校園無水直熱式電供暖應(yīng)用研究與實(shí)踐

曲娜 陶進(jìn) 程鳳芹 王楊洋

【摘要】? ? 本文基于我校新校區(qū)（約34萬平米）采用無水直熱式電供暖的工程實(shí)踐，闡述校園無水直熱式電供暖技術(shù)方案，投資比較分析等。為我國(guó)生態(tài)文明建設(shè)、推動(dòng)零碳發(fā)展做出貢獻(xiàn)。

【關(guān)鍵詞】? ? 無水直熱式? ? 電供暖? ? 節(jié)能控制

一、電清潔供暖的重要意義

隨著我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，人們生活水平不斷提高，但同時(shí)也帶來環(huán)境的破壞和污染，許多大中城市的環(huán)境承載能力已逼近極限，國(guó)家領(lǐng)導(dǎo)人提出“藍(lán)天保衛(wèi)戰(zhàn)”的口號(hào)，城鎮(zhèn)供暖的清潔化已成為國(guó)家意志，北方各地分別制定了利用電等清潔能源替代散煤燃燒供暖的3-5年行動(dòng)計(jì)劃，力促社會(huì)經(jīng)濟(jì)從高速增長(zhǎng)向高質(zhì)量協(xié)調(diào)發(fā)展轉(zhuǎn)型。

二、校園電供暖系列技術(shù)方案

2.1電供暖系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

電供暖的供電系統(tǒng)與日常學(xué)習(xí)生活辦公用電系統(tǒng)為相互獨(dú)立的兩套系統(tǒng)，電供暖變壓器總?cè)萘?5140KVA，建筑總計(jì)算熱負(fù)荷14.8MW，配置電供暖總功率16MW。電供暖供電系統(tǒng)每年非采暖季時(shí)關(guān)閉報(bào)停。

在校區(qū)內(nèi)設(shè)置一座10kV開閉所，開閉所輻射兩個(gè)主變配電室（5臺(tái)總變壓器）和11個(gè)箱變位，其分布于校區(qū)的教學(xué)、實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)、行政辦公、公寓、生活服務(wù)和后勤保障等六大區(qū)域，以滿足電供暖對(duì)用電的需求。

10kV電源經(jīng)變壓器降壓后，經(jīng)42個(gè)低壓屏以放射式配電至各建筑物的總配電柜（120個(gè)），再經(jīng)建筑物各樓層配電箱（718個(gè)）放射式供電至電供暖終端設(shè)備—壁掛直熱式全鋁翅片碳晶電暖器（10695個(gè)）或埋設(shè)式地?zé)峋€纜。

每個(gè)電供暖終端（電暖器）由自動(dòng)控制系統(tǒng)進(jìn)行控制。全校電暖器共有七種規(guī)格（1.0-2.2KW），功率可在50-100%之間調(diào)變。

2.1.1電供暖熱負(fù)荷計(jì)算

本文僅提供一期電供暖工程熱負(fù)荷計(jì)算情況，總建筑面28.72萬㎡，共30棟單體，熱負(fù)荷計(jì)算見下表1：

2.1.2 變壓器選擇

本工程為三級(jí)負(fù)荷，但負(fù)荷集中且容量大，故采用多臺(tái)變壓器，根據(jù)工程具體情況兼顧校園未來發(fā)展，共選擇16臺(tái)變壓器。兩套供電系統(tǒng)均由長(zhǎng)春裝備制造產(chǎn)業(yè)開發(fā)區(qū)的合心變電站開口接入，架設(shè)（或埋設(shè)）高壓電纜約4000m，由當(dāng)?shù)毓╇姴块T將10kV供電總線引入校區(qū)內(nèi)。

根據(jù)建筑熱負(fù)荷配置電采暖電功率，考慮工程所在地氣候條件及建筑物節(jié)能保溫情況，按目前公共建筑節(jié)能50%的要求，電采暖安裝功率為50～70 W/ m?（電供暖面積熱指標(biāo)）。電供暖供配電系統(tǒng)每年4月中旬-10月中旬（非采暖季）報(bào)停。

1.兩個(gè)主變配電室基本數(shù)據(jù)。開閉所布置兩個(gè)主變配電室（5臺(tái)總變壓器），1#變配電室有兩臺(tái)1600 kVA油浸式變壓器;2#變配電室有兩臺(tái)1600 kVA和一臺(tái)1250 kVA油浸式變壓器。

2.1-6#箱變基本數(shù)據(jù)。開閉所輻射兩個(gè)主變配電室（5臺(tái)總變壓器）和6個(gè)箱變位，其中400 kVA箱式變壓器一臺(tái)，630 kVA箱式變壓器十臺(tái)，分布于校區(qū)的教學(xué)、實(shí)驗(yàn)、圖書館、公寓、餐飲商業(yè)和后勤保障等六大區(qū)域，以滿足電采暖對(duì)供電用電的需求。

2.2 電供暖控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

在各建筑物的供暖區(qū)域設(shè)置了6683個(gè)控制箱，向控制中心遠(yuǎn)傳各供暖區(qū)域的室溫。電供暖中心控制室位于校區(qū)內(nèi)后勤服務(wù)中心樓的二層，全校電采暖系統(tǒng)由4臺(tái)電腦集中控制，按室外氣溫變化、房間溫度設(shè)定和使用需要啟動(dòng)或停止采暖設(shè)備，變頻調(diào)節(jié)每個(gè)末端電暖器的供電量，以達(dá)到既滿足采暖需求又節(jié)能運(yùn)行的目的。

2.2.1控制系統(tǒng)溫度控制模式? 控制系統(tǒng)具有三種溫度控制模式：

1.遠(yuǎn)程自動(dòng)控制模式。計(jì)算機(jī)把各個(gè)功能分區(qū)的室溫控制目標(biāo)值傳送到工控機(jī)，工控機(jī)完成各房間電暖器的開啟控制。

2.遠(yuǎn)程半自動(dòng)控制模式。從頂層工控機(jī)界面上手工操作發(fā)出電采暖啟停指令，控制系統(tǒng)確認(rèn)安全后自動(dòng)運(yùn)行。

3.本地控制。通過控制現(xiàn)場(chǎng)溫控箱上的轉(zhuǎn)換開關(guān)，進(jìn)行“遠(yuǎn)程/本地”切換，切換至本地操作后，可以進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)室溫的調(diào)節(jié)和控制。

2.2.2控制系統(tǒng)的主要組成部分

電供暖智能控制系統(tǒng)主要由上位機(jī)、上位機(jī)軟件系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集器、對(duì)應(yīng)通訊功能的溫控器組成，電供暖控制系統(tǒng)是針對(duì)電供暖的集中監(jiān)測(cè)、控制、管理、計(jì)費(fèi)等需求而開發(fā)的智能管理系統(tǒng)。采用成熟可靠的工業(yè)級(jí)RS485通訊協(xié)議，有效地集中管理電供暖設(shè)備（電暖器、地?zé)犭娎|等），最大限度地節(jié)約能源[2]。

在實(shí)現(xiàn)校園建筑負(fù)荷功能分區(qū)的基礎(chǔ)上，參照開學(xué)季、寒假、室溫信息等確定當(dāng)前的供暖指標(biāo)，本控制系統(tǒng)技術(shù)指標(biāo)：

1.實(shí)現(xiàn)室內(nèi)溫度的自動(dòng)控制，溫度控制范圍：0℃-35℃;

2.采用智能控制技術(shù)，室溫控制精度：±1℃;

3.電供暖末端供電電壓：220V

4.單個(gè)碳晶電暖器功率：1000-2200W，每個(gè)溫控器功率調(diào)節(jié)范圍：0-2400W。

2.2.3 控制系統(tǒng)節(jié)能控制策略

高等學(xué)校師生生活非常有規(guī)律，校內(nèi)各種建筑使用有明顯的時(shí)段性，在周末、節(jié)假日，學(xué)校的教室學(xué)生人數(shù)比較少，非自習(xí)教室可低溫運(yùn)行，對(duì)于辦公樓下班時(shí)間及節(jié)假日低溫運(yùn)行。對(duì)于學(xué)生宿舍上課時(shí)間低溫運(yùn)行。在寒假期間，學(xué)校幾乎所有的建筑均處于閑置狀態(tài)，采取值班供暖模式，僅科研樓和少部分值班房間需正常供暖。

三、校園電供暖投資分析

3.1.無水直熱式電供暖系統(tǒng)投資分析

我校的電供暖工程投資和運(yùn)行采用“合同能源管理”模式，由本地一家新能源科技股份公司承建并參與投資。投入運(yùn)行后仍由該公司進(jìn)行運(yùn)行管理，合同期20年。

1.電供暖系統(tǒng)投資內(nèi)容。電供暖系統(tǒng)投資主要包括：電供暖專用開閉所、配電室、箱變（變壓器）、校區(qū)室外電纜、室內(nèi)配電箱及電纜、末端電暖器及自控系統(tǒng)。

2.電供暖系統(tǒng)各項(xiàng)投資占比分析

1）變配電、變壓器設(shè)備及室外電力電纜投資：占22.6%;

2）室內(nèi)供配電：包括電纜、電線、配電箱、橋架、線槽、PVC穿線管、插座等，占19.4%;

3）末端設(shè)備和控制系統(tǒng)：碳晶電散熱器、溫控器、電腦服務(wù)器、數(shù)據(jù)采集器、智能控制箱、系統(tǒng)軟件等，占58%。

綜上，我校無水直熱式電供暖系統(tǒng)總投資：5088萬元，折合單位建筑面積造價(jià)：171元/㎡。

3.2熱水集中供熱系統(tǒng)投資分析

3.2.1 熱水集中供熱各項(xiàng)投資占比分析

1.城市集中供熱并網(wǎng)費(fèi)：50元/m? 一次性交給供熱企業(yè)，占31.3%;

2.熱水供暖外網(wǎng)建設(shè)費(fèi)：50元/m?，包括校區(qū)室外熱水管網(wǎng)，換熱站及泵房等，占31.3%;

3.熱水供暖內(nèi)網(wǎng)建設(shè)費(fèi)：60元/m?，包括室內(nèi)熱水管網(wǎng)、末端暖氣片（或地?zé)岜P管），占37.4%。

以我校供暖規(guī)模為例分析：傳統(tǒng)熱水集中供暖系統(tǒng)總投資：5252萬元，折合單位建筑面積造價(jià)：176元/㎡。

3.2.2建設(shè)難易程度比較

熱水系統(tǒng)征地難，占地多（泵站、地埋管網(wǎng)），建設(shè)周期長(zhǎng)。電采暖所用外部設(shè)施為箱式變壓器，與燃煤鍋爐房或換熱站相比，其占地可忽略不計(jì)。

3.2.3節(jié)省水資源比較

經(jīng)計(jì)算，相同規(guī)模的熱水供暖系統(tǒng)，一次注水量35280噸，每個(gè)采暖季的補(bǔ)水量約12000噸，無水電供暖可節(jié)約水資源36480噸。

3.2.4 集中供熱存在的其他問題

除上述問題外，集中供熱還存在供暖不平衡（熱力失調(diào)、水力失調(diào)）;水流無法任意控制，控制的隨意性差;按面積繳費(fèi)不能調(diào)動(dòng)用戶節(jié)能積極性;供暖系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間掌握在供暖企業(yè)，熱用戶完全被動(dòng)地接受“供暖服務(wù)”等問題亟需解決。

四、結(jié)束語

與傳統(tǒng)的熱水供暖相比，電供暖是一種更為科學(xué)合理的供暖方式，不增加初投資，能源利用率高，運(yùn)行時(shí)不產(chǎn)生灰塵、噪聲和異味，可改善能源結(jié)構(gòu)，有效保護(hù)環(huán)境[3]。無水電供暖更可靈活地分時(shí)、分區(qū)域?qū)囟冗M(jìn)行控制，充分實(shí)現(xiàn)行為節(jié)能，節(jié)省水資源，從而使供暖變得 “更加智能、更加節(jié)能、更加精準(zhǔn)、更加舒適”。我校電供暖采用“合同能源管理”模式，存在后期運(yùn)行管理難度較大、合作周期長(zhǎng)及時(shí)間跨度大等特點(diǎn)。

合同對(duì)方（企業(yè)）通過少用電、快回本、爭(zhēng)取最大利潤(rùn)的主觀愿望，秉持在保障供暖效果前提下，合理用電的原則。使得電供暖系統(tǒng)順利、安全運(yùn)行了六年，并取得了重大的社會(huì)、環(huán)境、經(jīng)濟(jì)綜合效益。校園等公共建筑因寒假可低溫運(yùn)行，使得電供暖運(yùn)行成本較低，因此電供暖特別適合各高校和中小學(xué)校園，并將成為校園等新建或改造的公共建筑清潔供暖的發(fā)展方向。

參? 考? 文? 獻(xiàn)

[1] 王昭俊，任靜吉，玉辰寧等.嚴(yán)寒地區(qū)住宅與辦公建筑熱環(huán)境與熱適應(yīng)研究[J].建設(shè)科學(xué)，2016，（4）：60-65

[2]陶進(jìn)，王楊洋，任楠楠.吉林城建學(xué)院超低能耗建筑示范項(xiàng)目研究[J].建筑科學(xué)，2017，（6）：8-14

[3]董旭娟，閆增峰，王智偉.夏熱冬冷地區(qū)城市住宅供暖方式調(diào)查與室內(nèi)熱環(huán)境測(cè)試研究[J].建筑科學(xué)，2014，（12）：4-7

[4]《吉林建筑大學(xué)城建學(xué)院新校區(qū)電采暖工程項(xiàng)目申請(qǐng)報(bào)告》.吉林省工程咨詢科技公司. 2015年8月

[5]張偉.基于PLC的熱網(wǎng)系統(tǒng)的自動(dòng)平衡分析與應(yīng)用[D].沈陽：東北大學(xué)，2009.

[6]李全中，柴景武.城市供熱調(diào)度管理SCADA系統(tǒng)的應(yīng)用[J]自動(dòng)化博覽，2012，12（01）：66-69.

[7]步春域，徐大華，智能實(shí)驗(yàn)室監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2007，24（7）：145-147.

[8]支國(guó)瑞，楊俊超，張濤，等.我國(guó)北方農(nóng)村生活燃煤情況調(diào)查、排放估算及政策啟示[J].環(huán)境科學(xué)研究，2015（8）：1179-1185.

[9]王惠，李義強(qiáng)，田擁軍，等.華北地區(qū)農(nóng)村清潔供暖方式適用性研究[J].建筑節(jié)能，2018，46（3）：103-106.

[10]閆瑞妙.基于節(jié)能改造后清潔能源在北方農(nóng)宅供熱系統(tǒng)的應(yīng)用與研究[D].太原理工大學(xué)，2018.