農(nóng)村地區(qū)“煤改電”增量負(fù)荷計(jì)算及戶均配變?nèi)萘颗渲梅椒ㄑ芯?/h1>
2023-12-04 15:06:58孫欽斐王瀚秋李香龍
農(nóng)村電氣化 2023年11期 關(guān)鍵詞：建筑
孫欽斐 ，王瀚秋 ，李 干 ，馬 凱 ，李香龍
（1. 國網(wǎng)北京市電力公司電力科學(xué)研究院，北京 豐臺 100073;2. 國網(wǎng)北京市電力公司，北京 西城 100031）
0 引言
“煤改電”是指利用電能替代散煤直接燃燒的供暖方式，是推進(jìn)清潔取暖、治理大氣污染的重要形式，同時(shí)也是從消費(fèi)端構(gòu)建清潔低碳能源體系、加快再電氣化進(jìn)程的重要手段。近年來，“煤改電”在我國北方地區(qū)得到規(guī)?；茝V應(yīng)用。
“煤改電”負(fù)荷需求及戶均配變?nèi)萘渴瞧渑潆娋W(wǎng)規(guī)劃的前提，直接關(guān)系到“煤改電”配電網(wǎng)供電的可靠性和經(jīng)濟(jì)性，關(guān)系到“煤改電”用戶取暖的安全性。戶均配變?nèi)萘颗渲貌蛔悖瑹o法滿足冬季取暖用電需求，直接影響民生；戶均配變?nèi)萘颗渲眠^高，將導(dǎo)致電網(wǎng)輕載，尤其是非采暖季電網(wǎng)資源閑置浪費(fèi)，經(jīng)濟(jì)性差。
配電網(wǎng)規(guī)劃中，文獻(xiàn)[1-2]采用單位面積法和單位指標(biāo)法，根據(jù)區(qū)域經(jīng)濟(jì)水平等因素確定的負(fù)荷密度與單位用電指標(biāo)，考慮同時(shí)系數(shù)后預(yù)測負(fù)荷需求。文獻(xiàn)[3-4]考慮住宅小區(qū)家用電器的同時(shí)率和負(fù)荷率，計(jì)算小區(qū)需要系數(shù)典型值，采用需要系數(shù)法預(yù)測居民住宅小區(qū)負(fù)荷。文獻(xiàn)[5]考慮負(fù)荷特性和用戶行為，進(jìn)一步優(yōu)化需要系數(shù)方法。文獻(xiàn)[6]計(jì)及負(fù)荷增長風(fēng)險(xiǎn)和臺區(qū)負(fù)荷特性，進(jìn)行配電變壓器優(yōu)化選型配置。另外，也常采用自然增長率法等負(fù)荷預(yù)測方法[7-8]進(jìn)行一定時(shí)間內(nèi)的負(fù)荷動態(tài)預(yù)測和電網(wǎng)滾動規(guī)劃。
上述方法均適用于居民住宅負(fù)荷預(yù)測，但不同于傳統(tǒng)用電負(fù)荷自然增長規(guī)律，“煤改電”負(fù)荷是一種階躍式增量負(fù)荷，且負(fù)荷確定后呈現(xiàn)恒值特性，一般不再增長。因此，前述方法對于“煤改電”增量負(fù)荷預(yù)測和電力增容適用性較差。對于增量負(fù)荷預(yù)測，文獻(xiàn)[9]采用自然增長負(fù)荷和階躍負(fù)荷分別建模的方法；DL/T 5729-2016《配電網(wǎng)規(guī)劃設(shè)計(jì)技術(shù)導(dǎo)則》針對新增大用戶負(fù)荷比重較大地區(qū)，采用點(diǎn)負(fù)荷增長與區(qū)域負(fù)荷自然增長相結(jié)合的方法進(jìn)行預(yù)測?！懊焊碾姟必?fù)荷預(yù)測可借鑒上述方法，但“煤改電”增量負(fù)荷需求目前尚無參考標(biāo)準(zhǔn)，缺乏相關(guān)研究。因此，亟須開展“煤改電”增量負(fù)荷研究，并確定戶均配變?nèi)萘?，為配電網(wǎng)規(guī)劃提供依據(jù)。
本文首先從需求側(cè)和供給側(cè)分析“煤改電”用戶增量負(fù)荷的影響因素；然后，重點(diǎn)從需求側(cè)分析采暖房屋熱負(fù)荷指標(biāo)，建立房屋熱過程分析模型，介紹房屋熱負(fù)荷理論計(jì)算方法和動態(tài)仿真模擬軟件DeST，從而確定采暖熱負(fù)荷。在此基礎(chǔ)上，提出“以熱定電”的“煤改電”增量負(fù)荷與戶均配變?nèi)萘坑?jì)算方法。最后，以北京地區(qū)典型“煤改電”用戶為例，運(yùn)用建筑模擬仿真軟件DeST 仿真計(jì)算戶均采暖熱負(fù)荷，并依據(jù)電采暖設(shè)備類型計(jì)算戶均增量負(fù)荷及相應(yīng)戶均配變?nèi)萘俊?/p>
1 “煤改電”增量負(fù)荷影響因素分析
電采暖設(shè)備制熱提供熱量供給，從而在需求側(cè)維持室內(nèi)溫度，實(shí)現(xiàn)房屋采暖。因此，“煤改電”增量負(fù)荷影響因素可以從采暖需求側(cè)和采暖供給側(cè)2 個(gè)層面進(jìn)行分析，如圖1 所示。
圖1 “煤改電”增量負(fù)荷影響因素與計(jì)算流程
1.1 需求側(cè)影響因素
“煤改電”增量負(fù)荷根本上是由需求側(cè)房屋采暖的熱需求決定的。從建筑動態(tài)熱過程分析[10]，影響房屋采暖的因素即是“煤改電”負(fù)荷需求側(cè)影響因素，主要包括以下3 方面。
1.1.1 氣象因素
不考慮供暖系統(tǒng)作用，氣象條件是影響建筑熱過程的根本因素，也是最主要室外因素，包括室外溫濕度、太陽輻射強(qiáng)度、風(fēng)向、風(fēng)速等。這些因素主動作用于建筑得熱、失熱來影響房屋熱過程和采暖熱負(fù)荷。
1.1.2 房屋熱工因素
建筑采暖是房屋以其圍護(hù)結(jié)構(gòu)為邊界，實(shí)現(xiàn)室內(nèi)外動態(tài)熱平衡的過程。因此，房屋本身的熱工條件，包括房屋結(jié)構(gòu)、圍護(hù)材料、室內(nèi)發(fā)熱、鄰室得熱、周圍環(huán)境熱狀況等，通過不同結(jié)構(gòu)的窗墻比、建筑朝向、圍護(hù)材料熱阻等影響房屋熱過程。
1.1.3 用戶行為習(xí)慣因素
用戶行為習(xí)慣是影響建筑熱過程的人為因素，包括采暖目標(biāo)溫度、采暖時(shí)段、房屋開門開窗及通風(fēng)次數(shù)熱擾、室內(nèi)照明及設(shè)備產(chǎn)熱等。
上述3 方面因素綜合作用，疊加供暖系統(tǒng)的熱量供給，實(shí)現(xiàn)房屋熱傳導(dǎo)過程的動態(tài)平衡，維持一定的室內(nèi)溫度。定義維持一定室內(nèi)溫度所消耗的熱功率為采暖熱負(fù)荷，該熱負(fù)荷從根本上決定了“煤改電”用電負(fù)荷。
1.2 供給側(cè)影響因素
電采暖設(shè)備利用電能產(chǎn)生房屋采暖所需熱量。不同設(shè)備的工作原理及性能決定了其電熱轉(zhuǎn)換效率各不相同。一般而言，將電能直接轉(zhuǎn)換為熱能的直熱類設(shè)備，效率小于1；利用電能做工的熱泵類設(shè)備，效率（COP）可達(dá)3～4。
在給定房屋，即需求側(cè)采暖熱負(fù)荷一定的情況下，供給側(cè)不同類型的電采暖設(shè)備所消耗的電功率不同。因此，電采暖設(shè)備類型是影響“煤改電”增量負(fù)荷需求的供給側(cè)因素。
2 采暖熱負(fù)荷需求計(jì)算
采暖熱負(fù)荷是計(jì)算“煤改電”增量負(fù)荷的基礎(chǔ)。供暖設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)以采暖季室內(nèi)溫度滿足采暖要求為目標(biāo)，確定熱負(fù)荷。
2.1 房屋采暖熱負(fù)荷
民用建筑的采暖熱負(fù)荷可按下列公式[11]計(jì)算：
式中：Qh為采暖設(shè)計(jì)熱負(fù)荷，kW；qh為采暖單位面積熱指標(biāo)，W/m2；Ac為采暖房屋采暖面積，m2。
房屋采暖面積為已知量，故計(jì)算房屋采暖熱負(fù)荷需獲取單位面積熱指標(biāo)qh。根據(jù)CJJ 34-2010《城鎮(zhèn)供熱管網(wǎng)設(shè)計(jì)規(guī)范》，城鎮(zhèn)典型建筑單位面積熱指標(biāo)qh推薦值如表1 所示。
表1 采暖單位面積熱指標(biāo)推薦值
但是農(nóng)村住宅建筑形式多樣，與城鎮(zhèn)建筑在結(jié)構(gòu)、圍護(hù)材料等方面存在差異，上表推薦的通用采暖熱指標(biāo)直接應(yīng)用于農(nóng)村住宅采暖設(shè)計(jì)不夠精確。
根據(jù)GB 50736-2012《民用建筑供暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)規(guī)范》，冬季供暖系統(tǒng)的熱負(fù)荷主要包括下列散失或獲得的熱量：圍護(hù)結(jié)構(gòu)的耗熱量，門窗縫隙滲入室內(nèi)冷空氣耗熱量、門窗開啟時(shí)進(jìn)入室內(nèi)的冷空氣耗熱量、通風(fēng)耗熱量、其他途徑散失和獲得的熱量。
其中，圍護(hù)結(jié)構(gòu)的耗熱量是最主要因素，其基本耗熱量為
式中：α 為不同圍護(hù)結(jié)構(gòu)溫差修正系數(shù)；F為圍護(hù)結(jié)構(gòu)的面積，m2；K為圍護(hù)結(jié)構(gòu)的傳熱系數(shù)，W/(m2·K)；tn為供暖設(shè)計(jì)室內(nèi)溫度，°C；twn為供暖室外設(shè)計(jì)溫度，°C。
由式（2）可知，假設(shè)圍護(hù)結(jié)構(gòu)確定，其基本耗熱量由供暖室內(nèi)和室外設(shè)計(jì)溫度確定。
對于室內(nèi)設(shè)計(jì)溫度，根據(jù)國家現(xiàn)行設(shè)計(jì)規(guī)范[12]要求，民用建筑主要房間的室內(nèi)溫度范圍為18～24 °C，根據(jù)農(nóng)村地區(qū)居民生活習(xí)慣，農(nóng)村“煤改電”用戶供暖室內(nèi)設(shè)計(jì)溫度一般取18 °C。
對于室外設(shè)計(jì)溫度，主要受各地氣候條件影響。目前，我國使用的室外設(shè)計(jì)溫度按平均或累年不保證日（時(shí)）數(shù)確定，即供暖室外設(shè)計(jì)溫度應(yīng)采用歷年平均不保證5 天的日平均溫度[12]。GB 50736-2012《民用建筑供暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)規(guī)范》基于現(xiàn)有氣象站點(diǎn)數(shù)據(jù)，給出了各城市設(shè)計(jì)溫度，如北京為–7.6 °C，規(guī)范未明確給出設(shè)計(jì)溫度的地區(qū)可按下式確定。式中：tlp為累年最冷月平均溫度，°C；tp·min為累年最低日平均溫度，°C。
考慮到同一地區(qū)局地氣候的差異性，簡單采用同一室外設(shè)計(jì)溫度，將導(dǎo)致某些區(qū)域不能滿足采暖需求，如北京地區(qū)統(tǒng)一按照–7.6 °C 進(jìn)行供暖設(shè)計(jì)，南部平原室內(nèi)溫度能夠達(dá)標(biāo)，北部寒冷山區(qū)則無法達(dá)標(biāo)。故對于農(nóng)村“煤改電”而言，上述采暖熱負(fù)荷指標(biāo)確定方法同樣不夠精確。
為準(zhǔn)確表征不同地區(qū)農(nóng)村住宅采暖熱負(fù)荷，本文根據(jù)不同地區(qū)氣候條件、房屋結(jié)構(gòu)和居民生活習(xí)慣，對房屋熱負(fù)荷進(jìn)行動態(tài)計(jì)算，從而確定采暖熱負(fù)荷設(shè)計(jì)依據(jù)。
根據(jù)建筑熱環(huán)境理論[13-14]，首先要建立建筑熱過程數(shù)學(xué)模型，即所有圍護(hù)結(jié)構(gòu)的動態(tài)傳熱方程、邊界條件及建筑空間內(nèi)的空氣溫度變化方程，然后利用狀態(tài)空間法對圍護(hù)、家具等進(jìn)行空間離散，建立所有節(jié)點(diǎn)的熱平衡方程組，進(jìn)一步在圍護(hù)結(jié)構(gòu)與物性一定、室內(nèi)計(jì)算參數(shù)給定、室外氣象因素已知情況下，求解房間溫度和熱負(fù)荷[10,14]。
2.2 建筑熱過程模擬數(shù)學(xué)模型
建筑墻體、樓板、門窗等壁體結(jié)構(gòu)可簡化成一維傳熱問題，動態(tài)傳熱基本方程為：
式中：t為壁體內(nèi)的溫度分布，°C；cP為壁體材料的比熱，kJ/(kg·°C)；ρ 為壁體材料的密度，kg/m3；k為壁體材料的導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·°C)；x為壁體的厚度方向。
壁體室內(nèi)側(cè)的邊界條件為：
式中：hin為壁體內(nèi)表面與空氣對流換熱系數(shù)，W/(m2·°C)；ta為房間室溫，°C；qr為壁體內(nèi)表面吸收透過窗戶的太陽輻射熱量，W/m2；qr,in為室內(nèi)熱源輻射至表面的熱量，W/m2；hrj為溫度為tj的表面j與該表面的長波輻射換熱系數(shù)，W/(m2·°C)。
壁體室外側(cè)的邊界條件為：
式中：hout為壁體外表面與室外空氣對流換熱系數(shù)，W/(m2·°C)；to為室外空氣溫度，°C；qr,o為壁體外表面吸收的太陽輻射熱量，W/m2；henv為壁體外表面與周圍環(huán)境表面的長波輻射換熱系數(shù)，W/(m2·°C)；tenv為周圍環(huán)境表面的綜合溫度，°C。
壁體材料將建筑圍護(hù)成建筑空間，空間內(nèi)的空氣熱量交換來源主要包括圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)表面?zhèn)魅霟崃俊⑹覂?nèi)物體產(chǎn)熱與空氣對流換熱、空氣直接吸收太陽透窗輻射熱量、鄰室或室外通風(fēng)對流換熱、供暖系統(tǒng)提供熱量等內(nèi)外熱擾。上述熱量疊加作用于室內(nèi)空氣，導(dǎo)致空氣溫度變化關(guān)系為：
式中：cPaρa(bǔ)Va為建筑空間內(nèi)空氣熱容，kJ/°C；Fj為建筑空間壁體內(nèi)表面j的面積，m2；tj為建筑空間壁體內(nèi)表面j的溫度，°C；n為建筑空間壁體內(nèi)表面?zhèn)€數(shù)；qcov為室內(nèi)熱源對流傳給空氣的熱量，W；qf為室內(nèi)家具放出的熱量，W；qvent為室內(nèi)外或鄰室空氣交換帶入室內(nèi)的熱量，W；qhvac為供暖系統(tǒng)送入建筑空間的熱量，W。
2.3 總熱平衡方程組及熱負(fù)荷求解
由狀態(tài)空間法對房間內(nèi)所有圍護(hù)、家具進(jìn)行空間離散，并將室內(nèi)空氣溫度集總為單一節(jié)點(diǎn)處理，根據(jù)式（4）-（7）可建立所有空間離散點(diǎn)的熱平衡方程組。
求解方程組得到表征房屋熱特性的系數(shù)和各種熱擾作用下的室溫，進(jìn)一步根據(jù)室內(nèi)供暖設(shè)計(jì)溫度，即可得到房屋的采暖熱負(fù)荷。
以上述理論模型為基礎(chǔ)，清華大學(xué)建筑技術(shù)科學(xué)系開發(fā)了建筑環(huán)境模擬軟件[14]DeST（designer's simulation toolkits），能夠動態(tài)模擬計(jì)算建筑在各種熱擾因素下的采暖熱負(fù)荷。DeST 基于Auto-CAD 開發(fā)了圖形化用戶界面，可以直接進(jìn)行建筑建模和描述定義，同時(shí)以氣象站逐時(shí)氣象數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)選取典型氣象年數(shù)據(jù)作為外界氣象參數(shù)，對房間熱過程進(jìn)行動態(tài)模擬，大大簡化了熱負(fù)荷計(jì)算過程。該軟件是最常用的建筑模擬工具。
3 “以熱定電”計(jì)算“煤改電”增量負(fù)荷及戶均配變?nèi)萘?/h2>
“煤改電”增量負(fù)荷及配變?nèi)萘啃枨蟾旧鲜怯煞课莶膳療嶝?fù)荷決定的，即“以熱定電”，同時(shí)與電采暖設(shè)備類型相關(guān)。
3.1 “煤改電”增量負(fù)荷
令采暖需求側(cè)房屋熱負(fù)荷為Qh，則“煤改電”增量負(fù)荷為：
式中：Pe為“煤改電”增量負(fù)荷，kW；η 為電采暖熱源電熱轉(zhuǎn)換效率。
對于蓄熱設(shè)備，其效率除了與熱源形式相關(guān)外，還要考慮到設(shè)備僅在谷電時(shí)段制熱的運(yùn)行特性，得到考慮谷電時(shí)長Tv的等效效率。因此，直熱、蓄熱、空氣源熱泵3 類電采暖設(shè)備對應(yīng)的增量負(fù)荷可描述為：
式中：η 為電采暖熱源電熱轉(zhuǎn)換效率；Tv為谷電時(shí)長，Tv= 0 時(shí)，Pe=Qh。
3.2 “煤改電”戶均配變?nèi)萘?/h3>
戶均配變?nèi)萘渴桥渚W(wǎng)規(guī)劃設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。“煤改電”戶均配變?nèi)萘繎?yīng)考慮“煤改電”負(fù)荷和傳統(tǒng)用電負(fù)荷對應(yīng)的配變?nèi)萘?，即?/p>
式中：ST1為“煤改電”負(fù)荷對應(yīng)的配變?nèi)萘浚籗T2為傳統(tǒng)用電負(fù)荷對應(yīng)的配變?nèi)萘俊?/p>
其中，“煤改電”負(fù)荷對應(yīng)的戶均配變?nèi)萘繛椋?/p>
式中：a為“煤改電”設(shè)備同時(shí)系數(shù)；b為“煤改電”設(shè)備使用率；β 為配變負(fù)載率，一般取0.7；cosφ為補(bǔ)償后配變功率因數(shù)，一般取0.95。
傳統(tǒng)用電負(fù)荷配變?nèi)萘堪ìF(xiàn)有負(fù)荷水平和未來負(fù)荷增長兩部分：
式中，Sex為現(xiàn)有傳統(tǒng)用電負(fù)荷對應(yīng)的配變?nèi)萘?；Sinc為傳統(tǒng)用電負(fù)荷自然增長對應(yīng)的配變?nèi)萘?，須根?jù)不同規(guī)劃年進(jìn)行負(fù)荷預(yù)測。
傳統(tǒng)用電負(fù)荷增長可采用成熟方法進(jìn)行預(yù)測計(jì)算，本文不再贅述。“以熱定電”計(jì)算“煤改電”增量負(fù)荷及戶均配變?nèi)萘康牧鞒倘鐖D2 所示。
圖2 “以熱定電”計(jì)算“煤改電”增量負(fù)荷及戶均配變?nèi)萘苛鞒?/p>
4 北京地區(qū)“煤改電”算例
圖3所示北京南部平原地區(qū)農(nóng)村傳統(tǒng)磚瓦結(jié)構(gòu)、瓦楞坡面房頂?shù)钠椒棵裾?，木梁下沿平面距地? m。以該典型房屋為例，給出房屋采暖動態(tài)熱負(fù)荷仿真、“煤改電”增量負(fù)荷及戶均配變?nèi)萘坑?jì)算過程與結(jié)果。
圖3 北京農(nóng)村典型民居結(jié)構(gòu)圖
首先采用擠塑聚苯板對房屋外墻進(jìn)行保溫節(jié)能改造，圍護(hù)材料及門窗如表2 所示。
表2 房屋主要圍護(hù)結(jié)構(gòu)材料
采用DeST 建筑環(huán)境模擬分析軟件，并選用北京南部平原地區(qū)歷史氣象數(shù)據(jù)，以18 °C 為室內(nèi)設(shè)計(jì)溫度，對圖3 所示北京典型民居采暖季熱負(fù)荷進(jìn)行逐時(shí)動態(tài)仿真模擬，得到單位面積熱負(fù)荷指標(biāo)如圖4 所示。
圖4 北京南部平原農(nóng)村民居單位面積熱負(fù)荷指標(biāo)
根據(jù)GB 50736-2012《民用建筑供暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)規(guī)范》中選取供暖室外計(jì)算溫度時(shí)，采用歷年平均不保證5 天的日平均溫度，一般不會影響民用建筑的供暖效果。因此，本文同樣選用供暖季供暖不保證5 天來確定熱負(fù)荷設(shè)計(jì)指標(biāo)。
篩選仿真結(jié)果，得到供暖不保證的5 天，分別為1 月16、17、18、19 日及2 月2 日，采暖季其他時(shí)間熱負(fù)荷統(tǒng)計(jì)如表3 所示。
表3 房屋采暖熱負(fù)荷統(tǒng)計(jì)
房屋最大熱負(fù)荷指標(biāo)即設(shè)計(jì)熱負(fù)荷指標(biāo)為：
按戶均采暖面積為100 m2計(jì)算，則戶均采暖熱負(fù)荷為：
北京南部平原地區(qū)采暖設(shè)備選用空氣源熱泵，假設(shè)其電熱轉(zhuǎn)換效率COP = 2.5，則對應(yīng)的增量負(fù)荷分別為：
考慮到空氣源熱泵設(shè)備一般具有確定的功率等級，因此應(yīng)按照制熱功率不小于7.808 kW、電功率不小于3.123 kW 的原則選配合適功率的空氣源熱泵。
假設(shè)戶間設(shè)備同時(shí)系數(shù)取0.8，設(shè)備使用率為100%，配變負(fù)載率取0.7，功率因數(shù)取0.95，則“煤改電”增量負(fù)荷對應(yīng)的戶均配變?nèi)萘繛椋?/p>
5 結(jié)束語
從采暖需求側(cè)和供給側(cè)分析了“煤改電”用戶增量負(fù)荷的影響因素，提出了一種“以熱定電”計(jì)算“煤改電”增量負(fù)荷與戶均配變?nèi)萘康姆椒?，給出了詳細(xì)的計(jì)算流程，并以北京“煤改電”用戶進(jìn)行算例分析。
“煤改電”增量負(fù)荷根本上由需求側(cè)房屋采暖熱負(fù)荷決定，同時(shí)受供給側(cè)電采暖設(shè)備類型影響。
不同地區(qū)“煤改電”增量負(fù)荷計(jì)算首先要仿真模擬該地區(qū)典型房屋采暖熱負(fù)荷指標(biāo)，根據(jù)戶均采暖面積計(jì)算采暖熱負(fù)荷。
“煤改電”戶均配變?nèi)萘堪ā懊焊碾姟痹隽控?fù)荷和傳統(tǒng)用電負(fù)荷對應(yīng)的配變?nèi)萘?，傳統(tǒng)用電負(fù)荷需考慮現(xiàn)有負(fù)荷水平和未來負(fù)荷增長。
在“煤改電”戶均配變?nèi)萘炕A(chǔ)上，僅需統(tǒng)計(jì)該地區(qū)“煤改電”戶數(shù)即可快速確定配網(wǎng)容量需求，指導(dǎo)配電網(wǎng)規(guī)劃設(shè)計(jì)。
該方法能夠準(zhǔn)確計(jì)算“煤改電”增量負(fù)荷與戶均配變?nèi)萘?，從而為“煤改電”配電網(wǎng)規(guī)劃設(shè)計(jì)提供依據(jù)。
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孫欽斐 ，王瀚秋 ，李 干 ，馬 凱 ，李香龍
（1. 國網(wǎng)北京市電力公司電力科學(xué)研究院，北京 豐臺 100073;2. 國網(wǎng)北京市電力公司，北京 西城 100031）
0 引言
“煤改電”是指利用電能替代散煤直接燃燒的供暖方式，是推進(jìn)清潔取暖、治理大氣污染的重要形式，同時(shí)也是從消費(fèi)端構(gòu)建清潔低碳能源體系、加快再電氣化進(jìn)程的重要手段。近年來，“煤改電”在我國北方地區(qū)得到規(guī)?；茝V應(yīng)用。
“煤改電”負(fù)荷需求及戶均配變?nèi)萘渴瞧渑潆娋W(wǎng)規(guī)劃的前提，直接關(guān)系到“煤改電”配電網(wǎng)供電的可靠性和經(jīng)濟(jì)性，關(guān)系到“煤改電”用戶取暖的安全性。戶均配變?nèi)萘颗渲貌蛔悖瑹o法滿足冬季取暖用電需求，直接影響民生；戶均配變?nèi)萘颗渲眠^高，將導(dǎo)致電網(wǎng)輕載，尤其是非采暖季電網(wǎng)資源閑置浪費(fèi)，經(jīng)濟(jì)性差。
配電網(wǎng)規(guī)劃中，文獻(xiàn)[1-2]采用單位面積法和單位指標(biāo)法，根據(jù)區(qū)域經(jīng)濟(jì)水平等因素確定的負(fù)荷密度與單位用電指標(biāo)，考慮同時(shí)系數(shù)后預(yù)測負(fù)荷需求。文獻(xiàn)[3-4]考慮住宅小區(qū)家用電器的同時(shí)率和負(fù)荷率，計(jì)算小區(qū)需要系數(shù)典型值，采用需要系數(shù)法預(yù)測居民住宅小區(qū)負(fù)荷。文獻(xiàn)[5]考慮負(fù)荷特性和用戶行為，進(jìn)一步優(yōu)化需要系數(shù)方法。文獻(xiàn)[6]計(jì)及負(fù)荷增長風(fēng)險(xiǎn)和臺區(qū)負(fù)荷特性，進(jìn)行配電變壓器優(yōu)化選型配置。另外，也常采用自然增長率法等負(fù)荷預(yù)測方法[7-8]進(jìn)行一定時(shí)間內(nèi)的負(fù)荷動態(tài)預(yù)測和電網(wǎng)滾動規(guī)劃。
上述方法均適用于居民住宅負(fù)荷預(yù)測，但不同于傳統(tǒng)用電負(fù)荷自然增長規(guī)律，“煤改電”負(fù)荷是一種階躍式增量負(fù)荷，且負(fù)荷確定后呈現(xiàn)恒值特性，一般不再增長。因此，前述方法對于“煤改電”增量負(fù)荷預(yù)測和電力增容適用性較差。對于增量負(fù)荷預(yù)測，文獻(xiàn)[9]采用自然增長負(fù)荷和階躍負(fù)荷分別建模的方法；DL/T 5729-2016《配電網(wǎng)規(guī)劃設(shè)計(jì)技術(shù)導(dǎo)則》針對新增大用戶負(fù)荷比重較大地區(qū)，采用點(diǎn)負(fù)荷增長與區(qū)域負(fù)荷自然增長相結(jié)合的方法進(jìn)行預(yù)測?！懊焊碾姟必?fù)荷預(yù)測可借鑒上述方法，但“煤改電”增量負(fù)荷需求目前尚無參考標(biāo)準(zhǔn)，缺乏相關(guān)研究。因此，亟須開展“煤改電”增量負(fù)荷研究，并確定戶均配變?nèi)萘?，為配電網(wǎng)規(guī)劃提供依據(jù)。
本文首先從需求側(cè)和供給側(cè)分析“煤改電”用戶增量負(fù)荷的影響因素；然后，重點(diǎn)從需求側(cè)分析采暖房屋熱負(fù)荷指標(biāo)，建立房屋熱過程分析模型，介紹房屋熱負(fù)荷理論計(jì)算方法和動態(tài)仿真模擬軟件DeST，從而確定采暖熱負(fù)荷。在此基礎(chǔ)上，提出“以熱定電”的“煤改電”增量負(fù)荷與戶均配變?nèi)萘坑?jì)算方法。最后，以北京地區(qū)典型“煤改電”用戶為例，運(yùn)用建筑模擬仿真軟件DeST 仿真計(jì)算戶均采暖熱負(fù)荷，并依據(jù)電采暖設(shè)備類型計(jì)算戶均增量負(fù)荷及相應(yīng)戶均配變?nèi)萘俊?/p>
1 “煤改電”增量負(fù)荷影響因素分析
電采暖設(shè)備制熱提供熱量供給，從而在需求側(cè)維持室內(nèi)溫度，實(shí)現(xiàn)房屋采暖。因此，“煤改電”增量負(fù)荷影響因素可以從采暖需求側(cè)和采暖供給側(cè)2 個(gè)層面進(jìn)行分析，如圖1 所示。
圖1 “煤改電”增量負(fù)荷影響因素與計(jì)算流程
1.1 需求側(cè)影響因素
“煤改電”增量負(fù)荷根本上是由需求側(cè)房屋采暖的熱需求決定的。從建筑動態(tài)熱過程分析[10]，影響房屋采暖的因素即是“煤改電”負(fù)荷需求側(cè)影響因素，主要包括以下3 方面。
1.1.1 氣象因素
不考慮供暖系統(tǒng)作用，氣象條件是影響建筑熱過程的根本因素，也是最主要室外因素，包括室外溫濕度、太陽輻射強(qiáng)度、風(fēng)向、風(fēng)速等。這些因素主動作用于建筑得熱、失熱來影響房屋熱過程和采暖熱負(fù)荷。
1.1.2 房屋熱工因素
建筑采暖是房屋以其圍護(hù)結(jié)構(gòu)為邊界，實(shí)現(xiàn)室內(nèi)外動態(tài)熱平衡的過程。因此，房屋本身的熱工條件，包括房屋結(jié)構(gòu)、圍護(hù)材料、室內(nèi)發(fā)熱、鄰室得熱、周圍環(huán)境熱狀況等，通過不同結(jié)構(gòu)的窗墻比、建筑朝向、圍護(hù)材料熱阻等影響房屋熱過程。
1.1.3 用戶行為習(xí)慣因素
用戶行為習(xí)慣是影響建筑熱過程的人為因素，包括采暖目標(biāo)溫度、采暖時(shí)段、房屋開門開窗及通風(fēng)次數(shù)熱擾、室內(nèi)照明及設(shè)備產(chǎn)熱等。
上述3 方面因素綜合作用，疊加供暖系統(tǒng)的熱量供給，實(shí)現(xiàn)房屋熱傳導(dǎo)過程的動態(tài)平衡，維持一定的室內(nèi)溫度。定義維持一定室內(nèi)溫度所消耗的熱功率為采暖熱負(fù)荷，該熱負(fù)荷從根本上決定了“煤改電”用電負(fù)荷。
1.2 供給側(cè)影響因素
電采暖設(shè)備利用電能產(chǎn)生房屋采暖所需熱量。不同設(shè)備的工作原理及性能決定了其電熱轉(zhuǎn)換效率各不相同。一般而言，將電能直接轉(zhuǎn)換為熱能的直熱類設(shè)備，效率小于1；利用電能做工的熱泵類設(shè)備，效率（COP）可達(dá)3～4。
在給定房屋，即需求側(cè)采暖熱負(fù)荷一定的情況下，供給側(cè)不同類型的電采暖設(shè)備所消耗的電功率不同。因此，電采暖設(shè)備類型是影響“煤改電”增量負(fù)荷需求的供給側(cè)因素。
2 采暖熱負(fù)荷需求計(jì)算
采暖熱負(fù)荷是計(jì)算“煤改電”增量負(fù)荷的基礎(chǔ)。供暖設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)以采暖季室內(nèi)溫度滿足采暖要求為目標(biāo)，確定熱負(fù)荷。
2.1 房屋采暖熱負(fù)荷
民用建筑的采暖熱負(fù)荷可按下列公式[11]計(jì)算：
式中：Qh為采暖設(shè)計(jì)熱負(fù)荷，kW；qh為采暖單位面積熱指標(biāo)，W/m2；Ac為采暖房屋采暖面積，m2。
房屋采暖面積為已知量，故計(jì)算房屋采暖熱負(fù)荷需獲取單位面積熱指標(biāo)qh。根據(jù)CJJ 34-2010《城鎮(zhèn)供熱管網(wǎng)設(shè)計(jì)規(guī)范》，城鎮(zhèn)典型建筑單位面積熱指標(biāo)qh推薦值如表1 所示。
表1 采暖單位面積熱指標(biāo)推薦值
但是農(nóng)村住宅建筑形式多樣，與城鎮(zhèn)建筑在結(jié)構(gòu)、圍護(hù)材料等方面存在差異，上表推薦的通用采暖熱指標(biāo)直接應(yīng)用于農(nóng)村住宅采暖設(shè)計(jì)不夠精確。
根據(jù)GB 50736-2012《民用建筑供暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)規(guī)范》，冬季供暖系統(tǒng)的熱負(fù)荷主要包括下列散失或獲得的熱量：圍護(hù)結(jié)構(gòu)的耗熱量，門窗縫隙滲入室內(nèi)冷空氣耗熱量、門窗開啟時(shí)進(jìn)入室內(nèi)的冷空氣耗熱量、通風(fēng)耗熱量、其他途徑散失和獲得的熱量。
其中，圍護(hù)結(jié)構(gòu)的耗熱量是最主要因素，其基本耗熱量為
式中：α 為不同圍護(hù)結(jié)構(gòu)溫差修正系數(shù)；F為圍護(hù)結(jié)構(gòu)的面積，m2；K為圍護(hù)結(jié)構(gòu)的傳熱系數(shù)，W/(m2·K)；tn為供暖設(shè)計(jì)室內(nèi)溫度，°C；twn為供暖室外設(shè)計(jì)溫度，°C。
由式（2）可知，假設(shè)圍護(hù)結(jié)構(gòu)確定，其基本耗熱量由供暖室內(nèi)和室外設(shè)計(jì)溫度確定。
對于室內(nèi)設(shè)計(jì)溫度，根據(jù)國家現(xiàn)行設(shè)計(jì)規(guī)范[12]要求，民用建筑主要房間的室內(nèi)溫度范圍為18～24 °C，根據(jù)農(nóng)村地區(qū)居民生活習(xí)慣，農(nóng)村“煤改電”用戶供暖室內(nèi)設(shè)計(jì)溫度一般取18 °C。
對于室外設(shè)計(jì)溫度，主要受各地氣候條件影響。目前，我國使用的室外設(shè)計(jì)溫度按平均或累年不保證日（時(shí)）數(shù)確定，即供暖室外設(shè)計(jì)溫度應(yīng)采用歷年平均不保證5 天的日平均溫度[12]。GB 50736-2012《民用建筑供暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)規(guī)范》基于現(xiàn)有氣象站點(diǎn)數(shù)據(jù)，給出了各城市設(shè)計(jì)溫度，如北京為–7.6 °C，規(guī)范未明確給出設(shè)計(jì)溫度的地區(qū)可按下式確定。式中：tlp為累年最冷月平均溫度，°C；tp·min為累年最低日平均溫度，°C。
考慮到同一地區(qū)局地氣候的差異性，簡單采用同一室外設(shè)計(jì)溫度，將導(dǎo)致某些區(qū)域不能滿足采暖需求，如北京地區(qū)統(tǒng)一按照–7.6 °C 進(jìn)行供暖設(shè)計(jì)，南部平原室內(nèi)溫度能夠達(dá)標(biāo)，北部寒冷山區(qū)則無法達(dá)標(biāo)。故對于農(nóng)村“煤改電”而言，上述采暖熱負(fù)荷指標(biāo)確定方法同樣不夠精確。
為準(zhǔn)確表征不同地區(qū)農(nóng)村住宅采暖熱負(fù)荷，本文根據(jù)不同地區(qū)氣候條件、房屋結(jié)構(gòu)和居民生活習(xí)慣，對房屋熱負(fù)荷進(jìn)行動態(tài)計(jì)算，從而確定采暖熱負(fù)荷設(shè)計(jì)依據(jù)。
根據(jù)建筑熱環(huán)境理論[13-14]，首先要建立建筑熱過程數(shù)學(xué)模型，即所有圍護(hù)結(jié)構(gòu)的動態(tài)傳熱方程、邊界條件及建筑空間內(nèi)的空氣溫度變化方程，然后利用狀態(tài)空間法對圍護(hù)、家具等進(jìn)行空間離散，建立所有節(jié)點(diǎn)的熱平衡方程組，進(jìn)一步在圍護(hù)結(jié)構(gòu)與物性一定、室內(nèi)計(jì)算參數(shù)給定、室外氣象因素已知情況下，求解房間溫度和熱負(fù)荷[10,14]。
2.2 建筑熱過程模擬數(shù)學(xué)模型
建筑墻體、樓板、門窗等壁體結(jié)構(gòu)可簡化成一維傳熱問題，動態(tài)傳熱基本方程為：
式中：t為壁體內(nèi)的溫度分布，°C；cP為壁體材料的比熱，kJ/(kg·°C)；ρ 為壁體材料的密度，kg/m3；k為壁體材料的導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·°C)；x為壁體的厚度方向。
壁體室內(nèi)側(cè)的邊界條件為：
式中：hin為壁體內(nèi)表面與空氣對流換熱系數(shù)，W/(m2·°C)；ta為房間室溫，°C；qr為壁體內(nèi)表面吸收透過窗戶的太陽輻射熱量，W/m2；qr,in為室內(nèi)熱源輻射至表面的熱量，W/m2；hrj為溫度為tj的表面j與該表面的長波輻射換熱系數(shù)，W/(m2·°C)。
壁體室外側(cè)的邊界條件為：
式中：hout為壁體外表面與室外空氣對流換熱系數(shù)，W/(m2·°C)；to為室外空氣溫度，°C；qr,o為壁體外表面吸收的太陽輻射熱量，W/m2；henv為壁體外表面與周圍環(huán)境表面的長波輻射換熱系數(shù)，W/(m2·°C)；tenv為周圍環(huán)境表面的綜合溫度，°C。
壁體材料將建筑圍護(hù)成建筑空間，空間內(nèi)的空氣熱量交換來源主要包括圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)表面?zhèn)魅霟崃俊⑹覂?nèi)物體產(chǎn)熱與空氣對流換熱、空氣直接吸收太陽透窗輻射熱量、鄰室或室外通風(fēng)對流換熱、供暖系統(tǒng)提供熱量等內(nèi)外熱擾。上述熱量疊加作用于室內(nèi)空氣，導(dǎo)致空氣溫度變化關(guān)系為：
式中：cPaρa(bǔ)Va為建筑空間內(nèi)空氣熱容，kJ/°C；Fj為建筑空間壁體內(nèi)表面j的面積，m2；tj為建筑空間壁體內(nèi)表面j的溫度，°C；n為建筑空間壁體內(nèi)表面?zhèn)€數(shù)；qcov為室內(nèi)熱源對流傳給空氣的熱量，W；qf為室內(nèi)家具放出的熱量，W；qvent為室內(nèi)外或鄰室空氣交換帶入室內(nèi)的熱量，W；qhvac為供暖系統(tǒng)送入建筑空間的熱量，W。
2.3 總熱平衡方程組及熱負(fù)荷求解
由狀態(tài)空間法對房間內(nèi)所有圍護(hù)、家具進(jìn)行空間離散，并將室內(nèi)空氣溫度集總為單一節(jié)點(diǎn)處理，根據(jù)式（4）-（7）可建立所有空間離散點(diǎn)的熱平衡方程組。
求解方程組得到表征房屋熱特性的系數(shù)和各種熱擾作用下的室溫，進(jìn)一步根據(jù)室內(nèi)供暖設(shè)計(jì)溫度，即可得到房屋的采暖熱負(fù)荷。
以上述理論模型為基礎(chǔ)，清華大學(xué)建筑技術(shù)科學(xué)系開發(fā)了建筑環(huán)境模擬軟件[14]DeST（designer's simulation toolkits），能夠動態(tài)模擬計(jì)算建筑在各種熱擾因素下的采暖熱負(fù)荷。DeST 基于Auto-CAD 開發(fā)了圖形化用戶界面，可以直接進(jìn)行建筑建模和描述定義，同時(shí)以氣象站逐時(shí)氣象數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)選取典型氣象年數(shù)據(jù)作為外界氣象參數(shù)，對房間熱過程進(jìn)行動態(tài)模擬，大大簡化了熱負(fù)荷計(jì)算過程。該軟件是最常用的建筑模擬工具。
3 “以熱定電”計(jì)算“煤改電”增量負(fù)荷及戶均配變?nèi)萘?/h2>
“煤改電”增量負(fù)荷及配變?nèi)萘啃枨蟾旧鲜怯煞课莶膳療嶝?fù)荷決定的，即“以熱定電”，同時(shí)與電采暖設(shè)備類型相關(guān)。
3.1 “煤改電”增量負(fù)荷
令采暖需求側(cè)房屋熱負(fù)荷為Qh，則“煤改電”增量負(fù)荷為：
式中：Pe為“煤改電”增量負(fù)荷，kW；η 為電采暖熱源電熱轉(zhuǎn)換效率。
對于蓄熱設(shè)備，其效率除了與熱源形式相關(guān)外，還要考慮到設(shè)備僅在谷電時(shí)段制熱的運(yùn)行特性，得到考慮谷電時(shí)長Tv的等效效率。因此，直熱、蓄熱、空氣源熱泵3 類電采暖設(shè)備對應(yīng)的增量負(fù)荷可描述為：
式中：η 為電采暖熱源電熱轉(zhuǎn)換效率；Tv為谷電時(shí)長，Tv= 0 時(shí)，Pe=Qh。
3.2 “煤改電”戶均配變?nèi)萘?/h3>
戶均配變?nèi)萘渴桥渚W(wǎng)規(guī)劃設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。“煤改電”戶均配變?nèi)萘繎?yīng)考慮“煤改電”負(fù)荷和傳統(tǒng)用電負(fù)荷對應(yīng)的配變?nèi)萘?，即?/p>
式中：ST1為“煤改電”負(fù)荷對應(yīng)的配變?nèi)萘浚籗T2為傳統(tǒng)用電負(fù)荷對應(yīng)的配變?nèi)萘俊?/p>
其中，“煤改電”負(fù)荷對應(yīng)的戶均配變?nèi)萘繛椋?/p>
式中：a為“煤改電”設(shè)備同時(shí)系數(shù)；b為“煤改電”設(shè)備使用率；β 為配變負(fù)載率，一般取0.7；cosφ為補(bǔ)償后配變功率因數(shù)，一般取0.95。
傳統(tǒng)用電負(fù)荷配變?nèi)萘堪ìF(xiàn)有負(fù)荷水平和未來負(fù)荷增長兩部分：
式中，Sex為現(xiàn)有傳統(tǒng)用電負(fù)荷對應(yīng)的配變?nèi)萘?；Sinc為傳統(tǒng)用電負(fù)荷自然增長對應(yīng)的配變?nèi)萘?，須根?jù)不同規(guī)劃年進(jìn)行負(fù)荷預(yù)測。
傳統(tǒng)用電負(fù)荷增長可采用成熟方法進(jìn)行預(yù)測計(jì)算，本文不再贅述。“以熱定電”計(jì)算“煤改電”增量負(fù)荷及戶均配變?nèi)萘康牧鞒倘鐖D2 所示。
圖2 “以熱定電”計(jì)算“煤改電”增量負(fù)荷及戶均配變?nèi)萘苛鞒?/p>
4 北京地區(qū)“煤改電”算例
圖3所示北京南部平原地區(qū)農(nóng)村傳統(tǒng)磚瓦結(jié)構(gòu)、瓦楞坡面房頂?shù)钠椒棵裾?，木梁下沿平面距地? m。以該典型房屋為例，給出房屋采暖動態(tài)熱負(fù)荷仿真、“煤改電”增量負(fù)荷及戶均配變?nèi)萘坑?jì)算過程與結(jié)果。
圖3 北京農(nóng)村典型民居結(jié)構(gòu)圖
首先采用擠塑聚苯板對房屋外墻進(jìn)行保溫節(jié)能改造，圍護(hù)材料及門窗如表2 所示。
表2 房屋主要圍護(hù)結(jié)構(gòu)材料
采用DeST 建筑環(huán)境模擬分析軟件，并選用北京南部平原地區(qū)歷史氣象數(shù)據(jù)，以18 °C 為室內(nèi)設(shè)計(jì)溫度，對圖3 所示北京典型民居采暖季熱負(fù)荷進(jìn)行逐時(shí)動態(tài)仿真模擬，得到單位面積熱負(fù)荷指標(biāo)如圖4 所示。
圖4 北京南部平原農(nóng)村民居單位面積熱負(fù)荷指標(biāo)
根據(jù)GB 50736-2012《民用建筑供暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)規(guī)范》中選取供暖室外計(jì)算溫度時(shí)，采用歷年平均不保證5 天的日平均溫度，一般不會影響民用建筑的供暖效果。因此，本文同樣選用供暖季供暖不保證5 天來確定熱負(fù)荷設(shè)計(jì)指標(biāo)。
篩選仿真結(jié)果，得到供暖不保證的5 天，分別為1 月16、17、18、19 日及2 月2 日，采暖季其他時(shí)間熱負(fù)荷統(tǒng)計(jì)如表3 所示。
表3 房屋采暖熱負(fù)荷統(tǒng)計(jì)
房屋最大熱負(fù)荷指標(biāo)即設(shè)計(jì)熱負(fù)荷指標(biāo)為：
按戶均采暖面積為100 m2計(jì)算，則戶均采暖熱負(fù)荷為：
北京南部平原地區(qū)采暖設(shè)備選用空氣源熱泵，假設(shè)其電熱轉(zhuǎn)換效率COP = 2.5，則對應(yīng)的增量負(fù)荷分別為：
考慮到空氣源熱泵設(shè)備一般具有確定的功率等級，因此應(yīng)按照制熱功率不小于7.808 kW、電功率不小于3.123 kW 的原則選配合適功率的空氣源熱泵。
假設(shè)戶間設(shè)備同時(shí)系數(shù)取0.8，設(shè)備使用率為100%，配變負(fù)載率取0.7，功率因數(shù)取0.95，則“煤改電”增量負(fù)荷對應(yīng)的戶均配變?nèi)萘繛椋?/p>
5 結(jié)束語
從采暖需求側(cè)和供給側(cè)分析了“煤改電”用戶增量負(fù)荷的影響因素，提出了一種“以熱定電”計(jì)算“煤改電”增量負(fù)荷與戶均配變?nèi)萘康姆椒?，給出了詳細(xì)的計(jì)算流程，并以北京“煤改電”用戶進(jìn)行算例分析。
“煤改電”增量負(fù)荷根本上由需求側(cè)房屋采暖熱負(fù)荷決定，同時(shí)受供給側(cè)電采暖設(shè)備類型影響。
不同地區(qū)“煤改電”增量負(fù)荷計(jì)算首先要仿真模擬該地區(qū)典型房屋采暖熱負(fù)荷指標(biāo)，根據(jù)戶均采暖面積計(jì)算采暖熱負(fù)荷。
“煤改電”戶均配變?nèi)萘堪ā懊焊碾姟痹隽控?fù)荷和傳統(tǒng)用電負(fù)荷對應(yīng)的配變?nèi)萘?，傳統(tǒng)用電負(fù)荷需考慮現(xiàn)有負(fù)荷水平和未來負(fù)荷增長。
在“煤改電”戶均配變?nèi)萘炕A(chǔ)上，僅需統(tǒng)計(jì)該地區(qū)“煤改電”戶數(shù)即可快速確定配網(wǎng)容量需求，指導(dǎo)配電網(wǎng)規(guī)劃設(shè)計(jì)。
該方法能夠準(zhǔn)確計(jì)算“煤改電”增量負(fù)荷與戶均配變?nèi)萘?，從而為“煤改電”配電網(wǎng)規(guī)劃設(shè)計(jì)提供依據(jù)。
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