碳晶电采暖系统设计研究与应用

何 建，李珏煊，王 松，张晓毅

（国网冀北节能服务有限公司，北京 100045）

◆能效与负荷管理◆

碳晶电采暖系统设计研究与应用

何 建，李珏煊，王 松，张晓毅

（国网冀北节能服务有限公司，北京 100045）

介绍常规碳晶电暖器的原理、结构特点及应用特性，结合近几年碳晶电采暖的实际应用，分析研究碳晶电采暖及其智能控制系统的组成，运行管理特点，参数检测、经济效益评价。在此基础上，对综合能效智控系统进行进一步的优化与改善，并根据地区示范项目应用情况，分析研究其采暖效率，运行工作特性与实际效果。从而，为碳晶电采暖及其智能综合能效控制系统的进一步推广应用与运行管理提供参考或借鉴经验。

碳晶电暖器；采暖；智能控制系统；温控检测；节能优化

碳晶电暖器全称为“高温碳晶远红外电热散热器”，自2007年以来，碳晶电散热产品开始进入市场，逐步成为电采暖行业的领航者。碳晶电暖器在采暖效果、安全环保、节能减排、热平衡与稳定性、使用寿命、便捷安装以及组态灵活上超越了传统水暖和电阻发热等采暖设备及模式。

本文所论述研究的主要内容基于冬季人们对采暖系统的高需求量背景下，通过分析和研究碳晶电暖器的原理、优点，结合人性化控制设计与优化管理、系统结构、工程实施及性能的研究等相关理论来深入分析碳晶电采暖对人们生活的影响，探讨其更符合人们便捷、舒适、高品质生活需求的可行性供暖方案。

由于北方天气寒冷干燥且供暖配套设施不完备，尤其是地广人稀，单个采暖面积十分有限，偏僻的山区或草原。因此，对控制灵活、便捷环保的碳晶电暖器的需求量长期居高不下。而在我国长江流域则因冬季气温寒冷潮湿和室内无集中供暖设施而产生巨大需求潜力。深入研究、分析碳晶电采暖及其控制系统，不断探索、改进综合能耗智能优化控制理念，创新、优化管理控制环节与着力点可为碳晶电采暖较大面积与系统化集中控制与管理奠定基础，实现高效、环保、优化用能。

1 碳晶电采暖系统设计原理

本项应用研究所描述的采暖系统由集中中心计算机（服务器）等硬件设备设施、控制软件系统、计算机通信与控制网络和高温碳晶电暖器4部分组成。

1.1 高温碳晶电暖器

高温碳晶电暖器是该智能采暖系统中的热量发生主设备。采用技术成熟、科技含量高、已广泛推广使用且拥有独特制造工艺的碳晶电热板作为核心［1］。以高强度云母作为基材，可实现发热均匀稳定，电暖器使用变频调节技术，可实现温度远程、本地控制。图1为碳晶电暖器结构原理图。

图1 碳晶电暖器结构原理图

1.2 技术方案特点

碳晶电暖器采供暖系统技术方案在实施过程中，需由专门的技术人员操作或指导管控，确保安装工艺的无缝对接。重点应严格落实如下技术要求或设计标准。

（1）一般设计功率应采用最大升温使用功率，也可根据具体情况灵活调整。安装施工过程中要准确核实，确保保温节能建筑的设计功率可下调20%～30%，以实现能耗管控。

（2）层高每增加30 cm，实施功率应增加5%。

（3）有落地窗户、玻璃幕墙等局部热负荷较大的房间，应适当增加设计功率10%，施工工程中应特别注意并加以确认。

（4）待安装项目需要留有足够的墙面面积或设计位置，以确保碳晶电暖器安装后间隔距离规范，符合技术标准。

（5）根据配置功率核算需要的变压器及线路容量，根据核算出的数值选择合适的配电变压器，进行相应的配电设施改造。

该示范应用加装有综合能效控制管理系统，借助各类现场传感器，采样控制开关（阀门），通过信息通信技术，实时采样分析外部环境与条件，并根据采供暖需求形成控制用能优化曲线，实现动态平滑调节碳晶电暖器发热功率。其系统主要构成原理如图2所示。

图2 碳晶电采暖综合能效智能监控系统结构原理图

1.3 中心计算机（服务器）等硬件设备设施

高温碳晶智能采暖系统可根据采暖面积、系统规模、控制要求以及用户实际需要等合理设计、配置采暖系统管理模式。从管理、控制、运行的实际出发，建立合理的计算机综合控制服务体系，增设控制管理服务器、中继器、终端计算机、监视操作就地平台等。为综合、智能、高效、灵活的管理系统建设奠定良好的硬件基础。

1.4 集中控制软件系统

通过应用软件的配置与调试，系统集成，实现网络通信传输。集中控制软件系统能够实现对每个房间、每个时段、每台设备、室内温度进行配置和管理。能够根据不同温度智能变频、降低负荷和用电量。对每个房间进行温度监测，按照预定程序进行精确控制，同时，亦能根据实际情况进行特殊处理，分层、分区控制，统计分析各个部分的采暖能耗情况，优化用能策略。

1.5 计算机通信与控制网络

采用RS485、电力载波或无线通信网进行联网和控制，实现管理控制信息的收集与下达，以便动态优化、平衡采暖状态，达到高效、智能、环保、经济的采暖效果。

2 应用研究与分析

2.1 示范应用基本情况

国家电网公司系统内某地区节能服务有限公司于2015年1月在我国华北地区三地市组织实施了高温碳晶电采暖示范应用项目。

该示范应用项目自2015年1月10日开始施工，2015年1月26日完工，总工期17天。完成分散式电采暖替代面积20 234.28 m2，共计1 176台，总功率2 021.2 kW。配套建设有综合智能优化监控系统，经现场竣工验收与试运行，该示范项目所有碳晶电暖器均质量合格，系统安全可靠，运行平稳，监测控制灵活，用能决策高效。

2.2 数据分析

本示范应用研究项目由国家电网公司系统某电力有限公司决策提出并作为项目业主，国家电网公司系统某节能服务有限公司作为具体实施主体，全面承担项目的组织实施、开发建设、综合管理与应用分析研究。

该项目按节能服务类合同能源管理方式开展。预测改造替代后年运行费用（包括电费）约120万元，较以前直燃煤锅炉采暖年运行总成本138万元，节约18万元。预测该项目年度收益约37万元，静态投资回收期为5.50年。表1为直燃煤与碳晶电暖器应用采样、监测比较分析，采样周期:2015年2月2日—4月2日。

表1 直燃煤与碳晶电暖器采暖应用采样、监测对比分析

（1）该应用示范项目在控制系统的基础上开发，装设有能源综合智能管理分析与决策系统。可根据室内人员数量、年龄、体重，需求室温（个人舒适度匹配信息）分析计算时段温控模型，并依据温控模型实现碳晶采暖功率综合智能控制。表2为是否加装能源综合管理决策系统采样、监测分析，采样周期:2015年2月2日—4月2日。

表2 是否加装能源综合管理决策系统采样、监测对比分析

（2）通过设置、安装空气环境自动采样探头，根据采集到的动态实时使用环境、条件与功能数据，同时，结合供暖需求与特点制定加热（采暖）智能工作曲线，实现优化用能。

根据使用外部环境、条件与功能数据，同时，结合供暖需求与特点，智能优化形成动态采暖控制曲线如图3。

图3 动态采暖控制曲线

由图3可分析得知，随着外部环境温度的逐步降低，综合智能优化控制系统会调节碳晶电暖器的发热功率，（即:发热功率逐步升高），这将实现动态优化，逐步使室内采暖温度保持平衡。图4为动态采暖控制曲线。

由图4可分析得知，随着居住需求温度的逐步降低，综合智能优化控制系统会调节碳晶电暖器的发热功率，（即:发热功率逐步降低），这将实现动态优化，逐步使室内采暖温度保持平衡。

（3）采暖供热系统首次嵌入红外人感传感器，当检测到房间内无人超过一定时间（如:30 min），时间参数可动态设定，可暂停碳晶电暖器继续工作，实现间歇式动态采暖跟踪控制。

（4）灵活组合运行方法和控制策略，设置各式门禁限制开启模式，如:正值碳晶电暖器高效运行时，进出房门被打开，不断有冷气进入，在报警提示无果，合理时间间隔（等待时间）后将启动节能模式（即停止采暖模式，关闭碳晶电暖器）。

图4 动态采暖控制曲线

2.3 控制系统功能优化

通过对华北地区某示范项目碳晶电采暖及其控制系统的应用研究、实施对比与分析、运行数据的统计归纳，对碳晶电采暖工程及其控制系统提出提升与改善设想，从持续优化性能特征与综合智控方向展望如下。

（1）模糊预算温控程序，实现采暖控制系统的提前开启，与供暖需求结束前的智能关闭，全面补偿温控时滞问题。

（2）通过闭环调节与控制，可实现在所需采暖温度下的恒温运行，实现特殊采暖供热需求。

（3）拓展延伸功能，应逐步实现物联网系统概念的引入与融合，打造智能家居采暖全新模式。

（4）设计配置有人体温度、舒适度分析控制传感器，可对室内采暖环境实现智能测控与辨识，达到诸如阶梯功率、强对流、低启高停（断开）等智能控制。

综上所述，碳晶电采暖示范项目无论从经济、节能、环保，还是运行维护与控制，以及工程技术实现上看，均取得了良好效果，地区适应性强，非常适合大面积推广使用。

3 经济效益分析

3.1 综合性评价

为优化计算与分析，以本次示范应用项目为例，进行比例换算与条件修正。选取相关参数值如下:综合供暖建筑面积100 000 m2，采暖季150天，平均运行热负荷35 W/m2。集中采暖全天供暖，按3 400 h计算，供暖价格28元/m2。居民分散式电采暖按照1 750 h计算（工作日14 h/天，周末及节假日24 h/天，合计2 500 h，考虑到综合智能优化控制系统会主动关闭无人房间的采暖，实现动态管控与用能调节，取使用系数0.7，折算后为1 750 h）。经综合分析计算后得出表3为碳晶电采暖与集中供热经济对比。

表3 碳晶电采暖与集中供热经济对比表（销售电价情况下）元/kWh

碳晶电采暖系统经综合运用与实践，测算分析其电价临界值（边际运行电价）为:0.344 4元/kWh，其综合经济性评价为中等。

3.2 示范项目经济性分析

本文就示范应用项目联合开展了近2个月的运行监测与数据采样，经统计分析与计算，结果显示该示范项目本季（实际采暖运行约2个月）运行费用约63万元，比改造前（直燃煤锅炉）综合运行维护总费用节约9万元左右。期间共节约燃煤消耗约1 000 t，减少燃煤污染物排放量:粉尘245.57 t，CO2900.45 t，SO227.11 t，NOx14.02 t。

电采暖综合智能管控系统模式施工安装方便，组态灵活，运行控制简捷，启停方便，热效率高，无污染且经济实用。

4 结论与建议

4.1 结论

碳晶取暖成本下降明显，经济效益突出；很适合用户分散，单个采暖面积小、遥远、偏僻的采暖用户改造使用；通过综合智能优化控制系统的监测与控制，碳晶电采暖能够实现精确供暖与用能管理；系统无明火，无其它特殊介质；运行稳定可靠，是安全环保的采暖方式。

4.2 建议

从以上碳晶电采暖及其综合能耗智能管控系统的分析研究与实践证实，采用碳晶电采暖是目前一项经济性一般、社会与环保效益十分明显的技术工程。为更好地推动与发展碳晶电采暖，还应重点发展与解决如下事项:努力拓宽政府沟通渠道，争取出台更多实质性的补贴或电价优惠政策，促进碳晶电采暖工作深入开展；应着力强化配电网的规划与建设，为碳晶电采暖的大范围推广使用奠定良好的接入条件与充足电能容量；加强碳晶电采暖及其控制系统的新设备、新产品适用性及经济性分析论证与测算工作，为工程推广实施夯实技术基础；要加强政府、企业、个人及社区等相关方的协调，为碳晶电采暖的实施打通流程与手续限制。D

［1］ 李武，靳治良，张志宏.无机晶须材料的合成与应用［J］.化学进展，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