无增容智能电供暖系统的配电应用

裴元杰， 李天一， 李 磊

(中国建筑设计研究院有限公司，北京100044)

0 引言

电采暖作为清洁能源的采暖形式，可以缓解燃煤、燃气采暖形式造成的污染，在政府和供电部门峰谷电价、新能源优惠电价等鼓励措施下，已在国内采暖市场占有一席之地。

一般住宅类项目采用传统电锅炉、户内电采暖炉、传统电热膜等作为热源，电气工程师在进行设计时都需要单独为电能热源增加电量预估，相对于采用传统市政热源或燃气锅炉房热源的项目，单位面积用电量和总用电量均有所增加，因此造成建设成本上升、变电所容量和面积加大等，但限制传统电采暖技术应用的更大一部分原因，在于供电公司可提供的负荷总量限制。一般供电公司在前期规划设置开闭站位置及负载时，往往会按照传统住宅用电预估，限制每个住宅地块的总用电量。若区域内相邻几处住宅地块同时采用传统电采暖形式，会面临供电公司无法满足负荷的情况。为解决此类情况的发生，本文中所列小区采用了无增容智能电供暖系统。该系统可以帮助业主在不增加总用电量的情况下，使用电采暖系统。

本文总结目前市场上主流电采暖方式，并结合某小区实际工程设计案例，对电采暖供暖季居民销售价格计算、无增容智能控制系统的应用、电采暖用电量单独计量优化设计等方面的全过程设计进行阐述，为初次参与此类供暖形式的电气设计人员提供设计参考。

1 电采暖的种类

市场上主流的电采暖设备一般分为以下几种。(1)集中式电采暖

电锅炉:分为普通电锅炉和蓄热电锅炉，蓄热型可利用峰谷电价进行夜间储能。户内类同于传统集中燃气锅炉供暖模式，末端一般仍搭配传统散热器。

(2)分散式电采暖

1)独立电采暖炉:安装在户内，作为各房间散热器的热源。

2)电暖器:有普通型和蓄热型电暖器，其中蓄热型可实现谷间存储热能。

3)发热电缆/电热膜:热源即为通电后的电缆/电热膜，可利用其覆盖层和建筑本体进行蓄热，实现谷间存储热能。其中，发热电缆可分为碳纤维发热电缆、合金发热电缆、自限温发热电缆等。

本文展示的张家口市怀来县某住宅小区实际工程设计案例，采用无增容智能电采暖系统，该项目发热导体采用碳纤维发热电缆。

2 电采暖供暖季居民销售价格的计算

在建设初期，甲方选择采暖形式的过程中，必然会考虑到销售时期对业主的吸引力，其中，供暖销售价格(居民采暖成本)是重要因素。以下为该项目采用电采暖形式的电费前期计算结果。

项目位于河北省张家口市怀来县，项目组均为大于14层的高层住宅，居民基础电价0.52元/kWh，峰电 0.57元/kWh，谷电0.31元/kWh。

根据JGJ 26-2010《严寒和寒冷地区居住建筑节能设计标准》查证，河北省张家口市怀来县属于Ⅱ(A)气候区属，采暖天数143天，冬季室外平均气温-1.8℃。

严寒和寒冷地区主要城市的建筑物耗热量指标详见表1(根据JGJ 26-2010《严寒和寒冷地区居住建筑节能设计标准》)。

严寒和寒冷地区几个主要城市的建筑物耗热量指标 表1

由于发热电缆等末端热源类材料的电能至热能转化率接近100%，故可按表1指标直接核算电量。

(1)≥14层住宅每平米耗电量:13.5(W/m2)÷1000(单位换算)×24(h)×143(天)＝ 46.33kWh/m2(供暖季)。

(2)≥14层住宅建筑面积每平米费用为:46.33 kWh/m2年×0.52元/kWh＝24.10元/m2(0.52元/kWh峰电价)，46.33 kWh/m2年×0.31元/kWh＝14.36元/m2(0.31元/kWh谷电价)。

采用谷电蓄热技术，通过覆盖层和建筑本体蓄热把夜间谷期电能转化成易存储的热能，谷间用电比例可达到 90%，故作修正:24.1×10%(10%峰电)＋14.4×90%(90%谷电)＝15.37元/m2(采暖季)。

经调查，该地居民市政热力销售价格5.91元/m2月，供电公司优惠每户居民减500元，按每户100m2预估，合23.2元/m2(采暖季)。

经对比，该电采暖方式价格相对市政采暖，具有竞争力。

3 无增容智能电采暖系统的系统原理

无增容智能电采暖系统主要由电力功率定量器(ISE-9061)、网络数字温控器(ISE-808H)、后台服务器及相关软件构成，能够实现在满足原有生活用电的电气设计功率的情况下，无需额外增加电力容量即可实现安全稳定运行电热采暖。具体原理如下。

(1)调配基础:生活用电属不可中断负荷(中断后即无法使用)，需优先保证；相对应的采暖用电，属可中断负荷(短时间中断，不影响采暖效果)。

(2)调配空间:1)长时间启动的生活用电设备(比如电灯、电脑等)功率都比较小，对家庭用电几乎不造成冲击，大功率电器(电磁炉、微波炉、电吹风等)虽影响较大，但工作时间很短。2)不同房间之间的电采暖设备长期处于间断/不连续加热状态，平均每天工作时间4～6h，相当于有18～20h的时间是不加热的。

(3)调配原理:无增容智能控制系统巧妙利用上述调配空间，实时动态监测户内用电总功率的变化，当微波炉、热水壶、电饭煲等大功率用电设备启动时，该系统能够及时检测到家庭用电功率变化，会根据需要暂时中断卫生间、厨房等优先等级较低的供暖回路，待生活用电负荷有富余时，再根据需要启动之前暂时关停的电采暖回路。系统按照预设的优先等级顺序自动交替启动电采暖，使用户电力负荷始终保持在安全范围内，保证生活和采暖用电之间以及各房间采暖用电之间不发生冲突，实现在现有满足正常生活用电的前提下无需为电采暖额外增容。一般来讲，夏季用电负荷大于冬季，白天用电负荷大于夜间，该系统利用冬季夜间的谷期电(俗称“垃圾电”)突破了电采暖大面积使用的电力增容瓶颈。

电气工程师设计时只需根据每户生活用电需求，按照传统户箱用电量进行负荷计算，电采暖无增容智能控制系统此部分在云平台计算时，可通过综合计算大数据，远程调配各户、各单元、各楼座甚至相邻几个地块的电采暖负荷即时运行情况，在满足用户的采暖需求情况下，保证系统范围内的用电质量和安全。

4 本项目无增容智能电采暖系统的配电设计

4.1 系统设计

以本工程为例，该项目上级电源来自区域中心变电站，电力公司抄表数据仅在中心变电站取得即可。即物业公司收取业主电费后，统一汇总按总表数据交给电力公司。

根据《低温敷设电热膜供暖系统工程应用技术指南》“4.4.3电热膜供暖配电系统宜设置独立配电箱，与照明、插座配电系统分开计量”，甲方同意设计人员在每户内设置两个强电箱，分为生活用电箱和电采暖用电箱。考虑到楼盘定位、销售策略、就近楼盘电采暖使用情况等因素，开发商决定为业主单独提供电采暖的使用电量以便明确其优惠的采暖政策，同时推广清洁能源和高科技住宅等理念吸引客户投资，故决定采用无增容智能控制系统，同时要求在电井内为每户设置两个电表，将生活用电和电采暖用电数据分别采集汇总到物业处。

图1所示为该项目某层电井表箱AW1及户内电采暖箱的配电箱系统图。由于生活用电配电箱与其他项目无不同之处，本文则不再表述。无增容智能控制系统通过功率定量器采集每一路户内生活用电箱及户内电采暖箱回路的用电功率参数，同时采集用户通过温控器设定的户内温度要求，通过GPRS模块(租用运营商服务)上传至云端服务器进行户内、整楼乃至地块的总用电负荷计算，之后远程通过功率定量器控制户内温控器中的继电器，从而控制每个房间和客厅的发热电缆通断电。

图1 某层表箱及户内电采暖箱系统图

本工程特殊之处在于，厂家原有产品为内置三路线圈的功率定量器，该产品只能测量每户的总用电量。若按现有产品后期进行设计，需在层配电箱内多加两级断路器用于实现生活用电和电采暖用电的分别计量。经电气工程师优化设计，协同厂家为本项目特殊定制了外置线圈的四路功率定量器，分别测量每户两路进线的用电量，进行综合计算，从而简化层表箱内的多级断路器设置。

4.2 平面设计

温控器设置:根据发热电缆敷设情况，分区域设置温控器，一般按房间功能进行划分，如客厅、主卧、次卧、餐厅、卫生间、厨房。温控器安装高度同户内照明开关。

线缆连接方式:485控制线为“手拉手”接线方式，温控器自用电源采用星型布线，电采暖用电源线也需接至温控器，采用放射式供电。

5 结束语

在目前国家大力推行清洁能源的政策环境下，电采暖作为清洁能源中的新兴力量，正在市场中逐步占有一席之地。T/CECS 567-2018《无增容电供暖智能控制系统应用技术规程》将于2019年5月1日起施行，届时将为无增容智能控制系统提供技术支撑。本文通过介绍某工程使用无增容电供暖智能控制系统的设计全过程，帮助电气设计人员在遇到采用电采暖形式而小区总用电负荷受限时，参考此文使用无增容智能电供暖系统进行设计。