溫輻射電熱膜采暖
由可導(dǎo)電的特種油墨和金屬載流條經(jīng)印刷將熱壓的兩層絕緣聚酯薄膜間制成,該采暖方式不需要進(jìn)行設(shè)備的更新和維護(hù),不占空間,壽命長(zhǎng),使用方便,可分戶控制。缺點(diǎn)是容易漏電,只適合于干鋪地暖,不適合于濕鋪地暖。
1.5 地?zé)峋€采暖
采用加熱柔性電纜,設(shè)在地板下面,“自限溫電熱蓄能集中控制地暖系統(tǒng)”即屬于該種采暖方式,該系統(tǒng)是傳統(tǒng)熱水集中供暖和電加熱的結(jié)合,采用自限溫加熱電纜和自動(dòng)控制系統(tǒng)取代了傳統(tǒng)的熱水管,優(yōu)點(diǎn)是節(jié)省空間,溫度場(chǎng)分布均勻,可以實(shí)現(xiàn)分戶計(jì)量、分戶控制、滿足個(gè)性化要求、免維護(hù),缺點(diǎn)是應(yīng)用歷史較短,未來電價(jià)政策影響增加其不確定性。
2 系統(tǒng)組成及工作原理
該系統(tǒng)利用灌裝埋設(shè)在建筑地面下的“自限溫加熱電纜”,通過網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)谷期(平期)自動(dòng)加熱,將熱能儲(chǔ)存在建筑本體、混凝土地面以及相變儲(chǔ)能管中,峰期時(shí)釋放儲(chǔ)存能量,以維持設(shè)定的室內(nèi)溫度。系統(tǒng)組成包括:加熱單元-自限溫加熱電纜、測(cè)溫單元-室內(nèi)外測(cè)溫?zé)犭娮琛⑿钅軉卧?相變蓄能管和建筑材料、控制單元-電熱集中供暖網(wǎng)站、小區(qū)電地暖服務(wù)器、網(wǎng)絡(luò)控制器等設(shè)備,設(shè)立兩級(jí)監(jiān)測(cè)控制中心:小區(qū)集中監(jiān)測(cè)控制中心和區(qū)域集中監(jiān)測(cè)控制中心。
自限溫加熱電纜不同于常規(guī)的恒功率電纜,其發(fā)熱元件是由具有“PTC”效應(yīng)(電阻正溫度系數(shù)效應(yīng))的納米導(dǎo)電高分子特種和普通復(fù)合材料擠包在兩股平行導(dǎo)電線芯之間形成的帶狀器件,該發(fā)熱元件可隨溫度的變化而自動(dòng)調(diào)整輸出功率,當(dāng)溫升至某一溫度時(shí),其電阻趨向于無窮大,輸出功率近似于零,因此具有良好的記憶特性和開關(guān)特性。同時(shí),隨被加熱體系溫度的變化具有自動(dòng)調(diào)節(jié)輸出功率的特點(diǎn),因此不會(huì)因自身發(fā)熱而過熱燒毀,卻能因?qū)嶋H需要熱量自行補(bǔ)償。
其電阻(R)、功率(P)、溫度(t)特性如下圖所示。
測(cè)溫單元包括戶外溫度傳感器和室內(nèi)溫度傳感控制器,室外溫度傳感器的功能:(1)自動(dòng)定時(shí)采集戶外溫度,并將溫度數(shù)據(jù)隨時(shí)傳輸給“小區(qū)電采暖服務(wù)器”;(2)當(dāng)溫控區(qū)域設(shè)為“防凍狀態(tài)”、戶外溫度降至0℃以下時(shí),自動(dòng)控制各供暖區(qū)域在谷期電時(shí)段按5℃目標(biāo)溫度運(yùn)行,在峰平尖時(shí)段按1℃目標(biāo)溫度運(yùn)行。室內(nèi)溫度傳感控制器的功能:(1)接收 并執(zhí)行“網(wǎng)絡(luò)控制器”的溫控指令;(2)測(cè)量、顯示運(yùn)行狀態(tài)、目標(biāo)溫度、實(shí)際溫度;(3)將采集的溫度數(shù)據(jù)上傳至“網(wǎng)絡(luò)控制器”;(4)監(jiān)測(cè)供暖區(qū)域熱異常。
2.3 蓄能單元
蓄能單元包括相變蓄能管和建筑材料,相變蓄能材料在實(shí)際應(yīng)用中,分為主動(dòng)方式和被動(dòng)方式兩種。相變蓄能材料作用的主動(dòng)方式,是利用自然界的晝夜溫差和季節(jié)差,直接吸收自然界的冷能和熱能并儲(chǔ)存起來,在適宜的時(shí)候進(jìn)行釋放從而調(diào)節(jié)環(huán)境溫度,這是相變蓄能材料作用的主動(dòng)方式。人為地為相變蓄能材料增加輔助能源,將某段時(shí)間內(nèi)富余的能量(如:低谷電)用相變蓄能材料儲(chǔ)存起來,在另外的時(shí)間釋放出來,達(dá)到高效利用電能的目的,這是相變蓄能材料應(yīng)用的被動(dòng)方式?!白韵逌仉姛嵝钅芗锌刂频嘏到y(tǒng)”即是相變蓄能的被動(dòng)方式之一。該系統(tǒng)利用相變儲(chǔ)能材料和普通建筑材料相結(jié)合,具有蓄能密度大,效率高以及在近似恒定溫度下吸熱與放熱等優(yōu)點(diǎn),可用于蓄能和溫度控制。
在地面輻射供暖時(shí),根據(jù)GB規(guī)程地面升溫范圍是25-30℃,相應(yīng)室內(nèi)溫度可以達(dá)到16-22℃,當(dāng)用電谷期8小時(shí)通電蓄熱完成后停電,尚有16小時(shí)需維持在采暖標(biāo)準(zhǔn)溫度內(nèi),隨著建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的熱能損耗,故儲(chǔ)存在建筑本體及地面中的顯熱蓄能將緩慢釋放,上述該建筑本體及混凝地面的顯熱蓄能,僅能維持(80-90)%熱能需求,其余20%熱能需求通過設(shè)在混凝土地面內(nèi)的復(fù)合管,形成復(fù)合蓄能地面進(jìn)行潛熱相變恒溫儲(chǔ)能補(bǔ)充(≤30℃)。
2.4 控制單元
控制單元包括電熱集中供暖網(wǎng)站、小區(qū)電地暖服務(wù)器、網(wǎng)絡(luò)控制器等設(shè)備,設(shè)立兩級(jí)集中監(jiān)測(cè)控制中心:小區(qū)控制中心和區(qū)域控制中心。
2.4.1 電熱集中供暖網(wǎng)站功能
(1)提供固定的IP地址,實(shí)現(xiàn)電采暖系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)集中控制;
(2)針對(duì)不同用戶、經(jīng)銷商、代理商提供不同的授權(quán)控制密碼,實(shí)現(xiàn)不同監(jiān)控功能;
(3)保存用戶地址碼、建筑平面圖、系統(tǒng)竣工圖、功率配置、供暖質(zhì)量等相關(guān)資料;
(4)定時(shí)循檢用戶供暖狀態(tài);
(5)供暖系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)自動(dòng)報(bào)警。
2.4.2 小區(qū)電地暖服務(wù)器功能
(1)接收授權(quán)控制密碼,打開“網(wǎng)絡(luò)控制器”,啟動(dòng)供暖運(yùn)行、監(jiān)控服務(wù);
(2)采集、顯示、自動(dòng)記錄并保存整個(gè)采暖期戶外溫度、各供暖區(qū)域室內(nèi)溫度和不同時(shí)段采暖耗電量曲線;
(3)自動(dòng)記錄并計(jì)算每日各個(gè)不同時(shí)段電采暖耗電量、電費(fèi)及總耗電量、總電費(fèi)、谷期電利用率、運(yùn)行小時(shí)數(shù),并累計(jì),在采暖期結(jié)束后出具運(yùn)行數(shù)據(jù)報(bào)表;
(4)將相關(guān)數(shù)據(jù)上傳至“電熱集中供暖網(wǎng)站”;
(5)監(jiān)控各供暖區(qū)域運(yùn)行狀態(tài),警示故障。
2.4.3 網(wǎng)絡(luò)控制器功能
(1)執(zhí)行“電熱集中供暖網(wǎng)站”、“小區(qū)供暖服務(wù)器”下達(dá)需的溫控指令,并下傳至“室內(nèi)溫度傳感控制器”,自動(dòng)控制各采暖區(qū)域在不同時(shí)段、不同狀態(tài)(有人/無人/防凍)下采用不同的加溫策略;控制電熱設(shè)備的啟停;
(2)執(zhí)行特殊狀態(tài)下的特殊目標(biāo)溫度指令;
(3)根據(jù)“戶外溫度傳感器”給出的溫度自動(dòng)控制各溫控區(qū)域進(jìn)入防凍狀態(tài);
(4)自動(dòng)按照峰谷平電表設(shè)定的峰谷平時(shí)段控制各溫控區(qū)域按經(jīng)濟(jì)運(yùn)行模式運(yùn)行;
(5)通過通信接口接受并顯示電表計(jì)量的峰谷平各段采暖耗電量;
(6)監(jiān)控各電熱設(shè)備運(yùn)行狀態(tài),將溫度數(shù)據(jù)、故障情況等上傳至“小區(qū)電采暖服務(wù)器”;
(7)接受、執(zhí)行并貯存客戶在各個(gè)“室內(nèi)溫度傳感控制器”上設(shè)定的即時(shí)溫度;
(8)自帶數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器,斷電后可保存設(shè)定、指令及各類相關(guān)數(shù)據(jù)。
(9)當(dāng)發(fā)生斷電或網(wǎng)絡(luò)中斷時(shí),控制電采暖系統(tǒng)執(zhí)行最后一次獲得的指令運(yùn)行,保證供暖系統(tǒng)的正常運(yùn)行。
3 技術(shù)特點(diǎn)分析
自限溫電熱蓄能集中控制地暖系統(tǒng)具有以下技術(shù)特點(diǎn):
(1)100%利用谷期電能,不用或少用平期電能,零利用峰期電能,符合電力需求側(cè)技術(shù)政策,可以達(dá)到填谷的目的。
(2)所利用的加熱材料-自限溫加熱電纜,具有自調(diào)控、自控溫、變功率功能,可以隨溫度的變化自動(dòng)調(diào)整輸出功率,當(dāng)溫度升至某一數(shù)值時(shí),其電阻趨向于無窮大,輸出功率近似于零,能夠自動(dòng)調(diào)節(jié)輸出功率,不會(huì)因自身發(fā)熱而燒毀。
(3)控制系統(tǒng)采用計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng),在每個(gè)房間設(shè)有溫度測(cè)量元件,信號(hào)通過安裝在墻壁上的弱電控制模塊,傳輸至小區(qū)內(nèi)的集中控制室。采暖期內(nèi),常設(shè)2~3人在控制室內(nèi)運(yùn)行值班,小區(qū)集中控制室信號(hào)通過互聯(lián)網(wǎng)傳遞至區(qū)域控制室(通常在一個(gè)城市或一個(gè)地區(qū)建一個(gè)固定IP地址的集中控制網(wǎng)站)。
(4)系統(tǒng)設(shè)置強(qiáng)、弱電兩套線路,分別提供電能和信號(hào)傳遞,強(qiáng)電系統(tǒng)獨(dú)立于各用戶照明用電系統(tǒng),不再安裝電度表,按照地區(qū)統(tǒng)一采暖費(fèi)用標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行收取費(fèi)用,取暖費(fèi)。
(5)系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)個(gè)性化需求,一般保證用戶室溫在18℃(±2℃)以上,如果有用戶要求較高的室內(nèi)溫度,可以通過控制系統(tǒng)功能設(shè)置來實(shí)現(xiàn),但需要用戶繳納額外的能量費(fèi)用。
4 效益分析
4.1 經(jīng)濟(jì)效益
與傳統(tǒng)城市集中供熱相比,“自限溫電熱蓄能集中控制地暖系統(tǒng)”不需要建設(shè)龐大的熱力管網(wǎng),與其它電熱取暖方式相比,不需要安裝電鍋爐,不但節(jié)省了大量初投資,也節(jié)省了場(chǎng)地,從根本上解決了水暖系統(tǒng)存在的跑、冒、滴、漏、暖氣片凍裂等問題。另外,集中供熱的供熱質(zhì)量不可控,個(gè)別管網(wǎng)末端的用戶供熱溫度達(dá)不到標(biāo)準(zhǔn),而有些用戶由于室內(nèi)溫度較高,不加控制地開窗通風(fēng),也造成了資源的浪費(fèi)?!白韵逌仉姛嵝钅芗锌刂频嘏到y(tǒng)”可以實(shí)現(xiàn)人性化控制,精確計(jì)量,按需供給,不浪費(fèi)。
該系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)效益還體現(xiàn)在,由于目前電網(wǎng)存在的峰谷差太大,不僅增加了調(diào)峰的難度,而且發(fā)電機(jī)組在負(fù)荷率較低的情況下,其發(fā)供電煤耗比額定負(fù)荷下增加20~30g/kWh,根據(jù)計(jì)算,如果能夠提高谷期負(fù)荷率5%,可以使發(fā)電煤耗平均下降2.5g/kWh,從而間接地為發(fā)電企業(yè)帶來效益,促進(jìn)國(guó)家節(jié)能減排工作。
4.2 社會(huì)效益
“自限溫電熱蓄能集中控制地暖系統(tǒng)”符合國(guó)家大力發(fā)展電力需求側(cè)技術(shù)的產(chǎn)業(yè)政策,充分利用谷期電能,可以減小峰谷差,起到填谷作用,不僅提高了電網(wǎng)調(diào)峰能力,而且降低了發(fā)電煤耗。同時(shí),也是城市集中供熱的有效補(bǔ)充,特別是城鄉(xiāng)結(jié)合部以及熱力管網(wǎng)末端,應(yīng)用該系統(tǒng),可以大大緩解供熱壓力。另外,通過該系統(tǒng)的使用,實(shí)際上是在公共供熱市場(chǎng)引入了競(jìng)爭(zhēng),將促進(jìn)供熱市場(chǎng)的發(fā)展。對(duì)于解決熱費(fèi)拖欠、能源浪費(fèi)、供熱質(zhì)量差等問題,將提供有益的借鑒。
5 結(jié)論
由于供暖涉及到千家萬戶,是重要的民生工程,自限溫電熱蓄能集中控制地暖系統(tǒng)作為一種市場(chǎng)化運(yùn)作的供暖方式,將會(huì)給原來的公共供暖市場(chǎng)提供有益的補(bǔ)充和試點(diǎn)經(jīng)驗(yàn)。傳統(tǒng)集中供熱按照面積收費(fèi),用戶對(duì)于室內(nèi)溫度不太敏感,改用按照室內(nèi)溫度收費(fèi)以后,溫度測(cè)量數(shù)據(jù)要足夠準(zhǔn)確,應(yīng)該制定相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)或法規(guī)。如何將所有供熱方式納入政府監(jiān)管范圍之內(nèi),需要政府層面提前做好應(yīng)對(duì)方案,以避免將來熱價(jià)和電價(jià)政策大幅波動(dòng)帶來的問題。
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